高参数垃圾焚烧余热锅炉技术问题分析

2020-03-11

应用能源技术 2020年2期

(广州环投设计研究院有限公司，广州 510220)

0 引言

我国城镇化进程带动了固废行业的快速发展，发展初期无害化处理技术相对落后，固废的处理还是以卫生填埋技术为主，但是垃圾产生量的持续增长和土地资源的日益匮乏对垃圾处理提出了减量化的更高要求。垃圾焚烧相对其它末端处理技术优势明显，具有处理周期短、占地面积小、减量化程度高、资源利用率高、二次污染小等优势。为了鼓励垃圾焚烧处理，国家频频发布垃圾处理政策，比如垃圾处理服务费的相关补贴政策，尤其是《国家发展改革委关于完善垃圾焚烧发电价格政策的通知》(发改价格【2012】801号)，正式明确了垃圾焚烧发电的电价补贴细则，使得垃圾焚烧发电投资热度处于较高的水平。

但是，近年来随着城市垃圾热值的提高和垃圾处理费的降低，很多垃圾焚烧厂锅炉容量无法满足垃圾焚烧量的要求；环保排放指标越来越严，烟气净化系统投资及运行成本增加；根据其他政府扶持行业(光伏、新能源汽车等)的发展经验，垃圾焚烧发电上网补贴取消将成为趋势；垃圾焚烧市场从一二线城市向三四线城市扩张，市场竞争愈发激烈。在此种环境下，垃圾焚烧企业只有通过提高垃圾发电效率的方式来提高整体经济性。提高垃圾焚烧发电效率的主要方式有提高锅炉主蒸汽参数、降低厂用电率等，其中提高锅炉主蒸汽参数可以取得显著效果，高参数垃圾焚烧发电技术是未来发展的必然趋势。

1 高温腐蚀

高温腐蚀是选择主蒸汽温度时主要考虑的问题。由于垃圾焚烧锅炉中的高温腐蚀主要由HCl引起，且发生部位主要在管壁温度最高的过热器段，根据高温氯腐蚀曲线，当温度超过500 ℃后，因氯化铁或碱铁硫酸盐的分解而引起的过热器管壁高温腐蚀加剧，到了650 ℃左右，腐蚀速度达到最大值，因此要严格控制过热器入口烟温在650 ℃以下。主蒸汽温度的提高导致过热器温压降低，过热器面积增加，同时为了提高材料的抗腐蚀性能需要选用耐热耐腐蚀的优质合金钢材料(12Cr1MoVG等)，甚至在部分过热器采用镍基管或合金钢镍基堆焊技术来延长管壁的使用寿命，这些设计提高了设备投资成本。

有研究表明，垃圾焚烧过程中硫的存在可以减轻高温氯腐蚀[1]。气态的SO2、SO3与碱金属氯化物发生反应，生成薄而致密的碱金属硫酸盐覆盖在金属表面，阻碍了HCl和Cl2的扩散。因此，可选择在垃圾中添加含硫化合物如硫酸铵，或其他能捕捉金属氯化物的化合物，以减少管壁表面的氯离子浓度。

另外，垃圾分类对垃圾进行减量化处理，提高了垃圾热值，使得入炉垃圾成分均匀，降低氯元素在入炉垃圾中的含量，可以减轻高温氯腐蚀，同时减少二噁英的排放。

2 水循环

饱和水温度的提高影响锅炉的水循环，循环倍率是衡量锅炉水循环安全性的重要指标。循环倍率过低，则汽水混合物含汽量提高，管壁表面形成很薄的水膜，当管壁水膜被蒸干，形成第二类沸腾传热恶化。循环倍率过高，上升管工质平均密度增大，循环回路运动压头减小，使循环流速降低，蒸汽量产量不够。如果保持循环倍率不变，饱和水温度的提高要求增加管壁热负荷以维持汽水转化比率，但是热负荷的提高对于管壁材料的耐热性能也有更高要求。局部过高的热负荷容易导致管壁内的第一类沸腾传热恶化，或膜态沸腾，使得管壁传热系数急剧下降，壁温飞升，可能超过金属材料的极限允许温度，缩短金属材料使用寿命。

另外，垃圾焚烧产生的烟气中含有大量HCl、SOX、NOX等酸性气体，其对水冷壁管材长期的冲刷、磨损、腐蚀，容易导致水冷壁泄漏、爆管，破坏正常水循环，造成事故停炉。主要防护措施有，选用更高等级水冷壁材质，提高受压管壁厚度，改善其机械性能；管壁敷设耐火浇注料(碳化硅等)，避免烟气对管壁的直接冲刷，保护管壁，还能使烟气温度缓慢下降，延长烟气在850 ℃以上的停留时间，减少二噁英的生成；管壁外表面采用堆焊处理，减轻高温腐蚀，但是成本高昂，需要根据具体锅炉参数和经济性确定堆焊的合理区域；通过各级炉排以及一、二次风量的调整和配合，使垃圾充分燃烧，热负荷分布均匀，避免水冷壁出现局部过高温度。

3 锅炉积灰

锅炉积灰属于垃圾焚烧锅炉里的共性问题，对于高参数垃圾焚烧余热锅炉而言，解决锅炉积灰的问题，对于锅炉的安全稳定运行具有重要意义。锅炉的积灰问题发生在锅炉各受热面，影响受热面的传热效率，使锅炉排烟温度上升，热效率下降。对于锅炉来说，严重的锅炉积灰、结焦最终导致管壁腐蚀、爆管等事故。而焚烧炉内烟气温度高于1 000 ℃，形成的焦块体积较大，粘结在炉墙上，长期不清容易导致当焦块重量超过炉墙所能承受的负荷时，炉墙变形甚至坍塌的后果，带来巨大的经济损失，需要特别注意。

影响锅炉积灰的因素，主要有以下几点：

(1)飞灰成分

垃圾焚烧飞灰中Si、Ca、Al、Na、Cl等元素含量较高，主要由含钠钙长石、钠长石、石英及大量非晶态物质构成，钙长石在加热过程中易与其他物质形成低温共融化合物(熔点1200℃左右)，飞灰熔融温度低易导致受热面积灰结渣。

(2)烟气温度

当烟气温度高于飞灰的软化温度时，焚烧炉炉墙上将吸附大量具有较强粘聚性的灰渣，这些灰渣的吸附量随着温度的升高不断增多，发展成为熔渣，最终形成结焦现象。

(3)还原性气氛

当水冷壁区域CO含量高时，烟气处于强还原性气氛，同时存在大量H2S等气体，易造成高温腐蚀现象。同时在还原性气氛下，灰熔点下降，更易产生积灰和结焦现象。

(4)渗滤液回喷工艺

垃圾渗滤液，在高温条件下升华，形成硫酸盐、氯化物的蒸汽，随烟气流入二、三通道，然后冷凝在高温受热面上，与受热面、积灰、高温烟气相互作用，加剧了积灰程度以及腐蚀速率。

针对锅炉积灰的防护措施有：锅炉设计阶段控制各通道烟气流速、烟气温度不能太高，保持适当的管壁、管屏间距，防止大量飞灰被烟气携带到过热器，造成过热器的积灰、板结；炉墙采用水冷、风冷等有效冷却手段带走热量，辅以保温性能良好的耐火浇注料保护；控制风量、风温，使火焰燃烧中心位于二、三级炉排间，保证垃圾充分燃烧，避免还原性气氛的产生；二、三通道和水平烟道采用蒸汽吹灰、水力吹灰、脉冲吹灰等吹灰手段；保证渗滤液喷枪的雾化效果，控制渗滤液的回喷量。

4 再热循环

对于高参数的机组，采用再热循环工艺可以提高吸热平均温度，提高机组热效率，降低汽轮机的排汽湿度，降低汽轮机叶片产生水蚀的风险。蒸汽的再热方式有烟气再热和汽包再热。烟气再热属于内置式，再热冷段蒸汽管道从汽机高压缸的排汽口引出，进入锅炉对流受热面进行再次加热，再热后的汽温接近主蒸汽温度，进入汽机中压缸再次做功。此法热经济性较高，但是管道压损大，为了保护再热器需要增加旁路系统，系统复杂，投资较高。汽包再热属于外置式，来自汽轮机高压缸的再热冷段蒸汽进入汽包加热，优点是管道压损小，系统简单，调节方便，投资较小。但是汽包的饱和蒸汽温度相对较低，汽包出口的再热蒸汽温度也低，且消耗掉了一部分汽包饱和蒸汽，相对烟气再热的方式热经济性不好。

采用烟气再热的方式，省煤器和蒸发器吸热比例减小，对流受热面(过热器、再热器)吸热比例增加，对流受热面进口烟温升高较多，需考虑对流受热面的安全性。高温过热器和再热器中蒸汽温度较高同时所处区域烟温较高，需要特别考虑防高温腐蚀措施以及再热器的布置问题，需要对高温环境下不同材料(如碳钢、合金钢、不锈钢、钢管表面堆焊镍基、镍基管等)的耐腐蚀性能开展研究，确定高温过热器、再热器材质，提出最优的高温防腐方案。

5 经济性

以垃圾处理规模3 000 t/d(设计选用4×750 t/d垃圾焚烧炉、3×25 MW汽轮发电机组)为例进行比较。蒸汽参数分别为中温中压(4.0 MPa、400 ℃)、中温次高压(6.4 MPa、450 ℃)、中温次高压带再热(6.4 MPa，450 ℃/1.233 MPa，450 ℃)、高温高压(10.0 MPa、540 ℃)。设定年度垃圾发电时间为8 000 h，厂用电损耗率15%，发电价格按照2012年国家垃圾发电补贴细则计算见表1。