垃圾焚烧发电厂锅炉清灰方式优化分析

介绍

  摘要：垃圾焚烧发电已成为城市生活垃圾处理的主流工艺，而锅炉的积灰结焦又是影响锅炉长周期运行的重要的条件，本文通过对目前垃圾发电厂锅炉主流清灰方式的分析比较，试图找出锅炉清灰方式的最佳配置和最合理的清灰运行方式，以期提高锅炉的运行效率和长周期运行水平。

  引言：怎么样提高垃圾焚烧发电设备的长周期运行水平一直是业内面临的难题，特别是当前环保在线平台标记规则对年度的启停炉时间进行了严格限定，提高焚烧余热炉的长周期运行时间已经是现实而紧迫的任务，而根据各垃圾发电厂的多年运营经验，锅炉的积灰结焦是影响锅炉长周期运行的重要的因素之一。垃圾余热炉的清灰方式流派众多，各有优劣，各自经历了不同的发展历史，各运营企业经过多年的摸索，各自总结经验，在新项目的设计和老项目的技改中一直在优化改进。本文通过对比分析和实践经验总结，可以为垃圾焚烧发电厂的锅炉清灰设计及运营维护提供参考借鉴，以期达到节能减排和提高设备长周期运行水平的目的。

  垃圾焚烧锅炉由焚烧垃圾的焚烧炉和吸收热量的余热炉组成。焚烧炉主要有流化床炉型和炉排炉炉型，目前主流为很多类型的炉排炉，流化床炉因一氧化碳控制难度大等原因新项目已基本不采用。为控制二噁英排放，保证炉膛温度850摄氏度2秒以上停滞时间，和控制过热器入口烟气温度，余热炉通常设计为三个竖直烟道加一个水平烟道的结构，第一竖直烟道通常由浇注料围合的炉墙以及上部的水冷壁组成，随着发达城市垃圾热值的提高，目前也有很多垃圾发电厂采用水冷炉墙。第二三烟道由水冷壁围合组成，通常在第三烟道布置蒸发器屏以控制进入水平烟道的烟温在过热器的耐受范围以内。第一竖直烟道因为烟温高通常易结焦。锅炉水平烟道通常则由两侧墙水冷壁和布置在水平烟道中间的蒸发器、各级过热器和省煤器组成。蒸发器、过热器、省煤器因为管屏节距短，受热面管子密集，布置紧凑，往往易积灰。

  2.1.1锅炉受热面积灰后管屏的传热系数降低，热阻增大，换热效率一下子就下降。无论是辐射换热、对流换热、导热以及通常工况下的复合换热均会造成传热效率下降。随着这种热阻的积累，同等燃料下锅炉的蒸发量会逐步下降，排烟温度会逐步上升，排烟热损失增加，锅炉热效率下降，最终造成锅炉达不到额定出力。

  2.1.2积灰会造成锅炉通流截面缩小，烟气流阻增大，引风机电耗上升，同时烟气流速增加对受热面的冲刷加剧。

  2.1.3积灰会造成管屏受热不均，造成局部过热。对布置于竖直烟道的蒸发屏和水平烟道的蒸发器则会造成汽水循环局部停滞，管壁过热损坏。

  2.1.4积灰达到某些特定的程度超过自身支撑强度时可能突然坍塌，堵塞下部输灰系统，严重的造成锅炉正压，甚至锅炉炉膛正压MFT保护动作，造成主设备非停事故。

  激波清灰是利用乙炔和空气混合气在混合装置中经高频点火在脉冲罐内爆燃，体积急剧膨胀，产生的高温高速气流经管道和喷嘴喷入炉内受热面管屏区域，产生的冲击波将受热面管束上的积灰震松、脱落，从而除去管束表面积灰。激波喷入炉内的作用过程至少包括冲击的振动、气流的吹扫、声波的振荡等。激波清灰系统由乙炔供应分配系统、压缩空气供应分配系统、点火混合系统、吹扫系统、监视控制管理系统及各管路组成。因乙炔为易燃易爆气体，乙炔管路需设置相应的防止回火装置，系统应符合相应的防火规范。激波清灰系统通常由PLC系统程序控制，各系统参数可根据真实的情况和厂家说明适当调整，系统吹扫时间、循环间隔、循环次数、充气时间等灵活可调。高温激波冲击力强，吹扫范围大，吹扫效果好，但喷口正对的管束需加装防磨瓦防止管屏被吹伤，同时激波清灰工作时噪音大，无经验的人员易受到惊吓。激波清灰装置现场照片见图一。

  蒸汽吹灰是利用伸缩式蒸汽吹灰器将经过减压后的过热蒸汽喷入受热面管屏各级间间隔，利用蒸汽的吹扫和冲击去除管束表面积灰。蒸汽清灰大致上可以分为蒸汽声波清灰器[1]、伸缩式蒸汽吹灰器和固定旋转式蒸汽吹灰器，垃圾发电厂主要使用的是长伸缩式蒸汽吹灰器。蒸汽吹灰系统通常由蒸汽供应及减压系统、吹灰器系统、吹扫密封系统和控制管理系统组成。伸缩式管子由电机驱动前进深入炉内吹灰区域，吹灰管管子配有喷头，深入炉内的同时管子旋转带动喷头增加吹扫面积，因蒸汽冲击力强，外加吹扫管深入炉内并旋转吹扫，因此蒸汽吹灰的吹扫范围大，吹扫效果好。蒸汽吹扫需消耗部分蒸汽，带走部分热量，投运时需要先送汽和疏水，操作较复杂，吹扫枪管伸缩运动时易发生卡涩、蒸汽系统易发生泄漏，故障率较高，维护工作量较大。高温蒸汽易吹伤受热面管子，喷口正对的管束需加装防磨瓦防止管屏被吹伤。蒸汽吹灰的另一缺点是蒸汽降温后可能在烟囱等局部区域凝结，加剧设备腐蚀，蒸汽吹灰时烟气含水率会增加。另外，吹灰疏水具有间断性的特点，蒸汽吹灰排汽损失大

  机械振打清灰是利用布置在炉外的机械振打装置通过振打杆击打炉内集箱端头，通过击打振动抖落管束积灰。机械振打系统可分为小车行进振打系统或单个振打器独立控制的振打系统。机械振打清灰系统通常由压缩空气供应分配系统、振打器系统、空气密封系统、控制管理系统等组成。小车振打系统能对激波和蒸汽吹灰系统难以有效清灰的水平烟道各级蒸发器、过热器顺烟气方向的中间部分管屏进行清灰，因蒸汽清灰和激波清灰喷嘴通常布置在各级管屏组间的间隔，冲击力到达各级受热面的内部密集管排区域时已是强弩之末，清灰力度有限，存在吹扫死区，这时位于两侧集箱端头的振打头的敲打则能够达到较好的清灰效果。总体而言，机械振打清灰效果不如激波和蒸汽吹灰覆盖面广，清灰整体效果相对较差，对管屏集箱的击打会造成疏水管等结构受损，造成承压部件泄露。但机械振打不需要消耗乙炔和蒸汽，只需要适当的压缩空气供给即可，运行操作安全可靠，对于管屏布置密集，清灰要求高的炉子可发挥有效的补充清灰作用。因长期机械振打，受热面管屏下集箱角焊缝处易产生裂纹，锅炉发生泄漏的几率加大[3]，因此机械振打清灰不建议作为主清灰方式长期频繁使用。机械振打清灰装置现场照片见图三。

  又叫喷淋清灰。在锅炉内部比较宽敞的受热面间隔内将水雾化并以适当的角度喷射到受热面之间的空间及受热面管屏上，水雾快速蒸发形成汽流冲击扰动及部分水雾渗透积灰内部并快速蒸发，突然膨胀因此导致受热面表面的积灰结焦层开裂并脱落，进而达到清灰的目的。水力喷淋清灰通常用于大型垃圾焚烧炉的第二三烟道清灰。在需要水力清灰的二三竖直烟道炉顶设置水力清灰口，设刀闸阀控制开闭。清灰设备将软管和喷嘴头沿运动轨道按要求逐个定位喷淋清灰口，在喷嘴头靠近入口装置时，入口处的刀闸阀连锁开启，喷嘴头垂直沿竖直烟道上下往返一次并同时喷出设定压力的水雾。喷淋流量由流量测量装置和变频水泵控制。吹扫过程中有密封风防止烟气沿导向管漏出。水力清灰对吹扫范围内的锅炉受热面进行清灰，使用范围受限，不适用于过热器等管壁温度比较高的管屏清灰。

  锅炉清灰效果不佳，日积月累烟气阻力达到某些特定的程度时将不得已停炉检修，因此选择何种清灰方式运行首要考虑的便是清灰效果，清灰的范围和彻底度能保证锅炉换热和烟气通流的要求。从这方面考虑，激波清灰或蒸汽吹灰是首选项也是必选项，蒸汽吹灰和激波清灰二者选其一通常便能保证锅炉正常性能要求，保证在锅炉年度大小修前不因受热面积灰而停炉或降出力运行。而只选用机械清灰则难以达成此目标。以蒸汽清灰或激波清灰作为主清灰方式再辅以一种或几种其他清灰方式则能够达到优异的清灰效果，锅炉运行效率会明显提高。

  从运行经济成本角度考虑，达到同样的清灰效果的情况下，我们按激波清灰所需要消耗的乙炔气体成本和将蒸汽清灰需要消耗的蒸汽按汽机发电汽耗率换算成发电量和消耗的除盐水成本来进行计算比较。根据炉子大小和结构及形式每炉每月乙炔成本在两千至三千元不等，蒸汽耗量因为吹扫时间短，流量也不高以至于大部分垃圾电厂均未装设蒸汽吹灰用汽流量计，通过吹灰用汽期间的发电机负荷来判断，对发电量影响很小，几乎能忽略。因两种主要的清灰方式整体运行成本均不高，占电厂检修维护和运行成本的比率极低，因此运行成本可不作为选择如何清灰方式的主要考虑因素。

  从安全性角度考虑，激波清灰所用乙炔属易燃易爆物质，安全风险高，管理标准高，日常巡检维护及物资运输及出入库管理严格，乙炔需要采购运输，乙炔站需要作为重点防火部位来管理，整个乙炔系统的检修维护工作需要办理一级动火票，需要消耗较多的人力及精力进行日常管理。蒸汽吹灰需要消耗过热蒸汽，但蒸汽从锅炉自身主蒸汽母管接管引出取用，省去了采购的商务流程及物资运输和库存管理的麻烦。因蒸汽吹灰取用高温度高压力蒸汽减压后供给各吹灰器，蒸汽管路存在泄漏风险，因此蒸汽吹灰依然存在安全风险，但是安全管理难度较激波乙炔系统要小。

  激波清灰和蒸汽吹灰的日常检修维护工作量差距不大，均需要加强日常巡检和维护。激波清灰的乙炔供应分配系统要注意日常巡检，防止受损泄露，激波点火罐及其出口至炉内的脉冲导管存在高温冲刷和腐蚀的工作环境，属于耗损部件，需要按时进行检查更换。乙炔和压缩空气的供应分配及混合管路控制阀门及仪器仪表众多，点火塞和调节控制管理系统等精密电控设备较多，对检修维护人员的专业水平要求比较高。蒸汽吹灰工艺系统相对简单一些，但吹灰器属于传输蒸汽的运动部件，故障率相比来说较高，不严密导致的蒸汽泄露风险较大。另外，锅炉激波清灰喷口及蒸汽清灰喷口均需要在正对的首排受热面加设防护瓦，避免吹损受热面管子。

  激波清灰工作时现场噪音会很大，易引起人员受到惊吓。其他清灰方式对现场环境的影响相对温和。

  小车振打和水力清灰运行安全风险较小，安全管理难度相比来说较低，检修维护工作量比两种主清灰方式略低。

  激波清灰需要建设乙炔站，管路布置长，精密部件较多，投资较大。蒸汽吹灰需要在主蒸汽供热管道上开口，实施工程技术要求高，蒸汽减压阀及吹灰器的成本较高。

  垃圾焚烧发电厂既要安全环保可靠的处理生活垃圾，又要保证高效率发电，因此保证主设施安全稳定可靠运行是需要首先保证的，蒸汽吹灰和激波清灰两种主清灰方式因其出色的清灰效果均可作为垃圾发电厂的首选清灰方式，考虑蒸汽清灰略有优势。为保持更持久的长周期运行水平、提高电厂运营管理上的水准和配置标准，以及保障垃圾发电厂更出色的锅炉运行效率，建议锅炉清灰方式配置采取以一种到两种主清灰方式交错布置再辅以一到两中辅助清灰方式的配置方案。对于配置多重清灰方式的垃圾发电厂，建议激波清灰和蒸汽吹灰每天各工作一次，小车振打每周工作一次，主清灰方式保证普遍全面的清灰，小车振打通过对激波和蒸汽吹灰冲击力较弱的各级受热面中间管排集箱端头的击打，可以让各级中间位置的管屏也得到良好的清灰效果。清灰的效果和频次需要通过每次清灰时观察锅炉灰斗下部输灰装置的下灰量来判断和调整，进而达到最优的组合方式。对于清灰系统的配置和运行方式效果的最终判定还一定要通过锅炉运行烟风道阻力及停炉检修时对受热面积灰的观察来评估，从而为运行方式和检修及技改提供依据。

  综上所述，在垃圾发电厂的设计建设和运营过程中，结合电厂的建设运营标准定位及对可靠性和长周期的要求，通过合理的配置锅炉的清灰方式和合理调配各种清灰方式的运行搭配，能够更好的起到保证锅炉运行效率，避免因锅炉积灰导致运行效率低、锅炉压负荷和停炉的风险。通过合理的设计和高效的锅炉清灰系统运行和维护能够达到良好的经济效益与安全稳定运行水平。

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