福州某垃圾焚烧厂锅炉燃烧热效率关键影响因素研究

陈 飞，罗威威，尤 俊，王志建

（福建省锅炉压力容器检验研究院，福建 福州 350008）

随着社会高速发展，人类活动产生的垃圾量随之剧增。据生态环境部发布的《2018年全国大、中城市固体废物污染环境防治年报》数据显示：2017年全国202个大、中城市生活垃圾产生量高达20194.4万吨[1]。土地资源日益紧张，垃圾填埋的处理方式严重受限；而焚烧可使生活垃圾体积减少85%-90%，质量减少80%，还能回收一部分能量，是目前国内一种有效且前景广阔的垃圾处理方法[2-4]。目前福建省内共有41台在用的垃圾焚烧炉，且数量还将持续增加。

垃圾焚烧炉实质上也是锅炉种类之一，而锅炉的评价指标之一是运行热效率。通过测试垃圾焚烧炉的热利用效率，与设计热效率相比较，分析影响锅炉热效率的关键因素，寻求有效的提升锅炉热效率的措施，指导企业进一步降低能耗，实现节能增效的目的。文中采用反平衡法对福州某焚烧厂三台垃圾焚烧炉的能效进行测试。

1 垃圾焚烧锅炉概况

文中选取福州市某垃圾焚烧厂作为研究对象，该厂共有3台垃圾焚烧锅炉，锅炉编号分别为1#、2#与3#，主要处理市区内的生活垃圾，锅炉型号SLC300-4.1/400，日处理垃量3×300吨，往复炉排结构。垃圾焚烧锅炉运行流程如下：垃圾在垃圾贮存池中发酵3-7天后，由抓斗将其从前部料斗进入炉排，经燃烧、放热、减量后落入出渣机排出，冷空气经空气预热器加热后进入炉膛，垃圾燃烧后的炽热烟气经炉膛、第二烟道（布置有旗式对流管）、第三烟道（布置有对流蒸发器和三级对流过热器）、尾部烟道（布置有省煤器和空气预热器）换热后排出锅炉。

2 测试方法

垃圾焚烧炉的热效率测试按照GB/T 18750《生活垃圾焚烧锅炉》第7.4条规定：垃圾焚烧炉及余热锅炉按照GB/T 10184《电站锅炉热工性能试验规程》测试，现场采用反平衡法进行测试，吴剑[5]列出了反平衡的计算过程。烟气含氧量、CO2与CO浓度采用德国MRU公司型号为MGA5的红外烟气分析仪进行测试；排烟温度采用美国安捷伦公司型号为34972型的数据采集系统进行采集，每15min采集一组数据。

生活垃圾燃料的采样与分析参照行业标准CJ/T 313-2009《生活垃圾采样和分析方法》。生活垃圾燃料的热值采用长沙开元5E-KCIV型快速量热仪测定，工业分析采用长沙开元5E-MAG6700型工业分析仪测定。

3 结果与讨论

3.1 生活垃圾燃料特性分析

分别对3台锅炉燃料的热值与灰分进行分析，并与设计值比较，结果见表1。

表1 设计燃料与试验燃料的特性数据

表1的分析结果显示：

（1）试验燃料的发热量低于设计值。燃料热值的设计值为6700kJ/kg，实测值仅为6120kJ/kg～6380kJ/kg。当热值实测值低于设计值，导致炉膛温度变低，炉膛内辐射传热减少，烟气量增大，燃料在炉内停留时间变短，会导致锅炉排烟温度升高，增加排烟热损失。

（2）灰分实测值高于设计值。灰分含量越大，发热量越低，容易导致着火困难和着火延迟；同时高灰分会导致炉膛燃烧温度降低，燃料燃尽度变差，造成飞灰可燃物高；灰分含量越大，碳粒可能被灰层包裹，碳粒表面燃烧速率降低，火焰的传播速度减小，造成燃烧不良；另外飞灰含量越高，使锅炉受热面特别是尾部的省煤器、空预器受热面的磨损加剧。

3.2 垃圾焚烧炉热效率分析

文中通过测试锅炉的排烟温度、锅炉蒸发量、炉渣与飞灰的可燃物含量，并采用反平衡法计算锅炉的热效率。表2列出了计算结果，以下数据均为测试的计算平均值。

表2 垃圾焚烧炉热效率主要试验结果

从表2的结果可知，3台锅炉的热效率为70.59%、71.26%与71.60%，均低于设计热效率77%。气体未完全热损失q3、散热损失q5以及灰渣物理热损失q6较小，三者之和不超过4%。而排烟热损失和固体未完全燃烧热损失占比很大，分别占11.92%～18.55%与12.05%～13.54%，两者热损失之和均在25%以上。下面针对排烟热损失和固体未完全燃烧热损失进行简要分析：

锅炉排烟热损失q2主要取决于排烟温度和排烟容积。由表2可知，3台锅炉的排烟温度均超过了190℃，超过TSG G0002-2010中规定的排烟温度不高于170℃的要求。排烟温度高于200℃，说明锅炉内热交换不良，或是后段燃烧发生问题。原因可能是锅炉受热面积灰或结渣，阻碍受热面传热，导致排烟温度升高，而且3台锅炉的过量空气系数均大于设计值1.4，过量空气进入炉膛导致烟气量增大，增加了排烟的热损值。

3台锅炉的固体未完全燃烧热损失均超过12%，仅次于排烟热损失。锅炉固体未完全燃烧损失q4主要由飞灰含碳量和灰渣含碳量计算得出。此项损失影响因素较为复杂，与燃烧方式、燃料种类、燃烧状况有关，燃料本身成分如水分、挥发分、含碳量都会影响燃料的燃烧完全程度，此外燃料燃烧过程也是重要影响因素，诸如风料配比、进料速度、炉膛温度及炉排速度等。

4 提高垃圾焚烧锅炉热效率的措施

通过分析3台垃圾焚烧炉热效率的测试结果，文中分别从排烟温度、过量空气系数等方面提出以下五点改进措施，以提高垃圾焚烧炉的热利用效率。

（1）降低排烟温度。

降低排烟温度有两个途径：一是加强对流管束、省煤器和空气预热器的清灰；二是降低进水温度。运行中的清灰一般采用蒸汽吹扫或振打等方式，根据仪表显示的温度判断积灰程度进行吹扫。

（2）合理调整过量空气系数。

合理调整送风与引风的配比，将过量空气系数控制在合理范围内。在保证燃料充分燃烧的条件下，控制好过量空气系数有利于提高燃料燃烧效率，降低排烟热损失。控制好过量空气系数还可以减少燃烧过程中所产生的排烟量，降低锅炉漏风系数、维持炉膛燃烧稳定，降低烟风系统的能耗。

（3）改善锅水品质，减少排污，充分利用锅炉排污热量。

锅炉锅水定期排污次数与水质好坏、蒸汽压力及使用药剂等有关。锅炉水经蒸发浓缩后，炉水中不纯物比例逐渐增加，若不进行排污，将会造成炉管水侧发生结垢、腐蚀等问题。但若排放次数过多，常会造成明显的热量损失与效率下降，而有效的解决方法就是改善锅炉水质，充分利用锅炉排污水热量，降低散热损失。

（4）加强锅炉、管路及阀件等外部保温。

保温不良的损失对于节约能源而言，也是相当可观的，如造成发现表面温度过高，保温效果不良等情况，应及时进行修复。保温材料可视实际经济效益选择适当的材质和厚度。

（5）避免锅炉长时间运转于低负载。

由于锅炉表面热散失率与表面积成正比，当锅炉运转在低负载时，锅炉热散失率也较大，因而锅炉热效率会较低。

5 结论

通过对生活垃圾焚烧锅炉的能效进行测试，得出以下结论：

（1）燃料特性分析显示，生活垃圾燃料的实测热值低于设计热值，且灰分高于设计值，导致锅炉实际运行的热效率低于设计值。

（2）锅炉排烟热损失与固体未完全燃烧热损失是影响锅炉热效率的最主要因素。

（3）通过降低排烟温度、调整空气系数等措施，可提高垃圾焚烧炉的燃烧热效率。