郑州荥泽环保能源有限公司 景玉博 朱梦曼 王玉理 姚喜恩 郑州东兴环保能源有限公司 李向东 刘红松
截至2023年,某城市生活垃圾每天产生量接近10000t。城市生活垃圾围城的问题日益突出;焚烧法处理生活垃圾对土地资源短缺、环境问题日益突出的城市来说成为必然选择。某垃圾焚烧发电厂选用6×700t/d 的垃圾焚烧炉,配备3×30MW 汽轮发电机组,日处理生活垃圾量4200t/d。自2019年12月6炉3机投产以来,较好地推动了某城市生活垃圾无害化、减量化、资源化的发展,缓解了城市垃圾围城的燃眉之急。
焚烧炉采用重庆三峰卡万塔环境产业有限公司生产的SITY2000逆推式机械炉排炉。如图1所示,焚烧炉由给料系统、焚烧系统、除渣系统、液压系统、燃烧控制系统、燃烧空气系统、启动及辅助燃烧器系统等组成。生活垃圾在垃圾坑中发酵5~7天后,通过起重机将垃圾送至焚烧炉的给料斗,给料器将垃圾推送到逆推式机械炉排上进行干燥、燃烧、燃烬及冷却。燃烧产生的烟气全部进入余热锅炉,垃圾燃烧后的炉渣经捞渣机收集。
图1 城镇生活垃圾焚烧炉和余热锅炉布置示意图
余热锅炉采用南通万达锅炉有限公司生产的单锅筒、卧式布置、自然循环中压锅炉,采用悬吊结构。额定蒸发量66.55t/h,额定蒸汽压力4.0MPa,额定蒸汽温度400℃。余热锅炉由一烟道、二烟道、三烟道、水平烟道、U 形尾部烟道组成。
#4炉自2019年12月投运以来,二、三烟道左右侧温度一直维持在600~650℃,省煤器出口负压维持在-200~-100Pa;炉膛负压-10Pa 时,引风机变频30~34Hz,电流24.5~26.8A;引风机自2020年4月某日监盘发现,发现二、三烟道温度左侧测点下降至400℃,右侧测点下降至114℃;省煤器出口负压上升-1200~-1500Pa;在负荷相同的情况下,低于#4炉正常温度200~500℃左右;省煤器出口负压上升1100~1300Pa;引风机变频器上升42Hz,电流上升至33.8A。
就地测温枪测得二、三烟道卸灰阀处灰斗温度25℃左右,判断为积灰,联系检修清灰;由于检修在线只能通过二、三烟道卸灰阀人孔处清灰,清灰后测点温度依旧没有上升趋势;联系热工检查此处热电偶,通过更换新热电偶,此处温度仍旧没有恢复正常,排除温度测点故障,判断为二、三烟道灰斗以上积灰比较严重,如图2所示。申请停炉检修;停炉后打开二、三烟道灰斗上人孔门,人孔处已经堵满,存在有浇注料脱落现象,如图3所示,为防止灰块堵塞下灰管道,采取人工搬运的方法清灰;累计工作12天,将#4炉二、三烟道清灰完毕。
图2 二、三烟道灰斗人孔打开后内部积渣
图3 二、三烟道灰斗人孔内清理出的脱落浇筑料块
生活垃圾焚烧炉积灰结渣机理与垃圾种类有密切关系。李润东[1]、张衍国[2]等学者研究认为,由于生活垃圾中含有部分的餐厨垃圾,因而焚烧物中含有碱金属元素。在焚烧炉内高温环境下,碱金属化合物会发生气化混合在烟气中,而且部分化合物还会发生熔融,诱发共融产物。当遇到较低温环境时,气化的碱金属化合物会发生凝结沉积,发生相态的转化,形成积灰结渣。此外,垃圾焚烧炉存在超负荷运行的情况,在这种情况下炉内温度容易超过设计的标准温度,加剧炉内化合物的熔融,飞灰颗粒容易积聚在熔融体表面,导致积灰结渣。另外,在焚烧炉超负荷运行的情况下,焚烧料容易燃烧不充分,气相中还原性碳含量升高,也促进了积灰结渣的生成。
一是炉膛温度过高是造成二、三烟道积灰板结的主要原因;高亮[3]、李涛[4]等学者研究表明高温烟气有利于渣块的形成,在试验过程中当温度高于450℃时,开始形成黏结性积灰,当温度高于460℃时,受热面开始结渣。通过调取二、三烟道温度曲线,查得此处最高温度680℃,由于垃圾成分复杂,680℃已经到了部分飞灰的灰熔点,造成飞灰黏结到受热面的内壁上,当温度下降后板结变硬;形成大块掉落在灰斗平台上,堵住下灰口,越积越多,最终堵死。
二是二、三烟道灰斗内部浇注料脱落造成灰斗堵塞。二、三烟道灰斗炉内侧由抓钉、铁丝网、隔热浇注料、耐火浇注料等结构组成,如图4所示。设计选用的抓钉设计尺寸较小、V 型、Y 型抓钉选型不合理、灰斗炉内侧护板上焊接抓钉密度不足,造成抓钉承载力无法满足灰斗内壁保温层的重量,导致灰斗内部浇注料脱落;二、三烟道灰斗处空气炮如图5所示,使用频率太高,产生的喷射气流振动扰动浇筑料,加速浇筑料的脱落。
图4 二、三烟道灰斗炉内保温典型结构图
图5 二、三烟道卸灰阀处平台和空气炮
三是烟气中水分含量高。蒸汽吹灰带水造成此处飞灰板结,每台余热锅炉前置蒸发器处布置有蒸汽吹灰,蒸汽吹灰时,蒸汽吹灰疏水不畅;锅炉渗滤液回喷量过大,短时间内无法在炉膛中蒸发,造成烟气中含水量增多;垃圾库生活垃圾发酵时间短,造成入炉垃圾含水量大。
四是二、三烟道双层卸灰阀由于机械故障和电气故障导致卸灰阀电机跳闸,在此期间造成二、三烟道灰斗中的积灰不能正常进入捞渣机,逐渐积累造成积灰严重。
五是二、三烟道下部灰斗设计不合理,二、三烟道下灰斗与双层卸灰阀连接处,存在一个平台,通过打开平台处的插板阀,二、三烟道的积灰才能进入捞渣机;插板阀的面积只占平台面积的1/3;正常运行时此处积灰不能全部落下。
六是管理不到位。监盘人员不认真,没有及时发现二、三烟道测点温度和省煤器出口负压,以及引风机处理变化情况,做到及时发现、及时汇报、及时处理;就地巡检人员巡检不到位,通过点温枪或手摸卸灰阀都能发现是否积灰;检修人员维护不到位,运行人员通知堵会后,没有清理干净。
一是燃烧调整方面,通过控制好入炉垃圾发热量、调整给料量、料层厚度、上下炉排速度、一二次风量、一二次风温、氧量等方法,控制好炉膛温度在950~1050℃,进入二、三烟道的烟气温度<620℃。
二是二、三烟道灰斗炉内浇注料施工时,炉内侧焊接抓钉按照最大受力荷载选择尺寸,选用双面承载力的Y 型抓钉,如图6和图7所示,提高抓钉承载力,满足灰斗内壁保温层的重量要求,适当增加灰斗炉内侧护板焊接密度,减少空气炮的使用频率。
图6 二、三烟道修复过程新焊抓钉
图7 二、三烟道灰斗修复后图片
三是保持烟气中水分含量在正常范围。严格按照蒸汽吹灰的要求执行,吹灰前检查蒸汽吹灰疏水手动门全开,蒸汽吹灰压力1.0~1.3MPa,疏水温度>240℃,程控时疏水时间>600s,保证蒸汽吹灰的过热度;渗滤液回喷投入的量宜控制在1.0~1.2t/h,建议渗滤液回喷泵出口再循环管手动门改造为电动调整门,此设计根据需要调整压力;做好垃圾库管理,投炉垃圾满足正常的发酵时间5~7天,垃圾库存明显减少时,通过停炉、增加垃圾入库量等手段调节。
四是在二、三烟道灰斗处卸灰阀故障后尽快恢复正常,对故障后卸灰阀加大巡检力度。
五是优化二、三烟道下灰斗与双层卸灰阀连接处的设计,减少灰斗和卸灰阀连接处的积灰。
六是做好运维管理措施。运行人员加大参数监视力度,发现二、三烟道温度比正常温度下降50~80℃,省煤器处负压比正常大100~200Pa 时,引风机出力变大等异常情况,如果不是测点问题,就地用点温枪测温异常,及时联系检修清灰,清灰后要验收,记录清灰情况;检修人员除了做好日常维护,还要将二、三烟道清灰作为停炉检修的重要保养项目,进入炉膛清灰做好防护措施。
综上,垃圾焚烧锅炉控制进入二、三烟道的烟气温度和水分在正常范围;二、三烟道灰斗炉内侧浇注料施工时,做好抓钉尺寸、焊接密度、抓钉型号的选择;二、三烟道灰斗处有空气炮等振达装置时,减少振达装置的使用频率;加强运维人员的管理。这些措施能够有效地解决余热锅炉二、三烟道积灰问题,保持锅炉长周期安全环保经济运行。