垃圾焚烧余热锅炉二三通道结焦原因分析及应对措施

彭小军++周洪权++傅玲琼

摘 要：余热锅炉的结焦和积灰直接影响到垃圾焚烧发电厂的经济性和安全性，本文分析了国内某垃圾焚烧厂锅炉二三通道结焦成因，并结合本厂实际情况采取了相应措施，以期为国内垃圾焚烧行业的工作者提供参考。

关键词：垃圾焚烧余热锅炉；结焦；高温腐蚀；激波清灰

中图分类号：TK227.2 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2017）07-0008-03

城市生活垃圾成分复杂多样，含水量高，焚烧过程中很容易在换热面上形成结焦和积灰。换热面结焦积灰后导致传热热阻增加，管内介质的吸热量减少，锅炉排烟温度升高。理论计算和运行经验表明，锅炉排烟温度升高15～20℃，锅炉热效率约降低1个百分点[1]，此外严重的结焦和积灰还会引起换热管腐蚀和爆管停炉，造成重大的经济损失和安全隐患。

垃圾余热锅炉主要分为四个通道，其中四通道（即水平通道）主要布置了蒸发器、过热器和省煤器等对流换热面。由于对流换热面管束多，也是积灰最严重的区域。长期以来，垃圾余热锅炉通常都只是考虑了在四通道设置清灰装置，而对于二三通道的结焦则很少关注。近年来随着垃圾热值的提高，锅炉的热负荷整体上升，导致锅炉二三通道温度均有所提高，也加重了该区域内水冷壁的结焦。

1 结焦原因分析

锅炉结焦是烟气中携带的熔化或部分熔化的灰颗粒，碰撞到受热面管子被冷却凝固而形成，主要出现在辐射、半辐射和高温对流等受热面。锅炉结焦是一个物理、化学综合过程，基本上分两个阶段。首先是垃圾中的碱金属化合物、钙和磷的化合物，由垃圾中挥发出来，变成以氧化物、氯化物、氢氧化物的蒸汽或气体，随烟气冲刷换热管，换热冷却后在管子外表面凝结，形成粘结性沉淀层。同时，在高温烟气中硫氧化物气体长期作用（烧结）下，形成薄而密实的硫酸盐沉积层（第一层灰），该沉积灰层极难清除。然后随着灰层厚度不断增加，其灰污表面温度不断升高，逐渐接近于当地烟气温度，若此烟气温度使灰处于熔化状态，则在第一层粗糙的灰层表面极易粘附一些烟气中尚未得到冷却成为凝固状态的液态灰颗粒，形成增长速度很快的梳状、松散多孔的外灰层沉积物（第二层灰）。

锅炉结焦，往往是由于众多因素综合作用的结果，而灰熔点的高低是其中最重要原因之一。一般认为，灰渣中CaO、MgO和Fe2O3等碱性氧化物质量分数越高，其熔融温度越低[2]。通过检测发现，垃圾焚烧后的灰烬中含有较多的碱金属（钙、钠、镁等），如下表1所示。垃圾成分中的这些碱金属氧化物、氯化物及其硅酸盐、硫酸盐类易挥发，能促进灰层形成，降低灰熔点。从垃圾飞灰的实际灰熔融特性来看，其变形、软化、熔融温度都明显低于煤灰的温度，基本在1050℃时发生软化，较煤灰低约200℃，且试验发现此三个溫度点差距不大或没有明显分界。可以说垃圾本身的固有特性，决定了垃圾焚烧炉易于结焦的特性。

2 余热锅炉运行状况

上海某垃圾焚烧发电厂共设有两台垃圾焚烧锅炉，单台设计日处理量为400t/d，垃圾低位热值设计值为6700kJ/kg。

本项目于2014年年初开始运行，随着城市生活水平的提高，垃圾的整体热值均有所提高。根据表2焚烧厂2016年1-7月吨垃圾发电量统计表计算可得，本厂吨垃圾平均发电量约为400kW.h/吨。根据垃圾焚烧发电厂全厂热效率0.20考虑，粗步估算金山厂的垃圾实际热值基本超过7200kJ/kg。

由于焚烧厂运行后垃圾实际热值偏高，如果焚烧炉满负荷运行（即400t/d），则锅炉总的热负荷超过设计热负荷，这样锅炉会因为吸热面积相对偏低而导致锅炉烟气偏高。根据之前的运行数据（见表3），锅炉一、二、三通道都出现了超温现象，其中三通道出口烟温长期维持在700℃以上，超过原设计值650℃。长期超温运行造成锅炉二、三通道及高温过热器受热面结焦积灰非常严重（见图1）。实际运行中基本上每2-3个月就需要停炉人工清灰一次，极大的增加了检修和维护成本。

3 为减少锅炉高温结焦采取的相应措施

为减轻锅炉结焦积灰，延长锅炉连续运行时间，焚烧厂采取了以下措施。

3.1 控制锅炉热负荷

通过该厂焚烧炉两年的运行经验来看，当锅炉长期超过额定热负荷的时候，结焦积灰就比较快。由于垃圾热值超过设计值，为了保持余热锅炉总的热负荷不超额，目前每条焚烧线垃圾处理量都控制在370吨左右。

3.2 严格控制焚烧炉膛温度

根据近几年焚烧炉的运行经验来看，当焚烧炉膛温度高于1050℃，三通道出口烟温高于650℃，则锅炉二三通道和高温过热器结焦和积灰情况会加重。为改善锅炉结焦积灰的现状，焚烧厂除了控制垃圾处理量之外，还通过调节助燃空气温度和冷却风量等措施，将焚烧炉膛温度严格控制在1050℃以下。

3.3 锅炉二三通道增加激波清灰

本项目设计初期只考虑在锅炉四通道设置了机械振打清灰装置，主要用于锅炉过热器、蒸发器和省煤器等对流换热面的清灰。然而在实际运行中由于机械振打装置制造精度和安装精度未能达到设计值，而且设计采购的振打装置采用的是空气锤方式，运行中经常出现冲击力小的情况，导致清灰效果很差，并且频繁的振打震动也容易导致锅炉换热管焊口的损坏。2014年7月焚烧厂在锅炉四通道增设了激波清灰（每台炉共计38个点），此后机械振打清灰基本不再使用。

通常1mm的积灰对于传热的阻力大约是钢铁材料的50倍，由于余热锅炉二三通道结焦没有采取任何清除措施，导致水冷壁的传热效率大大降低，锅炉长期处于超温状态。长期超温运行造成锅炉二、三通道及高温过热器受热面结焦积灰非常严重，为防止锅炉腐蚀爆管，只能通过缩短锅炉运行周期采用人工清灰来解决。为改变这一现状，2016年2月焚烧厂计划在锅炉的二、三通道加装激波吹灰器，考虑到激波清灰的有效半径在1.5-2米，此次每台炉共计增加20个激波吹灰点，具体位置见图2。

4 改造效果

锅炉改造后，于2016年3月重新启动。表4为二三通道设置激波清灰后锅炉运行的数据，从表中可见，尽管随着锅炉运行时间的延后，锅炉因结焦和积灰的加重烟气温度逐渐在升高，但总的上升幅度比之前在变缓，其中三通道出口烟气温度在运行后3个月后才提高到700℃左右。总的来说，通过严格控制锅炉热负荷和焚烧炉膛温度，加上二三通道设置了激波清灰设施，锅炉结焦积灰情况都有了很好的改善。根据运行人员介绍，目前锅炉的停炉清灰时间已由原来的2-3个月变为5-6个月，基本可满足每年两次停炉检修的要求。

此次二三通道增加激波清灰点总的投入费用约为120万（含设备费和安装费），由于每年减少了两次停炉清灰时间，焚烧厂垃圾处理和发电都有了一定的提高，具体收益见表5。

由表5可见，通过锅炉二三通道增加清灰等措施的采用，初步估算每年全厂即可增加收入268.3万元，基本一年之内即可收回改造成本，经济效益十分可观。

5 结语

锅炉运行的稳定性对整个焚烧厂都至关重要，而有效解决锅炉结焦积灰问题则是关键所在。在实际的设计和运行过程中，我们仍需要不断的学习和改进，才能找到垃圾焚烧余热锅炉更好的清灰方法和方式，延长锅炉的运行周期。

参考文献

[1]林宗虎，徐通模.实用锅炉手册[M].北京：化学工业出版社，2009.4.

[2]戴爱军，杜彦学，等.煤灰成分与灰熔融性关系研究进展[J].煤化工，2009（4），16-19.