垃圾焚烧余热锅炉投运初期过热器吸热量特性研究＊

金 飞，郭孝武，龙吉生，赵翠玲

（1.上海康恒环境股份有限公司，上海 201703；2.上海生活垃圾焚烧处理技术及装备工程研究中心，上海 201703）

0 引言

随着我国城市规模及人口大幅增加，城市生活垃圾产生量也呈逐年上升趋势。国家发展改革委等部门发布《关于加快推进城镇环境基础设施建设的指导意见》，提出到2025 年，城镇生活垃圾焚烧处理能力达到8×105t/d 左右，占无害化处理能力比例达到65% 左右［1］。焚烧处理因其减量化、资源化和无害化效果突出，使得近几年垃圾焚烧厂投运数量大幅增长，已成为我国生活垃圾处理的主要方式［2-4］。

目前垃圾焚烧炉主要有机械炉排炉、流化床焚烧炉和回转窑焚烧炉3 种类型，其中回转窑焚烧炉多用于处理危险废物，机械炉排炉及流化床炉多用于处理生活垃圾，且机械炉排炉所占比例越来越大，已成为主流的垃圾焚烧方式［5］。

投运初期的机械炉排炉大多出现过热汽温低于设计值，或达到设计汽温，但运行6 个月后随着积灰加重，又出现减温水量偏大问题。汽温偏低不仅会降低发电效率，而且会使汽轮机末级蒸汽湿度增加，加大叶片侵蚀风险，威胁汽轮机安全运行［6-7］。过热器减温水量大或频繁投入会引起减温水因雾化效果降低而不能完全汽化，减温器后管件产生交变应力，导致管件开裂，影响机组安全运行［8］。

针对以上问题，对比垃圾焚烧余热锅炉与煤粉锅炉的过热器布置型式和热力数据，以及余热锅炉不同时段的热力数据，进而对余热锅炉过热器的吸热量变化特性进行分析研究。

1 材料与方法

1.1 锅炉类型

1.1.1 垃圾焚烧余热锅炉

某机械炉排垃圾焚烧余热锅炉布置示意如图1所示。锅炉采用卧式布置，焚烧烟气经过一、二、三水冷空腔烟道后进入水平烟道，水平烟道内依次布置一级蒸发器、高温过热器、中温过热器、低温过热器、省煤器，烟气完成换热后进入尾部净化系统。过热器入口烟温约620 ℃，出口烟温约340 ℃，整体布置于烟温较低的区域。

图1 垃圾焚烧余热锅炉布置示意Figure 1 Arrangement schematic of the waste incineration waste heat boiler

1.1.2 煤粉锅炉

某蒸发量130 t/h 高温高压（9.8 MPa，540 ℃）煤粉锅炉布置型式如图2 所示，锅炉采用Π 式布置，炉内依次布置屏式过热器、高温过热器、低温过热器、省煤器及空气预热器（简称“空预器”）等。过热器入口烟温约1 000 ℃，出口烟温约600 ℃，整体布置于烟温较高的区域。

图2 煤粉锅炉布置示意Figure 2 Arrangement schematic of the coal-fired boiler

1.2 研究方法

对垃圾焚烧余热锅炉和煤粉锅炉分别进行热力计算，并对比分析，得出研究结论。

对流受热面传热方程式［9］如公式（1）所示：

式中：Q为1 kg 燃料受热面的吸热量，kJ/kg；β为修正系数；K为传热系数，W/（m2·℃）；H为受热面积，m2；Δt为传热温压，℃；Bcal为计算燃料消耗量，kg/h。

2 结果与讨论

2.1 余热锅炉与煤粉锅炉过热器布置型式及热力计算数据对比

由于生活垃圾成分复杂，水分及灰分含量大，燃烧产生的烟气中含有大量HCl 等腐蚀性气体，同时飞灰中含有大量Cl 元素和碱金属，导致烟气对受热面管路腐蚀性很强［5，10］。为降低高温烟气的腐蚀，保证过热器管材的使用寿命，需在过热器前布置大量的水冷蒸发受热面，以降低过热器入口烟温［11］。一般垃圾焚烧余热锅炉过热器入口烟温运行值控制在600 ℃以下，出口烟温在340 ℃左右，过热器整体布置于烟温较低的区域。

某垃圾处理量750 t/d、蒸发量69 t/h 的中温次高压垃圾焚烧锅炉与某蒸发量130 t/h 的高温高压煤粉锅炉过热器传热数据对比如表1 所示。由表1可以看出，垃圾焚烧余热锅炉过热器平均传热温压为95 ℃，煤粉锅炉过热器平均传热温压为419 ℃，后者是前者的4.4 倍。这将导致当过热器入口烟温变化相同温度时，垃圾焚烧锅炉过热器平均传热温压的变化幅度远大于煤粉锅炉，垃圾焚烧锅炉过热器的传热温压对入口烟温变化更敏感。

表1 垃圾焚烧锅炉与煤粉锅炉过热器传热数据对比Table 1 Comparison of heat transfer data for superheater between waste incinerator boiler and coal-fired boiler

2.2 垃圾焚烧余热锅炉投运初期运行数据分析

对目前5 个典型高参数大型垃圾焚烧余热锅炉进行研究，其主要设计参数见表2。通过对表2中5 个垃圾焚烧项目运行数据分析，投运6 个月内垃圾处理量和热值相对稳定，余热锅炉受热面正常吹灰，运行工况基本稳定。各项目过热器出口蒸汽温度和入口烟温随运行时间的变化曲线如图3～图7 所示。

表2 某5 个垃圾焚烧项目余热锅炉的主要设计参数Table 2 Main design parameters of waste heat boiles of five waste incineration projects

图3 项目A 过热器出口汽温和入口烟温变化Figure 3 Change of project A superheater outlet steam temperature and inlet flue gas temperature

项目A 投运约2 个多月后过热器出口汽温从380 ℃上升到设计值450 ℃（允许偏差+5 ℃、-10 ℃），上升70 ℃；投运3 个月过热器入口烟温从450 ℃升至600 ℃，上升150 ℃；停炉清灰后入口烟温在1.5 个月内从530 ℃上升至600 ℃，上升70 ℃，如图3所示。

项目B 投运2 个月过热器出口汽温从410 ℃上升到475 ℃（设计值485 ℃，允许偏差+5 ℃、-10 ℃），上升65 ℃；投运5 个月过热器入口烟温从420 ℃升至570 ℃，上升150 ℃，如图4 所示。项目C 投运2 个月过热器出口汽温从400 ℃上升到475 ℃（设计值485 ℃，允许偏差+5 ℃、-10 ℃），上升75 ℃；投运5 个月过热器入口烟温从380 ℃升至550 ℃，上升170 ℃，如图5 所示。

图4 项目B 过热器出口汽温和入口烟温变化Figure 4 Change of project B superheater outlet steam temperature and inlet flue gas temperature

图5 项目C 过热器出口汽温和入口烟温变化Figure 5 Change of project C superheater outlet steam temperature and inlet flue gas temperature

项目D 投运2 个月过热器出口汽温从400 ℃上升到475 ℃（设计值485 ℃，允许偏差+5 ℃、-10 ℃），上升75 ℃；投运1.5 个月过热器入口烟温从450 ℃升至530 ℃，升80℃，如图6 所示。

图6 项目D 过热器出口汽温和入口烟温变化Figure 6 Change of project D superheater outlet steam temperature and inlet flue gas temperature

项目E 从投运开始过热器出口汽温即达到设计值485 ℃，投运6 个月过热器入口烟温从520 ℃上升到610 ℃，上升90 ℃，如图7所示。据了解该项目运行6 个月时，减温水量达10 t/h。

图7 项目E 过热器出口汽温和入口烟温变化Figure 7 Change of project E superheater outlet steam temperature and inlet flue gas temperature

综上可知：①过热器出口汽温达到设计值约需要2 个月时间，期间汽温上升65 ℃以上、过热器入口烟温上升约100 ℃；②过热器入口烟温达到限值需要3～5 个月时间，期间烟温上升约150 ℃；③投运即达到设计汽温的项目E，后期出现了减温水量大、过热器超温的情况。

由此可见，垃圾焚烧余热锅炉投运初期随着运行时间的加长，过热器出口汽温和入口烟温变化幅度很大，影响机组安全运行。而传统的煤粉锅炉不存在此问题，一般在投运初期即可达到设计汽度，可见垃圾焚烧余热锅炉过热器吸热有其特殊性。

2.3 余热锅炉投运初期过热器吸热量计算及分析

垃圾焚烧项目A 和项目B 投运初期过热器热力计算数据如表3 和表4 所示。由表3、表4可知：

表3 项目A 过热器热力计算数据Table 3 Thermal calculation data of superheater in project A

表4 项目B 过热器热力计算数据Table 4 Thermal calculation data of superheater in project B

1）投运6 个月与投运5 d 相比，各级过热器传热系数的变化小，项目A、B 均增加13%；各级过热器平均传热温压变化幅度大，项目A 平均增加71%，项目B 平均增加52%；各级过热器吸热量变化幅度大，项目A 增加77%，项目B 增加60%。由此可见传热温压是影响过热器吸热量的主要因素。

2）投运6 个月与投运5 d 相比，随着运行时间的加长，一、二、三烟道积灰加重，水冷壁吸热量下降，中温过热器1 引起过热器入口烟温上升较大，项目A 过热器入口烟温上升了139 ℃，项目B 高温过热器入口烟温则上升了113 ℃，这是导致过热器传热温压增大、过热器传热量增加的主要原因。

3 结论及建议

1）由于防腐要求，垃圾焚烧余热锅炉过热器必须布置在低烟温区，导致过热器整体传热温压小，因此当入口烟温上升相同温度时，垃圾焚烧锅炉过热器吸热量较煤粉锅炉变化幅度更大。

2）由于垃圾焚烧余热锅炉目前的运行特性，即随着投运时间的加长（约3～6 个月），一、二、三烟道积灰程度加剧，导致过热器入口烟温变化幅度大，一般可升高100 ℃以上，因此投运初期过热器整体吸热量变化幅度很大，可增加60%以上。

3）垃圾焚烧余热锅炉过热器的吸热量在投运初期变化幅度较大，这一问题虽然无法完全避免，但可采取以下措施进行改善：①一、二、三烟道采取相应的清灰措施，如一烟道水冷壁由敷设浇注料形式，改为挂砖形式；二、三烟道采用墙式吹灰或水力清灰；②采用中温过热器前置及中温过热器和高温过热器顺流布置，降低过热器管壁温度，从而降低过热器高温腐蚀风险；③提高中温过热器和高温过热器的材料等级或在基材表面敷设防腐涂层，如堆焊、热喷涂、重熔等；④采用三级喷水减温方式，严格控制各级过热器出口汽温，降低过热器腐蚀风险。

4）建议垃圾焚烧余热锅炉设计工况为投运后期运行工况，在投运初期进行（72+24）h 试运行时，允许过热器出口汽温低于设计温度。