回旋流式垃圾焚烧炉烟道和受热面积灰及其抑制方法分析

刘占斌，徐文君（太原市同舟能源有限公司，山西 太原 030012）

回旋流式垃圾焚烧炉烟道和受热面积灰及其抑制方法分析

刘占斌，徐文君
（太原市同舟能源有限公司，山西 太原 030012）

垃圾焚烧过程中产生的烟道及受热面积灰问题日益凸显，通过对积灰形成机理分析，阐述了碱金属在焚烧过程中，生成物在烟道及受热面积灰中的重要影响，总结运行过程中积灰的判断方法，探讨通过燃烧调整对积灰抑制的影响及碱性脱除剂的应用对积灰的抑制方法。

垃圾焚烧；受热面积灰；燃烧调整；碱金属添加剂

0 引言

太原市同舟能源公司配备3台日本荏原公司设计的回旋流式 TIF（twin internally revolving fluidized bed） 型双内循环流化床垃圾焚烧炉，设计日处理垃圾量1 000 t，实际处理量1 300 t。焚烧炉将床料石英砂加热至700℃以上，在流化状态下，石英砂与垃圾之间掺混、接触和热交换，短时间内将垃圾完全燃烧。由于垃圾成分复杂，灰分大、水分高，在燃烧过程中造成的烟道及受热面积灰问题日益凸显，可在短时间内迅速烧结，已成为影响垃圾焚烧炉稳定安全运行的重要因素。

1 TIF型垃圾焚烧炉烟道及受热面积灰现状

垃圾焚烧炉运行20天以后，在水平烟道及受热面可明显观察到积灰现象。在水平烟道处积灰层层堆积，逐步将烟道堵塞。过热器处悬挂梳状物体，质地坚硬密实，有很高的烧结强度，悬挂物迎风生长，不断地堵塞管排间隙，导致烟道阻力增大，情况最严重的时候，每30天需要停炉对烟道及受热面进行全面清理，这种高温烧结灰，属于粘结性积灰，它形成后用吹灰器难以清除。

2 积灰机理分析

2.1 积灰的成分分析

采用x射线能谱分析仪对不同位置的飞灰取样分析。表1是积灰中各元素的质量百分含量。

表1 飞灰中的元素质量百分比 %

2.2 灰粒的沉积机理

热迁移、惯性撞击、凝结及化学反应是影响飞灰沉积四方面的因素。热迁移和惯性碰撞主要与飞灰的粒径相关，凝结和化学反应主要是与气体形态的因素相关。

a）热迁移和惯性碰撞。由于焚烧炉炉温存在不同变化，粒径小于10 μm的颗粒通过热迁移这种输送方式，从高温区逐步向低温区运动。而粒径大于10 μm的灰粒，具有较大的动能，在惯性力的作用下，随着烟气的转向，颗粒离开气流撞击到受热面上。

b）凝结和化学反应。以气体的形态存在碱金属、硫和氯元素之间相互反应，生成硫酸盐和氯化物凝结在飞灰颗粒和过热器的管壁上，导致积灰不断地增厚。化学反应包括气体以及沉淀物之间发生的反应（如：硫化、氯化、碱化）。

c） 飞灰在管壁发生堆积一般要经历两个过程。初始沉淀物中主要由微小颗粒的热迁移和挥发分冷凝而来，同时沉淀物中碱金属类的盐与管壁发生反应，生成低熔点的化合物，增加了与管壁的粘结性。较大颗粒的飞灰具有较大动能，在惯性力的作用下与管壁的初始沉淀层发生撞击，被具有粘性的原有管壁堆积物捕捉，并导致积灰层不断增加。

2.3 碱金属及碱金属化合物对积灰的影响

飞灰颗粒中富含有的碱金属元素，在高温条件下，水溶性的碱金属化合物发生气化与挥发性氯，反应生成碱金属氯化物。由于烟气中有大量的硫存在，碱金属氯化物进一步与烟气中的硫反应，生成硫酸盐。硫酸钠、钙与硫酸盐的共晶体是形成受热面粘性积灰的初始物。

将硫酸钠与硫酸钾熔点做比较，硫酸钠熔点868℃，熔点较低[1]，Na2SO4在受热面积灰中构成堆积物的液相成分，在积灰的形成过程中起到了重要作用。在受热面堆积物中还含有Fe2O3，与烟气中的SO3和NaSO4进一步在受热面中反应，生成Na3Fe(SO4)3。该碱金属复合硫酸盐熔点很低，只有600℃左右，而在余热炉底部管排的壁温可达650～700℃，这些碱金属复合硫酸盐在熔融状态下粘结在高温管子表面上，这是造成受热面管排表面上积灰的初始原因。

由于受热面管束设计间隙较小，管壁形成初始堆积后，粘性表面进一步捕捉固体颗粒物。气化的碱金属在凝结过程中，颗粒间的接触面积增大，伴随液相的存在，也为飞灰颗粒间的快速烧结创造了条件。随着积灰的增加，管束阻力也不断地增长，直到烟道全部堵塞。

3 烟道及受热面积灰抑制方法探讨

3.1 运行中水平烟道及受热面已经积灰特征

正常运行时，锅炉负压难以维持，正压幅度和频次都增加，调整引风量后，负压依旧逐渐变小。停止垃圾给料机运行，关闭二次风，引风机增加至1 350 r/min以上，负压维持1 kPa以内，水平烟道温度正常，余热炉底部温度650℃以上，表明受热面已严重结渣。

炉顶温度上涨快速，下降缓慢，锅炉负压难以维持，余热炉底部温度降低，一级过热器出口温度降低，可能是烟道已发生堵塞。

3.2 运行中燃烧调整对烟道和受热面积灰的抑制

3.2.1 控制锅炉负荷

太原市同舟能源有限公司单台锅炉额定蒸发量36 t/h，通过对历次停运后数据分析发现，在锅炉确定积灰前两天，锅炉出力都比较高，最高蒸发量可达41 t/h，通过燃烧调整，及时控制垃圾投入量，保持锅炉负荷不超额定值，可抑制烟道及受热面积灰。

3.2.2 控制炉顶温度及水平烟道温度

加强炉顶温度控制，更要加强对烟道入口温度的控制，当炉顶温度与烟道温度偏差小于30℃时，可能将烟道积灰变为积渣，如表2所示。

表2 烟道积灰后的温度表现 ℃

炉顶温度与烟道温度偏差最小时只有7℃，这时烟道内可能发生二次燃烧，烟道积灰已加剧，须对烟道采取进一步控温措施。通过受热面积灰机理分析可知，余热炉底部烟温在600℃左右最容易在受热面积灰。从表3可以看出，在炉顶温度、烟道温度正常时，余热炉底部温度偏高（最高670℃），更加剧了积灰的形成。目前将炉顶温度上限控制960℃，下限控制在850℃，这样既能保证环保指标，减少二噁英的生成，又可以保证锅炉接待负荷的能力；同时监视烟道温度与炉顶温度偏差，偏差不应小于100℃，当烟道温度高于880℃，及时调整燃煤投入量及煤的颗粒度。通过3个月对运行中烟道温度、余热炉底部、余热炉出口温度监视和管控表明，各温度点的温度控制可有效抑制积灰产生。

表3 余热炉底部积灰后的温度表现 ℃

3.2.3 减少烟气携带飞灰的量

通过合理的燃烧调整，减少烟气携带飞灰量，也是控制的手段之一。太原市同舟能源有限公司采取措施，在保证锅炉正常流化的前提下，降低一次风量，由原来的33 000 m3/h降至27 000 m3/h，提高二次风量维持35 000 m3/h，延长可燃物在炉内停留2 s以上，使可燃物在进入烟道前已完全燃烧。维持合适的负压 (－0.5～－0.2 kPa)，减少一次风量，可有效降低烟气中的飞灰携带量。

3.2.4 吹灰对积灰的抑制影响

在垃圾焚烧电厂主要的吹灰设备有蒸汽式吹灰器和击波式吹灰器两种。击波式吹灰器通过乙炔爆震将积灰清除，但在实际应用中效果有限。

a)击波式吹灰器出口容易被飞灰堵塞造成闷响，或部分堵塞造成爆震范围减少，清灰效果远达不到设计要求。

b)烟气中含有酸性气体，吹灰管路容易受到腐蚀，腐蚀导致管道破裂，容易造成乙炔泄漏，吹灰无力。

c)由于乙炔和空气的配比偏离设计值，造成吹灰力度不足。吹灰器的正常使用在积灰初期对受热面积灰有良好抑制作用，但在运行中由于吹灰设备定期维护不到位，造成吹灰力度不够。

实践表明，当积灰一旦形成，通过吹灰的手段清除难度较大。因此应加强吹灰设备的维护保养和加强吹灰过程的监督，来延长锅炉运行周期。

3.3 碱金属脱除剂应用对积灰的抑制

高岭土作为碱金属脱除剂在炉内添加使用，炉膛内的高温环境影响物理吸附效果，添加剂的孔隙结构被堵塞制约吸附效果。高岭土主要通过化学反应对碱金属进行脱除。高岭土[2]中的主要成分高岭石（Al2O3·2SiO2·2H2O)经过高温煅烧，变成Al2O3和SiO2，气化后的碱金属化合物被偏高岭石颗粒吸附并发生化学反应。高岭石还与氯化氢气体反应，也减少了氯元素在沉积物上的富集。高岭土可作为添加剂与煤混合使用，在炉温860℃的活性条件下，对碱金属的脱除率高达76.7%。

4 结束语

城市垃圾富含大量生物质，含碱金属较多，此外塑料、橡胶等有机品所含氯元素也是积灰的原因之一。同一般的燃煤锅炉相比垃圾焚烧炉更容易积灰，通过燃烧调整，控制锅炉负荷，控制各位置温度，加强吹灰的措施来抑制烟道和受热面积灰已在实践中取得一定的成效。高岭土可以作为碱性金属脱除剂使用，进一步对高岭土脱除效率进行优化，可更有效减少积灰的产生，延长锅炉运行周期。

[1]李依丽，吴幼青，高晋生．几种天然矿物脱除高温气体中碱金属研究 [J]．燃烧化学学报，2003，31（1）：44-48．

[2]汉春利，张军，刘坤磊，等．活性矾土与烟气污染物的脱除[J]．热能动力工程，2001，16（7）：356-358.

Flue and Heating Surface Ash Fouling and Inhibition Method of TIF Waste Incinerator

LIU Zhanbin,XU Wenjun
（Taiyuan Tongzhou Energy Co.,Ltd.,Taiyuan,Shanxi030012,China）

Aiming at solving the problem of ash fouling in boiler flue and heating surface in the course of waste combustion,the formation mechanism of ash fouling is analyzed.It is pointed out that the production of alkalis metals during incineration process greatly leads to ash fouling in boiler flue and heating surface.The methods for fouling judgment in the process of running are summarized.The ways toprevent ash fouling by combustion adjusting and the application of the alkaline removal agent are explored.

garbage incineration;heating surface ash accumulation;combustion adjustment;alkali metal additive

X705

B

1671-0320（2017）03-0052-03

2017-01-03，

2017-04-07

刘占斌（1968），男，山西中阳人，2009年毕业于太原科技大学热能动力专业，工程师，从事垃圾发电厂管理工作；徐文君（1973），男，内蒙古人，1997年毕业于北京电力高等专科学院热能动力专业，工程师，从事垃圾发电厂管理工作。