垃圾發(fā)電廠鍋爐受熱面積灰結(jié)焦特性及清灰裝置的應(yīng)用

鄒金生，王志強

(1．深圳市能源環(huán)保有限公司，廣東 深圳 518052;2．山東大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院，山東 濟南 250061)

0 引言

近幾年，生活垃圾焚燒發(fā)電技術(shù)在我國的應(yīng)用日益成熟，該技術(shù)最大限度地實現(xiàn)了城市生活垃圾處理的無害化、減量化和資源化，正受到我國各級地方政府的高度關(guān)注。2011年3月，國務(wù)院召開進(jìn)一步加強城市生活垃圾處理的專題工作會議，鼓勵對生活垃圾采用焚燒發(fā)電等資源化利用方式進(jìn)行處理。2012年3月，國家發(fā)改委下發(fā)了發(fā)改價格〔2012〕801號文《國家發(fā)展改革委關(guān)于完善垃圾焚燒發(fā)電價格政策的通知》。隨著國家相關(guān)鼓勵引導(dǎo)性政策法規(guī)的頒布，垃圾焚燒發(fā)電項目將進(jìn)入新一輪發(fā)展高潮。

垃圾焚燒產(chǎn)生的煙氣中含有大量粉塵，粉塵細(xì)小、黏結(jié)性強，容易在余熱鍋爐受熱面上積灰、結(jié)焦，影響鍋爐受熱面的傳熱效果，導(dǎo)致鍋爐出力降低。目前，我國投運的垃圾發(fā)電廠絕大多數(shù)每次連續(xù)運行3個月左右就會因鍋爐受熱面積灰、結(jié)焦嚴(yán)重和鍋爐出口排煙溫度過高而不得不停爐清灰，無法實現(xiàn)機組的長周期運行，不但影響了垃圾發(fā)電廠正常的運行，降低了余熱鍋爐熱效率，而且影響了發(fā)電廠的經(jīng)濟效益。因此，解決好鍋爐受熱面積灰、結(jié)焦問題是垃圾發(fā)電廠最基本的，也是必須解決的問題。

1 垃圾發(fā)電廠鍋爐受熱面積灰結(jié)焦特性

生活垃圾發(fā)電廠接收的生活垃圾在垃圾儲倉內(nèi)經(jīng)短時間發(fā)酵后，通過垃圾吊車送至焚燒爐，垃圾在焚燒爐內(nèi)燃燒產(chǎn)生高溫?zé)煔?，高溫?zé)煔馔ㄟ^余熱鍋爐受熱面回收熱量。通常焚燒爐和余熱鍋爐是2個完全獨立的裝置。生活垃圾中含有一定的堿金屬元素(主要是鉀、鈉等)和有機物質(zhì)，垃圾在焚燒爐內(nèi)焚燒過程中因高溫裂解而產(chǎn)生的灰粒和焦油以微粒形態(tài)存在于煙氣中，微粒隨著煙氣向余熱鍋爐擴散。高溫?zé)煔饬鹘?jīng)余熱鍋爐時，各受熱面進(jìn)行熱量交換，煙氣溫度會逐漸降低。如果微粒因煙溫較低在接觸受熱面時已凝固，則沉積在受熱面管壁面上呈疏松狀態(tài)，形成積灰;如果煙氣中的微粒在接觸受熱面管壁面(如水冷壁、蒸發(fā)管屏、過熱器管屏等)時仍呈熔化狀態(tài)，則這些熔化或部分熔化的顆粒會逐漸黏附在管壁上，形成緊密的結(jié)焦層。

鍋爐受熱面積灰結(jié)焦沾污后，水冷壁、蒸發(fā)管屏、過熱器、省煤器的換熱能力降低，鍋爐出口煙氣溫度升高，鍋爐換熱效率降低。鍋爐出口煙氣溫度升高將導(dǎo)致煙氣處理系統(tǒng)負(fù)荷加大，設(shè)備運行壽命減短，煙氣凈化能力下降;特別是布袋除塵器的布袋對運行環(huán)境溫度要求嚴(yán)格，鍋爐出口煙氣溫度超過設(shè)計極限后，系統(tǒng)必須停止運行。在換熱作用減弱的情況下，為了維持同樣的蒸發(fā)量需要添加更多的燃料，使送、引風(fēng)機負(fù)荷增加。但焚燒爐焚燒能力和通風(fēng)設(shè)備設(shè)計容量有限，積灰、結(jié)焦情況下容易發(fā)生煙氣通道的局部堵塞，爐內(nèi)可能產(chǎn)生正壓;煙氣通道堵塞嚴(yán)重時，將造成局部煙氣流速過高，吹損傳熱管，導(dǎo)致鍋爐爆管停爐的惡性事故發(fā)生。此外，黏結(jié)在水冷壁或高溫過熱器上的灰、焦會與管壁發(fā)生復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)，形成高溫腐蝕。為了有效減少鍋爐積灰、結(jié)焦，實現(xiàn)安全、穩(wěn)定運行，應(yīng)結(jié)合各鍋爐的結(jié)構(gòu)特點設(shè)計選擇相應(yīng)的清灰裝置。

2 垃圾發(fā)電廠鍋爐主要清灰方式及其應(yīng)用

2．1 聲波清灰

聲波吹灰(如圖1和圖2所示)是通過聲波發(fā)生器將壓縮空氣或高壓蒸汽調(diào)制成聲波，將壓縮空氣的能量轉(zhuǎn)化為聲能(聲波)。聲波在彈性介質(zhì)(爐內(nèi)空間)里傳播，聲波循環(huán)往復(fù)地作用在換熱表面的積灰上，對灰粒之間及灰粒和管壁之間的結(jié)合力起到減弱和破壞的作用。聲波持續(xù)工作，那種結(jié)合力必然會不斷減弱，當(dāng)它減弱到一定程度后，由于灰粒本身所受的重力或煙氣沖刷力的作用，灰粒會掉下來或被煙氣帶走。聲波除灰裝置具有以下特點:聲波具有反射、衍射、繞射的特性，無論受熱面管排如何布置，只要在聲波有效作用范圍內(nèi)，聲波總可以清除管排間及管排背后的積灰，不留死角;聲波清灰以空氣為介質(zhì)，不會引起腐蝕;聲波清灰是利用較小能量的循環(huán)往復(fù)作用而達(dá)到清灰的目的，不會使管壁受損。但聲波吹灰器振動膜片制造難度大，造價高，需不斷更換，維護(hù)工作量大，持續(xù)150dB以上的噪聲對人體有害，對于黏結(jié)性較強積灰的清除效果一般，因此，在垃圾發(fā)電廠中，聲波清灰技術(shù)應(yīng)用較少。

2．2 蒸汽吹灰

蒸汽吹灰器通過噴嘴噴出高溫、高壓蒸汽，直接對鍋爐受熱面灰、焦進(jìn)行清除，有效吹灰半徑為1．5～2．0m。蒸汽吹灰器主要有長伸縮式和固定旋轉(zhuǎn)式2種。長伸縮式吹灰器(如圖3所示)主要設(shè)置在高溫?zé)煔鈪^(qū)域，如蒸發(fā)管屏和過熱器區(qū)域，吹灰時吹灰管和噴頭一面旋轉(zhuǎn)，一面伸入煙道。為了防止噴槍高溫?zé)龘p，噴槍只有在吹灰器運行中才旋轉(zhuǎn)伸入爐內(nèi)，因此，長伸縮式吹灰器需要較大的設(shè)備布置空間和檢修平臺。固定旋轉(zhuǎn)式吹灰器(如圖4所示)主要設(shè)置在低溫?zé)煔鈪^(qū)域，如低溫蒸發(fā)器、省煤器區(qū)域，噴槍固定安裝在爐內(nèi)，因此，布置空間較小。蒸汽吹灰的優(yōu)點是:吹灰介質(zhì)壓力高，噴射速度大，能清除黏附性較強的積灰。其缺點是:一次性投資較大，設(shè)備故障率相對較高，吹灰槍管易發(fā)生卡澀、漏汽等;吹掃有死角，清灰不完全;需消耗蒸汽，運行費用高;還會增加煙氣中的含氧量或水分并增加鍋爐的排煙量。

2．3 激波吹灰

激波吹灰(如圖5和圖6所示)是通過管路將空氣和可燃?xì)怏w(乙炔)在特制的混合點火罐內(nèi)充分混合，通過另一端與激波發(fā)生器相連的混合氣體導(dǎo)管將混合好的可燃?xì)怏w輸送至激波發(fā)生器中，隨后在點火罐內(nèi)點火，引爆發(fā)生器內(nèi)的混合氣體，由于爆燃?xì)怏w體積瞬間急劇膨脹，產(chǎn)生的強大爆燃?xì)饬骷彼賶嚎s空氣，產(chǎn)生一個能量間斷面，也就是激波。激波噴射到鍋爐的受熱面上，劇烈變動的壓力縱波對積灰產(chǎn)生一種“先推后拉”的作用，使受熱面上的積灰受激波的沖擊作用而破碎、剝落，脫離積灰基底。同時，激波在受熱面上發(fā)生物理界面折射與反射，折射的激波將能量傳入受熱面積灰的內(nèi)部，導(dǎo)入積灰中的折射波還會在積灰體中產(chǎn)生橫波，這些橫波在積灰基底上的反射和入射波的相互作用使積灰與積灰基底之間的結(jié)合面產(chǎn)生剪力，使積灰與基底分離。通過控制激波的能量，可處理不同類型鍋爐和不同類型換熱設(shè)備上的積灰，使受熱面上的積灰在足夠強度的激波沖擊下脫落。混合氣體爆燃和激波產(chǎn)生的高溫可達(dá)1500℃以上(乙炔的爆燃速度為2100m/s，6倍于聲速)，可將堅硬的積灰外殼軟化，對黏性灰、焦的處理效果更佳，混合氣體的爆燃聲響經(jīng)壓縮波的疊加能夠產(chǎn)生150～160 dB的聲波，在聲波干擾作用下可將激波過后殘余破碎的灰垢振落。激波吹灰的優(yōu)點是吹灰效率高、適應(yīng)性廣、系統(tǒng)簡單(無轉(zhuǎn)動機械)、可靠性高、不需要經(jīng)常維護(hù)、結(jié)構(gòu)尺寸小、占用空間小且運行費用較低。其缺點是存在一定的安全隱患，噴吹后煙氣倒灌容易腐蝕噴嘴和管道，噴嘴附近的受熱面管子容易受損，需進(jìn)行適當(dāng)保護(hù)。

2．4 機械振打

機械振打裝置(如圖7所示)以電動機為動力，順序?qū)﹀仩t受熱面聯(lián)箱進(jìn)行錘擊，在錘擊的一瞬間使受熱面產(chǎn)生強烈的振動，黏附的積灰受到反復(fù)的應(yīng)力作用而產(chǎn)生微小裂痕，直到積灰的附著力遭到破壞而脫落。機械振打的優(yōu)點是消耗動力少，而且不會對煙氣增加額外的介質(zhì)，但缺點是對鍋爐受熱面聯(lián)箱角焊縫的使用壽命和強度有一定程度的不良影響。

2．5 清灰裝置在垃圾發(fā)電廠的應(yīng)用情況

以上幾種清灰方式都在實踐中有廣泛使用，對于垃圾發(fā)電廠余熱鍋爐，應(yīng)根據(jù)其結(jié)構(gòu)形式而選用適當(dāng)清灰裝置。

我國早期建設(shè)的垃圾發(fā)電廠多是引進(jìn)國外垃圾焚燒發(fā)電技術(shù)而建成的，其中:法國阿爾斯通、日本三菱、日本荏原公司設(shè)計的余熱鍋爐尾部受熱面(蒸發(fā)管屏、過熱器、省煤器)為蛇形管結(jié)構(gòu)，選用蒸汽吹灰的清灰方式，如上海浦東垃圾發(fā)電廠、廣州李坑垃圾發(fā)電廠、太原東山垃圾發(fā)電廠等;比利時西格斯公司設(shè)計的余熱鍋爐尾部受熱面設(shè)計為上下聯(lián)箱結(jié)構(gòu)，選用機械振打的清灰方式，如深圳南山垃圾發(fā)電廠、蘇州垃圾發(fā)電廠等。上述2種清灰裝置均存在設(shè)備造價高、清灰效果有限的不足:蒸汽吹灰需消耗蒸汽，運行成本高;長期機械振打，受熱管屏下集箱角焊縫處容易產(chǎn)生裂紋，鍋爐發(fā)生泄漏的幾率加大。

圖5 脈沖激波吹灰示意圖

隨著我國垃圾焚燒發(fā)電技術(shù)的引進(jìn)、消化、吸收和創(chuàng)新，國產(chǎn)垃圾焚燒爐技術(shù)已趨成熟，同時大量借鑒了火電鍋爐的先進(jìn)技術(shù)，將聲波和激波清灰技術(shù)應(yīng)用在了垃圾發(fā)電廠余熱鍋爐受熱面清灰上。其中，聲波清灰技術(shù)不適應(yīng)清除垃圾焚燒鍋爐上的黏結(jié)性積灰，清灰效果不理想，該技術(shù)推廣應(yīng)用較少;激波清灰技術(shù)清除垃圾鍋爐黏結(jié)性積灰的效果明顯，推廣應(yīng)用較為成功，如宜興垃圾發(fā)電廠、湖州垃圾發(fā)電廠等。

3 垃圾發(fā)電廠清灰系統(tǒng)的技術(shù)改造

3．1 基本情況

深圳某垃圾發(fā)電廠設(shè)計垃圾焚燒處理規(guī)模為800 t/d，2005年建成投產(chǎn)，共設(shè)2條焚燒處理線，焚燒爐選用比利時西格斯公司的機械爐排爐，余熱鍋爐外方設(shè)計、國內(nèi)制造(臥式，中溫中壓蒸汽參數(shù)為400℃/4．0MPa)。鍋爐受熱面由2部分組成，第1部分為3個垂直布置的輻射煙道和水平布置的第4煙道組成的輻射受熱面(膜式水冷壁)，第2部分為對流受熱面，布置在水平煙道內(nèi)，包括2組蒸發(fā)管系、3組過熱器、2組省煤器，對流受熱面均為管屏結(jié)構(gòu)，管屏上、下均設(shè)置了小聯(lián)箱。鍋爐清灰采用的是比利時西格斯公司配套進(jìn)口的機械振打裝置，振打裝置順序振打各對流受熱面管屏下聯(lián)箱。技術(shù)改造前清灰運行方式為:每個對流受熱面下聯(lián)箱每3 h振打2次。

3．2 存在的問題

清灰效果不理想，振打裝置不能將鍋爐受熱面上的積灰徹底清除，焚燒線系統(tǒng)運行3個月左右就會因受熱面積灰、結(jié)焦嚴(yán)重而停爐，致使機組無法長周期連續(xù)運行，直接影響全廠經(jīng)濟收益。

蒸發(fā)器、過熱器、省煤器下聯(lián)箱與管子連接處的角焊縫長時間受到振打裝置的沖擊，導(dǎo)致焊縫過度疲勞，角焊縫處易產(chǎn)生裂紋。在近幾年的運行中，此處發(fā)生多次泄漏且泄漏頻率逐年增加，由此導(dǎo)致機組多次非計劃停爐;該位置空間狹小，維修困難，停爐時間長，經(jīng)濟損失大。

3．3 技術(shù)改造方案

針對電廠存在的積灰問題，改造的方案是在原有振打清灰裝置的基礎(chǔ)上增加1套激波清灰裝置，在鍋爐尾部水平煙道各受熱面管屏空隙區(qū)域上、中、下布置3層，共7組21個點(如圖8和圖9所示)，選用北京某公司BGG組合分布式高效智能控制燃?xì)饧げù祷蚁到y(tǒng)。通過機械振打與激波清灰相結(jié)合的清灰方式，改變機械振打清灰效果不理想的情況，提高鍋爐熱效率，解決鍋爐因積灰嚴(yán)重而影響正常運行的問題;減輕振打?qū)φ舭l(fā)器、過熱器、省煤器管屏下聯(lián)箱角焊縫的沖擊而減少泄漏。技術(shù)改造于2009年10月全廠停爐檢修期間同期實施。

3．4 改造后運行情況

經(jīng)過一段時間的運行摸索，改造后清灰運行方式為:激波清灰裝置每點每8h噴吹2～3次，機械振打裝置每10 h對每個下聯(lián)箱振打1次，明顯減少了下聯(lián)箱的振打頻率。

圖11 技術(shù)改造后受熱面積灰情況

改造后鍋爐受熱面各項數(shù)據(jù)明顯好于技術(shù)改造前。機組連續(xù)運行3個月后停爐檢查，改造前受熱面管屏積灰嚴(yán)重(如圖10所示)，改造后受熱面管屏積灰較輕(如圖11所示);改造前機組無法實現(xiàn)長周期、連續(xù)運行，每3個月左右就會因積灰、結(jié)焦嚴(yán)重而必須停爐清灰，改造后機組最長運行時間達(dá)到284 d，大大減少了檢修次數(shù)，延長了機組的運行時間，全廠經(jīng)濟效益明顯提高。經(jīng)過對清灰系統(tǒng)2年多來運行情況的總結(jié)，認(rèn)為此次技術(shù)改造解決了困擾該廠余熱鍋爐受熱面管屏積灰、結(jié)焦和振打爆管的難題，激波吹灰裝置和機械振打裝置結(jié)合使用清灰效果良好。

4 結(jié)束語

生活垃圾的特性決定了垃圾發(fā)電廠積灰具有較強的黏結(jié)性，受熱面積灰結(jié)焦會大大降低傳熱效果，因此，選用有針對性的清灰裝置，有效解決受熱面積灰、結(jié)焦問題，可提高機組的安全性和運行周期，從而取得良好的經(jīng)濟效益和社會效益。

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