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(jié)焦又是影響鍋爐長周期運(yùn)行的關(guān)鍵因素，本文通過對(duì)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(yùn)行方式，以期提高鍋爐的運(yùn)行效率和長周期運(yùn)行水平。

關(guān)鍵詞：垃圾焚燒發(fā)電；鍋爐清灰；長周期運(yùn)行

引言：如何提高垃圾焚燒發(fā)電設(shè)備的長周期運(yùn)行水平一直是業(yè)內(nèi)面臨的難題，特別是當(dāng)前環(huán)保在線平臺(tái)標(biāo)記規(guī)則對(duì)年度的啟停爐時(shí)間進(jìn)行了嚴(yán)格限定，提高焚燒余熱爐的長周期運(yùn)行時(shí)間已經(jīng)是現(xiàn)實(shí)而緊迫的任務(wù)，而根據(jù)各垃圾發(fā)電廠的多年運(yùn)營經(jīng)驗(yàn)，鍋爐的積灰結(jié)焦是影響鍋爐長周期運(yùn)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(yùn)營企業(yè)經(jīng)過多年的摸索，各自總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，在新項(xiàng)目的設(shè)計(jì)和老項(xiàng)目的技改中不斷優(yōu)化改進(jìn)。本文通過對(duì)比分析和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，可以為垃圾焚燒發(fā)電廠的鍋爐清灰設(shè)計(jì)及運(yùn)營維護(hù)提供參考借鑒，以期達(dá)到節(jié)能減排和提高設(shè)備長周期運(yùn)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(xiàng)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(shí)間，以及控制過熱器入口煙氣溫度，余熱爐通常設(shè)計(jì)為三個(gè)豎直煙道加一個(gè)水平煙道的結(jié)構(gòu)，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(dá)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(jìn)入水平煙道的煙溫在過熱器的耐受范圍之內(nèi)。第一豎直煙道因?yàn)闊煖馗咄ǔＲ捉Y(jié)焦。鍋爐水平煙道通常則由兩側(cè)墻水冷壁和布置在水平煙道中間的蒸發(fā)器、各級(jí)過熱器和省煤器組成。蒸發(fā)器、過熱器、省煤器因?yàn)楣芷凉?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(duì)生產(chǎn)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(duì)流換熱、導(dǎo)熱以及通常工況下的復(fù)合換熱均會(huì)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(huì)逐步下降，排煙溫度會(huì)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(dá)不到額定出力。

2.1.2積灰會(huì)造成鍋爐通流截面縮小，煙氣流阻增大，引風(fēng)機(jī)電耗上升，同時(shí)煙氣流速增加對(duì)受熱面的沖刷加劇。

2.1.3積灰會(huì)造成管屏受熱不均，造成局部過熱。對(duì)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(dá)到一定程度超過自身支撐強(qiáng)度時(shí)可能突然坍塌，堵塞下部輸灰系統(tǒng)，嚴(yán)重的造成鍋爐正壓，甚至鍋爐爐膛正壓MFT保護(hù)動(dòng)作，造成主設(shè)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(huì)對(duì)管壁造成腐蝕。

2.2當(dāng)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(diǎn)火在脈沖罐內(nèi)爆燃，體積急劇膨脹，產(chǎn)生的高溫高速氣流經(jīng)管道和噴嘴噴入爐內(nèi)受熱面管屏區(qū)域，產(chǎn)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(nèi)的作用過程至少包括沖擊的振動(dòng)、氣流的吹掃、聲波的振蕩等。激波清灰系統(tǒng)由乙炔供應(yīng)分配系統(tǒng)、壓縮空氣供應(yīng)分配系統(tǒng)、點(diǎn)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(shè)置相應(yīng)的防止回火裝置，系統(tǒng)應(yīng)符合相應(yīng)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(shí)際情況和廠家說明適當(dāng)調(diào)整，系統(tǒng)吹掃時(shí)間、循環(huán)間隔、循環(huán)次數(shù)、充氣時(shí)間等靈活可調(diào)。高溫激波沖擊力強(qiáng)，吹掃范圍大，吹掃效果好，但噴口正對(duì)的管束需加裝防磨瓦防止管屏被吹傷，同時(shí)激波清灰工作時(shí)噪音大，無經(jīng)驗(yàn)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(jí)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(zhuǎn)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(yīng)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(jī)驅(qū)動(dòng)前進(jìn)深入爐內(nèi)吹灰區(qū)域，吹灰管管子配有噴頭，深入爐內(nèi)的同時(shí)管子旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)噴頭增加吹掃面積，因蒸汽沖擊力強(qiáng)，外加吹掃管深入爐內(nèi)并旋轉(zhuǎn)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(yùn)時(shí)需要先送汽和疏水，操作較復(fù)雜，吹掃槍管伸縮運(yùn)動(dòng)時(shí)易發(fā)生卡澀、蒸汽系統(tǒng)易發(fā)生泄漏，故障率較高，維護(hù)工作量較大。高溫蒸汽易吹傷受熱面管子，噴口正對(duì)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(diǎn)是蒸汽降溫后可能在煙囪等局部區(qū)域凝結(jié)，加劇設(shè)備腐蝕，蒸汽吹灰時(shí)煙氣含水率會(huì)增加。另外，吹灰疏水具有間斷性的特點(diǎn)，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(jī)械振打清灰

機(jī)械振打清灰是利用布置在爐外的機(jī)械振打裝置通過振打桿擊打爐內(nèi)集箱端頭，通過擊打振動(dòng)抖落管束積灰。機(jī)械振打系統(tǒng)可分為小車行進(jìn)振打系統(tǒng)或單個(gè)振打器獨(dú)立控制的振打系統(tǒng)。機(jī)械振打清灰系統(tǒng)通常由壓縮空氣供應(yīng)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(duì)激波和蒸汽吹灰系統(tǒng)難以有效清灰的水平煙道各級(jí)蒸發(fā)器、過熱器順煙氣方向的中間部分管屏進(jìn)行清灰，因蒸汽清灰和激波清灰噴嘴通常布置在各級(jí)管屏組間的間隔，沖擊力到達(dá)各級(jí)受熱面的內(nèi)部密集管排區(qū)域時(shí)已是強(qiáng)弩之末，清灰力度有限，存在吹掃死區(qū)，這時(shí)位于兩側(cè)集箱端頭的振打頭的敲打則可以達(dá)到較好的清灰效果?？傮w而言，機(jī)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(duì)較差，對(duì)管屏集箱的擊打可能造成疏水管等結(jié)構(gòu)受損，造成承壓部件泄露。但機(jī)械振打不需要消耗乙炔和蒸汽，只需要適當(dāng)?shù)膲嚎s空氣供給即可，運(yùn)行操作安全可靠，對(duì)于管屏布置密集，清灰要求高的爐子可發(fā)揮有效的補(bǔ)充清灰作用。因長期機(jī)械振打，受熱面管屏下集箱角焊縫處易產(chǎn)生裂紋，鍋爐發(fā)生泄漏的幾率加大[3]，因此機(jī)械振打清灰不建議作為主清灰方式長期頻繁使用。機(jī)械振打清灰裝置現(xiàn)場照片見圖三。

圖三、機(jī)械振打

2.2.4水力清灰

又叫噴淋清灰。在鍋爐內(nèi)部比較寬敞的受熱面間隔內(nèi)將水霧化并以適當(dāng)?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(dòng)及部分水霧滲透積灰內(nèi)部并快速蒸發(fā)，突然膨脹從而導(dǎo)致受熱面表面的積灰結(jié)焦層開裂并脫落，從而達(dá)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(shè)置水力清灰口，設(shè)刀閘閥控制開閉。清灰設(shè)備將軟管和噴嘴頭沿運(yùn)動(dòng)軌道按要求逐個(gè)定位噴淋清灰口，在噴嘴頭靠近入口裝置時(shí)，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(shí)噴出設(shè)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(fēng)防止煙氣沿導(dǎo)向管漏出。水力清灰對(duì)吹掃范圍內(nèi)的鍋爐受熱面進(jìn)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(yùn)行優(yōu)化分析

3.1從清灰效果—保證鍋爐長周期運(yùn)行分析

鍋爐清灰效果不佳，日積月累煙氣阻力達(dá)到一定程度時(shí)將不得不停爐檢修，因此選擇何種清灰方式運(yùn)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(xiàng)也是必選項(xiàng)，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(yùn)行。而只選用機(jī)械清灰則難以達(dá)成此目標(biāo)。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(dá)到優(yōu)異的清灰效果，鍋爐運(yùn)行效率會(huì)明顯提高。

3.2從清灰運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性分析

從運(yùn)行經(jīng)濟(jì)成本角度考慮，達(dá)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(jī)發(fā)電汽耗率換算成發(fā)電量和消耗的除鹽水成本來進(jìn)行計(jì)算比較。根據(jù)爐子大小和結(jié)構(gòu)形式每爐每月乙炔成本在兩千至三千元不等，蒸汽耗量因?yàn)榇祾邥r(shí)間短，流量也不高以至于大部分垃圾電廠均未裝設(shè)蒸汽吹灰用汽流量計(jì)，通過吹灰用汽期間的發(fā)電機(jī)負(fù)荷來判斷，對(duì)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(yùn)行成本均不高，占電廠檢修維護(hù)和運(yùn)行成本的比率極低，因此運(yùn)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(shè)備維護(hù)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(zhì)，安全風(fēng)險(xiǎn)高，管理標(biāo)準(zhǔn)高，日常巡檢維護(hù)及物資運(yùn)輸及出入庫管理嚴(yán)格，乙炔需要采購運(yùn)輸，乙炔站需要作為重點(diǎn)防火部位進(jìn)行管理，整個(gè)乙炔系統(tǒng)的檢修維護(hù)工作需要辦理一級(jí)動(dòng)火票，需要消耗較多的人力及精力進(jìn)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(wù)流程及物資運(yùn)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(fēng)險(xiǎn)，因此蒸汽吹灰依然存在安全風(fēng)險(xiǎn)，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(hù)工作量差距不大，均需要加強(qiáng)日常巡檢和維護(hù)。激波清灰的乙炔供應(yīng)分配系統(tǒng)需要注意日常巡檢，防止受損泄露，激波點(diǎn)火罐及其出口至爐內(nèi)的脈沖導(dǎo)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(yīng)分配及混合管路控制閥門及儀器儀表眾多，點(diǎn)火塞和調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)等精密電控設(shè)備較多，對(duì)檢修維護(hù)人員的專業(yè)水平要求較高。蒸汽吹灰工藝系統(tǒng)相對(duì)簡單一些，但吹灰器屬于傳輸蒸汽的運(yùn)動(dòng)部件，故障率相對(duì)較高，不嚴(yán)密導(dǎo)致的蒸汽泄露風(fēng)險(xiǎn)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(duì)的首排受熱面加設(shè)防護(hù)瓦，避免吹損受熱面管子。

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

小車振打和水力清灰運(yùn)行安全風(fēng)險(xiǎn)較小，安全管理難度相對(duì)較低，檢修維護(hù)工作量比兩種主清灰方式略低。

3.4建設(shè)期設(shè)備投資角度分析

激波清灰需要建設(shè)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(shù)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(duì)較低。

3.5建議的垃圾焚燒余熱爐清灰方式建設(shè)配置及運(yùn)行優(yōu)化方案

垃圾焚燒發(fā)電廠既要安全環(huán)保可靠的處理生活垃圾，又要保證高效率發(fā)電，因此保證主設(shè)備安全穩(wěn)定可靠運(yùn)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(yùn)行水平、提高電廠運(yùn)營管理水平和配置標(biāo)準(zhǔn)，以及保障垃圾發(fā)電廠更出色的鍋爐運(yùn)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(cuò)布置再輔以一到兩中輔助清灰方式的配置方案。對(duì)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(duì)激波和蒸汽吹灰沖擊力較弱的各級(jí)受熱面中間管排集箱端頭的擊打，可以讓各級(jí)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(shí)觀察鍋爐灰斗下部輸灰裝置的下灰量來判斷和調(diào)整，從而達(dá)到最優(yōu)的組合方式。對(duì)于清灰系統(tǒng)的配置和運(yùn)行方式效果的最終判定還需要通過鍋爐運(yùn)行煙風(fēng)道阻力及停爐檢修時(shí)對(duì)受熱面積灰的觀察來評(píng)估，從而為運(yùn)行方式和檢修及技改提供依據(jù)。

結(jié)論

綜上所述，在垃圾發(fā)電廠的設(shè)計(jì)建設(shè)和運(yùn)營過程中，結(jié)合電廠的建設(shè)運(yùn)營標(biāo)準(zhǔn)定位及對(duì)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(diào)配各種清灰方式的運(yùn)行搭配，可以起到保證鍋爐運(yùn)行效率，避免因鍋爐積灰導(dǎo)致運(yùn)行效率低、鍋爐壓負(fù)荷和停爐的風(fēng)險(xiǎn)。通過合理的設(shè)計(jì)和高效的鍋爐清灰系統(tǒng)運(yùn)行和維護(hù)可以達(dá)到良好的經(jīng)濟(jì)效益和安全穩(wěn)定運(yùn)行水平。