垃圾焚燒發(fā)電廠鍋爐清灰方式優(yōu)化分析

摘要：垃圾焚燒發(fā)電已成為城市生活垃圾處理的主流工藝，而鍋爐的積灰結焦又是影響鍋爐長周期運行的關鍵因素，本文通過對目前垃圾發(fā)電廠鍋爐主流清灰方式的分析比較，試圖找出鍋爐清灰方式的最佳配置和最合理的清灰運行方式，以期提高鍋爐的運行效率和長周期運行水平。

關鍵詞：垃圾焚燒發(fā)電；鍋爐清灰；長周期運行

引言：如何提高垃圾焚燒發(fā)電設備的長周期運行水平一直是業(yè)內面臨的難題，特別是當前環(huán)保在線平臺標記規(guī)則對年度的啟停爐時間進行了嚴格限定，提高焚燒余熱爐的長周期運行時間已經(jīng)是現(xiàn)實而緊迫的任務，而根據(jù)各垃圾發(fā)電廠的多年運營經(jīng)驗，鍋爐的積灰結焦是影響鍋爐長周期運行的主要因素之一。垃圾余熱爐的清灰方式流派眾多，各有優(yōu)劣，各自經(jīng)歷了不同的發(fā)展歷程，各運營企業(yè)經(jīng)過多年的摸索，各自總結經(jīng)驗，在新項目的設計和老項目的技改中不斷優(yōu)化改進。本文通過對比分析和實踐經(jīng)驗總結，可以為垃圾焚燒發(fā)電廠的鍋爐清灰設計及運營維護提供參考借鑒，以期達到節(jié)能減排和提高設備長周期運行水平的目的。

1.垃圾發(fā)電廠焚燒-余熱鍋爐系統(tǒng)概述

垃圾焚燒鍋爐由焚燒垃圾的焚燒爐和吸收熱量的余熱爐組成。焚燒爐主要有流化床爐型和爐排爐爐型，目前主流為各種類型的爐排爐，流化床爐因一氧化碳控制難度大等原因新項目已基本不采用。為控制二噁英排放，保證爐膛溫度850攝氏度2秒以上停留時間，以及控制過熱器入口煙氣溫度，余熱爐通常設計為三個豎直煙道加一個水平煙道的結構，第一豎直煙道通常由澆注料圍合的爐墻以及上部的水冷壁組成，隨著發(fā)達城市垃圾熱值的提高，目前也有很多垃圾發(fā)電廠采用水冷爐墻。第二三煙道由水冷壁圍合組成，通常在第三煙道布置蒸發(fā)器屏以控制進入水平煙道的煙溫在過熱器的耐受范圍之內。第一豎直煙道因為煙溫高通常易結焦。鍋爐水平煙道通常則由兩側墻水冷壁和布置在水平煙道中間的蒸發(fā)器、各級過熱器和省煤器組成。蒸發(fā)器、過熱器、省煤器因為管屏節(jié)距短，受熱面管子密集，布置緊湊，往往易積灰。

2.垃圾焚燒余熱爐主要清灰方式介紹

2.1鍋爐積灰對生產的影響

2.1.1鍋爐受熱面積灰后管屏的傳熱系數(shù)降低，熱阻增大，換熱效率大幅下降。無論是輻射換熱、對流換熱、導熱以及通常工況下的復合換熱均會造成傳熱效率下降。隨著這種熱阻的積累，同等燃料下鍋爐的蒸發(fā)量會逐步下降，排煙溫度會逐步上升，排煙熱損失增加，鍋爐熱效率下降，最終造成鍋爐達不到額定出力。

2.1.2積灰會造成鍋爐通流截面縮小，煙氣流阻增大，引風機電耗上升，同時煙氣流速增加對受熱面的沖刷加劇。

2.1.3積灰會造成管屏受熱不均，造成局部過熱。對布置于豎直煙道的蒸發(fā)屏和水平煙道的蒸發(fā)器則可能造成汽水循環(huán)局部停滯，管壁過熱損壞。

2.1.4積灰達到一定程度超過自身支撐強度時可能突然坍塌，堵塞下部輸灰系統(tǒng)，嚴重的造成鍋爐正壓，甚至鍋爐爐膛正壓MFT保護動作，造成主設備非停事故。

2.1.5垃圾焚燒飛灰本身具有腐蝕性，長期附著會對管壁造成腐蝕。

2.2當前主流清灰方式介紹

2.2.1激波清灰

激波清灰是利用乙炔和空氣混合氣在混合裝置中經(jīng)高頻點火在脈沖罐內爆燃，體積急劇膨脹，產生的高溫高速氣流經(jīng)管道和噴嘴噴入爐內受熱面管屏區(qū)域，產生的沖擊波將受熱面管束上的積灰震松、脫落，從而除去管束表面積灰。激波噴入爐內的作用過程至少包括沖擊的振動、氣流的吹掃、聲波的振蕩等。激波清灰系統(tǒng)由乙炔供應分配系統(tǒng)、壓縮空氣供應分配系統(tǒng)、點火混合系統(tǒng)、吹掃系統(tǒng)、監(jiān)視控制系統(tǒng)及各管路組成。因乙炔為易燃易爆氣體，乙炔管路需設置相應的防止回火裝置，系統(tǒng)應符合相應的防火規(guī)范。激波清灰系統(tǒng)通常由PLC系統(tǒng)程序控制，各系統(tǒng)參數(shù)可根據(jù)實際情況和廠家說明適當調整，系統(tǒng)吹掃時間、循環(huán)間隔、循環(huán)次數(shù)、充氣時間等靈活可調。高溫激波沖擊力強，吹掃范圍大，吹掃效果好，但噴口正對的管束需加裝防磨瓦防止管屏被吹傷，同時激波清灰工作時噪音大，無經(jīng)驗的人員易受到驚嚇。激波清灰裝置現(xiàn)場照片見圖一。

圖一、激波清灰

2.2.2蒸汽吹灰

蒸汽吹灰是利用伸縮式蒸汽吹灰器將經(jīng)過減壓后的過熱蒸汽噴入受熱面管屏各級間間隔，利用蒸汽的吹掃和沖擊去除管束表面積灰。蒸汽清灰主要分為蒸汽聲波清灰器[1]、伸縮式蒸汽吹灰器和固定旋轉式蒸汽吹灰器，垃圾發(fā)電廠主要使用的是長伸縮式蒸汽吹灰器。蒸汽吹灰系統(tǒng)通常由蒸汽供應及減壓系統(tǒng)、吹灰器系統(tǒng)、吹掃密封系統(tǒng)和控制系統(tǒng)組成。伸縮式管子由電機驅動前進深入爐內吹灰區(qū)域，吹灰管管子配有噴頭，深入爐內的同時管子旋轉帶動噴頭增加吹掃面積，因蒸汽沖擊力強，外加吹掃管深入爐內并旋轉吹掃，因此蒸汽吹灰的吹掃范圍大，吹掃效果好。蒸汽吹掃需消耗部分蒸汽，帶走部分熱量，投運時需要先送汽和疏水，操作較復雜，吹掃槍管伸縮運動時易發(fā)生卡澀、蒸汽系統(tǒng)易發(fā)生泄漏，故障率較高，維護工作量較大。高溫蒸汽易吹傷受熱面管子，噴口正對的管束需加裝防磨瓦防止管屏被吹傷。蒸汽吹灰的另一缺點是蒸汽降溫后可能在煙囪等局部區(qū)域凝結，加劇設備腐蝕，蒸汽吹灰時煙氣含水率會增加。另外，吹灰疏水具有間斷性的特點，蒸汽吹灰排汽損失大

[2]。蒸汽清灰裝置現(xiàn)場照片見圖二。

圖二、蒸汽清灰

2.2.3機械振打清灰

機械振打清灰是利用布置在爐外的機械振打裝置通過振打桿擊打爐內集箱端頭，通過擊打振動抖落管束積灰。機械振打系統(tǒng)可分為小車行進振打系統(tǒng)或單個振打器獨立控制的振打系統(tǒng)。機械振打清灰系統(tǒng)通常由壓縮空氣供應分配系統(tǒng)、振打器系統(tǒng)、空氣密封系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等組成。小車振打系統(tǒng)可以對激波和蒸汽吹灰系統(tǒng)難以有效清灰的水平煙道各級蒸發(fā)器、過熱器順煙氣方向的中間部分管屏進行清灰，因蒸汽清灰和激波清灰噴嘴通常布置在各級管屏組間的間隔，沖擊力到達各級受熱面的內部密集管排區(qū)域時已是強弩之末，清灰力度有限，存在吹掃死區(qū)，這時位于兩側集箱端頭的振打頭的敲打則可以達到較好的清灰效果?？傮w而言，機械振打清灰效果不如激波和蒸汽吹灰覆蓋面廣，清灰整體效果相對較差，對管屏集箱的擊打可能造成疏水管等結構受損，造成承壓部件泄露。但機械振打不需要消耗乙炔和蒸汽，只需要適當?shù)膲嚎s空氣供給即可，運行操作安全可靠，對于管屏布置密集，清灰要求高的爐子可發(fā)揮有效的補充清灰作用。因長期機械振打，受熱面管屏下集箱角焊縫處易產生裂紋，鍋爐發(fā)生泄漏的幾率加大[3]，因此機械振打清灰不建議作為主清灰方式長期頻繁使用。機械振打清灰裝置現(xiàn)場照片見圖三。

圖三、機械振打

2.2.4水力清灰

又叫噴淋清灰。在鍋爐內部比較寬敞的受熱面間隔內將水霧化并以適當?shù)慕嵌葒娚涞绞軣崦嬷g的空間及受熱面管屏上，水霧快速蒸發(fā)形成汽流沖擊擾動及部分水霧滲透積灰內部并快速蒸發(fā)，突然膨脹從而導致受熱面表面的積灰結焦層開裂并脫落，從而達到清灰的目的。水力噴淋清灰一般用于大型垃圾焚燒爐的第二三煙道清灰。在需要水力清灰的二三豎直煙道爐頂設置水力清灰口，設刀閘閥控制開閉。清灰設備將軟管和噴嘴頭沿運動軌道按要求逐個定位噴淋清灰口，在噴嘴頭靠近入口裝置時，入口處的刀閘閥連鎖開啟，噴嘴頭垂直沿豎直煙道上下往返一次并同時噴出設定壓力的水霧。噴淋流量由流量測量裝置和變頻水泵控制。吹掃過程中有密封風防止煙氣沿導向管漏出。水力清灰對吹掃范圍內的鍋爐受熱面進行清灰，使用范圍受限，不適用于過熱器等管壁溫度較高的管屏清灰。

2.3各種清灰方式優(yōu)劣比較

3.垃圾焚燒余熱爐清灰方式運行優(yōu)化分析

3.1從清灰效果—保證鍋爐長周期運行分析

鍋爐清灰效果不佳，日積月累煙氣阻力達到一定程度時將不得不停爐檢修，因此選擇何種清灰方式運行首要考慮的便是清灰效果，清灰的范圍和徹底度能保證鍋爐換熱和煙氣通流的要求。從這方面考慮，激波清灰或蒸汽吹灰是首選項也是必選項，蒸汽吹灰和激波清灰二者選其一通常便能保證鍋爐正常性能要求，保證在鍋爐年度大小修前不因受熱面積灰而停爐或降出力運行。而只選用機械清灰則難以達成此目標。以蒸汽清灰或激波清灰作為主清灰方式再輔以一種或幾種其他清灰方式則可以達到優(yōu)異的清灰效果，鍋爐運行效率會明顯提高。

3.2從清灰運行經(jīng)濟性分析

從運行經(jīng)濟成本角度考慮，達到同樣的清灰效果的情況下，我們按激波清灰所需要消耗的乙炔氣體成本和將蒸汽清灰需要消耗的蒸汽按汽機發(fā)電汽耗率換算成發(fā)電量和消耗的除鹽水成本來進行計算比較。根據(jù)爐子大小和結構形式每爐每月乙炔成本在兩千至三千元不等，蒸汽耗量因為吹掃時間短，流量也不高以至于大部分垃圾電廠均未裝設蒸汽吹灰用汽流量計，通過吹灰用汽期間的發(fā)電機負荷來判斷，對發(fā)電量影響很小，幾乎可以忽略。因兩種主要的清灰方式整體運行成本均不高，占電廠檢修維護和運行成本的比率極低，因此運行成本可不作為選擇如何清灰方式的主要考慮因素。

3.3從安全性和設備維護保養(yǎng)角度分析

從安全性角度考慮，激波清灰所用乙炔屬易燃易爆物質，安全風險高，管理標準高，日常巡檢維護及物資運輸及出入庫管理嚴格，乙炔需要采購運輸，乙炔站需要作為重點防火部位進行管理，整個乙炔系統(tǒng)的檢修維護工作需要辦理一級動火票，需要消耗較多的人力及精力進行日常管理。蒸汽吹灰需要消耗過熱蒸汽，但蒸汽從鍋爐自身主蒸汽母管接管引出取用，省去了采購的商務流程及物資運輸和庫存管理的麻煩。因蒸汽吹灰取用高溫高壓蒸汽減壓后供給各吹灰器，蒸汽管路存在泄漏風險，因此蒸汽吹灰依然存在安全風險，但是安全管理難度較激波乙炔系統(tǒng)要小。

激波清灰和蒸汽吹灰的日常檢修維護工作量差距不大，均需要加強日常巡檢和維護。激波清灰的乙炔供應分配系統(tǒng)需要注意日常巡檢，防止受損泄露，激波點火罐及其出口至爐內的脈沖導管存在高溫沖刷和腐蝕的工作環(huán)境，屬于耗損部件，需要定期檢查更換。乙炔和壓縮空氣的供應分配及混合管路控制閥門及儀器儀表眾多，點火塞和調節(jié)控制系統(tǒng)等精密電控設備較多，對檢修維護人員的專業(yè)水平要求較高。蒸汽吹灰工藝系統(tǒng)相對簡單一些，但吹灰器屬于傳輸蒸汽的運動部件，故障率相對較高，不嚴密導致的蒸汽泄露風險較大。另外，鍋爐激波清灰噴口及蒸汽清灰噴口均需要在正對的首排受熱面加設防護瓦，避免吹損受熱面管子。

激波清灰工作時現(xiàn)場噪音會很大，容易造成人員受到驚嚇。其他清灰方式對現(xiàn)場環(huán)境的影響相對溫和。

小車振打和水力清灰運行安全風險較小，安全管理難度相對較低，檢修維護工作量比兩種主清灰方式略低。

3.4建設期設備投資角度分析

激波清灰需要建設乙炔站，管路布置長，精密部件較多，投資較大。蒸汽吹灰需要在主蒸汽管道上開口，施工技術要求高，蒸汽減壓閥及吹灰器的成本較高。

小車振打清灰系統(tǒng)投資相對較低。

3.5建議的垃圾焚燒余熱爐清灰方式建設配置及運行優(yōu)化方案

垃圾焚燒發(fā)電廠既要安全環(huán)?？煽康奶幚砩罾忠ＷC高效率發(fā)電，因此保證主設備安全穩(wěn)定可靠運行是需要首先保證的，蒸汽吹灰和激波清灰兩種主清灰方式因其出色的清灰效果均可作為垃圾發(fā)電廠的首選清灰方式，綜合考慮蒸汽清灰略有優(yōu)勢。為保持更持久的長周期運行水平、提高電廠運營管理水平和配置標準，以及保障垃圾發(fā)電廠更出色的鍋爐運行效率，建議鍋爐清灰方式配置采取以一種到兩種主清灰方式交錯布置再輔以一到兩中輔助清灰方式的配置方案。對于配置多重清灰方式的垃圾發(fā)電廠，建議激波清灰和蒸汽吹灰每天各工作一次，小車振打每周工作一次，主清灰方式保證普遍全面的清灰，小車振打通過對激波和蒸汽吹灰沖擊力較弱的各級受熱面中間管排集箱端頭的擊打，可以讓各級中間位置的管屏也得到良好的清灰效果。清灰的效果和頻次需要通過每次清灰時觀察鍋爐灰斗下部輸灰裝置的下灰量來判斷和調整，從而達到最優(yōu)的組合方式。對于清灰系統(tǒng)的配置和運行方式效果的最終判定還需要通過鍋爐運行煙風道阻力及停爐檢修時對受熱面積灰的觀察來評估，從而為運行方式和檢修及技改提供依據(jù)。

結論

綜上所述，在垃圾發(fā)電廠的設計建設和運營過程中，結合電廠的建設運營標準定位及對可靠性和長周期的要求，通過合理的配置鍋爐的清灰方式和合理調配各種清灰方式的運行搭配，可以起到保證鍋爐運行效率，避免因鍋爐積灰導致運行效率低、鍋爐壓負荷和停爐的風險。通過合理的設計和高效的鍋爐清灰系統(tǒng)運行和維護可以達到良好的經(jīng)濟效益和安全穩(wěn)定運行水平。