锅炉水冷壁提质增容改造技术应用研究

2021-10-23李清伍

新型工业化 2021年7期

李清伍

（广州环投增城环保能源有限公司，广东广州 511335）

0 引言

生活垃圾焚烧发电技术是通过垃圾在高温下与空气中的氧气发生剧烈化学反应，释放热能，热能再经过余热锅炉进行回收发电，以实现资源循环利用。由于可以做到减量化、无害化、资源化处理生活垃圾，所以目前获得广泛采用[1]。

我国早期的垃圾焚烧炉由于考虑到国内生活垃圾热值低含水率高的特点，为使垃圾能更好地燃烧，通常焚烧炉炉膛都采用绝热炉膛结构，随着社会发展和经济水平的提高，城市生活垃圾热值有了大幅的提高，导致焚烧炉的容积热负荷整体上升，焚烧炉膛温度高于1100℃，造成炉膛结焦、炉墙损坏等问题，对锅炉的整体安全、经济运行造成影响。因此，有必要在锅炉水冷壁改造方面做技术研究，优化解决该问题。

1 提出问题与分析

某电厂配备3台日处理能力750吨的生活垃圾焚烧炉排炉，3台中温、中压、单汽包自然循环卧式水管锅炉，设计热值6800k J/kg，配套烟气处理系统为国内首批采用双脱酸、双脱硝处理工艺，处理后环保排放指标优于《生活垃圾焚烧污染控制标准》（GB18485-2014）。于2018年调试运行，投产后根据近两年的运行数据，目前的生活垃圾热值平均值约9500k J/kg，远高于当初的设计热值（6800k J/kg），导致焚烧炉炉温偏高，长期运行在1150℃以上，最高达1200℃。长周期持续的超高温运行，致使锅炉结焦严重、炉墙经常局部损坏。炉温高严重影响焚烧炉和余热锅炉的安全、稳定、经济运行：（1）焚烧炉墙结焦严重，锅炉经常掉焦，严重时锅炉MFT保护动作、除渣机频繁堵塞；（2）焚烧炉炉墙经常局部烧坏，甚至存在坍塌的重大安全隐患；（3）锅炉换热面烟气腐蚀性加剧，三管减薄速度加剧，存在泄漏的安全隐患。

1.1 问题分析

垃圾品质变化的影响。该电厂处理的生活垃圾内部含有工业垃圾及边角料、垃圾含水率大幅低于设计值，设计垃圾热值为6800k J/kg，实际热值为9500k J/kg左右，远远高于锅炉设计值，导致锅炉炉膛出口温度高达1150℃，远高于设计值961.8℃，甚至高于灰软化温度1100温度，所以炉膛结焦严重。

焚烧炉设计的影响。该电厂焚烧炉燃烧室设计为顺流式、炉拱形式为单前拱，无后拱。存在问题：锅炉在运行过程中，炉膛设计无后拱，没有布置水冷壁吸热，辐射热不能及时被带走，热量直接作用于垃圾表面助燃，大量热量集中在前后拱区域，导致该区域热量集中，结焦严重、焚烧炉墙经常烧坏。技术分析：垃圾在炉膛内充分燃烧的关键是高温烟气的紊流程度，为达到最佳焚烧效果，炉膛的设计非常关键；炉膛的设计主要是炉膛形状和尺寸，炉拱作为燃烧室的组成部分，其作用十分重要，也是炉膛设计的关键，炉拱正常由前拱和后拱组成；炉拱具有储存热量和辐射热量的功能，其基本设计依据是辐射与对流原理；按照垃圾与烟气的运动方向，可将燃烧室分为顺流式、逆流式与混流式，目前较少采用顺流式燃烧室，多采用混流式燃烧室；因为垃圾是以挥发分燃烧为主，容易着火，逆流和混流两种形式的燃烧室前拱均采用斜面式拱且不设前拱下的着火拱，以增强前拱的辐射热，并促使烟气向前流动，直接对新进入的垃圾进行对流加热，后拱采用长而尽量低的斜面式拱，将后拱下产生的烟气引导至炉前方，增强着火区、燃烧区的辐射热及对流换热。这方面的研究聂永丰教授等进行过数值模拟研究提出：既要保证炉膛空间良好的火焰充满度，又要使喉口位置烟气瑞流效果强烈，充分发挥炉拱的辐射及对流传热的效果，使燃烧区和燃尽区垃圾产生的挥发分气体和固定碳都得到充分燃烧，前拱不动，后拱后移0.5m时可以实现最佳的炉膛流场工况[2-3]。

燃烧配风的影响。该电厂烟气净化采用全球领先的工艺技术，即“SNCR+半干法+活性炭喷射+袋式除尘器+湿法+SCR”，实现双脱酸双脱硝，烟气排放指标优于欧盟2010标准。烟气处理效率的提高，同时也带来了烟气系统设计复杂、系统阻力大的问题，引风机设计功率为2000kw、全压15k Pa，所以为了减少系统阻力、尽量降低烟气流速，以维持锅炉的正常稳定运行，锅炉燃烧实际配风量明显低于设计风量，省煤器出口氧量约为3%（设计为6%）。锅炉燃烧风量偏小带来的问题：一方面会造成烟气中一氧化碳含量偏高，降低了无机物灰渣熔点，增加了炉壁结焦的趋势；另一方面，二次风投入量偏少，氧量长期偏低，会使垃圾中的未燃烧颗粒在经过焚烧炉出口时，容易因重量问题而产生大面积沉积，在喉部上方结焦，并增加飞灰在喉部的沉积结焦的趋势。炉墙结焦加剧又增加了水冷壁吸热的阻力，导致炉膛水冷壁吸热能力下降，炉膛出口烟温升高，后续还将加剧对流换热面的高温腐蚀，影响过热器的安全运行[4-5]。

1.2 解决方案

根据上述分析，为解决炉温高导致炉墙频繁损坏和锅炉结焦的问题，决定采取对焚烧炉和余热锅炉进行水冷壁增容改造，将空冷炉墙取消，将水冷壁下拉，侧墙和后墙均改造为水冷炉墙，并增加后拱。以提高焚烧炉的垃圾热值适应能力和设备整体可靠性安全性，提高垃圾处理量提高经济性。

2 锅炉水冷壁增容改造实施

2021年1月对3号锅炉进行提质增容改造，改造目标：将焚烧炉两侧墙和后墙耐火砖炉墙大部分取消，将余热锅炉水冷壁下拉替换炉墙，增加换热面积，一方面可增加吸热量降低炉膛温度提高经济性，另一方面大量取消耐火砖炉墙可提高焚烧炉整体可靠性安全性，有效消除炉墙坍塌的重大安全隐患。

2.1 改造前的设计和问题

焚烧炉区域前拱区域设置水冷壁，左侧、右侧、后墙为焚烧炉炉墙，未设置水冷壁，炉墙结焦、损坏频繁，。

图1 炉墙结焦及损坏情况图

2.2 改造内容

（1）拆除一通道两侧墙及后墙原水冷壁下集箱及以下的砖墙部分，两侧墙水冷壁将延伸至炉排上方约1米的位置，余下部分将用砖墙过渡；（2）膜式水冷壁底部采用膨胀节与砖墙连接，保证炉膛的膨胀不受影响，同时做好接口密封配合；（3）改造后介质将从每侧下降管各引数路支管，进入炉底新增的水冷壁进口集箱，通过膜式壁后，由出口集箱汇合并接入原上部水冷壁侧墙管中；（4）新增的膜式壁将覆盖原砖墙尽量大的范围，同时在炉内向火侧敷设耐火烧注料，以减少此部分膜式壁吸热，避免对一通道炉膛烟温产生较大的影响；（5）新增膜式壁荷载通过原上部水冷壁和钢结构承受，新增管道及集箱通过支吊架将承载在钢结构上。

2.3 改造设计

（1）水冷壁设计、制造满足《锅炉安全技术监察规程》；（2）炉膛设计压力：±5800Pa，最大瞬时承载压力：±8700Pa；（3）焚烧炉左右侧墙、后墙的管屏、集箱及引入引出管：设计压力P=4.664MPa、工作压力4.40MPa、水压试验压力Psw=6.6MPa，设计温度t=271℃、出口工作温度t=257℃。

2.4 改造实施

（1）拆除空冷炉墙。拆除焚烧炉两侧墙及后墙的绝热砖墙部分，两侧墙水冷壁将延伸至炉排上方约1米的位置；（2）安装膜式水冷壁。将一通道下部炉膛两侧墙及后墙水冷壁下拉，加装膜式水冷壁。

图2 水冷壁改造图

3 改造结果

本次3号锅炉水冷壁增容改造于2021年1月底完成，改造后运行至今，焚烧炉运行状况安全可靠。从运行数据看，焚烧炉炉膛温度降至1100～1140℃，焚烧炉结焦情况有所好转，解决了炉墙损坏停炉检修的问题，锅炉垃圾处理量和全厂发电量都有提升，锅炉经济性提高。

3.1 改造投资分析

（1）改造前炉墙损坏检修维护费用每年约为200万元，每年炉墙检修导致锅炉停运损失约为120万元，总共增加生产成本每年约320万元；（2）本次3号锅炉水冷壁增容改造预算500万元，改造时间安排在锅炉A修期间进行，故不产生锅炉机组停运损失，总计该次改造费用约为500万元；（3）每年的经济收益约350万元，两年内可回收投资成本。