謝 軍

(上?？岛悱h(huán)境股份有限公司，上海 201703)

近年來，垃圾焚燒發(fā)電由于“減量化、無害化、資源化”的優(yōu)勢，逐步取代垃圾填埋，成為處置生活垃圾的最佳方式[1]。垃圾焚燒發(fā)電廠主要目的是處理垃圾并利用廢熱發(fā)電，余熱鍋爐位于垃圾焚燒爐排爐上方，主要目的是回收垃圾焚燒高溫煙氣熱量并通過汽輪發(fā)電機組轉(zhuǎn)化為電能。

垃圾焚燒余熱鍋爐負荷范圍的選取將直接影響鍋爐的投資成本、運行穩(wěn)定性、安全性及經(jīng)濟性。目前，國內(nèi)生活垃圾焚燒余熱鍋爐的設(shè)計選型、運行指導(dǎo)及性能評價一般按照爐排爐的額定負荷及運行范圍進行；但由于余熱鍋爐和爐排爐的影響因素和響應(yīng)特性不同，兩者的運行范圍存在差異。筆者以某機械式爐排爐及配套余熱鍋爐為研究對象，該爐膛燃燒室前后拱為水冷壁、兩側(cè)為護板結(jié)構(gòu)，其中燃燒爐排側(cè)墻布置空冷墻。配套余熱鍋爐為單鍋筒、自然循環(huán)蒸汽鍋爐、臥式布置。煙氣流程為：爐排爐出口→第一通道→第二通道→第三通道→蒸發(fā)器一段→高溫過熱器→中溫過熱器→低溫過熱器→省煤器。筆者結(jié)合理論計算和數(shù)值模擬等方法，繪制不同參數(shù)過熱器特性圖，并總結(jié)出在不同的垃圾低位熱值、處理規(guī)模和蒸汽參數(shù)條件下，余熱鍋爐額定負荷及運行范圍。

1 余熱鍋爐傳熱方式

1.1 輻射傳熱量

在第一、二、三通道的受熱面均為膜式水冷壁結(jié)構(gòu)，由于高溫煙氣的流速較低，主要以吸收高溫煙氣的輻射傳熱量為主，高溫煙氣與受熱面間的輻射傳熱方程[2]為：

(1)

式中：Qf為輻射傳熱量，kJ/h；εl為爐膛黑度；Fl為輻射傳熱面積，m2；Ψ為水冷壁角系數(shù)；σ0為斯忒藩-玻耳茲曼常數(shù)，σ0=5.67×10-11kW/(m2·K4)；Th、Tb分別為火焰有效溫度、爐壁溫度，K；φ為保熱系數(shù)；qm,lj為垃圾焚燒處理質(zhì)量流量，t/h；clj為燃燒產(chǎn)物從絕熱溫度Ta變化到爐膛出口溫度Tl時的平均比熱容，kJ/(kg·K)。

由式(1)可知：影響輻射傳熱的主要因素有爐膛黑度、輻射傳熱面積及火焰溫度等。隨著爐排負荷的增加，爐排爐出口煙氣溫度升高，余熱鍋爐輸入熱量增加，若輻射傳熱面積不變，第三通道出口煙溫升高，則過熱器入口煙溫也隨之升高。

1.2 對流傳熱量

在第四通道布置蒸發(fā)器、過熱器和省煤器，主要傳熱方式為對流傳熱，對流傳熱計算公式為：

Qd=K·A·Δt

(2)

式中：Qd為對流傳熱量，kJ/h；K為對流傳熱系數(shù)，W/(m2·K)；A為對流傳熱面積，m2；Δt為對數(shù)平均溫差，K。

由式(2)可知：對流傳熱量主要取決于對流傳熱面積、傳熱系數(shù)及溫差。假設(shè)傳熱系數(shù)不變，對流傳熱量主要受溫差和傳熱面積的影響。

在對流傳熱受熱面中，由于過熱蒸汽吸熱能力差、具有熱偏差及存在高溫腐蝕的問題，過熱器的工作環(huán)境較差，而過熱器的工作性能是影響鍋爐安全運行的關(guān)鍵因素。隨主蒸汽溫度和壓力的提高，將飽和蒸汽加熱到過熱蒸汽所需的傳熱量增加，若過熱器入口煙氣溫度不變，傳熱量增加，導(dǎo)致過熱器煙氣側(cè)出口溫度降低，溫差減小，則須要大幅度地增加過熱器面積；若提高過熱器入口溫度，則面臨過熱器高溫腐蝕的問題。

1.3 工質(zhì)吸熱量

過熱器工質(zhì)吸熱量Qxr取決于負荷和減溫水質(zhì)量流量，其計算公式為：

Qxr=qm,gz(hgr-hbh)+qm,jw(hgr-hjw)

(3)

式中：qm,gz為工質(zhì)質(zhì)量流量，t/h；qm,jw為減溫水質(zhì)量流量，t/h；hgr、hbh、hjw分別為過熱蒸汽、飽和蒸汽和減溫水的比焓，kJ/kg。

由式(3)可知：負荷越高、過熱蒸汽質(zhì)量流量越大、減溫水質(zhì)量流量越大，過熱器所需吸熱量越大。而過熱器與煙氣間傳熱量取決于溫差和傳熱系數(shù)。過熱器入口煙氣溫度隨著負荷降低而降低，同時輻射傳熱系數(shù)和溫差隨著入口煙溫降低而降低。負荷降低時，平均煙氣流速降低，對流傳熱系數(shù)也隨之降低。

2 主蒸汽參數(shù)對鍋爐負荷的影響

過熱器為余熱鍋爐故障率最高的部件之一，因此可采用過熱器傳熱特性圖來反映鍋爐運行范圍。

2.1 主蒸汽參數(shù)對鍋爐負荷的影響

垃圾中含有氯、硫及堿金屬元素等，燃燒后容易造成氯、硫化合氣體腐蝕和低熔點堿金屬鹽熔融腐蝕。KAWAHARA Y等[3-4]的研究表明：煙氣中含氯量、煙氣溫度、管壁溫度和管壁積灰程度共同決定管子的腐蝕速度，煙氣中含氯量越高、煙氣溫度越高、管壁溫度越高、積灰越嚴重，管子的腐蝕速度越快。目前，高溫脫氯技術(shù)尚不成熟，因此余熱鍋爐防腐蝕主要從控制煙氣溫度、有效清灰和采用耐腐蝕材料等方面著手。從高溫過熱器腐蝕角度，主蒸汽溫度越高，在設(shè)計階段和運行階段，高溫過熱器入口煙氣溫度控制值(允許最高值)越低[5-6]。

2.2 主蒸汽參數(shù)與過熱器傳熱特性

余熱鍋爐過熱器布置在350～650 ℃煙道處，煙氣設(shè)計流速較低，傳熱系數(shù)較小，而過熱器傳熱特性取決于溫差和有效面積。在設(shè)計階段，假定高溫過熱器為順流布置，傳熱系數(shù)不變，以主蒸汽參數(shù)為4.0 MPa、400 ℃且入口煙氣溫度為650 ℃時所需傳熱面積為基準傳熱面積(相對傳熱面積=某一負荷下所需傳熱面積/基準傳熱面積)，得到不同主蒸汽參數(shù)下高溫過熱器面積與入口煙氣溫度的關(guān)系(見圖1)。

由圖1可知：在設(shè)計階段，高溫過熱器傳熱面積隨著入口煙氣溫度升高而減??；入口煙氣溫度相同時，主蒸汽溫度越高，高溫過熱器所需面積越多；主蒸汽溫度越高，高溫過熱器面積隨入口煙氣溫度變化幅度越大。

在運行階段，過熱器面積一定，過熱器傳熱特性主要取決于溫差，入口煙氣溫度越高，溫差越大，則過熱器吸熱量增加。不同主蒸汽參數(shù)下高溫過熱器的相對熱量與入口煙氣溫度的關(guān)系見圖2，以主蒸汽參數(shù)為4.0 MPa、400 ℃且入口煙氣溫度為650 ℃時吸熱量為基準熱量(相對熱量=某一負荷下的熱量/基準熱量)。

圖2 運行階段入口煙氣溫度對高溫過熱器吸熱量影響

由圖2可知：高溫過熱器吸熱量隨入口煙氣溫度升高而升高，并且主蒸汽溫度越高吸熱量增加幅度越大。高溫過熱器入口煙氣溫度選擇過低會導(dǎo)致過熱器面積大幅度提高，增加初期設(shè)備投資；另一方面，鍋爐運行一段時間后有會不同程度的結(jié)焦和積灰，造成高溫過熱器入口煙氣溫度上升，高溫過熱器吸熱量顯著上升，容易出現(xiàn)汽溫超溫。

2.3 不同主蒸汽參數(shù)時鍋爐運行范圍

爐排額定負荷工況(MCR工況)是指在垃圾設(shè)計低位熱值條件下，處理量達到設(shè)計值、熱灼減率合格，并且鍋爐保持連續(xù)穩(wěn)定運行的工況。

不同主蒸汽參數(shù)時的余熱鍋爐過熱器特性曲線見圖3，AC段和DH段分別是減溫水量最大(15%額定蒸發(fā)量，以質(zhì)量流量計算)和無減溫水時過熱器所需吸熱量，A-C-D-H-A區(qū)域為不同負荷下過熱器所需吸熱量；曲線I-G-M-J-K為不同負荷下過熱器與煙氣之間傳熱量；M點為MCR工況。由圖3可知：IG段傳熱量低于所需吸熱量，無法把蒸汽加熱到額定參數(shù)，降低了汽輪發(fā)電機組熱效率；JK段傳熱量遠高于所需吸熱量，過熱器容易發(fā)生超溫和腐蝕爆管。

圖3 不同主蒸汽參數(shù)時的過熱器特性曲線

不同主蒸汽參數(shù)時的余熱鍋爐建議運行負荷見表1。

表1 余熱鍋爐經(jīng)濟運行負荷范圍

3 爐排爐對鍋爐負荷的影響

在垃圾焚燒工程設(shè)計和運行中，爐排負荷變化通常用燃燒圖表示(見圖4)，在圖4中、橫坐標表示爐排爐的垃圾處理量，縱坐標表示垃圾的輸入熱量(低位熱值)，即爐排熱負荷，自原點出發(fā)的斜線OH、OG、OI分別為最高低位熱值線、設(shè)計低位熱值線和最低低位熱值線，均為常數(shù)。圖4中的相對處理量及相對輸入熱量均以MCR工況的參數(shù)為基準。該圖界定了爐排爐運行范圍內(nèi)爐排熱負荷與垃圾處理量和垃圾熱值的關(guān)系，同時界定了爐排連續(xù)運行范圍(M-A-B-C-E-M區(qū)域)、短時超負荷運行范圍(M-A-H-G-I-E-M區(qū)域)和助燃范圍(C-D-E-C區(qū)域)。由圖4可知：爐排熱負荷與和入爐垃圾處理量呈線性關(guān)系。

圖4 爐排燃燒圖

爐排爐特性參數(shù)包含爐排機械負荷、床層熱強度、燃燒室型式和燃燒室容積熱負荷，其中爐排機械負荷和燃燒室型式影響余熱鍋爐額定負荷的選取。爐排機械負荷大小與處理規(guī)模、爐排類型、垃圾特性和爐渣熱灼減率等有關(guān)，當垃圾熱值升高、熱灼減率降低、助燃空氣溫度升高、單爐垃圾處理量升高時，爐排機械負荷均會提高。圖5是爐排機械負荷與垃圾低位熱值(1 cal=4.186 8 J)和處理質(zhì)量流量的關(guān)系。

圖5 某爐排處理質(zhì)量流量與機械負荷關(guān)系

由圖5可知：處理質(zhì)量流量越大，爐排機械負荷設(shè)計值越大；垃圾設(shè)計低位熱值越高，爐排機械負荷設(shè)計值越大。因此，處理質(zhì)量流量較小、熱值較低的爐排后期具有較大超負荷能力。

垃圾焚燒余熱鍋爐存在以下特性：當熱負荷較低或輻射通道未積灰結(jié)焦時，進入過熱器的煙氣溫度較低，將蒸汽加熱到額定溫度所需過熱器傳熱面積較大；當熱負荷較高或輻射通道積灰結(jié)焦時，進入過熱器的煙氣溫度較高，將蒸汽加熱到額定溫度所需過熱器傳熱面積較小。由于入爐垃圾量變化、垃圾熱值逐年上升和垃圾熱值季節(jié)性變化等因素[7]，造成余熱鍋爐熱負荷在較大范圍波動。城市生活垃圾灰分含量高，燃燒后煙氣攜帶的飛灰熔點低，余熱鍋爐運行一段時間后，輻射通道存在不同程度的積灰或結(jié)焦，當運行不當或熱負荷波動大時，積灰結(jié)焦現(xiàn)象尤其嚴重，降低輻射通道吸熱量造成進入過熱器的煙氣溫度較運行初期上升了50～120 K。由于熱負荷波動大和積灰結(jié)焦現(xiàn)象的存在，目前按爐排額定負荷設(shè)計的余熱鍋爐存在主蒸汽易超溫、減溫水量大、高溫過熱器入口煙氣溫度高和安全連續(xù)運行時間短等問題。為使爐排適應(yīng)在可運行區(qū)間內(nèi)超負荷運行，同時解決余熱鍋爐超溫問題，建議余熱鍋爐額定負荷高于爐排額定輸出熱負荷。減溫水設(shè)計質(zhì)量流量大于15%額定蒸發(fā)量可滿足負荷變化時過熱器汽溫控制要求(見圖3)。因此，提高余熱鍋爐額定負荷主要是提高水冷系統(tǒng)熱負荷和省煤器熱負荷，建議的余熱鍋爐額定負荷(主要考慮水冷系統(tǒng)熱負荷)見表2。

表2 建議的余熱鍋爐額定負荷

4 結(jié)語

(1) 爐排和余熱鍋爐負荷變化影響因素和響應(yīng)特性不同，兩者的運行范圍存在差異。根據(jù)垃圾低位熱值和處理量，余熱鍋爐水冷系統(tǒng)和省煤器熱負荷可按爐排爐MCR工況下輸出熱負荷的105%～125%選取，過熱系統(tǒng)減溫水設(shè)計質(zhì)量流量大于15%額定蒸發(fā)量。

(2) 應(yīng)根據(jù)不同的主蒸汽參數(shù)選擇合理的余熱鍋爐經(jīng)濟運行負荷范圍。在低負荷范圍，主蒸汽參數(shù)允許低于額定值，滿足高于汽輪機允許最低進汽溫度即可。