垃圾发电厂扩容优化改造分析

曲文龙

(威海环境再生能源有限公司，山东 威海 264200)

0 引 言

近几年，国家对垃圾焚烧厂的节能、环保要求越来越高，节能减排、提高资源利用率成为未来行业发展趋势。随着城市加快建设，城市人口数量不断增加及人民生活水平提高，城市生活垃圾量产量日益增多，而很多10年前、5年前建设的焚烧炉、余热锅炉等主设备均存在技术落后、设备老化、能耗高、垃圾处理能力不足等一系列问题。对前几年建设的垃圾焚烧厂设备进行优化改造，提高产能、降低能耗，提高资源利用率迫在眉睫。

1 项目概况

威海环境再生能源有限公司焚烧炉采用日本荏原公司的机械炉排炉焚烧技术工艺，日焚烧城市生活垃圾700 t(2×350 t/日)，每年处理23×104t；余热锅炉采用无锡华光，蒸汽参数为2.5 MPa、400 ℃，蒸发量为29.3 t/h。目前威海市生活垃圾处理方式主要是焚烧和填埋。垃圾填埋不仅占用大量土地，而且容易造成大气、水源以及土壤的二次污染。生活垃圾焚烧可以实现减量化、资源化、无害化，是一种行之有效的处理模式。威海环境再生能源有限公司2012年9月正式商业运行，项目设计垃圾处理能力为700 t/日(入炉)。近年来随着城市的加快建设，城镇人口数量的不断增加，城市生活垃圾量已达到1200 t/日，现有生活垃圾焚烧炉的处理量已不能满足城市垃圾的产生量，垃圾处理能力不足，垃圾过剩问题日益突出。同时，随着市民生活水平的提高，生活垃圾的热值也随之升高，锅炉处理同量垃圾的情况下，热负荷明显增加，从而导致余热锅炉的受热面易积灰板结和高温腐蚀，为解决垃圾处理量增加和垃圾热值升高带来的一系列问题，故对焚烧锅炉进行扩容优化改造[1]。

威海环境再生能源有限公司锅炉扩容优化改造计划根据机组运行状况，结合年度计划性检修分为两个阶段实施：第一阶段主要是针对焚烧炉和余热锅炉进行技术改造；第二阶段则主要是对汽轮发电相关系统进行扩能改造。

2 第一阶段扩能改造

2.1 焚烧炉内结构优化扩能改造

通常，垃圾焚烧炉从炉膛结构上分为前拱、后拱和侧墙。威海环境再生能源有限公司由于建厂时间较早，当时无充分的成熟行业案例参考，垃圾热值的计算设计时考虑较低，因此焚烧炉内结构设计全部采用了绝热耐火炉墙结构。从往年锅炉实际运行、检修的状况来分析，焚烧炉内主燃烧区主要集中在燃烧一段和燃烧二段区域内，燃烧一段和燃烧二段对应的焚烧炉侧墙及后拱运行中结焦严重，直接影响到锅炉稳定的运行，严重时甚至需要紧急停炉处理。从长远角度考虑，为日后能够增加垃圾焚烧量，更好的控制炉温，减少炉膛内结焦，设计将侧墙和后拱的耐火材料拆除，敷设膜式水冷壁，在水冷壁内侧敷设110 mm厚的耐火浇注料保护层。从而达到增加锅炉受热面积，降低炉膛内的温度，提高热效率的目的[2-3]。焚烧炉扩容改造方案图如图1所示。

图1 焚烧炉扩容改造方案图

2.2 余热锅炉二烟道扩容改造

威海环境再生能源有限公司锅炉高温过热器入口烟温长期高于650 ℃，导致过热器严重积灰板结，并产生高温腐蚀甚至爆管而停炉。为更好控制高温过热器入口前的烟气温度，缓解高温过热器的积灰板结和高温腐蚀，改造设计在锅炉第二烟道增加水冷屏蒸发受热面，固定在二通道水冷壁隔墙和后墙之间。改造后可以使高温过热器入口烟温控制在600 ℃以下。增加的换热管屏面积约为180 m2。水冷屏蒸发受热面采用膜式水冷壁形式，水冷屏的中部开孔，方便清灰及检修。锅炉二烟道增加换热面方案如图2所示。

图2 锅炉二烟道增加换热面方案图

通过有效增加锅炉换热面积，焚烧炉的机械负荷可以增加20～30 t/日，锅炉蒸发量最高可提升至36～37 t/h，并且具备110%超负荷能力。同时还能降低锅炉烟气温度，将高温过热器入口烟温降至600 ℃以下，从而减少高温腐蚀和积灰板结[4]。

锅炉受热面改造扩容后，原一次风机、二次风机、引风机的出力已经不能满足生产的需求，需要更新配套升级。新一次风机的风量由42 600 m3/h增加到67 920 m3/h，二次风机的风量由12 120 m3/h增加到16 600 m3/h，引风机的风量由76 000 m3/h增加到100 000 m3/h。

3 第二阶段扩能技术改造

威海环境再生能源有限公司焚烧炉和余热锅炉第一阶段改造后，焚烧炉的垃圾处理量和锅炉蒸发量均有显著提升，但通过此次改造也发现，汽轮机组相关设备系统，如汽轮机本体、凝汽器、冷却塔、循环水泵、凝结水泵、冷油器等设备均存在出力不足的情况。因此，为最大化提升机组的效率，增加经济效益，威海环境再生能源有限公司锅炉进行了第二阶段线扩能技术改造[5]。

3.1 汽轮机本体改造

改造前汽轮机最大功率为12 MW，最大进汽量为59.7 t/h 。焚烧锅炉扩容改造后单台锅炉额定蒸发量能够达到38.0 t/h,2台锅炉总的蒸发量为76 t/h。根据生产报表统计，锅炉扩容改造后2台空气预热器的蒸汽消耗量最小值9.0 t/h，最大值为13 t/h。锅炉蒸发量减去自用空气预热器蒸汽最大用量，仍剩余63 t/h，已经超过汽轮机的最大进汽量，因此汽轮机也需要进行扩容改造。

为达到机组长期安全稳定运行，经过重新核算设计，通过降低轴向推力，将汽轮机第三级前汽封体、汽封环及汽封套筒进行升级改造，并对汽轮机转子重新做动平衡，完成汽轮机本体扩容。改造后汽轮机允许最大进汽量可以达到70 t/h，纯凝工况下发电量最大为14 MW。发电机最大功率为15 MW，可以满足汽轮机满负荷要求，无需改造[6-7]。

3.2 凝汽器扩能改造

汽轮机本体扩容改造后，进汽量增加，经过热力计算，现有凝汽器换热面积已不能满足换热要求，难以保证真空度。结合现场设备实际情况，通过技术和经济性的比较后，在不改变设备原有外形尺寸的情况下，更换管板、隔板、空冷区挡板及换热管，对凝汽器筒体和换热管加长1 500 mm，且换热管数量增加至4 380根，换热面积由1 000 m2增加至1 600 m2。凝汽器扩能改造方案如图3所示, 改造后凝汽器性能参数见表1。

图3 凝汽器扩能改造方案设计

表1 改造后凝汽器性能参数

3.3 凝结水泵扩容

扩能改造后锅炉蒸发量提高，导致汽轮机凝结水流量增至70 m3/h，而原来凝结水泵流量为50 m3/h,从系统冗余的角度考虑更换为流量80 m3/h，扬程85 m、功率45 kW的凝结水泵。

3.4 冷油器更换

由于机组发电负荷增加，为更好控制汽轮机油温，达到冷却效果，改造在原冷油器设备基础上新更换2台冷油器，换热面积由40 m2增加到60 m2。同时，由于汽轮机润滑油流量在改造后需要增大，所以润滑油进出口管径也需要经过计算，适当增大。

3.5 循环水泵扩容

凝汽器换热面积增加后，循环水量也需要增加，原循环冷却水系统设计冷却水量为3 200 m3/h(单台1 600 m3/h，2用1备)。锅炉扩能改造后蒸发量达到38 t/h，提高了近27%，经计算循环冷却水冷却倍率低于50，在气温较高尤其是在夏季时，会因循环水量不足而引起真空度低偏，直接影响到机组运行的安全性和热经济性。因此需要对单台循环水泵的出力进行扩能改造。

更换1台变频循环水泵，流量由1 600 m3/h增加到3 000 m3/h，扬程30 m,功率为355 kW。调整运行方式为夏季气温高、冷却水用量大时运行一台3 000 m3/h和一台1 600 m3/h的循环水泵，另一台1 600 m3/h循环水泵备用。

3.6 循环冷却塔扩容

机组负荷增加，循环冷却水量同步增加，为能够有效保证水温，冷却塔冷却能力也需要增加。改造新增2台500 t/h冷却能力的机力通风塔，水池采用钢板焊制，占地面积6 600 mm×13 000 mm，新增的冷却塔进水管路接入原循环水池进水管，安装阀门，用来调节进水量。夏季高温时可保证水温控制在32 ℃以内，进出口温差大于8 ℃。

3.7 锅炉过热器和蒸发器的技术改造

由于威海环境再生能源有限公司余热锅炉结构形式为立式锅炉，过热器和蒸发器最初设计时又存在一定问题，锅炉对流段极易积灰结焦。此次改造针对三、四烟道受热面重新设计进行了优化技术改造。改造主要有：为减缓三通道一级蒸发器积灰板结，重新布置一级蒸发器，蛇形管由Φ38扩大为Φ42，横向间距由140 mm增加到280 mm，进出口集箱位置不变，换热面积增加42 m2。为保证锅炉安全稳定运行，降低过热器蒸汽流速，扩大过热器汽侧流通面积，更换三段过热器，将过热器管束由Φ38扩大为Φ42，纵向节距由100 mm改为84 mm，横向不变，换热面积增加156 m2； 为了避免省煤器沸腾，在省煤器前段增加二级蒸发器；换热面积增加315 m2。

4 改造后运行分析

改造后，原焚烧炉燃烧室设计无受热面，现增加换热面积100 m2(见表2)，提高锅炉热效率的同时减少了炉膛内结焦；四烟道内新增设一组换热面积为410 m2的二级蒸发器，进一步完成热量交换，排烟温度由220 ℃降到185 ℃；锅炉改造后总的换热面积由2 969 m2增加到3 659 m2。分别采集2017改造前数据(见表3)、2018第一阶段改造后(见表4)、2019第二阶段改造后(见表5)，对这三年中5-7月的运行数据进行同期比较分析。

表2 锅炉扩容改造前后换热面积比较

表3 锅炉扩容改造前数据

表4 锅炉扩容改造第一阶段实施后数据

表5 锅炉性能优化第二阶段实施后数据

对锅炉扩容优化前后收益进行比较分析，由表6数据可见，通过此次扩容优化改造，无论是焚烧量还是发电量，经过扩容改造性能优化后均明显提高，给企业带来良好经济效益，最重要缓解了威海市城市生活垃圾处理的压力，对保护环境、促进当地和谐发展，产生良好的社会效益。

表6 锅炉扩容优化前后收益比较

5 结 语

从此次扩容改造结果可知，改造基本达到预期目的，焚烧量和发电量均有大幅提高，也缓解了城镇生活垃圾增加带来的压力，及处理能力不足的现状；同时有效降低了锅炉入口烟温、高温过热器入口烟温及锅炉排烟温度，整体提高了锅炉热效率，减轻锅炉结焦和高温腐蚀，机组运行更加安全稳定。总之，该项技术改造带来的经济效益和社会效益是显著的，值得推广，特别适用于早期建设的小容量垃圾焚烧炉。