浅谈垃圾焚烧炉受热面积灰及对策
-----高飞
关键词：垃圾炉受热面过热器积灰预防措施
1、引言
绿色动力环保热电垃圾锅炉为绿色动力环境工程自主研发的三驱动机械炉排炉，日处理1050t/d，配套三套余热锅炉WGZ27.8-400℃/4MPa，一期工程于2006年动工建设，于2008年4月份进入商业运行；二期工程于2009年动工建设，2010年投入正常运行。余热锅炉采用四烟道立式布置，对流受热面积灰表现明显，最初受热面积灰被迫停炉次数较多，严重困扰了锅炉的正常运行调整和连续运行时间，大大增加了运行费用和设备因启停造成的损耗。运行时间最初为1个月左右，经过多方面的改造、控制和调整，现在已得到了有效控制，连续运行时间可以保证3个月以上，余热锅炉利用效率大为提高，单炉日垃圾处理350t以上，负荷率为105%，吨位垃圾产汽达到1.8以上。下面，就针对绿色动力积灰浅谈自己的见解。
2、改造前积灰部位分析
图一对流管束运行一个月后积灰图二高温过热器运行50天后积灰
图一：对流管束入口积灰情况：
①对流管束结构：对流管束布置于三烟道，Ⅲ级过热器的前面。蒸发管束的管子成倾斜状，以避免产生汽水分层。蒸发管束与第二隔墙、后墙水冷壁组成水循环回路。共分上下两级，各50组，共100组，每组4根组成。管道规格为：￠42*4.5，每组之间的管壁距离为
70.5mm，节距为114mm，其中布置有24根吊挂管。
②锅炉连续运行20天左右，锅炉负荷维持在23～32T/H，对流管束入口烟温从450℃升至720℃，且三烟道入出口负压测点压差不断增大，烟气通流面积减少，被迫降低锅炉负荷，以至难以维持正常运行被迫停炉。
③停炉后检查积灰部位：三烟道对流管束入口处管子与管子之间间隙几乎被全部堵死，锅炉运行后期因积灰换热效果较差，烟温偏高，至积灰成熔融状且较硬的灰块，受烟气冲刷的影响表面管子挂有成（钟乳岩）状的挂焦。
图二：高温过热器出口与中温过热器接口部位积灰：
①由于管组中间部位脉冲吹灰器难以形成有效的冲击，加上管束节
距偏小，首先在高温段中部堵塞，形成一个堆积平台。
②上部挂灰到一定程度时受重力影响落在管组表面逐渐堆积，其次，
吹灰器只是吹扫管束表面。吹下来后也层层叠加，在接口部位堆积成山丘模样，更加重了烟气通流面积的减少。
3、积灰对垃圾炉的危害
①使炉传热变差，加剧了结渣过程。受热面结渣后，由于灰渣层导热系数小，表面温度急剧上升，高温烟气贴近灰渣层表面时不能充分冷却，进一步加剧了结渣过程。严重时会造成管壁温度过高使管壁超温，缩短管子的使用寿命，甚至失效爆管。烟道水冷壁积灰、结渣严重时，因换热效果差，还会使蒸发量减少。
②炉膛结渣或积灰时，炉膛出口烟温将升高，引起蒸汽温度偏高或热偏差增大。
③对流换热面积灰、结渣较多时，多数并发高温腐蚀。发生高温腐蚀的在原因是垃圾中的含硫量和含氯量，而外部原因是由于水冷壁管处于高温烟气的环境中，壁面邻近的区域中形成还原性气氛，使灰熔融性温度降低，加剧结渣过程，并使管子表面产生高温腐蚀。不但积灰粘附管壁造成腐蚀，垃圾燃烧后的高温烟气也会给管束造成腐蚀，一般在燃烧区域较高段腐蚀较为严重。
④锅炉效率降低。受热面积灰、结渣后，各段受热面出烟温相应提高，使排烟损失增大。炉水冷壁结渣时。还有可能引起炉膛出口处的受热面结渣，致使锅炉不能满负荷运行，甚至被迫停炉。
⑤结渣严重时，大块渣落下可能会砸坏炉底水冷壁或阻塞排渣口。
⑥在传热减弱的情况下，为维持锅炉出力需消耗更多燃料，使引、送风机负荷增加，引起电耗增加。并且由于通风设备的容量有限，加之结渣时易发生烟气通道阻塞，可能会造成引风量不足，燃烧不完全，co浓度大，一些可燃物被带到对流受热面，在烟道角落堆积起来继续燃烧，即发生所谓“烟道再燃烧”现象。其后果极具破坏性。
⑦烟道对流换热面积灰严重时，通风阻力增大，在管束区域形成烟气走廊，局部烟气流速过快，对管束造成冲刷和磨损，严重时引起爆管事故，增加对设备的危害和检修运行成本。总之，锅炉尾部受热面的积灰会引起很多问题,主要有经济性和安全性两个方面,积灰可以降低炉受热面传热能力,增加传热阻力,降低锅炉经济性;在高温烟气作用下,积灰会与管壁发生复杂的化学反应,形成高温腐蚀;使锅炉连续运行周期缩短;积灰清除困难,增加工人劳动强度。
3、垃圾锅炉积灰的因素
炉管壁面的积灰、结渣是一种普遍现象，在炉膛火焰中心处的温度高，燃料中的灰分大多呈熔化状态，而在炉管壁附近的烟温则较低，一般在接触受热面时已凝固，沉积在壁面上成疏松状，就形成积灰：如果烟气中的灰粒在接触壁面时仍呈熔化状态或粘性状态，则粘附在炉管壁上形成紧密的灰渣层，就形成了结渣。结渣主要由烟气中夹带的熔化或部分熔化的颗粒碰撞在炉墙、水冷墙或熔融的沉淀物形式出现在辐射受热面上。积灰主要因素有：
①烟气携带灰份：城乡接合统筹收集的垃圾中水分、灰分较大，其中水分为25%～50%,灰分为15%～30%，同时还富含有大量生物质，生
物质中碱金属含量较高，此外有塑料、橡胶等有机制品。这给垃圾焚烧带来了极大的困难。焚烧炉一次风量越大、一次风压越高、炉膛负压越大，那么烟气携带飞灰就越多。负荷越高，烟气量也就越大，所携带的灰分也就越多。炉排翻动频率越高，烟气扬析所带的灰分也就越大。高温炉渣落入水冷出渣机中的瞬间会产生大量的水蒸气，这时炉会产生极大的正压，为保持炉负压，引风机就会开大，烟气所携带的灰分也就变大。给推料器平台与干燥炉排之间的落差，各级炉排相互间的落差，垃圾中的细灰在燃烧过程中，经过这两个“落差”时，都会被风烟带走，设计的落差越大，带走飞灰的可能性越大。
②焚烧锅炉积灰结渣由许多复杂的因素引起，如炉空气动力场、炉型、燃烧器布置方式及结构特性，垃圾的尺寸等都将影响炉结焦状况。保证空气和燃料的良好混合，避免在水冷壁附近形成还原性气氛，合理而良好的炉空气动力工况是防止锅炉结渣的前提。一般来说，过热器管道的节距一般需大于150mm，运行过程当中二次风需长期保证运行，减少扬析损失和在烟道灰粒沉积。锅炉对流换热面结构一般立式布置于卧式烟道中等等能减少烟道积灰的程度。
5、积灰成分分析
图三：管壁下部积灰块图四：管束积灰块
垃圾烟气飞灰中的碱金属元素比较高。而水溶性的碱金属化合物在高温区中会发生气化，气化的碱金属化合物与挥发性氯结合形成了碱金属氯化物。当烟气中有足够的硫存在时，大部分碱金属氯化物会和硫化物发生反应生成硫酸盐。对于炉高温受热面的积灰来说，硫酸钠与硫酸钙或钠，钙与硫酸盐的共晶体是形成粘性灰沉积的基本物（图四）。硫酸钠的熔点(888oC)低于硫酸钾(1027oC)，因此在碱金属化合物型积灰的形成过程中，起主要作用的是Na2SO4，它常构成灰沉积物中的液相成分。凝结后的Na2SO4吸收烟气中的SO3，并与受热面上及沉积物中的Fe2O3进一步反应，生成碱金属复合硫酸盐（图三），如Na3Fe(SO4)3。其熔点很低，只有600oC左右，而高温对流受热面的壁温可达650oC～700oC左右，因此生成的碱金属复合硫酸盐可处于熔融态，并作为一种粘性基覆盖在管道表面上。这是管道表面上形成的积灰的初始原因。形成后的表面具有粘性，能进一步捕捉飞灰。气化的碱金属成分在凝结过程中，颗粒间的接触面积增大，有时候伴随着液相的存在，从而也为飞灰间的快速烧结提供了条件。同时由于尾部烟道受热面管束设计间隙较小，管束阻力会不断地迅速增长，直到烟
道完全堵塞，被迫停炉。
6、积灰的形成机理
积灰过程主要是灰分在燃烧过程中形态变化和输送作用的结果。灰粒沉积于管壁上，逐渐粘结，熔融硬化。初始阶段主要是沉积为主，尤其是管壁粗糙沉积速度更快。影响灰粒沉积的因素主要有四个方面:热迁移、惯性撞击、凝结、化学反应。这也可以分为与固体颗粒有关的因素(热迁移和惯性撞击)以及与气体有关的因素(凝结和化学反应) 。
灰粒在管壁上沉积可以分为两个不同的过程。一个为初始沉积层的形成过程。初始沉积层由挥发性灰组分在受热面的壁面上冷凝和微小颗粒的热迁移沉积共同作用而形成。初始沉积层中的碱金属类和碱土金属类硫酸盐含量较高,并与管壁金属反应生成低熔点化合物,强
化了微小颗粒与壁面的粘接。另一个是较大灰粒在惯性力作用下撞击到管壁的初始沉积层上,被具有粘性的初始沉积层捕获,并使积灰层
厚度迅速增加的过程。
灰粒沉积于管壁后，受高温烟气冲刷和反应，烟气中的灰粒越来越多的粘附于积灰表面，因为垃圾中的灰份熔点较低，烟气达到600℃以上时就会在软化粘结，随着表面越粘越多，积灰也会越来越严重，就像滚雪球一样。只要积灰沉积扩大，锅炉运行周期也就会很快缩短。
7、预防积灰及延时积灰的措施
垃圾焚烧炉积灰一直是我国垃圾电厂的通病，要完全杜绝是无法实现的，只有采取有效措施抑制积灰的形成，针对我公司的结构特点，
采取了以下措施：
①因我公司对流管束布置较多，管距偏小，2008年进行了对流管束
改造，取消部分对流管束，改造后对流管束管间距由70.5mm增加至184.5mm。烟气流速明显增大，通风阻力大为减少，对流管束进口烟气压力与省煤器进口烟气压力差由原来100pa左右降至50pa 左右。锅炉出口负压由原来的-1000多帕降至现在的-400～-500帕，低于设计值，确保了焚烧炉正常的炉膛负压。
②加强炉温控制在850-1000℃围，炉温度是影响积灰最重要的因素。
降低温度是防止积灰最有效的手段，但是，炉温度降低势必影响炉稳定燃烧，在这里重要的是要找出一个温度平衡点，在这个温度及其分布下，炉燃烧稳定，而又不发生严重积灰。控制好炉温度水平。
③加强燃烧调整，合理控制一二次风量与垃圾量配比，减少烟气飞
灰带出。主要对干燥段一次风电气变频控制在30Hz以，燃烧段一次风电气变频控制在40Hz以，降低烟气流速。根据送风的恒定及时调整推料速度及炉排速度，并控制好料层厚度，确保床体平整、无生料、炉温稳定。对流管束进口烟温控制在600℃围以。④通过的运行来看，锅炉在运行了一个月后，水平烟道受热面上就
开始有了积灰，吹灰器不容易吹下来，这时打开尾部烟道人孔，伸入一根长的钢管，利用压缩空气可以有效地吹掉管壁上的积灰。
而且将在线清灰做为定期工作，由专人监督每隔两天或者三天进行一次。在没有人工清灰前，我们锅炉的运行周期是50天左右，
而增加了捣灰平台进行人工清灰，现在运行周期可到70天，最长的时候到了80天。
⑤加强激波吹灰：吹灰由原来的每班一次增加至每班两次。对重点
过热器及对流管束区域每班吹灰五次。
⑥通过以上措施还没用彻底解决公司积灰的根本状况，于2009年初
对高温过热器段进行了蒸汽吹灰技改，
技改如图所示：
⑴在过热器烟道对流管束出
口和高
过入口处拆除原设计安装的
1、2两台脉冲（激波）吹灰
器。
⑵在原安装孔处安装两台
长伸缩式旋转蒸汽吹灰器，
吹灰半径如图示。
⑶对原有的清灰平台加长至
8米，并加固平台。
⑷管道系统的现场安装。
⑸蒸汽管道的保温材料的铺设。
⑹电缆（包括吹灰器、阀门的电源电缆和控制电缆）的供货和敷设，校对线等。
⑺蒸汽来源于主蒸汽母管，减压后进入吹灰器，疏水至疏水箱，现场和DCS远控布置有流量计和压力表及调节器。
通过安装调试完成后，规定每天或两天一次的吹灰，锅炉连续运行时间上升了一大步，正常运可以运行100天，最长运行时间135天，满足了我公司生产所需。
⑦垃圾搭配、投料均匀，必要时用播煤器在垃圾中掺入少量的烟煤，
从而保证垃圾热值，稳定炉膛温度，避免炉温低于800℃，防止挥发份在烟道再燃烧。同时，燃烧较好时，控制锅炉负荷不超额定15%，绝不超参数运行。
⑧技改炉膛喷涂料，炉膛出口三周保温喷涂料打掉与费斯顿管下部
平齐（现已技改为耐火捣打料），降低炉膛出口烟气温度。同时，每一次停炉对一二烟道的水冷壁积渣清理干净，增加炉膛和一烟道的换热，降低对流管束处的烟温。从而也降低烟气中夹带飞灰的熔点温度，减少积灰的形成。
⑨其次，垃圾电厂积灰还可以通过在焚烧炉加入适宜的添加剂脱除碱
金属，对于解决垃圾焚烧过程中碱金属积灰，是便捷有效的办法。
研究表明铝硅类矿物质可以脱除烟气中的碱金属，对防止碱金属积灰有一定的效果。其中高岭土效果较为明显，高岭土不仅可以和碱金属化合物反应生成高熔点的铝硅酸盐，而且可以减轻沉积
物中氯元素的富集。因此，可以作为垃圾焚烧炉碱金属脱除剂使用。炉喷入添加剂，目的是脱除碱金属，提高熔点，减轻结渣，一般常用的方法如下：
(1)气态碱金属通过化学反应生成固态形式(炉添加高岭土)；
(2)通过物理吸附固化下来(利用活性矾土)；
(3)使用除渣剂(矾土、碳化硅、氧化硅)，提高灰熔点，降低结渣。
8、结论
对于三驱动炉排焚烧炉在我公司是从电脑理论走入成功实践的典工程，我们已经运行了四年多的时间，积累了很多运行经验和检修经验，大小技改本人主持过多项，因我们三驱动垃圾炉是国首创，积灰问题一直是我们的主要问题，其他垃圾炉或许比我们更严重。经历几年来的技改和摸索，通过以上措施抑制锅炉积灰，现基本走出了每月每台炉积灰停炉的困扰，锅炉连续运行水平、带负荷能力和灰渣热灼减率都到达了设计要求，公司经济效益蒸蒸日上。但是垃圾焚烧对设备的腐蚀和环保要求的不断提高，我们需要不断的学习和改进，最大限度的提高锅炉吨位垃圾产汽量和延长设备的运行能力。在实践中不断摸索，及时反馈和分析，将理论和实际相结合，延长焚烧炉的运行周期和运行水平。
9、参考文献
①《垃圾焚烧炉尾部受热面积灰及其抑制方法分析》巍,马增益,严建华,许明磊,王勤文章编号: 1004 - 3950 (2006) 01 - 0046 – 04 ②《炉排式垃圾焚烧炉炉结渣特性研究》王桂英20090301
③《垃圾焚烧炉受热面结渣实验研究》衍国，王亮，蒙爱红，清海