垃圾发电厂锅炉受热面积灰结焦特性及清灰装置的应用

2012-07-30邹金生王志强

综合智慧能源 2012年11期

邹金生，王志强

(1．深圳市能源环保有限公司，广东深圳 518052;2．山东大学能源与动力工程学院，山东济南 250061)

0 引言

近几年，生活垃圾焚烧发电技术在我国的应用日益成熟，该技术最大限度地实现了城市生活垃圾处理的无害化、减量化和资源化，正受到我国各级地方政府的高度关注。2011年3月，国务院召开进一步加强城市生活垃圾处理的专题工作会议，鼓励对生活垃圾采用焚烧发电等资源化利用方式进行处理。2012年3月，国家发改委下发了发改价格〔2012〕801号文《国家发展改革委关于完善垃圾焚烧发电价格政策的通知》。随着国家相关鼓励引导性政策法规的颁布，垃圾焚烧发电项目将进入新一轮发展高潮。

垃圾焚烧产生的烟气中含有大量粉尘，粉尘细小、黏结性强，容易在余热锅炉受热面上积灰、结焦，影响锅炉受热面的传热效果，导致锅炉出力降低。目前，我国投运的垃圾发电厂绝大多数每次连续运行3个月左右就会因锅炉受热面积灰、结焦严重和锅炉出口排烟温度过高而不得不停炉清灰，无法实现机组的长周期运行，不但影响了垃圾发电厂正常的运行，降低了余热锅炉热效率，而且影响了发电厂的经济效益。因此，解决好锅炉受热面积灰、结焦问题是垃圾发电厂最基本的，也是必须解决的问题。

1 垃圾发电厂锅炉受热面积灰结焦特性

生活垃圾发电厂接收的生活垃圾在垃圾储仓内经短时间发酵后，通过垃圾吊车送至焚烧炉，垃圾在焚烧炉内燃烧产生高温烟气，高温烟气通过余热锅炉受热面回收热量。通常焚烧炉和余热锅炉是2个完全独立的装置。生活垃圾中含有一定的碱金属元素(主要是钾、钠等)和有机物质，垃圾在焚烧炉内焚烧过程中因高温裂解而产生的灰粒和焦油以微粒形态存在于烟气中，微粒随着烟气向余热锅炉扩散。高温烟气流经余热锅炉时，各受热面进行热量交换，烟气温度会逐渐降低。如果微粒因烟温较低在接触受热面时已凝固，则沉积在受热面管壁面上呈疏松状态，形成积灰;如果烟气中的微粒在接触受热面管壁面(如水冷壁、蒸发管屏、过热器管屏等)时仍呈熔化状态，则这些熔化或部分熔化的颗粒会逐渐黏附在管壁上，形成紧密的结焦层。

锅炉受热面积灰结焦沾污后，水冷壁、蒸发管屏、过热器、省煤器的换热能力降低，锅炉出口烟气温度升高，锅炉换热效率降低。锅炉出口烟气温度升高将导致烟气处理系统负荷加大，设备运行寿命减短，烟气净化能力下降;特别是布袋除尘器的布袋对运行环境温度要求严格，锅炉出口烟气温度超过设计极限后，系统必须停止运行。在换热作用减弱的情况下，为了维持同样的蒸发量需要添加更多的燃料，使送、引风机负荷增加。但焚烧炉焚烧能力和通风设备设计容量有限，积灰、结焦情况下容易发生烟气通道的局部堵塞，炉内可能产生正压;烟气通道堵塞严重时，将造成局部烟气流速过高，吹损传热管，导致锅炉爆管停炉的恶性事故发生。此外，黏结在水冷壁或高温过热器上的灰、焦会与管壁发生复杂的化学反应，形成高温腐蚀。为了有效减少锅炉积灰、结焦，实现安全、稳定运行，应结合各锅炉的结构特点设计选择相应的清灰装置。

2 垃圾发电厂锅炉主要清灰方式及其应用

2．1 声波清灰

声波吹灰(如图1和图2所示)是通过声波发生器将压缩空气或高压蒸汽调制成声波，将压缩空气的能量转化为声能(声波)。声波在弹性介质(炉内空间)里传播，声波循环往复地作用在换热表面的积灰上，对灰粒之间及灰粒和管壁之间的结合力起到减弱和破坏的作用。声波持续工作，那种结合力必然会不断减弱，当它减弱到一定程度后，由于灰粒本身所受的重力或烟气冲刷力的作用，灰粒会掉下来或被烟气带走。声波除灰装置具有以下特点:声波具有反射、衍射、绕射的特性，无论受热面管排如何布置，只要在声波有效作用范围内，声波总可以清除管排间及管排背后的积灰，不留死角;声波清灰以空气为介质，不会引起腐蚀;声波清灰是利用较小能量的循环往复作用而达到清灰的目的，不会使管壁受损。但声波吹灰器振动膜片制造难度大，造价高，需不断更换，维护工作量大，持续150dB以上的噪声对人体有害，对于黏结性较强积灰的清除效果一般，因此，在垃圾发电厂中，声波清灰技术应用较少。

2．2 蒸汽吹灰

蒸汽吹灰器通过喷嘴喷出高温、高压蒸汽，直接对锅炉受热面灰、焦进行清除，有效吹灰半径为1．5～2．0m。蒸汽吹灰器主要有长伸缩式和固定旋转式2种。长伸缩式吹灰器(如图3所示)主要设置在高温烟气区域，如蒸发管屏和过热器区域，吹灰时吹灰管和喷头一面旋转，一面伸入烟道。为了防止喷枪高温烧损，喷枪只有在吹灰器运行中才旋转伸入炉内，因此，长伸缩式吹灰器需要较大的设备布置空间和检修平台。固定旋转式吹灰器(如图4所示)主要设置在低温烟气区域，如低温蒸发器、省煤器区域，喷枪固定安装在炉内，因此，布置空间较小。蒸汽吹灰的优点是:吹灰介质压力高，喷射速度大，能清除黏附性较强的积灰。其缺点是:一次性投资较大，设备故障率相对较高，吹灰枪管易发生卡涩、漏汽等;吹扫有死角，清灰不完全;需消耗蒸汽，运行费用高;还会增加烟气中的含氧量或水分并增加锅炉的排烟量。

2．3 激波吹灰

激波吹灰(如图5和图6所示)是通过管路将空气和可燃气体(乙炔)在特制的混合点火罐内充分混合，通过另一端与激波发生器相连的混合气体导管将混合好的可燃气体输送至激波发生器中，随后在点火罐内点火，引爆发生器内的混合气体，由于爆燃气体体积瞬间急剧膨胀，产生的强大爆燃气流急速压缩空气，产生一个能量间断面，也就是激波。激波喷射到锅炉的受热面上，剧烈变动的压力纵波对积灰产生一种“先推后拉”的作用，使受热面上的积灰受激波的冲击作用而破碎、剥落，脱离积灰基底。同时，激波在受热面上发生物理界面折射与反射，折射的激波将能量传入受热面积灰的内部，导入积灰中的折射波还会在积灰体中产生横波，这些横波在积灰基底上的反射和入射波的相互作用使积灰与积灰基底之间的结合面产生剪力，使积灰与基底分离。通过控制激波的能量，可处理不同类型锅炉和不同类型换热设备上的积灰，使受热面上的积灰在足够强度的激波冲击下脱落。混合气体爆燃和激波产生的高温可达1500℃以上(乙炔的爆燃速度为2100m/s，6倍于声速)，可将坚硬的积灰外壳软化，对黏性灰、焦的处理效果更佳，混合气体的爆燃声响经压缩波的叠加能够产生150～160 dB的声波，在声波干扰作用下可将激波过后残余破碎的灰垢振落。激波吹灰的优点是吹灰效率高、适应性广、系统简单(无转动机械)、可靠性高、不需要经常维护、结构尺寸小、占用空间小且运行费用较低。其缺点是存在一定的安全隐患，喷吹后烟气倒灌容易腐蚀喷嘴和管道，喷嘴附近的受热面管子容易受损，需进行适当保护。

2．4 机械振打

机械振打装置(如图7所示)以电动机为动力，顺序对锅炉受热面联箱进行锤击，在锤击的一瞬间使受热面产生强烈的振动，黏附的积灰受到反复的应力作用而产生微小裂痕，直到积灰的附着力遭到破坏而脱落。机械振打的优点是消耗动力少，而且不会对烟气增加额外的介质，但缺点是对锅炉受热面联箱角焊缝的使用寿命和强度有一定程度的不良影响。

2．5 清灰装置在垃圾发电厂的应用情况

以上几种清灰方式都在实践中有广泛使用，对于垃圾发电厂余热锅炉，应根据其结构形式而选用适当清灰装置。

我国早期建设的垃圾发电厂多是引进国外垃圾焚烧发电技术而建成的，其中:法国阿尔斯通、日本三菱、日本荏原公司设计的余热锅炉尾部受热面(蒸发管屏、过热器、省煤器)为蛇形管结构，选用蒸汽吹灰的清灰方式，如上海浦东垃圾发电厂、广州李坑垃圾发电厂、太原东山垃圾发电厂等;比利时西格斯公司设计的余热锅炉尾部受热面设计为上下联箱结构，选用机械振打的清灰方式，如深圳南山垃圾发电厂、苏州垃圾发电厂等。上述2种清灰装置均存在设备造价高、清灰效果有限的不足:蒸汽吹灰需消耗蒸汽，运行成本高;长期机械振打，受热管屏下集箱角焊缝处容易产生裂纹，锅炉发生泄漏的几率加大。

图5 脉冲激波吹灰示意图

随着我国垃圾焚烧发电技术的引进、消化、吸收和创新，国产垃圾焚烧炉技术已趋成熟，同时大量借鉴了火电锅炉的先进技术，将声波和激波清灰技术应用在了垃圾发电厂余热锅炉受热面清灰上。其中，声波清灰技术不适应清除垃圾焚烧锅炉上的黏结性积灰，清灰效果不理想，该技术推广应用较少;激波清灰技术清除垃圾锅炉黏结性积灰的效果明显，推广应用较为成功，如宜兴垃圾发电厂、湖州垃圾发电厂等。

3 垃圾发电厂清灰系统的技术改造

3．1 基本情况

深圳某垃圾发电厂设计垃圾焚烧处理规模为800 t/d，2005年建成投产，共设2条焚烧处理线，焚烧炉选用比利时西格斯公司的机械炉排炉，余热锅炉外方设计、国内制造(卧式，中温中压蒸汽参数为400℃/4．0MPa)。锅炉受热面由2部分组成，第1部分为3个垂直布置的辐射烟道和水平布置的第4烟道组成的辐射受热面(膜式水冷壁)，第2部分为对流受热面，布置在水平烟道内，包括2组蒸发管系、3组过热器、2组省煤器，对流受热面均为管屏结构，管屏上、下均设置了小联箱。锅炉清灰采用的是比利时西格斯公司配套进口的机械振打装置，振打装置顺序振打各对流受热面管屏下联箱。技术改造前清灰运行方式为:每个对流受热面下联箱每3 h振打2次。

3．2 存在的问题

清灰效果不理想，振打装置不能将锅炉受热面上的积灰彻底清除，焚烧线系统运行3个月左右就会因受热面积灰、结焦严重而停炉，致使机组无法长周期连续运行，直接影响全厂经济收益。

蒸发器、过热器、省煤器下联箱与管子连接处的角焊缝长时间受到振打装置的冲击，导致焊缝过度疲劳，角焊缝处易产生裂纹。在近几年的运行中，此处发生多次泄漏且泄漏频率逐年增加，由此导致机组多次非计划停炉;该位置空间狭小，维修困难，停炉时间长，经济损失大。

3．3 技术改造方案

针对电厂存在的积灰问题，改造的方案是在原有振打清灰装置的基础上增加1套激波清灰装置，在锅炉尾部水平烟道各受热面管屏空隙区域上、中、下布置3层，共7组21个点(如图8和图9所示)，选用北京某公司BGG组合分布式高效智能控制燃气激波吹灰系统。通过机械振打与激波清灰相结合的清灰方式，改变机械振打清灰效果不理想的情况，提高锅炉热效率，解决锅炉因积灰严重而影响正常运行的问题;减轻振打对蒸发器、过热器、省煤器管屏下联箱角焊缝的冲击而减少泄漏。技术改造于2009年10月全厂停炉检修期间同期实施。

3．4 改造后运行情况

经过一段时间的运行摸索，改造后清灰运行方式为:激波清灰装置每点每8h喷吹2～3次，机械振打装置每10 h对每个下联箱振打1次，明显减少了下联箱的振打频率。

图11 技术改造后受热面积灰情况

改造后锅炉受热面各项数据明显好于技术改造前。机组连续运行3个月后停炉检查，改造前受热面管屏积灰严重(如图10所示)，改造后受热面管屏积灰较轻(如图11所示);改造前机组无法实现长周期、连续运行，每3个月左右就会因积灰、结焦严重而必须停炉清灰，改造后机组最长运行时间达到284 d，大大减少了检修次数，延长了机组的运行时间，全厂经济效益明显提高。经过对清灰系统2年多来运行情况的总结，认为此次技术改造解决了困扰该厂余热锅炉受热面管屏积灰、结焦和振打爆管的难题，激波吹灰装置和机械振打装置结合使用清灰效果良好。