垃圾焚烧炉结焦原因分析及控制措施研究——以逆推炉排炉为例

赵树明 张 伟 张继澍

（1.廊坊首钢盛业生物质能源有限公司，河北廊坊 065600；2.北京首钢生态科技有限公司，北京 102300）

1 研究背景及意义

垃圾焚烧炉是垃圾焚烧处理工艺中的核心设备，对整体工艺路线、焚烧效果都起着至关重要的作用。目前，垃圾焚烧炉主要分为炉排炉和流化床两种类型。炉排炉的特征在于垃圾通过料斗及给料器进入向下倾斜的炉排，通过炉排的往复作用，垃圾得到翻滚搅拌并依次通过干燥区、燃烧区和燃尽区，一次风从炉排下方吹入，提供助燃空气的同时对炉排起到冷却作用。炉排炉只需要在启停炉阶段添加辅助燃料，不需要对垃圾进行预处理，且产生的炉渣及飞灰相对较少，但启停炉时间较长，一般启炉时间在15个小时左右，期间会较正常工况产生更多的二噁英及有害气体。流化床的特征在于炉膛下部布置有布风板及惰性颗粒，通过床下布风，使惰性颗粒呈沸腾状，形成流化床段，并在上方设置足够高的燃烬段。垃圾进入流化床后，颗粒与气体之间传热和传质速率高，物料在床层内几乎呈完全混合状态。载热体蓄热量较强，可避免炉温急剧变化，床层温度易于控制。流化床工艺具有适用低热值垃圾的特点，但须对垃圾进行严格的预处理，同时运行温度普遍低于炉排炉，产生的飞灰及炉渣量较大[1]。

近年来，随着工程实践的增多，炉排炉已逐渐成为我国大多数垃圾焚烧厂采用的技术路线。炉排炉根据炉排类形主要分为顺推或逆推式两大类。逆推炉排炉以三菱-马丁技术为代表，在国内具有众多的工程业绩。炉排的逆向推动可实现对垃圾更好的搅拌效果，并相应延长垃圾在炉内的停留时间，适应于生活垃圾高含水率的特点，逆推炉排结构相对简单，运行稳定性强，故障率低。然而，从实际运行角度来看，也逐步暴露出一些问题。一是炉排长度较短，运行中垃圾干燥、着火段难以明显区分，火线易靠近给料器。二是与其他相同机械负荷的炉型相比，炉膛空间偏小，造成炉膛温度较高，运行温度普遍在1100℃以上。三是炉膛结焦较快，连续运行周期一般在6个月以内。炉膛结焦若靠近给料器，将造成给料器不下料或下料不畅，对应的炉排因缺少垃圾造成炉膛温度下降。若结焦在焚烧炉喉部，将造成一通道通流面积的下降，极端情况下喉部焦块连接成片，堵塞烟道，造成炉膛反正压的事故。焦块生长到一定程度，从前墙或侧墙跌落，若焦块较大，将砸坏炉排及框架，停留在炉排上的焦块由于自重炉排很难推动，极大影响该区域垃圾的燃烧，处置不当将造成停炉[2]。即使是检修期间，焦块的跌落也是炉膛检修的重大风险点，须制定详尽措施确保人员及设备安全。此外，垃圾焚烧厂对炉膛结焦的控制还在于通过延长焚烧炉连续运行时间，最大程度降低在非正常工况（启停炉）过程中二噁英及其他有害气体在低温阶段的排放。因此，研究减缓垃圾焚烧炉结焦的控制措施具有重大的现实意义。

2 结焦机理及影响因素

锅炉结焦是烟气中携带的熔化或部分熔化的灰颗粒，碰撞到受热面管子被冷却凝固而形成的，主要出现在辐射、半辐射和高温对流等受热面。锅炉结焦是一个物理、化学综合过程，一般认为分两个阶段。第一阶段是垃圾中的碱金属化合物、钙和磷的化合物，由垃圾中挥发出来，变成以氧化物、氯化物、氢氧化物的蒸汽或气体，随烟气冲刷换热管，换热冷却后在管子外表面凝结，形成黏结性沉淀层[3]。同时，在高温烟气中硫氧化物气体长期作用（烧结）下，形成薄而密实的硫酸盐沉积层（第一层灰）。第二阶段是随着灰层厚度不断增加，其灰污表面温度不断升高，逐渐接近于烟气温度，若此烟气温度使灰处于熔化状态，则在第一层粗糙的灰层表面极易黏附一些烟气中尚未得到冷却成为凝固状态的液态灰颗粒，形成增长速度很快的梳状、松散多孔的外灰层沉积物（第二层灰）。垃圾焚烧过程极为复杂，入炉垃圾成分时刻处于变化状态，气、液、固多项反应混合发生。可以说，垃圾焚烧炉的工况特点决定了其易结焦的属性[4]。实际运行过程中，结焦的速率主要受以下因素影响。

2.1 炉膛温度的影响

垃圾焚烧后的灰烬中的碱金属氧化物、氯化物及其硅酸盐、硫酸盐类易挥发，可以促进灰层形成，降低灰熔点。灰熔点与炉膛温度的相对关系是影响结焦速率的最重要因素。从垃圾飞灰的实际灰熔融特性来看，其变形、软化、熔融温度基本在1100℃。垃圾焚烧炉运行中的理想温度是1050℃，炉膛超温必然导致结焦速率的加快，实际生产中应注意平衡机械负荷与容积热负荷的关系，注意短期负荷与长期稳定性的综合考量。

2.2 配风的影响

在缺氧状态下燃烧、供氧不充分，会使炉膛处于还原或半还原气氛中，无机物灰渣熔点降低，达到熔融状态，垃圾焚烧炉要求将炉膛氧量控制在6%以上。此外，二次风的使用也对结焦具有明显的影响。二次风一般为常温风，实际运行过程中往往对二次风的使用缺乏足够重视，二次风出风口设置在焚烧炉喉部，可在焚烧炉出口产生扰动作用，增加飞灰在喉部的沉积，同时可补充助燃空气，增加燃尽率。

3 实际案例分析及预防措施

3.1 某垃圾焚烧厂因炉膛结焦影响推料器下料被迫停炉

推料器是影响炉排炉运行工况的关键设备，推料器行程是运行人员根据观察炉排上料层情况设定的。推料器行程越长，推下的垃圾量越多，反之越少，通过控制行程保证合理的料层厚度。推料器行程也与垃圾的容重有关，垃圾较轻，采用较长的行程；垃圾较重，采用较短的行程。通过停炉检修，发现推料器上的三角板磨损严重，三角板可以阻止推料器上面的垃圾大量滑下。当磨损严重时，每次推料器后退时，推料器上面的垃圾就容易大量滑到推料平台上，增加推料器推料的阻力。每次推料器前进时，推料器上面的垃圾就容易大量滑到炉排上，造成滑料[5]。

当因为推料器阻力增大而不下料时，运行人员会由于炉膛温度的快速下降而投入辅助燃烧器。辅助燃烧器投入的时间长，油量大，用油次数多。辅助燃烧器在每次停运后，都会喷一段时间的冷却风，会在炉膛中形成低温区。烟气在辅助燃烧器区域遇到低温区，又因空气动力因素，烟气容易冲击辅燃区域下部。流体流速越快，附近压力越低。当辅助燃烧器喷射冷却风时，烟气会向喷枪附近流动，而冷风向上流动，抵挡了上部的烟气，下部烟气有向炉壁流动的趋势，烟气中熔融的碱金属氧化物附着形成初始沉积层，并黏附形成焦块。燃烧器点燃时附近烟气温度较高，固态飞灰软化，灰分的运动也越剧烈，容易附着在初始沉积层上。这些因素的共同作用导致辅助燃烧器区域结焦较严重。

当滑料造成垃圾处理量过多时，为了尽可能在干燥区烘干大量垃圾，炉排下方靠近给料器侧的风室，即第一风室，挡板须开大，长时间在50%以上。炉排干燥段是为了将垃圾中水分烘干，将可燃垃圾气化。干燥段温度范围是从常温到600℃。如果第一风室挡板开度过大或推料间隔时间过长，炉排干燥段上的垃圾甚至给料平台上的垃圾将会燃烧，给料平台和干燥区是炉膛内最大的低温区。垃圾燃烧产生的碱金属氧化物的熔点在500～600℃，在烟气中呈液态，遇到低温区后表面冷却，附着在给料器下方的侧墙上，形成初始沉积层，进而与飞灰结合形成焦块。垃圾处理量过多时，烟气中的灰分和挥发分含量会增加，容易在炉膛里产生还原性气氛。通过查阅曲线可看到，该焚烧炉运行期间有较长时间炉膛氧量低于6%。在还原性气氛中，飞灰中的三氧化二铁会被还原成氧化亚铁，氧化亚铁会使碱金属氧化物的熔点下降，润湿性增加，黏附力加大[6]。这导致碱金属氧化物更容易形成初始沉积层，更容易黏附固态飞灰，形成焦块。当滑料造成炉排上垃圾过多时，炉温容易偏高，且下料不均易造成炉膛两侧温度的偏差，当炉温较高时，固态飞灰软化，灰分的运动也更剧烈，偏温会使烟气流动紊乱，飞灰更容易冲到炉壁上，与初始沉积层会合，加速结焦。

为减缓结焦，制定以下技术及管理措施并取得了良好的效果。一是减少给料器行程，当推料器并列运行时，行程控制在300mm，不允许超过400mm。若出现部分推料器不下料的情况，要尽量减少解列部分推料器推大行程的次数。二是炉排下方第一风室挡板的开度控制在30%左右，最大不能超过50%，减少第一风室的风量，减少垃圾在炉排干燥段的燃烧，从而控制炉墙侧壁和推料平台上焦块的产生。三是控制火床长度在炉排2/3处和垃圾料层厚度在600～800mm，调整推料器行程、推料间隔时间、炉排速度、排渣时间这些参数。四是严格控制炉膛温度，炉膛上部温度不得超过1100℃，优先控制锅炉容积热负荷，当出现炉膛偏温现象时，通过垃圾吊控制炉排东西两侧料斗上的料层厚度一致。五是炉膛氧量要控制在6%～8%的范围，适当增加过剩空气量，既可以减少在炉膛局部产生还原性气氛又可以增加烟气流速，使液态的碱金属氧化物和固体飞灰不易附着在炉壁和受热面上。

3.2 某垃圾焚烧厂因后拱掉落焦块砸坏炉排片而被迫停炉

焦块掉落至炉排后，如果炉排无法活动，一般采取调整液压站油压的方式活动炉排；如果炉排可以活动，则通过炉排动作排出并破碎焦块。但无论采取哪种方式，都存在损坏炉排及框架的风险，特别是当局部炉排砸坏，炉排下落卡在驱动梁后，炉排的回退易造成梁挤压变形，造成故障扩大并大幅延长检修时间[7]。

从结焦的形成可以看出，熔融状态的灰粒更容易发生黏结，使结焦过程加剧，因此炉膛温度对结焦具有至关重要的作用。实际生产中往往由于生产任务等因素忽略对炉膛温度的长期严格控制。该焚烧炉自启炉至掉焦共运行984小时，东部超1050℃共430小时，占到总运行时间的43.7%，其中超过1100℃共130.3小时，占到总运行时间的13.2%。西部炉温超过1050℃共383小时，占到总运行时间的38.9%；超过1100℃共168.2小时，占运行时间的17.1%。长时间的超温运行，使飞灰达到软化甚至熔融状态，促进了结焦的形成。通过对东西侧温度比较发现，两侧温差较大，最大相差100℃以上，超过正常理论值（50℃），从侧面反映了测温点的结焦情况。余热锅炉蒸发量也存在超负荷情况，余热锅炉超负荷共69.9小时，占总运行时间的7%。超负荷运行势必导致炉膛内的热负荷超标，使飞灰达到熔融状态，在烟气的携带下附着到炉膛的壁面而积灰结焦。垃圾焚烧炉具有燃烧不稳定的特点。根据锅炉负荷曲线可以看出，锅炉负荷变化较大，负荷变化20t/h的情况较多。在锅炉负荷不稳的情况下，更易交替结成片层状的焦块。当高负荷、高烟温时，疏松的焦块还处在熔融状态，在自身重力的作用下脱落或当炉膛温度再一次下降时，再次凝结成更坚固密实的焦块。

针对上述情况，制定如下措施以改善工况。一是在检修清焦时，加强清焦质量，提高浇注料表面的光洁度，减小挂灰的概率。二是保证锅炉受热面清洁，加强吹灰，保证锅炉出口烟气温度处于规定范围内，降低热负荷，提高换热效率。三是运行调整中，控制好炉膛温度，控制好焚烧炉的热负荷，避免超负荷运行。四是稳定垃圾质量，加强垃圾池的倒料、混料等操作，从源头抓好垃圾池的管理，改善入炉垃圾品质。

4 结语

结焦是制约垃圾焚烧发电厂长周期运行的关键因素，从理论上讲，由于垃圾成分的不确定性，结焦是焚烧炉运行的必然结果，但可通过严格控制炉膛温度、锅炉负荷、改善配风、提升炉墙光洁度等检修措施延缓结焦速率，将焦块的生长周期控制在焚烧炉计划检修周期外。结焦的原因是复杂的，其控制措施也必然是综合的，运行管理人员必须坚持久久为功、多管齐下，才能不断提升运行质量，实现垃圾焚烧过程的稳定高效。