400 t/d垃圾焚烧炉结焦原因分析及优化改造

王杰，赵锋锋

(光大环保技术装备(常州)有限公司，江苏 常州 213011)

近些年，随着我国城市化发展脚步的不断加快，城市生活垃圾越来越多，生活垃圾已经成为困扰城市发展、影响居民生活、污染城市环境的社会问题。因此，处理城市生活垃圾迫在眉睫。常见的城市生活垃圾处理方法有填埋处理、焚烧处理和堆肥处理[1]，目前国内外处理垃圾最普遍的方式是焚烧发电。由于垃圾成分的特殊性、多变性和复杂性，在进行垃圾焚烧的同时，结焦问题也随之产生，随着结焦范围的不断扩大，流通面积缩小，传热恶化，锅炉排烟温度升高，厂用电率上升，锅炉需要不定期停炉清焦，对垃圾发电厂的安全性以及经济效益造成了很大的影响，因此对锅炉结焦原因展开分析并进行相应的技术改造升级显得至关重要。

本文针对某400 t/d垃圾焚烧锅炉，分析垃圾焚烧炉存在结焦现象的原因，并对焚烧炉炉拱和二次风布置进行了升级改造，实现了锅炉安全、稳定和高效的运行。

1 工程概况

某垃圾发电厂一期项目工程的日处理垃圾能力为400 t，焚烧炉采用顺推式机械炉排炉，垃圾设计热值为6 280 kJ/kg，炉排热负荷(MCR)为456 kW/m2，炉排机械负荷(MCR)为240 kg/(m2·h)。余热锅炉型式为自然循环水管锅炉，卧式布置，蒸汽参数为4.0 MPa/400 ℃，高温烟气经过炉膛三通道后依次经过高温蒸发器、高温过热器、中温过热器、低温过热器、低温蒸发器和省煤器后进入尾部烟气净化装置，处理达标后经烟囱排出。

在实际运行中发现炉膛喉口部位烟气温度较高，容易发生积灰结焦的情况，尤其是焚烧炉前后拱位置，炉膛前拱结焦如图1所示，炉膛后拱结焦如图2所示。情况较轻时，会聚集大块焦块掉落砸至炉排，影响炉排片寿命，情况严重时，焦块不断在喉口积聚，喉口流通面积不断减小，影响垃圾焚烧炉安全稳定运行。随着时间的推移，垃圾处理量由原先的400 t/d逐渐减少到330 t/d，每年锅炉停炉检修的次数由2次增加到4次。

图1 炉膛前拱结焦

2 锅炉结焦原因分析

2.1 垃圾的灰渣熔点特性

生活垃圾与一般燃料相比，具有含水率和灰分高、热值低、成分多样且复杂等特点，垃圾成分随季节、地区和居民生活水平等变化，相应的热值变化幅度也较大，导致焚烧过程中烟气温度和组分波动较大，因此焚烧过程中发生的结渣比一般燃料燃烧过程中更复杂。从垃圾飞灰的实际的灰熔融特性来看，其变形、软化和熔融温度明显低于粉煤灰的温度，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点。

2.2 运行时炉膛温度控制

根据《生活垃圾焚烧污染控制标准》(GB 18485—2014)要求，垃圾焚烧炉产生的高温烟气在大于850 ℃条件下滞留时间不小于2 s。因此在实际运行中为满足上述规定，保证烟气中二噁英充分分解，焚烧炉出口温度一般控制在1 100 ℃左右，炉膛火焰中心的温度更高，飞灰可能早已达到软化甚至熔融温度，为锅炉的结焦埋下了隐患[2]。随着锅炉运行时间的延长，由于温度测点挂焦和挂灰等原因，温度测点的准确性存在一定的偏差，DCS画面显示的炉膛测点温度较实际温度偏低。按照标准，炉膛相同截面的四个温度测点应当保持50 ℃左右的温差[3]，而在实际运行中远超过此值，甚至超过100 ℃，而且测量炉膛高温区域的热电偶损坏比较频繁，对炉膛温度的准确判断增加了难度。

2.3 炉膛结构的影响

垃圾的设计热值较低，只有6 280 kJ/kg，为了保证低热值的垃圾在炉膛内更易着火燃烧，对进入炉膛一二段炉排上的新鲜垃圾进行有效的干燥，炉膛设计了带折焰角的后拱。在锅炉满负荷运行时，高温烟气经过焚烧炉喉部后截面增大，烟气流速降低，烟气中部分粉尘分离沉积下来，多数是沿着炉墙壁向下流动，由于炉拱喉部的角度较小，使得粉尘滞留在炉拱壁上粘结、熔融和冷却，如此循环下去，很容易形成坚固密实的焦块。

2.4 锅炉运行中配风调整的影响

过量空气系数对垃圾燃烧状况影响很大，供给适当的过量空气是垃圾完全燃烧的必要条件。实际运行中，送风量明显小于锅炉运行所需量，二次风量过小，从而造成锅炉的氧量过低。由于在燃烧缺氧状态下，供氧不充分，处于还原或半还原气氛中，使得无机物灰渣熔点更为降低，而达到熔融状态。

3 避免和减缓锅炉结焦的针对性措施

针对以上几种炉膛结焦现象的原因分析，对此炉膛进行技术改造升级，可缓解锅炉结焦问题，保证锅炉的正常运行，减少检修次数，降低检修成本并增加了发电效益。

3.1 锅炉设备维护

锅炉测点反馈的数据是运行人员对锅炉运行工况好坏判断并进行调节的重要依据，因此必须保证锅炉测点的准确性。而影响结焦的主要因素之一的垃圾灰份低熔点的特点是无法改变的，唯一能改变的是炉膛出口温度，所以炉膛温度的准确与否至关重要。因此停炉后，对各个温度测点进行检查，彻底清理测点上的挂灰、挂焦，对损坏的温度测点进行及时更换，并对锅炉积灰和结焦的清理力求彻底。

3.2 锅炉运行调整

在锅炉运行中，经常会超负荷运行。长时间超负荷运行会导致焚烧炉内的单位容积热负荷增加，炉膛温度升高，易使飞灰的达到熔融状态，在烟气的携带下附着到炉膛的壁面而积灰结焦。从锅炉结焦机理以及垃圾焚烧发电厂运行经验来看，温度对锅炉结焦起到至关重要的作用，正常运行时应控制焚烧炉出口平均温度不超过1 050 ℃，同时调节炉墙冷却风量，使炉墙得到充分冷却。

生产中应根据垃圾热值变化(尤其是冬季和夏季)及时调整运行方式，改进燃烧措施，包括风量、风温的调整，负荷的调整等来增加烟气在炉膛停留时间，满足灰渣的热灼减率≤3%。同时，需合理配风、控制氧量在适合范围。一次风与二次风按7∶3进行配比，维持氧量在6%～8%。改造时在后拱增加了一排二次风喷嘴，加强了炉内烟气的扰动，并对改造后的炉膛进行了CFD模拟，改造前后温度场比较如图3所示，改造前后流线比较如图4所示。

图3 改造前后温度场比较

图4 改造前后流线比较

根据CFD模拟结果分析如下：

(1)改造后喉部流通面积变大，后墙倾角变大，有利于减少结焦。

(2)后墙增加一排二次风后可以改善流场，消除原来的低速回流区。

(3)由于后墙二次风喷入以及流通面积的改变，改造后喉部局部高温区域也降低，有利于减缓结焦。

3.3 炉膛结构改造

随着垃圾热值的大幅提高，在达到设计热负荷的情况下原先的炉膛形式已经不能满足垃圾处理量要求，因此炉膛改造已迫在眉睫。本次改造主要内容是切除前拱上部护板，增大倾斜角度，重新焊接前拱连接护板；切除后拱的折焰角，重新焊接后拱连接护板，并对侧墙进行延伸和加固密封。增大喉口处通流尺寸，改造前为2.1 m，改造后变为2.4 m。炉膛容积增大，容积热负荷降低，从之前的54×104kJ/(h·m2)降低到49×104kJ/(h·m2)。炉膛改造如图5所示。在易结焦部位增加了观察孔及打焦孔，便于及时观测炉内结焦情况，对于轻微的结焦可以及时在线清焦。

图5 炉膛改造图

3.4 锅炉受热面改造

为了降低高温过热器入口烟气温度，在第三烟道加一组旗形蒸发器，面积为 118 m2，纵向节距为 80 mm，横向节距为 360 mm，新增蒸发器的两端分别与水冷壁上下相连接，在炉内形成“D”字形的管屏。在新增蒸发器的上部两侧墙上各增加 1 套激波吹灰器，用于新增蒸发器区域的清灰，在布置受热面时采用大节距(横向节距 360 mm)，能够有效地避免该区域的飞灰搭桥。对流管束受热面增加如图6所示。

图6 对流管束受热面增加

4 改造效果及经济性分析

4.1 改造效果

炉膛改造以后，容积热负荷降低，炉膛出口烟气温度较改造前降低50 ℃，维持在1 050 ℃左右。日处理垃圾量由之前335 t增加到370 t，蒸发量由改造前的31 t/h增加到34 t/h，平均增加3 t/h。同等负荷下过热器入口烟气温度下降60 ℃，省煤器出口温度下降8 ℃，锅炉效率增加约1%。

此次改造对料层燃烧、炉温控制、烟气污染物达标排放无不良影响，对炉膛喉口部位前后拱处结焦情况有显著改善，锅炉实现了长周期安全稳定运行。运行6个月后进行计划性停炉，前后拱处未发现较大焦块，充分的证明了此次改造的合理性。

4.2 经济性分析

(1)燃油成本(一次启停炉的成本)。

停炉：折合全功率开启辅燃3.5 h，燃油1.5 t/h，耗油量=3.5 h×1.5 t/h=5.25 t

启炉：折合全功率开启启燃4 h，燃油0.85 t/h，全功率开启辅燃4 h，燃油1.5 t/h，耗油量=4 h×0.85 t/h+4 h×1.5 t/h=9.4 t

单次启停炉共需要燃油5.25 t+9.4 t=14.65 t；

燃油成本：14.65 t×0.9(柴油)万元/t≈13万元。

发电收益(单次停炉按4天计算)。4天少烧垃圾1 300 t，垃圾发电量按照450 kW·h/t垃圾计算，1 kW·h电费按照0.65元计算，垃圾处理费按照60元/t 计算：

发电收益：450 kW·h/t×0.65 元/kW·h×1 300 t÷10 000≈38万元

垃圾处理费：1 300 t×60 元/t÷10 000≈8万元

停炉人工清焦成本：约5万元

总计节约成本：13 万元+38 万元+8 万元+5万元=64万元

(2)在线清焦的费用。

折合全功率开启辅燃3 h，燃油1.5 t/h，燃油费：3 h×1.5 t/h×0.9万元/t≈4万元

一年在线清焦的费用：4 万元×10=40万元

据此可得：按改造前一年停炉4次，改造后按一年停炉2次计算，则改造后一年可以节约成本64 万元×2+40 万元=168万元。改造后多处理垃圾约35 t/d，一年可以多处理垃圾1.16万t，年垃圾处理费增收9.5%，每天多发电1.3万kW·h，年发电增加约433万kW·h，年售电收入增加约9.8%。

5 结语

综上所述，垃圾焚烧炉结焦积灰是受灰渣熔点特性、炉膛结构特点、运行温度和配风量控制等因素影响造成的。随着国内生活垃圾分类的逐步推进和完善，未来生活垃圾热值将会持续提高。可以预见，国内大部分生活垃圾焚烧项目将会迎来改造热潮，希望本文能对今后城市垃圾焚烧发电项目的改造提供借鉴和指导。