鍋爐水冷壁提質(zhì)增容改造技術(shù)應(yīng)用研究

李清伍

（廣州環(huán)投增城環(huán)保能源有限公司，廣東 廣州 511335）

0 引言

生活垃圾焚燒發(fā)電技術(shù)是通過(guò)垃圾在高溫下與空氣中的氧氣發(fā)生劇烈化學(xué)反應(yīng)，釋放熱能，熱能再經(jīng)過(guò)余熱鍋爐進(jìn)行回收發(fā)電，以實(shí)現(xiàn)資源循環(huán)利用。由于可以做到減量化、無(wú)害化、資源化處理生活垃圾，所以目前獲得廣泛采用[1]。

我國(guó)早期的垃圾焚燒爐由于考慮到國(guó)內(nèi)生活垃圾熱值低含水率高的特點(diǎn)，為使垃圾能更好地燃燒，通常焚燒爐爐膛都采用絕熱爐膛結(jié)構(gòu)，隨著社會(huì)發(fā)展和經(jīng)濟(jì)水平的提高，城市生活垃圾熱值有了大幅的提高，導(dǎo)致焚燒爐的容積熱負(fù)荷整體上升，焚燒爐膛溫度高于1100℃，造成爐膛結(jié)焦、爐墻損壞等問題，對(duì)鍋爐的整體安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行造成影響。因此，有必要在鍋爐水冷壁改造方面做技術(shù)研究，優(yōu)化解決該問題。

1 提出問題與分析

某電廠配備3臺(tái)日處理能力750噸的生活垃圾焚燒爐排爐，3臺(tái)中溫、中壓、單汽包自然循環(huán)臥式水管鍋爐，設(shè)計(jì)熱值6800k J/kg，配套煙氣處理系統(tǒng)為國(guó)內(nèi)首批采用雙脫酸、雙脫硝處理工藝，處理后環(huán)保排放指標(biāo)優(yōu)于《生活垃圾焚燒污染控制標(biāo)準(zhǔn)》（GB18485-2014）。于2018年調(diào)試運(yùn)行，投產(chǎn)后根據(jù)近兩年的運(yùn)行數(shù)據(jù)，目前的生活垃圾熱值平均值約9500k J/kg，遠(yuǎn)高于當(dāng)初的設(shè)計(jì)熱值（6800k J/kg），導(dǎo)致焚燒爐爐溫偏高，長(zhǎng)期運(yùn)行在1150℃以上，最高達(dá)1200℃。長(zhǎng)周期持續(xù)的超高溫運(yùn)行，致使鍋爐結(jié)焦嚴(yán)重、爐墻經(jīng)常局部損壞。爐溫高嚴(yán)重影響焚燒爐和余熱鍋爐的安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行：（1）焚燒爐墻結(jié)焦嚴(yán)重，鍋爐經(jīng)常掉焦，嚴(yán)重時(shí)鍋爐MFT保護(hù)動(dòng)作、除渣機(jī)頻繁堵塞；（2）焚燒爐爐墻經(jīng)常局部燒壞，甚至存在坍塌的重大安全隱患；（3）鍋爐換熱面煙氣腐蝕性加劇，三管減薄速度加劇，存在泄漏的安全隱患。

1.1 問題分析

垃圾品質(zhì)變化的影響。該電廠處理的生活垃圾內(nèi)部含有工業(yè)垃圾及邊角料、垃圾含水率大幅低于設(shè)計(jì)值，設(shè)計(jì)垃圾熱值為6800k J/kg，實(shí)際熱值為9500k J/kg左右，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于鍋爐設(shè)計(jì)值，導(dǎo)致鍋爐爐膛出口溫度高達(dá)1150℃，遠(yuǎn)高于設(shè)計(jì)值961.8℃，甚至高于灰軟化溫度1100溫度，所以爐膛結(jié)焦嚴(yán)重。

焚燒爐設(shè)計(jì)的影響。該電廠焚燒爐燃燒室設(shè)計(jì)為順流式、爐拱形式為單前拱，無(wú)后拱。存在問題：鍋爐在運(yùn)行過(guò)程中，爐膛設(shè)計(jì)無(wú)后拱，沒有布置水冷壁吸熱，輻射熱不能及時(shí)被帶走，熱量直接作用于垃圾表面助燃，大量熱量集中在前后拱區(qū)域，導(dǎo)致該區(qū)域熱量集中，結(jié)焦嚴(yán)重、焚燒爐墻經(jīng)常燒壞。技術(shù)分析：垃圾在爐膛內(nèi)充分燃燒的關(guān)鍵是高溫?zé)煔獾奈闪鞒潭?，為達(dá)到最佳焚燒效果，爐膛的設(shè)計(jì)非常關(guān)鍵；爐膛的設(shè)計(jì)主要是爐膛形狀和尺寸，爐拱作為燃燒室的組成部分，其作用十分重要，也是爐膛設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，爐拱正常由前拱和后拱組成；爐拱具有儲(chǔ)存熱量和輻射熱量的功能，其基本設(shè)計(jì)依據(jù)是輻射與對(duì)流原理；按照垃圾與煙氣的運(yùn)動(dòng)方向，可將燃燒室分為順流式、逆流式與混流式，目前較少采用順流式燃燒室，多采用混流式燃燒室；因?yàn)槔且該]發(fā)分燃燒為主，容易著火，逆流和混流兩種形式的燃燒室前拱均采用斜面式拱且不設(shè)前拱下的著火拱，以增強(qiáng)前拱的輻射熱，并促使煙氣向前流動(dòng)，直接對(duì)新進(jìn)入的垃圾進(jìn)行對(duì)流加熱，后拱采用長(zhǎng)而盡量低的斜面式拱，將后拱下產(chǎn)生的煙氣引導(dǎo)至爐前方，增強(qiáng)著火區(qū)、燃燒區(qū)的輻射熱及對(duì)流換熱。這方面的研究聶永豐教授等進(jìn)行過(guò)數(shù)值模擬研究提出：既要保證爐膛空間良好的火焰充滿度，又要使喉口位置煙氣瑞流效果強(qiáng)烈，充分發(fā)揮爐拱的輻射及對(duì)流傳熱的效果，使燃燒區(qū)和燃盡區(qū)垃圾產(chǎn)生的揮發(fā)分氣體和固定碳都得到充分燃燒，前拱不動(dòng)，后拱后移0.5m時(shí)可以實(shí)現(xiàn)最佳的爐膛流場(chǎng)工況[2-3]。

燃燒配風(fēng)的影響。該電廠煙氣凈化采用全球領(lǐng)先的工藝技術(shù)，即“SNCR+半干法+活性炭噴射+袋式除塵器+濕法+SCR”，實(shí)現(xiàn)雙脫酸雙脫硝，煙氣排放指標(biāo)優(yōu)于歐盟2010標(biāo)準(zhǔn)。煙氣處理效率的提高，同時(shí)也帶來(lái)了煙氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)復(fù)雜、系統(tǒng)阻力大的問題，引風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)功率為2000kw、全壓15k Pa，所以為了減少系統(tǒng)阻力、盡量降低煙氣流速，以維持鍋爐的正常穩(wěn)定運(yùn)行，鍋爐燃燒實(shí)際配風(fēng)量明顯低于設(shè)計(jì)風(fēng)量，省煤器出口氧量約為3%（設(shè)計(jì)為6%）。鍋爐燃燒風(fēng)量偏小帶來(lái)的問題：一方面會(huì)造成煙氣中一氧化碳含量偏高，降低了無(wú)機(jī)物灰渣熔點(diǎn)，增加了爐壁結(jié)焦的趨勢(shì)；另一方面，二次風(fēng)投入量偏少，氧量長(zhǎng)期偏低，會(huì)使垃圾中的未燃燒顆粒在經(jīng)過(guò)焚燒爐出口時(shí)，容易因重量問題而產(chǎn)生大面積沉積，在喉部上方結(jié)焦，并增加飛灰在喉部的沉積結(jié)焦的趨勢(shì)。爐墻結(jié)焦加劇又增加了水冷壁吸熱的阻力，導(dǎo)致爐膛水冷壁吸熱能力下降，爐膛出口煙溫升高，后續(xù)還將加劇對(duì)流換熱面的高溫腐蝕，影響過(guò)熱器的安全運(yùn)行[4-5]。

1.2 解決方案

根據(jù)上述分析，為解決爐溫高導(dǎo)致爐墻頻繁損壞和鍋爐結(jié)焦的問題，決定采取對(duì)焚燒爐和余熱鍋爐進(jìn)行水冷壁增容改造，將空冷爐墻取消，將水冷壁下拉，側(cè)墻和后墻均改造為水冷爐墻，并增加后拱。以提高焚燒爐的垃圾熱值適應(yīng)能力和設(shè)備整體可靠性安全性，提高垃圾處理量提高經(jīng)濟(jì)性。

2 鍋爐水冷壁增容改造實(shí)施

2021年1月對(duì)3號(hào)鍋爐進(jìn)行提質(zhì)增容改造，改造目標(biāo)：將焚燒爐兩側(cè)墻和后墻耐火磚爐墻大部分取消，將余熱鍋爐水冷壁下拉替換爐墻，增加換熱面積，一方面可增加吸熱量降低爐膛溫度提高經(jīng)濟(jì)性，另一方面大量取消耐火磚爐墻可提高焚燒爐整體可靠性安全性，有效消除爐墻坍塌的重大安全隱患。

2.1 改造前的設(shè)計(jì)和問題

焚燒爐區(qū)域前拱區(qū)域設(shè)置水冷壁，左側(cè)、右側(cè)、后墻為焚燒爐爐墻，未設(shè)置水冷壁，爐墻結(jié)焦、損壞頻繁，。

圖1 爐墻結(jié)焦及損壞情況圖

2.2 改造內(nèi)容

（1）拆除一通道兩側(cè)墻及后墻原水冷壁下集箱及以下的磚墻部分，兩側(cè)墻水冷壁將延伸至爐排上方約1米的位置，余下部分將用磚墻過(guò)渡；（2）膜式水冷壁底部采用膨脹節(jié)與磚墻連接，保證爐膛的膨脹不受影響，同時(shí)做好接口密封配合；（3）改造后介質(zhì)將從每側(cè)下降管各引數(shù)路支管，進(jìn)入爐底新增的水冷壁進(jìn)口集箱，通過(guò)膜式壁后，由出口集箱匯合并接入原上部水冷壁側(cè)墻管中；（4）新增的膜式壁將覆蓋原磚墻盡量大的范圍，同時(shí)在爐內(nèi)向火側(cè)敷設(shè)耐火燒注料，以減少此部分膜式壁吸熱，避免對(duì)一通道爐膛煙溫產(chǎn)生較大的影響；（5）新增膜式壁荷載通過(guò)原上部水冷壁和鋼結(jié)構(gòu)承受，新增管道及集箱通過(guò)支吊架將承載在鋼結(jié)構(gòu)上。

2.3 改造設(shè)計(jì)

（1）水冷壁設(shè)計(jì)、制造滿足《鍋爐安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》；（2）爐膛設(shè)計(jì)壓力：±5800Pa，最大瞬時(shí)承載壓力：±8700Pa；（3）焚燒爐左右側(cè)墻、后墻的管屏、集箱及引入引出管：設(shè)計(jì)壓力P=4.664MPa、工作壓力4.40MPa、水壓試驗(yàn)壓力Psw=6.6MPa，設(shè)計(jì)溫度t=271℃、出口工作溫度t=257℃。

2.4 改造實(shí)施

（1）拆除空冷爐墻。拆除焚燒爐兩側(cè)墻及后墻的絕熱磚墻部分，兩側(cè)墻水冷壁將延伸至爐排上方約1米的位置；（2）安裝膜式水冷壁。將一通道下部爐膛兩側(cè)墻及后墻水冷壁下拉，加裝膜式水冷壁。

圖2 水冷壁改造圖

3 改造結(jié)果

本次3號(hào)鍋爐水冷壁增容改造于2021年1月底完成，改造后運(yùn)行至今，焚燒爐運(yùn)行狀況安全可靠。從運(yùn)行數(shù)據(jù)看，焚燒爐爐膛溫度降至1100～1140℃，焚燒爐結(jié)焦情況有所好轉(zhuǎn)，解決了爐墻損壞停爐檢修的問題，鍋爐垃圾處理量和全廠發(fā)電量都有提升，鍋爐經(jīng)濟(jì)性提高。

3.1 改造投資分析

（1）改造前爐墻損壞檢修維護(hù)費(fèi)用每年約為200萬(wàn)元，每年?duì)t墻檢修導(dǎo)致鍋爐停運(yùn)損失約為120萬(wàn)元，總共增加生產(chǎn)成本每年約320萬(wàn)元；（2）本次3號(hào)鍋爐水冷壁增容改造預(yù)算500萬(wàn)元，改造時(shí)間安排在鍋爐A修期間進(jìn)行，故不產(chǎn)生鍋爐機(jī)組停運(yùn)損失，總計(jì)該次改造費(fèi)用約為500萬(wàn)元；（3）每年的經(jīng)濟(jì)收益約350萬(wàn)元，兩年內(nèi)可回收投資成本。

3.2 提質(zhì)增容效果分析

（1）焚燒爐兩側(cè)墻和后墻耐火磚爐墻大部分取消后，解決了焚燒爐墻損壞經(jīng)常停爐檢修的問題；（2）焚燒爐兩側(cè)墻和后墻水冷壁下拉后，增加了水冷壁換熱面積和容積，降低了爐膛出口溫度約25℃，基本解決了爐膛嚴(yán)重結(jié)焦的問題。

4 結(jié)語(yǔ)

3號(hào)鍋爐通過(guò)水冷壁提質(zhì)增容改造后，解決了爐墻頻繁損壞、爐膛溫度高嚴(yán)重結(jié)焦等的問題，提高了焚燒爐的安全穩(wěn)定性，經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)也顯著提高，證明本次3號(hào)鍋爐水冷壁擴(kuò)容改造技術(shù)可行，后續(xù)1、2號(hào)鍋爐也將采用該方法進(jìn)行改造。對(duì)于出現(xiàn)類似的垃圾焚燒爐超溫、結(jié)焦及爐墻損壞問題的解決具有一定的參考價(jià)值。