垃圾焚烧电厂焚烧炉-余热锅炉性能对比试验研究

2020-07-14李全功罗晓宇王为术

科学技术与工程 2020年17期

刘军，李全功，罗晓宇，王为术，姚胜

(1.华北水利水电大学电力学院，郑州 450045；2.西安热工研究院有限公司苏州分公司，苏州 215153)

随着社会经济的快速发展及人们生活水平的不断提高，城市生活垃圾数量不断增加，垃圾焚烧发电技术因符合“减量化、无害化、资源化”的固废处理要求而备受关注[1-3]。自1988年中国第一座垃圾焚烧电厂投运以来，在国家相关产业政策的鼓励引导下，中国垃圾焚烧行业取得了蓬勃的发展。截至2018年年底，中国投运垃圾焚烧电厂的数量已达到300余座，垃圾焚烧发电技术已成为中国城市生活垃圾处理的主导技术[4-5]。

针对垃圾焚烧发电，已有的研究主要集中在国家政策、灰渣处理[6-9]、污染物控排[10-14]、控制系统优化[15-16]及运行优化调整[17-18]等方面，而针对现役老机组改造的研究较少。以某生产工艺及设备完全相同的A、B两垃圾焚烧电厂为研究对象。自2003年机组投运以来，机组均未进行技术改造，随着机组运行时间增加，两台机组日垃圾处理量均不断减小，远小于设计的垃圾处理量；水冷壁、过热器及省煤器泄露频率增加，严重影响机组正常运行及发电效益。同时，对比两电厂运行参数及机组发电量发现，额定负荷条件下，B电厂主蒸汽流量及机组发电量均低于A电厂。为掌握机组运行状况，探索两电厂运行参数差异的原因，试验研究了两电厂焚烧炉-余热锅炉性能，对比分析焚烧炉-余热锅炉效率，定量计算各项热损失，并对过热器性能进行对比，总结机组运行中存在的技术问题及解决措施，试验结果可为电厂经济高效运行及技术改造提供指导。

1 设备及方法

1.1 机组概况

A、B两电厂焚烧炉均采用比利时SEGHERS公司生产的倾斜多级往复顺推炉排，单台焚烧炉处理能力为400.00 t/d，余热锅炉为武汉锅炉厂制造生产的中压自然循环单汽包炉，平衡通风形式，焚烧炉-余热锅炉主要技术参数如表1所示。烟气净化系统采用“选择性非催化还原技术(selective non-catalytic reduction，SNCR)+半干法脱酸+活性炭喷射+袋式除尘器+选择性催化还原技术(selective catalytic reduction，SCR)”的工艺，配套安装两台武汉汽轮机厂生产的型号为N12-3.8型中压、单缸、凝汽式汽轮机及两台QF-12-2型发电机。

表1 A、B两电厂焚烧炉-余热锅炉主要技术参数Table 1 Main technical parameters of incinerator-heat recovery boiler in power plants A and B

余热锅炉出口烟气经过半干式反应塔，烟气中的酸性气体被石灰浆溶液充分吸收。在半干式反应塔与布袋除尘器连接的管道中喷射碳酸氢钠与活性炭粉末，能够吸收烟气中剩余的酸性气体、重金属和二噁英等物质；之后烟气进入布袋除尘器，被活性炭吸附的重金属、二噁英及粉尘在布袋除尘器内被分离出，由灰斗排出，通过输送设备进入灰仓。烟气经布袋除尘器后进入选择性催化还原系统，进一步脱除烟气中NOx成分，并经引风机输送至烟囱，由烟囱排入大气。

1.2 测试设备及方法

试验过程中，采用毕托管及微压计(型号HM7750)测量一次风、二次风及省煤器出口烟气流量，省煤器出口烟道烟气湿度采用湿度枪测量，风烟系统温度采用K型铠装热电偶及点温计(型号F-51-2)实时测量。利用ROSEMOUNT公司生产的NGA2000型烟气分析仪实时测量省煤器出口烟气中气体成分，包括O2、CO、CO2、NO浓度，机组主蒸汽流量、温度、压力等采用电厂安全仪表系统(safety instrumented system，SIS)数据。灰渣取样及制样方法参考标准《生活垃圾焚烧灰渣取样制样与检测》(CJ/T 531—2018)[19]。根据测试结果计算并对比分析焚烧炉-余热锅炉性能，焚烧炉-余热锅炉效率计算方法参考欧盟标准[20]。为进一步研究尾部烟道换热器性能，按照等截面网格法分别在过热器及省煤器进出口对开温度测孔，每侧6个测孔，每个测孔内放置3根热电偶。以过热器进口烟道为例，过热器进口烟道截面可获得36个温度数据，求取36个温度数据的平均值，即为过热器进口截面的烟气温度。尾部烟道测点布置示意图如图1所示，温度实时采集系统如图2所示。

图1 尾部烟道测点布置示意图Fig.1 Schematic diagram of measuring point arrangement in tail flue

图2 温度采集系统布置示意图Fig.2 Schematic diagram of temperature acquisition system arrangement

2 试验结果与分析

2.1 焚烧炉-余热锅炉性能分析

试验过程中，A、B两电厂均以锅炉最大连续蒸发量，即100%MCR (maximum continuous rating)负荷工况时机组热负荷为基准，分别测试烟/风流量、温度及省煤器出口烟气成分等数据，同时多次抽取渣样化验并计算炉渣热灼减率，根据测试结果分析焚烧炉-余热锅炉性能。因垃圾成分复杂，试验时采用发酵时间足够充分的垃圾，以减少机组负荷波动。试验开始前，机组负荷稳定0.50 h后开始试验，试验测试6.00 h。根据试验测试结果计算焚烧炉-余热锅炉效率及垃圾热值，计算结果如表2所示，A电厂各部分能量所占比例及总热损失中各项热损失所占比例如图3所示，B电厂各部分能量所占比例及总热损失中各项热损失所占比例如图4所示。

由表2、图3及图4可得，A、B两电厂省煤器出口排烟温度远高于设计排烟温度(通常为200.00～230.00 ℃)，A电厂实测排烟温度为288.30 ℃，B电厂为269.62 ℃，过高的排烟温度会造成排烟热损失增大，通常排烟温度升高15.00～20.00 ℃，锅炉效率下降1个百分点。100%MCR负荷工况下，计算可得A、B两电厂焚烧炉-余热锅炉效率分别为77.33%及77.49%，均低于设计值(80.00%)。各项热损失计算结果表明，总热损失中排烟热损失所占份额最大。A厂的计算结果表明，总热量中排烟热损失占18.78%，总热损失中排烟热损失占82.84%，其次为炉渣热损失，占12.27%；B厂的计算结果表明，总热量中排烟热损失占19.04%，总热损失中排烟热损失占84.61%，其次为炉渣热损失，占9.21%。试验结果表明，A、B两电厂省煤器出口排烟温度均较高，其原因可能有两个方面：一为随生活水平提高。生活垃圾热值不断增加，远超过两电厂的设计垃圾热值，导致垃圾焚烧炉处理能力大幅下降，同时造成炉膛出口温度普遍升高。根据试验结果可计算出试验期间A电厂垃圾热值为7 588.99 kJ/kg，B电厂垃圾热值为7 336.19 kJ/kg，两电厂垃圾热值均远高于设计垃圾热值(5 861.00 kJ/kg)。另一方面，随机组运行时间增加，水冷壁、过热器及省煤器换热性能可能变差，影响机组经济性。排烟温度过高可造成过热器及省煤器高温腐蚀，管壁减薄速率加快，最终导致过热器及省煤器泄露，影响机组正常运行。焚烧炉-余热锅炉效率计算结果表明，A、B两电厂焚烧炉-余热锅炉效率均偏低，其主要影响因素为排烟温度过高，排烟热损失较大。为进一步改善焚烧炉-余热锅炉性能，提高机组经济性，需采取措施降低排烟温度或对尾部余热加以利用。可采取的措施包括：水冷壁堆焊，提高水冷壁吸热量；炉排打孔，加强一次风与炉床料层的混合、搅拌，实现均匀布风；更换或增加过热器及省煤器管屏，同时采取措施对尾部余热加以利用，增加机组效益。

表2 焚烧炉-余热锅炉效率计算Table 2 Calculation of incinerator-heat recovery boiler efficiency

图3 A电厂各部分能量所占比例及总热损失中各项热损失所占比例Fig.3 The proportion of various parts’ energy and the proportion of each heat loss in total heat loss in power plant A

图4 B电厂各部分能量所占比例及总热损失中各项热损失所占比例Fig.4 The proportion of various parts’ energy and the proportion of each heat loss in total heat loss in power plant B

2.2 过热器、省煤器性能分析

为进一步研究A、B两电厂排烟温度过高的原因及两电厂运行参数的差异，对余热锅炉尾部烟道过热器及省煤器性能进行分析。试验过程中，分别测试过热器及省煤器进出口烟气温度，计算过热器进口到省煤器进口余热利用率、省煤器进口到省煤器出口余热利用率及过热器进口到省煤器出口总余热利用率，分析评价过热器及省煤器性能，计算结果如表3所示。

由表3可得，A电厂过热器及省煤器性能整体优于B电厂。100%MCR负荷工况时，B电厂过热器进口到省煤器进口余热利用率为34.91%，比A电厂低9.14个百分点；B电厂省煤器进口到省煤器出口余热利用率为29.48%，比A电厂低0.24个百分点；B电厂过热器进口到省煤器出口总余热利用率为54.10%，比A电厂低6.58个百分点。为进一步评价过热器性能，分别计算A、B两电厂过热器对数平均温差，可得A电厂过热器对平均数温差为428.28 ℃，B电厂过热器对数平均温差为289.99 ℃。同等条件下，过热器及省煤器余热利用率低，即过热器及省煤器性能差，则生成的过热蒸汽量减少。由以上数据可得，A电厂过热器及省煤器性能整体优于B电厂，同样试验条件下，可导致B电厂过热蒸汽流量小于A电厂。