一台250 t/d生活垃圾焚烧锅炉的优化改造

黄术翠

(上海伟明环保有限公司， 上海 200120)

目前，城市生活垃圾焚烧处理是实现垃圾处理减量化、资源化、无害化的主要手段。我国早期的垃圾焚烧锅炉(简称焚烧炉)由于考虑到国内生活垃圾热值低、含水率高等问题，一般设计的燃料热值较低。随着国民经济的发展、人们生活水平的提高，以及城市人口的迅速增长，垃圾热值明显提高，生活垃圾量也急剧增加。垃圾热值的提高使焚烧炉的热负荷整体上升进而出现超温现象，炉膛温度高于1 050 ℃，过热器、省煤器等部件均面临着高温腐蚀[1]和排烟温度高等一系列问题，导致垃圾焚烧炉面临着处理量下降的困境。

面对垃圾围城、新建电厂选址难的现状，扩容改造是提高垃圾处理量，保障锅炉安全、稳定运行的有效且必要的措施；同时，锅炉蒸发量的提高、发电量的增大，提高了电厂的经济效益，一举多得。但是，垃圾焚烧炉的扩容改造，不仅需要增加受热面，而且对焚烧炉的焚烧部分也必须进行严格的核算，否则必然面对一系列新的问题，甚至达不到改造的预期效果，造成停炉等恶劣情况。笔者以1台250 t/d生活垃圾焚烧锅炉为例，介绍其扩容改造情况。

1 锅炉概况

该焚烧炉为2007年5月投产的立式单锅筒自然循环蒸汽锅炉，额定蒸汽压力为4.1 MPa，蒸汽温度为415 ℃，最初设计燃料热值为5 000 kJ/kg，设计蒸发质量流量为15.3 t/h。随着垃圾热值的不断提升，2013年对焚烧炉进行了扩容改造，在三烟道布置了蒸发器，增加了中和塔、布袋除尘器和汽轮发电机组的容量。设计燃料热值为6 280 kJ/kg，垃圾处理量为250 t/d，额定蒸发质量流量为19.7 t/h。扩容后焚烧炉达到了改造效果。

随着垃圾热值逐年上升，该焚烧炉再次出现超温现象。为了控制焚烧炉炉膛温度，不得不采取减少垃圾处理量，降低焚烧炉负荷的措施，该焚烧炉实际平均垃圾处理量约为183 t/d，平均蒸发质量流量约为17.2 t/h。

为了缓解当地垃圾处置压力，降低排烟温度，电厂大修技改时，在焚烧炉炉膛内增加了2片水冷屏，并在燃烬室底部增加了U形蒸发器，共25组，增加的受热面积约为92.6 m2。垃圾热值按7 955 kJ/kg(1 900 kcal/kg)设计。改造后焚烧炉蒸发质量流量可提高到22 t/h，垃圾处理量约为220 t/d。该技改方案中垃圾处理量根据热值调整为220 t/d主要是出于以下几个方面考虑：(1)如果增加尾部受热面，则改造工作量巨大；(2)保证炉排热负荷在合理范围内，延长炉排使用寿命；(3)尽量不改烟气处理系统。该大修技改在2020年5月完成，增设水冷屏和蒸发器后的余热锅炉结构见图1。

图1 增设水冷屏和蒸发器后的余热锅炉结构

技改后锅炉2020年运行数据见表1。由表1可见，大修技改后，改造效果不明显。各受热面再次面临烟温超高的现象(见表2)，锅炉的运行状况也开始急剧恶化，焚烧炉出现了严重的结焦现象。

表1 技改后锅炉2020年运行数据

表2 锅炉各部件烟温 ℃

该焚烧炉结焦主要集中在左右侧墙，逆推炉排一、二风室的侧补偿块上方，逐步增加至推料器下方，导致料层无法下移；两侧墙和前后拱肩都挂有焦块，并且结焦速度非常快，部分焦块难以脱落，相互连接形成更大的焦块，最后脱落时，连带炉墙及抓钉一起坠落(见图2、图3)，最终被迫停炉。

图2 焚烧炉两侧墙挂焦

图3 前拱焦块坠落，抓钉裸露

2 原因分析

经过现场勘查，结合目前的垃圾状况，分析导致焚烧炉超温的主要原因为卫燃带偏高、后拱倾角偏小、侧补偿块处形成火口、风机风量及风压偏小。

2.1 卫燃带偏高

焚烧炉最初设计时，垃圾热值较低，为了保证850 ℃炉温持续时间不低于2 s，锅炉卫燃带高达9 m，以降低被覆盖水冷壁管的吸热量。随着垃圾热值的提高，炉膛出现超温现象，为降低炉膛温度，考虑降低卫燃带的高度。

2.2 后拱倾角偏小

焚烧炉大修技改时，虽然增加了焚烧炉受热面积，但是配套的炉拱未进行任何调整。焚烧炉采用的前拱高而短，适合目前的燃料燃烧，但采用的后拱低而长，最初设计后拱倾角为12°，是为了保证低热值垃圾的稳定燃烧[2]。随着垃圾热值提高到7 955 kJ/kg左右，原来的后拱倾角对燃料的助燃作用过大，后拱烟气出口偏小，燃烧段烟气直接冲向拱顶，并且二次风的扰动效果较差，导致拱肩处局部热强度过大，结焦严重。

2.3 侧补偿块处形成火口

垃圾热值提高后，焚烧炉的垃圾处理量减少(少于250 t/d)，故炉排的机械负荷变小，只需要考虑炉排面积热负荷。炉排单位面积热负荷一般取277～694 kW[3]。按垃圾热值为7 955 kJ/kg、处理量为220 t/d计算，则炉排单位面积热负荷约为455 kW，因此炉排不存在超负荷运行的状况。但原炉排面经过物料的磨损和掉落的焦块刮擦，多处炉排片和侧补偿块破损、漏风；并且炉排本身进料不均，两侧料层较薄，从而在漏风处极易形成火口，导致侧墙过热挂焦；侧墙焦块与拱肩焦块形成整体，难以脱落，形成了恶性循环。

2.4 风机风量及风压偏小

该锅炉最初设计燃料热值为5 000 kJ/kg，2013年扩容改造时，没有更换风机。现场焚烧炉的炉墙保温层拱起、烧坏，炉门处耐火浇注料脱落(见图4、图5)。由图4、图5可以看出：随着垃圾热值的提高，烟气量增大，引风机出力不足，导致焚烧炉处于微正压状态运行。此外，焚烧炉原二次风机的风量太大，风压太小，烟气扰动效果差，加上较低的后拱对烟气的压制作用，导致烟气在炉拱处聚集，无法得到有效降温，这也是导致炉拱挂焦的原因。

图4 炉墙保温层拱起

图5 炉门处耐火浇注料全部脱落

3 改造方案

综合以上原因，对焚烧炉进行了如下整改：

(1) 将焚烧炉卫燃带耐火浇注料层标高由23 350 mm下移到22 350 mm，即下移1 m，以增大炉膛的水冷面积，降低炉膛温度。

(2) 将焚烧炉后拱倾角从12°加大到13.5°，后拱垂直距离提高约187 mm(见图6)，砌筑耐火浇注料后的拱肩距离垃圾料层的高度比原来高了约195 mm，扩大了后拱的烟气出口，降低了拱肩热负荷。

图6 后拱倾角加大示意图

(3) 更换破损、变形的侧补偿块及炉排片，经调试校正后减小调节缝隙，以免被掉落垃圾卡死。

(4) 将焚烧炉损坏的两侧墙拆除并补焊抓钉后，重新浇筑耐火浇注料。

从实际运行方面进行调整，具体如下：

(1) 鉴于炉膛温度的提高，在保持炉膛温度不低于850 ℃且持续时间不小于2 s、垃圾可燃的情况下，将一次风温度降低到100 ℃左右[3]。既降低了炉膛温度，又减少了空气预热器使用的蒸汽量，增加了发电量。

(2) 增加烟气再循环管路，即从引风机出口将部分烟气引入二次风机进风管，烟气量约占二次风量的0%～30%。烟气再循环管路既控制了氧含量，降低了NOx生成量，又保证了二次风的总风量，保证了对烟气的扰动作用。烟气和空气的体积比根据NOx、CO排放数据，通过调整电动调节阀开度控制，如当CO含量超标时，再循环烟气调节阀适当调小，同时冷风调节阀相应调大，从而联锁控制。

(3) 更换二次风机，保证二次风量达到总风量(45 600 m3/h)的25%；加大风压，保证烟气再循环管路的运行。为适应烟气、空气两种介质运行，叶轮采用了双相不锈钢，并对烟气接触表面进行了搪瓷处理，以避免风机腐蚀。

(4) 更换引风机，加大风量和风压(见表3)，以应对烟气阻力增大的状况，使焚烧炉在烟气量增加的情况下仍保持炉膛负压状态运行。

表3 二次风机和引风机更换前后运行数据

此外，对锅炉所有受热面进行了常规的清灰打焦，并修补跑冒滴漏处。

4 改造效果

改造后，焚烧炉2021年的运行数据见表4。由表4可以看出，改造后锅炉运行稳定，达到了预期的改造效果。

表4 改造后锅炉2021年运行数据

4.1 改善了焚烧炉的运行状态

后拱抬高后，压火现象消失，火焰不再冲向后拱顶，向炉膛上方的趋势明显；引风机更换后，炉膛负压状态建立，火焰贴墙燃烧的状态消失；后拱结焦状况消失。

炉排片及侧补偿块更换后，漏风情况得到改善，加上一次风温的降低、二次风机风压的提高，改善了燃烧状况，侧补偿块处不再形成火口。

焚烧炉推料时间缩短，由于生活垃圾成分受季节、区域、发酵周期、天气等因素影响较大，因此垃圾处理量处于一个动态变化的范围。由表4可见：4个月的平均垃圾处理量约为221.8 t/d。

4.2 提高了焚烧炉的蒸发质量流量

焚烧炉的卫燃带下移，炉膛烟温降低，后续各部件排烟温度基本在设计值(见表2)附近运行。排烟温度保持在185～195 ℃，降低了排烟热损失，提高了焚烧炉效率。焚烧炉蒸发质量流量与大修技改前相比，提高了约4.7 t/h，达到了预期的改造效果。

4.3 提升了电厂时经济效益

此次改造既消除了焚烧炉正压运行、结焦的危险，保证了焚烧炉稳定运行，达到了改造效果，又提高了全厂的经济效益。按全年平均汽耗率约为5.3 kg/(kW·h)、年运行8 000 h计算，则年增发电量约为709万kW·h，焚烧炉风机更换，导致厂用电提高至23%左右，按上网电价为0.65元/(kW·h)计算，则年新增发电收入约355万元；垃圾处理费为73元/t,则改造后增加的年垃圾处理费约为94万元：合计年经济效益为449万元。项目总改造费用约为180万元，在连续运行4.5个月后，额外增加的发电量及垃圾处理费即可收回改造成本，因此经济效益非常可观。

5 结语

为了使原生活垃圾焚烧炉适应高热值垃圾，从两方面着手：(1)从提高焚烧炉热负荷着手，通过增加蒸发器、水冷屏，降低卫燃带高度的方式来加大垃圾焚烧炉的受热面布置，提高焚烧炉的热负荷，增加垃圾处理量；(2)从工艺方面调整，适当降低一次配风温度，降低燃烧段及干燥段空气温度；提高后拱，采用烟气再循环系统提高二次风扰动作用，引导高温气流上行；对于焚烧烟气量的增加，需要保证引风机的功率，维持炉膛的负压状态。通过有效、合理的改造，焚烧炉的运行状态得到改善，焚烧炉的烟温降低使蒸发量得到提高，同时提升了电厂的经济效益。