垃圾焚烧炉受热面的积灰分析及清洁应用

2015-02-24刘刚

橡塑技术与装备 2015年18期

关键词：结渣积灰吹灰

刘刚

（南宁市三峰能源有限公司，广西南宁 530000）

垃圾焚烧炉受热面的积灰分析及清洁应用

Fouling analysis and cleaning applications of garbage incinerator heating surface

刘刚

（南宁市三峰能源有限公司，广西南宁 530000）

垃圾焚烧发电项目日益增多，大多数垃圾焚烧发电项目都经常面临受热面积灰严重而无法运行导致停炉，本文通过对受热面飞灰的成分分析、熔融特性分析，找出减少积灰的运行方式和生成积灰后去除解决方案。

飞灰积灰；吹灰器；清灰剂；除渣剂；高压清洗技术

随着国家对环境保护的重视，垃圾焚烧发电逐渐成为我国城市生活垃圾处理方式的首选具备其必然性。上海、福州、重庆、温州等地都已有垃圾发电厂投入运营，既有效的改善环境，又给投资者带来经济回报。作为垃圾发电厂主要设备之一的垃圾焚烧炉，它可谓是垃圾发电厂的核心。我国大部分城市生活垃圾都呈现出低热值，高水分、高灰分的特性，垃圾焚烧过程中经常出现受热面积灰问题，导致锅炉效率下降，严重时导致负压都无法形成，被迫停炉。如何防止受热面积灰就显得特别重要。

1 垃圾飞灰特性分析

垃圾焚烧炉因为其燃料是垃圾，如玻璃瓶、塑料瓶、烂衣服、烂鞋子、瓜果木屑、铁丝网、燃料灰渣、陶瓷瓦砾等，中国地域辽阔，东西经济发展不平衡，燃料结构差别大，生活习惯也有很大不同，在燃气地区城市生活垃圾中有机物占72.12%高于无机物（占16.84%）和其他成分（占12.04%）；在燃煤区，有机物只占25.09%，无机物占到了70.16%，远远高于燃气去，其他成分只占4.52%，在发达地区，纸张在城市生活垃圾中所占比例很大，但在欠发达地区食品则是主要组成物。垃圾组成虽有如此大的差异，但燃烧以后产生的飞灰性质是相近的，只是灰量差异大。有人曾研究了国内3个正在运行的城市生活垃圾发电厂的飞灰，结果表明：焚烧飞灰成分相当复杂，其主要成分是SiO2、CaO、Al2O3和Fe2O3，其次为Na2O K2O、MgO，还含有少量重金属，如Cd、Cr.Cu Pb、zn等，飞灰粒径的主要范围在10 ～100 μm之间。将垃圾焚烧炉的飞灰按粒径分为7档：＜ 20 μm 20 ～41 μm，42～60 μm，61～110 μm，111～149 μm 150～230 μm，＞230 μm。这时飞灰的粒径不一样，质量也就不一样，他们会顺着烟气的流程方向逐步沉积这时如不及时清除，便形成积灰。飞灰中因燃烧的原因含有焦炭的薄片, 焦炭片越少，颗粒燃烧得越完全其颜色主要是黑色和白色颗粒，形状包括扁平和园状型的，成渣结块时也有球型的，然而，球型的粒子不太多。对飞灰样品的研究表明，它们的晶体结构除了CaSO4型之外，还有可能有NaCl 或KCl型。研究飞灰的熔融特性，主要成分为（CaO、SiO2、Al2O3Fe2O3）。根据实验结果，如果垃圾焚烧过程中添加了CaO，那么则会生产低熔点的CaCl2，其熔点为782 ℃而其他的熔点均比较高，根据《垃圾焚烧飞灰基本特性研究》中所取的三组样品，最低一组样品的DT软化温度为1 191 ℃，最低的ST流动温度为1 215 ℃最高的一组为DT软化温度为1 382 ℃，最高的ST流动温度为1 412 ℃。意味着炉温达到了上述温度后，则飞灰大部分都将呈熔融状，极具黏附性。

2 积灰和结渣的形成机理

炉管壁面的积灰、结渣是一种普遍现象，在炉膛内火焰中心处的温度高，燃料中的灰分大多呈熔化状态，而在炉管壁附近的烟温则较低，一般在接触受热面时已凝固，沉积在壁面上成疏松状，就形成积灰；该积灰通过吹灰器便可以清除。如果烟气中的灰粒在接触壁面时仍呈熔化状态或粘性状态，则粘附在炉管壁上形成紧密的灰渣层，就形成了结渣或结焦。结渣主要由烟气中夹带的熔化或部分熔化的颗粒碰撞在炉墙、水冷墙或熔融的沉淀物形式出现在辐射受热面上。这部分高温结渣易发生在炉膛内耐火浇注料表面及高温过热器区域。特别是炉内耐火浇注料表面，熔融状态的飞灰直接粘附其表面形成致密的结焦层，硬度极硬。锅炉结渣是个很复杂的物理化学过程, 它涉及物料的燃烧、炉内传热、传质、物料的潜在结渣倾向、灰粒子在炉内运动以及灰与管壁间的粘附等复杂过程,

至今还没有能定量描述结渣过程的数学模型。有人试着从灰粒输运机理及在炉壁、管壁上的粘接和结聚长大成灰渣的机理探讨结渣机理。灰颗粒的输运主要有气相扩散、热迁移、惯性迁移。灰渣在管壁上沉积存在两个不同的过程：一个为初始沉积层的形成过程,初始沉积层为化学活性高的薄灰层, 它是由尺寸十分小的灰颗粒组成。主要是由挥发性灰组分在水冷壁上冷凝和微小颗粒的热迁移沉积共同作用而形成，由于粘附以及与管子的化学反应而生成的非常牢固的覆盖层。初始沉积层中碱金属类和碱土金属类硫酸盐含量较高, 这些微小的颗粒由范德瓦尔力和静电力保持在管壁上，并与管壁金属反应生成低熔点化合物，强化了微小颗粒与壁面的连接。初始沉积层具有良好的绝热性能，它的形成使管壁外表面温度升高。另一个沉积过程为较大灰粒在惯性力作用下冲击到管壁的初始沉积层上，当初始沉积层具有粘性时，它捕获惯性力输运的,灰颗粒，并使渣层厚度迅速增加。由于初始沉积层主要是由挥发分灰组分的冷凝及微小颗粒的热迁移而引起，因而从工程角度考虑，很难防止初始沉积层的形成。造成炉内结渣迅速增加，并对锅炉安全运行构成威胁的主要因素是惯性沉积。

3 如何控制积灰和结渣

（1）炉温控制是关键。从运行的经验来看，大部分的积灰与结渣在竖直的水冷壁上很少附着，这跟烟气的流动状态有关，而发生积灰或结渣的区域一般都从水平过热器的背面开始。研究飞灰的熔融特性，垃圾焚烧的燃烧温度一般要求高于850 ℃，原则上燃烧的最高温度就应该控制低于飞灰的变形温度，防止结渣的发生。其一，是长期取样测定本厂的飞灰成分以及熔融性，在根据变形温度来控制炉膛燃烧温度，考虑垃圾焚烧过程中会产生局部高温，以及热电偶测量的影响。建议炉膛温度应比飞灰的变形温度低50～100 ℃，对垃圾焚烧炉的炉膛温度严加控制，是有效防止炉膛结焦的最有力措施。

（2）装设在线吹灰器。垃圾焚烧炉受热面一般包括过热器和省煤器、空预器、水冷壁。过热器和省煤器一般都采用在线清灰设备。用得比较多的是蒸汽吹灰器和燃气脉冲吹灰器还有声波吹灰器。前两种吹灰器在垃圾焚烧发电厂中应用较广泛，普遍认为蒸汽吹灰器是垃圾焚烧炉较为合适的一种吹灰器，吹扫面积大，吹扫效果好，且故障率少。那如何使用好蒸汽吹灰器呢？首先还得要控制好炉膛温度，炉膛温度过高后熔融态的飞灰集结在管壁上是不容易吹掉的。低于变形温度的积灰则显得疏松些，容易吹掉。其次吹灰器参数选择也相当重要，如果吹扫压力选择过高，会导致被吹扫受热面磨损加大，压力过低那么吹扫效果就不明显，吹不掉低熔点的飞灰。一般情况下，垃圾发电厂吹扫压力都在1.0～2.5 MPa之间，温度大概控制在350 ℃左右。直接选用主蒸汽母管供汽，尽量避免使用减温水，减温水雾化效果不好，将会导致吹扫时蒸汽带水吹向受热面而引发受热面管道爆管。吹灰行程也尽量选够，一般情况下对称布置的吹灰器。空间允许，最好是采用错位布置，做到全覆盖。目前，大多数垃圾发电厂都采用长伸缩和半伸缩吹灰器。这两种吹灰器各有优缺点，综合起来看，垃圾发电厂使用长伸缩吹灰器配正压枪箱是比较好的。半伸缩吹灰器，因为有一半枪管长期置于炉内，停止吹扫时无蒸汽冷却，长期受高温烟气侵蚀，易变形损坏，且不易维护。长伸缩吹灰器，每次吹扫完后枪管自动退回，且易于检查管道变形及喷嘴破损情况，发现问题随时检修，不会造成更大的事故。吹灰器吹扫半径在2 m而半伸缩吹灰器在1.5 m，应根据蛇形管的布置合理选择。

（3）添加锅炉清灰剂、除渣剂，考虑成本及环保因素，本人不建议长期使用。

（4）停炉的清洗。在解决了锅炉运行中的通过燃烧控制积灰、结渣和蒸汽吹扫后，停炉时对锅炉受热面的整体清洗至关重要。水冷壁一般未设置吹灰器，过热器与省煤器等也会因吹灰器的局限性留下死角。因此停炉后对锅炉进行一次全面的清洁。传统模式都采用人工除灰，效率低且清灰不彻底。而现在多采用高压水射清流洗。他清洗速度快，比一般人工清灰快几倍到十几倍。管道清洗质量好，基本上可以见到金属光泽。高压水射流清洗就是将普通自来水通过高压泵增压到数百乃至数千公斤压力，然后通过特殊的喷嘴（孔径1 mm～2 mm），以极高的速度（500 m/s左右超音速）喷出能量高度集中的小水流，在能量由势能转化为动能后，小水流对垢物进行撞击、气蚀、磨削、楔劈、粉碎和剥离。利用这种具有巨大能量的水流进行清洗。由于是采用普通自来水清洗，所以对设备管材无任何腐蚀，同时具备清洗效率高；不损伤清洗物的表面；不受材质、形状限制；自动化程度高；不污染环境，清洗能力强，可实现三维清洗；节省能源等优点。现普遍被采用。