余热锅炉高温段水力清灰可行性分析

文_张瑾 福建龙净环保股份有限公司、 龙净能源发展有限公司

跟传统的煤燃烧锅炉相比，生活垃圾成分复杂，燃烧后的灰熔点相对较低，垃圾焚烧锅炉运行一段周期后，会造成高温段空烟道水冷膜式壁表面形成严重的积灰或结焦现象，导致膜式壁受热面的吸热量下降，余热锅炉蒸发量降低，同时还会对水冷壁造成熔盐腐蚀。此外，由于高温段吸热量下降，过热器的入口烟温会增加，会造成过热器的使用寿命降低。积灰严重时，只能通过采用人工在线爆破清灰方式或者停炉人工清灰，因此会带来不必要的清灰风险以及停炉损失。本文以A项目为例分析垃圾焚烧项目余热锅炉的二、三烟道设置在线清灰系统必要性和经济性。

1 项目概况

项目配置2×500t/d炉排焚烧线，其中余热锅炉采用单锅筒、自然循环、室内布置、四通道卧式结构，过热器采用三级布置、二级喷水减温的结构型式，并布置有省煤器。

2 锅炉主要参数

2.1 锅炉基本设计参数

焚烧炉垃圾处理量为 500t/d，额定蒸汽出口压力为4.0MPa，额定蒸汽出口温度为450℃，锅炉给水温度为130℃，排烟温度为190℃。

2.2 锅炉高温段基本尺寸

本项目主要考虑在锅炉高温段的二、三烟道设置清灰装置，各烟道的尺寸规格如下：

第二烟 道为 长 方形结 构，其尺寸为11860mm×9040mm×2720mm（高度×宽度×深度），中间设置有膜式壁隔墙。考虑第一烟道侧的开口、耐火材料的铺设情况，理论可设置除灰区域尺寸7860mm×9040mm×2720mm（高度×宽度×深度）。

第三烟道尺寸均为11860mm×9040mm×2720mm（高度×宽度×深度），考虑水平烟道测的开口、耐火材料的铺设情况，理论可设置除灰区域尺寸5810mm×9040mm×2720mm（高度×宽度×深度）。

3 锅炉高温段清灰的必要性

3.1 锅炉积灰的产生

焚烧炉产生的高温烟气经过余热锅炉时，与水和蒸汽进行热量交换后烟气温度降低，烟气中微粒若因温度降低在接触受热面时已凝固，则会在受热面管壁面形成积灰；若颗粒在接触受热面时仍为熔化状态，则在受热面管壁上冷凝形成结焦层，同时熔融状态的颗粒会起到类似粘合剂的作用，抓取烟气中的固体颗粒形成大块的难以清除的结焦层。

3.2 锅炉积灰的危害

余热锅炉积灰、结焦后，会导致受热面热阻增加，锅炉热效率降低；会增加烟气流通的阻力，造成烟气通道内负压降低甚至正压，只能通过降低负载继续运行或者停炉清灰，造成较大的经济损失；同时高温的烟气进入过热器区域会造成高温腐蚀（研究表明过热器入口烟温高于650℃时，则高温腐蚀程度加剧），爆管风险加大，过热器的寿命下降。

实践证明，在锅炉运行过程中，有规律地对受热面进行清灰，能较好地预防锅炉的结焦、积灰和受热面腐蚀，保障锅炉安全运行，提高机组可用率。

3.3 高温段清灰的重要性

对于垃圾焚烧锅炉，由于水平烟道通道积灰现象显著，锅炉设计时在水平烟道的过热器、蒸发器、省煤器前均会设置蒸汽或激波清灰装置，可有效缓解这些管束上的积灰、结焦现象。高温段设置清灰装置同样具有重要的意义：①增加膜式壁吸热量，提高整体锅炉效率，增加垃圾处理量以及蒸发量；②有利于降低其对膜式壁的腐蚀；③可有效降低过热器入口烟温，减小过热器超温风险，提高过热器寿命；④降低水平烟道的结焦程度，有效减少停炉清灰次数，提高年运行时间；⑤烟道清灰作为一种主动调节手段，在锅炉运行工况或燃料变化时，可灵活调整清灰范围和频率，稳定锅炉出力以及蒸汽参数，降低控制难度。

4 清灰方式的选择

4.1 清灰方式的主要类型

锅炉的清灰方式主要有机械振打清灰、激波清灰、蒸汽清灰等。其中机械振打清灰对管接头和集箱焊接质量的要求较高，故目前国内运用较少。激波清灰只限于第一排偏两侧管束，存在较大的吹灰盲区，只能去除沉积在受热面表面的浮灰，且存在一定的安全隐患。蒸汽清灰可去除积灰和结渣，但因其会对受热面造成损伤，需再装防磨瓦板，目前主要用作管束的清灰，不适用于膜式壁上积灰的清除。而水力清灰利用水喷淋到膜式壁表面瞬间气化产生的爆炸激波来清除其表面的积灰与结渣，比较适用于清除锅炉高温段膜式壁面的积灰和结焦。

垃圾锅炉高温段水力清灰在欧洲已经成熟应用，很大一部分垃圾焚烧余热锅炉上都有安装使用，目前该技术在国内正大力推广，清灰效果较好。

4.2 水力清灰的组成及实施

水力清灰系统主要包括桁架钢轨、移动小车、金属网软管、喷头、套管、套管入口密封挡板等。该装置的清灰过程是在锅炉的高温段顶部安装桁架钢轨，钢轨上安装有可移动小车，小车可通过钢轨移动到炉顶水冷壁上各个导管的位置，盘绕在小车内的软管可沿着导管下降进入烟道内。软管末端的喷头进入烟道后，在水力推动下开始旋转，形成伞状水幕，当水遇到高温膜式壁表面会瞬间气化膨胀产生爆炸激波，利用激波来清除水冷壁表面的积灰与结焦。同时喷头由软管牵引在烟道内可上升和下降，实现膜式壁不同部位的积灰与结焦的清除。

4.3 水力清灰的运行效果

水力清灰技术在欧洲已经有成熟应用。图1为三个欧洲项目在锅炉设计阶段的热力计算结果，图2 是某项目实际运行水力清灰后过热器入口烟温监测（每24h清灰一次）。可知水力清灰能明显降低过热器的入口烟温，而在二、三烟道同时清灰下，过热器入口烟温可降低近100℃左右。鉴于清理二、三烟道的投资与仅清理三烟道的投资相比增加不大，故建议同时清洗二、三烟道。

图1 不同项目高温段水力清灰对过热器入口烟温的影响（理论计算）

图2 某项目水力清灰对过热器入口烟温的影响（每24h运行一次）

过热器入口烟温对过热器寿命有着至关重要的影响，一般400℃主汽温度，过热器入口设计温度600℃；420～440℃主汽温度，过热器入口设计烟温610℃。如果初始设计和后期运行都以此为参考，过热器寿命一般在5年以上。

5 安装水力清灰系统的可行性

对于新建项目建议最好在项目初期就安装此设备，或者在设计的时候预留好炉顶开孔和位置，一般需要预留离炉顶3.5m左右的高度，预留宽度应该约为所清洗烟道的深度。余热锅炉设计阶段，热力计算以及布置受热面的时候，就应该把水力清洗的效果考虑进去。A项目设计施工基本已经完成，要考虑安装水喷淋清灰，只能从技改角度入手，现分析其可行性。

5.1 安装位置及空间

A项目的垃圾焚烧锅炉采用卧式锅炉形式，炉膛以及第一烟道由于安装了耐火材料以及必须保证停留时间（850℃，2s）的原因，一般不能清洗；其第二、三烟道没有安装耐火材料的位置，可考虑设置水力清灰装置。A项目的锅炉顶部平台高度37.5m，钢结构顶部梁高度约42m，顶部空间约4.5m，且此高度区域锅炉二、三烟道无其他设备，故A项目具备水力清灰系统安装空间条件。

5.2 对锅炉性能的影响分析

根据当前A项目余热锅炉的设计，通过热力计算得到水力清灰前后各受热面入口的温度分布情况见表1。

表1 A项目水力清灰前后各受热面入口的温度计算结果

由计算可知，水力清灰后高温过热器入口温度可降低40℃（高温段受热面布置中可清灰受热面较小，降温幅度相对较低），有助于延长过热器的寿命，同时及时清灰可降低高温膜式壁面的熔盐腐蚀，降低爆管风险。同时，各级锅炉喷水减温量都减少，可保证锅炉负荷波动时的稳定性，可见水力清灰的实施有利于锅炉的运行和维护。另外，在校核热力结果时，发现A项目厂家所提供的热力可能存在高温段受热面较小、换热量不足的问题，若积灰严重，则污垢热阻增加，换热量更小。增加水力清灰系统可一定程度上缓解该设计上的不足。

6 水力清灰装置设备构成及性能参数

6.1 水力清灰装置设备构成（见表2）

表2 水力清灰装置设备构成

6.2 水力清灰装置性能参数（见表3）

表3 水力清灰装置性能参数

密封空气压力(MPa) 0.6～0.7电机总功率（kW） 8绝缘等级 F防护等级 IP55

7 经济效益分析

锅炉高温段清灰后，高温段及水平段结焦结渣情况会有所改善，污垢热阻减小，总传热系数增加，锅炉发电效率增加；另外进入过热器的烟温减少，过热器使用寿命延长，同时高温腐蚀现象得到改善，非计划停炉减少，各项均带来运行成本减少或经营收入增加。以500t/d的焚烧炉为例各项收益估算见表4。

表4 增加水力清灰后锅炉经济效益分析

由表4可知水力清灰后带来的锅炉系统总收益为36.25万元/a，考虑水力清灰系统的总投资约150万元，则该方案约4a可回本，可见水力清灰系统经济效益显著，建议增设。

8 结语

综上，水力清灰装置能显著改善高温段的积灰结焦现象，降低过热器入口烟温，从而提高过热器寿命，缓解水平段的结焦问题，降低锅炉的控制难度，经济效益显著。