垃圾焚烧炉在线清灰系统应用

蔡文宇，沈滨(中节能(烟台)环保能源有限公司, 山东 烟台 264000)

0 引言

随着我国经济的高速发展，城市化进程不断加快，城市垃圾产生量急剧增加。根据中国统计年鉴，中国的城市垃圾清运量已经达到 22 801.8 吨，城市生活垃圾处理量急剧增长，给城市生活垃圾处理能力带来极大的挑战[1]。面对日益严峻的“垃圾围城”问题，如何合理处理城市生活垃圾已经成为研究者关注的热点问题[2]。

城市生活垃圾的处理方法通常包括填埋法、堆肥法和焚烧法[3]。由于城市生活垃圾中有较多的病菌和重金属，所以填埋法和堆肥法不仅会占用大量土地，还会对地下水和土壤造成巨大污染。垃圾焚烧处理由于具有占地少、处理时间短、减量化显著、无害化较为彻底以及垃圾焚烧余热可利用等优点，已经成为不少城市解决垃圾问题的首要选择[4-6]。垃圾焚烧处理量占所有垃圾无害化处理量的比重也逐年提高，截至2018年底，垃圾焚烧处理占所有垃圾无害化处理方式的比重已经达到45%。截至2019年底，在中国建设并投入运行的垃圾焚烧厂已经达到418 座[7-8]。由此可见，垃圾焚烧技术具有广阔的应用前景。

垃圾焚烧炉受热面挂灰是影响垃圾炉长周期运行的最主要因素，每2～3个月单台炉就需停炉清灰一次。垃圾焚烧炉受热面挂灰会缩短锅炉运行周期，同时增加检修工作量。现有吹灰系统受到高温区受热面管束积灰、烟气温度和喷吹范围有限等因素制约，为保证锅炉实现长周期运行，减少锅炉检修频次，研发及制作真正达到实际使用效能的在线清灰设备具有重要意义。

1 在线清灰系统在焚烧炉上的应用背景

1.1 生活垃圾焚烧炉积灰结焦的因素

积灰是指温度低于灰熔点的灰粒在受热面上沉积，主要发生在对流受热面上。目前对燃煤和生物质锅炉的积灰研究已经形成比较系统的理论。积灰根据积灰强度分为黏结性积灰和松散性积灰：黏结性积灰一般在管壁的迎风面形成并沿着气流增长，这种积灰不断增长会引起管束的阻力迅速增加，直至整个烟道堵塞；松散性积灰一般形成在管壁的背风面，或者当颗粒很细微、烟气速度很小时在管壁的迎烟面形成。

1.2 生活垃圾焚烧炉积灰结焦的影响因素

垃圾焚烧与一般燃料燃烧相比，垃圾热值低而含水量高，质地低劣；垃圾焚烧过程极为复杂，气、液、固体多项反应混合，多孔介质中的传递、同相和异相间的传递交互发生，并受晶界过程、电化学过程和应力演变过程等多重因素的影响。另外，由于垃圾形状不均，质地随季节、年份和地区而变化，相应的热值变化幅度较大，焚烧过程中烟气温度和成分波动也很大，所以垃圾焚烧环境中发生的结渣比一般燃料燃烧过程更复杂。从垃圾飞灰的实际的灰熔融特性来看，其变形、软化、熔融温度明显低于粉煤灰的温度，基本上在1 050 ℃时发生软化，较煤灰低约200℃。垃圾本身的固有特性，决定了垃圾焚烧炉易于结焦的特点。

生活垃圾焚烧炉积灰结焦所产生的影响主要包括以下五个方面：(1)锅炉内积灰结焦最直接的影响是导致锅炉烟气流道阻塞，炉内烟气负压无法维持而被迫停运；(2)锅炉受热面积灰结焦导致受热面热阻增加，使排烟温度大幅增加，导致锅炉效率降低；(3)焚烧炉内积灰结焦加大了锅炉本体承重，焦块在重力作用下易将浇注料拉掉或局部脱落；(4)受热面大面积积灰结焦，给停炉检修带来极大的困难，增加检修维护工作量，同时也给检修人员带来安全与健康风险；(5)因积灰结焦造成锅炉运行周期短，机组启停频繁，大大缩减了锅炉及配套的汽轮发电机组寿命。

1.3 目前解决生活垃圾焚烧积灰结焦的对策与措施

在锅炉运行中，因无法控制入厂垃圾品质与成分，且锅炉运行周期短的首要因素是水平烟道中受热面严重积灰结焦，故企业不能仅从技术应用方面采取措施加以控制，还应将解决水平烟道内受热面积灰结焦问题作为首要任务。

2 在线清灰系统应用原理

2.1 系统功能及要求

在线清灰系统针对现有吹灰技术存在的不足，提供一种可以由人工智能控制、实现定点清灰的垃圾焚烧炉清灰系统。系统可根据焚烧炉各个受热面前后烟气的温度以及压差情况，相应调整爆燃气体的压力、流量和充气时间，选择不同容积的爆破布袋，达到最优的清灰效果。同时，系统需要配置安全提示音以及系统管路安全防护装置，保证在线清灰作业人员的安全，不对周围设备和环境带来隐患。

2.2 在线清灰系统设计方案

在线清灰系统采用可编程控制系统，配备供气装置、混气装置、自动点火装置、爆破装置、防止回火装置以及声光报警提示设备。在实际应用中只需要将储气袋对准要清灰的受热面，控制供气装置供气，由点火装置将混合气体点燃，使得储气袋爆破，便可实现对特定区域的清灰，增加受热面的换热效率，延长焚烧炉运行周期，提高经济效益。

2.3 在线清灰系统实施方式

在线清灰系统包括氧气供给装置和乙炔供给装置，氧气供给装置包括氧气瓶和氧气供给管路，乙炔供给装置包括乙炔瓶和乙炔供给管路，氧气供给管路和乙炔供给管路的末端连接混气装置的入口，混气装置能够将氧气和乙炔混合均匀。在两种气体进入混合装置前均设置有防止回火的单向阀。爆破装置包括点火装置和储气袋，点火装置设于混气装置上，储气袋设于混气装置的出气口处，点火装置能够将混合气体点燃使储气袋爆破。储气袋外层为布料，内侧为塑料。

2.4 材料与方法

2018—2021年烟台润达垃圾处理运营有限公司生产情况(如表1所示)，公司实行垃圾与污泥协同燃烧处置，污泥掺烧比例为8%左右，使得锅炉受热面挂灰速度更快，投产2至3个月后，锅炉水平烟道各个受热面管束被灰堵塞，影响烟气正常流通，致使省煤器出口负压值达到-400 Pa以上，需要停炉进行清灰作业。以该公司400 t/d垃圾焚烧炉为实验对象，2020年1月31日锅炉在线清灰系统正式投入运用，表1统计了该公司2018—2021年实际生产数据。

表1 2018—2021年烟台润达垃圾处理运营有限公司的生产实际情况

3 在线清灰系统应用效果评价

3.1 垃圾焚烧炉在线清灰应用效果图对比

如图1和图2所示，垃圾焚烧炉正常运行时，通过人孔门查看的过热器管束积灰与清灰后的实际状态图。如图1所示，过热器第一排管束的积灰有凸起，积灰温度较高，并且黏性较大，附着在过热器管束上。如图2所示，在线清灰设备将过热器管束上的积灰清除后，管束显现出的本来面貌。

图1 过热器清灰前

图2 过热器清灰后

另一部分的积灰需要在另一侧人孔门处实施在线清灰才能够被清除。

3.2 垃圾焚烧炉在线清灰系统应用停炉检修统计

污泥中含灰量较大，污泥焚烧后的残余物大部分被烟气带往后部受热面，附着在尾部受热面管子上，影响了换热效率，残余物长时间积累，造成尾部受热面积灰严重，对锅炉负荷产生不良影响。同时，在高过、中过受热面烟气通道中所堆积的灰会形成非常硬的灰块，运行期间很难清除，如处理不及时，会造成过热器烟温过高。

烟台润达垃圾处理运营有限公司2019年在焚烧运行过程中未采取措施，污泥协同掺烧造成的锅炉受热面积灰严重，2台焚烧炉停炉清灰8次。2020年该公司在焚烧运行过程中采取在线清灰，2台焚烧炉停炉清灰4次。2021年两台焚烧炉整体运行情况良好，在线清灰系统投运正常，2台焚烧炉停炉清灰4次。

3.3 应用在线清灰系统经济性分析

3.3.1 垃圾焚烧炉正常运行日经济产值

如表2、表3所示，两台垃圾焚烧炉正常运行每天平均所创造的日均收益为：

表2 垃圾焚烧炉日均经济产值

表3 垃圾焚烧炉日均耗材费用

39.44 万元－3.124 5 万元=33.315 5 万元。

3.3.2 垃圾焚烧炉在线清灰系统应用前后效果对比

烟台润达垃圾处理运营有限公司供试两台垃圾焚烧炉2018年至2021年4年间垃圾焚烧炉停运时间(如表4所示)。结果表明，在线清灰的应用使得每年停炉维修次数降低4次，缩短年均停炉时间12天。

表4 计划停炉时间明细

3.3.3 在线清灰系统应用综合效益分析

在线清灰系统应用总增产效益：

在线清灰系统的应用使年均停炉时间减少12天，增创产值：

33.315 5万元×12=399.786 万元。节省启炉次数为4次(每次启炉燃油费用7 万元)，即节省启炉燃油费用7 万元×4=28 万元。

在线清灰系统运行成本：

(1)在线清灰设备成本费用：控制系统1.0 万元，配气系统0.5 万元，附属设备配件1.0 万元，合计2.5万元。按5年折旧，每年0.5 万元摊销。

(2)在线清灰设备维护费用0.5 万元/年。

(3)在线清灰外委操作费用为79.51 万元/年。

在线清灰年发生费用共计80.01万元。

在线清灰系统运行净增产效益：

对比分析在线清灰全年创造的经济效益：427.786万元－80.01万元=347.776 万元。

4 结语

污泥处置的一个重要发展路径是焚烧，而与生活垃圾协同焚烧处置无疑是污泥彻底无害化处置的一条投资少、见效快、运行成本低、可操作性强的处置路线。在线清灰技术的应用，使锅炉受热面积灰情况得到了极大改善，延长了锅炉运行周期，提升了锅炉受热面的换热效率，减少了启停炉的频次，两台400 t/d垃圾焚烧炉运用在线清灰系统后，每年净增长利润347.8万元，具有较高的经济效益。