曲文龍

(威海環(huán)境再生能源有限公司，山東 威海 264200)

0 引 言

近幾年，國家對垃圾焚燒廠的節(jié)能、環(huán)保要求越來越高，節(jié)能減排、提高資源利用率成為未來行業(yè)發(fā)展趨勢。隨著城市加快建設(shè)，城市人口數(shù)量不斷增加及人民生活水平提高，城市生活垃圾量產(chǎn)量日益增多，而很多10年前、5年前建設(shè)的焚燒爐、余熱鍋爐等主設(shè)備均存在技術(shù)落后、設(shè)備老化、能耗高、垃圾處理能力不足等一系列問題。對前幾年建設(shè)的垃圾焚燒廠設(shè)備進(jìn)行優(yōu)化改造，提高產(chǎn)能、降低能耗，提高資源利用率迫在眉睫。

1 項(xiàng)目概況

威海環(huán)境再生能源有限公司焚燒爐采用日本荏原公司的機(jī)械爐排爐焚燒技術(shù)工藝，日焚燒城市生活垃圾700 t(2×350 t/日)，每年處理23×104t；余熱鍋爐采用無錫華光，蒸汽參數(shù)為2.5 MPa、400 ℃，蒸發(fā)量為29.3 t/h。目前威海市生活垃圾處理方式主要是焚燒和填埋。垃圾填埋不僅占用大量土地，而且容易造成大氣、水源以及土壤的二次污染。生活垃圾焚燒可以實(shí)現(xiàn)減量化、資源化、無害化，是一種行之有效的處理模式。威海環(huán)境再生能源有限公司2012年9月正式商業(yè)運(yùn)行，項(xiàng)目設(shè)計(jì)垃圾處理能力為700 t/日(入爐)。近年來隨著城市的加快建設(shè)，城鎮(zhèn)人口數(shù)量的不斷增加，城市生活垃圾量已達(dá)到1200 t/日，現(xiàn)有生活垃圾焚燒爐的處理量已不能滿足城市垃圾的產(chǎn)生量，垃圾處理能力不足，垃圾過剩問題日益突出。同時(shí)，隨著市民生活水平的提高，生活垃圾的熱值也隨之升高，鍋爐處理同量垃圾的情況下，熱負(fù)荷明顯增加，從而導(dǎo)致余熱鍋爐的受熱面易積灰板結(jié)和高溫腐蝕，為解決垃圾處理量增加和垃圾熱值升高帶來的一系列問題，故對焚燒鍋爐進(jìn)行擴(kuò)容優(yōu)化改造[1]。

威海環(huán)境再生能源有限公司鍋爐擴(kuò)容優(yōu)化改造計(jì)劃根據(jù)機(jī)組運(yùn)行狀況，結(jié)合年度計(jì)劃性檢修分為兩個(gè)階段實(shí)施：第一階段主要是針對焚燒爐和余熱鍋爐進(jìn)行技術(shù)改造；第二階段則主要是對汽輪發(fā)電相關(guān)系統(tǒng)進(jìn)行擴(kuò)能改造。

2 第一階段擴(kuò)能改造

2.1 焚燒爐內(nèi)結(jié)構(gòu)優(yōu)化擴(kuò)能改造

通常，垃圾焚燒爐從爐膛結(jié)構(gòu)上分為前拱、后拱和側(cè)墻。威海環(huán)境再生能源有限公司由于建廠時(shí)間較早，當(dāng)時(shí)無充分的成熟行業(yè)案例參考，垃圾熱值的計(jì)算設(shè)計(jì)時(shí)考慮較低，因此焚燒爐內(nèi)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)全部采用了絕熱耐火爐墻結(jié)構(gòu)。從往年鍋爐實(shí)際運(yùn)行、檢修的狀況來分析，焚燒爐內(nèi)主燃燒區(qū)主要集中在燃燒一段和燃燒二段區(qū)域內(nèi)，燃燒一段和燃燒二段對應(yīng)的焚燒爐側(cè)墻及后拱運(yùn)行中結(jié)焦嚴(yán)重，直接影響到鍋爐穩(wěn)定的運(yùn)行，嚴(yán)重時(shí)甚至需要緊急停爐處理。從長遠(yuǎn)角度考慮，為日后能夠增加垃圾焚燒量，更好的控制爐溫，減少爐膛內(nèi)結(jié)焦，設(shè)計(jì)將側(cè)墻和后拱的耐火材料拆除，敷設(shè)膜式水冷壁，在水冷壁內(nèi)側(cè)敷設(shè)110 mm厚的耐火澆注料保護(hù)層。從而達(dá)到增加鍋爐受熱面積，降低爐膛內(nèi)的溫度，提高熱效率的目的[2-3]。焚燒爐擴(kuò)容改造方案圖如圖1所示。

圖1 焚燒爐擴(kuò)容改造方案圖

2.2 余熱鍋爐二煙道擴(kuò)容改造

威海環(huán)境再生能源有限公司鍋爐高溫過熱器入口煙溫長期高于650 ℃，導(dǎo)致過熱器嚴(yán)重積灰板結(jié)，并產(chǎn)生高溫腐蝕甚至爆管而停爐。為更好控制高溫過熱器入口前的煙氣溫度，緩解高溫過熱器的積灰板結(jié)和高溫腐蝕，改造設(shè)計(jì)在鍋爐第二煙道增加水冷屏蒸發(fā)受熱面，固定在二通道水冷壁隔墻和后墻之間。改造后可以使高溫過熱器入口煙溫控制在600 ℃以下。增加的換熱管屏面積約為180 m2。水冷屏蒸發(fā)受熱面采用膜式水冷壁形式，水冷屏的中部開孔，方便清灰及檢修。鍋爐二煙道增加換熱面方案如圖2所示。

圖2 鍋爐二煙道增加換熱面方案圖

通過有效增加鍋爐換熱面積，焚燒爐的機(jī)械負(fù)荷可以增加20～30 t/日，鍋爐蒸發(fā)量最高可提升至36～37 t/h，并且具備110%超負(fù)荷能力。同時(shí)還能降低鍋爐煙氣溫度，將高溫過熱器入口煙溫降至600 ℃以下，從而減少高溫腐蝕和積灰板結(jié)[4]。

鍋爐受熱面改造擴(kuò)容后，原一次風(fēng)機(jī)、二次風(fēng)機(jī)、引風(fēng)機(jī)的出力已經(jīng)不能滿足生產(chǎn)的需求，需要更新配套升級。新一次風(fēng)機(jī)的風(fēng)量由42 600 m3/h增加到67 920 m3/h，二次風(fēng)機(jī)的風(fēng)量由12 120 m3/h增加到16 600 m3/h，引風(fēng)機(jī)的風(fēng)量由76 000 m3/h增加到100 000 m3/h。

3 第二階段擴(kuò)能技術(shù)改造

威海環(huán)境再生能源有限公司焚燒爐和余熱鍋爐第一階段改造后，焚燒爐的垃圾處理量和鍋爐蒸發(fā)量均有顯著提升，但通過此次改造也發(fā)現(xiàn)，汽輪機(jī)組相關(guān)設(shè)備系統(tǒng)，如汽輪機(jī)本體、凝汽器、冷卻塔、循環(huán)水泵、凝結(jié)水泵、冷油器等設(shè)備均存在出力不足的情況。因此，為最大化提升機(jī)組的效率，增加經(jīng)濟(jì)效益，威海環(huán)境再生能源有限公司鍋爐進(jìn)行了第二階段線擴(kuò)能技術(shù)改造[5]。

3.1 汽輪機(jī)本體改造

改造前汽輪機(jī)最大功率為12 MW，最大進(jìn)汽量為59.7 t/h 。焚燒鍋爐擴(kuò)容改造后單臺(tái)鍋爐額定蒸發(fā)量能夠達(dá)到38.0 t/h,2臺(tái)鍋爐總的蒸發(fā)量為76 t/h。根據(jù)生產(chǎn)報(bào)表統(tǒng)計(jì)，鍋爐擴(kuò)容改造后2臺(tái)空氣預(yù)熱器的蒸汽消耗量最小值9.0 t/h，最大值為13 t/h。鍋爐蒸發(fā)量減去自用空氣預(yù)熱器蒸汽最大用量，仍剩余63 t/h，已經(jīng)超過汽輪機(jī)的最大進(jìn)汽量，因此汽輪機(jī)也需要進(jìn)行擴(kuò)容改造。

為達(dá)到機(jī)組長期安全穩(wěn)定運(yùn)行，經(jīng)過重新核算設(shè)計(jì)，通過降低軸向推力，將汽輪機(jī)第三級前汽封體、汽封環(huán)及汽封套筒進(jìn)行升級改造，并對汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子重新做動(dòng)平衡，完成汽輪機(jī)本體擴(kuò)容。改造后汽輪機(jī)允許最大進(jìn)汽量可以達(dá)到70 t/h，純凝工況下發(fā)電量最大為14 MW。發(fā)電機(jī)最大功率為15 MW，可以滿足汽輪機(jī)滿負(fù)荷要求，無需改造[6-7]。

3.2 凝汽器擴(kuò)能改造

汽輪機(jī)本體擴(kuò)容改造后，進(jìn)汽量增加，經(jīng)過熱力計(jì)算，現(xiàn)有凝汽器換熱面積已不能滿足換熱要求，難以保證真空度。結(jié)合現(xiàn)場設(shè)備實(shí)際情況，通過技術(shù)和經(jīng)濟(jì)性的比較后，在不改變設(shè)備原有外形尺寸的情況下，更換管板、隔板、空冷區(qū)擋板及換熱管，對凝汽器筒體和換熱管加長1 500 mm，且換熱管數(shù)量增加至4 380根，換熱面積由1 000 m2增加至1 600 m2。凝汽器擴(kuò)能改造方案如圖3所示, 改造后凝汽器性能參數(shù)見表1。

圖3 凝汽器擴(kuò)能改造方案設(shè)計(jì)

表1 改造后凝汽器性能參數(shù)

3.3 凝結(jié)水泵擴(kuò)容

擴(kuò)能改造后鍋爐蒸發(fā)量提高，導(dǎo)致汽輪機(jī)凝結(jié)水流量增至70 m3/h，而原來凝結(jié)水泵流量為50 m3/h,從系統(tǒng)冗余的角度考慮更換為流量80 m3/h，揚(yáng)程85 m、功率45 kW的凝結(jié)水泵。

3.4 冷油器更換

由于機(jī)組發(fā)電負(fù)荷增加，為更好控制汽輪機(jī)油溫，達(dá)到冷卻效果，改造在原冷油器設(shè)備基礎(chǔ)上新更換2臺(tái)冷油器，換熱面積由40 m2增加到60 m2。同時(shí)，由于汽輪機(jī)潤滑油流量在改造后需要增大，所以潤滑油進(jìn)出口管徑也需要經(jīng)過計(jì)算，適當(dāng)增大。

3.5 循環(huán)水泵擴(kuò)容

凝汽器換熱面積增加后，循環(huán)水量也需要增加，原循環(huán)冷卻水系統(tǒng)設(shè)計(jì)冷卻水量為3 200 m3/h(單臺(tái)1 600 m3/h，2用1備)。鍋爐擴(kuò)能改造后蒸發(fā)量達(dá)到38 t/h，提高了近27%，經(jīng)計(jì)算循環(huán)冷卻水冷卻倍率低于50，在氣溫較高尤其是在夏季時(shí)，會(huì)因循環(huán)水量不足而引起真空度低偏，直接影響到機(jī)組運(yùn)行的安全性和熱經(jīng)濟(jì)性。因此需要對單臺(tái)循環(huán)水泵的出力進(jìn)行擴(kuò)能改造。

更換1臺(tái)變頻循環(huán)水泵，流量由1 600 m3/h增加到3 000 m3/h，揚(yáng)程30 m,功率為355 kW。調(diào)整運(yùn)行方式為夏季氣溫高、冷卻水用量大時(shí)運(yùn)行一臺(tái)3 000 m3/h和一臺(tái)1 600 m3/h的循環(huán)水泵，另一臺(tái)1 600 m3/h循環(huán)水泵備用。

3.6 循環(huán)冷卻塔擴(kuò)容

機(jī)組負(fù)荷增加，循環(huán)冷卻水量同步增加，為能夠有效保證水溫，冷卻塔冷卻能力也需要增加。改造新增2臺(tái)500 t/h冷卻能力的機(jī)力通風(fēng)塔，水池采用鋼板焊制，占地面積6 600 mm×13 000 mm，新增的冷卻塔進(jìn)水管路接入原循環(huán)水池進(jìn)水管，安裝閥門，用來調(diào)節(jié)進(jìn)水量。夏季高溫時(shí)可保證水溫控制在32 ℃以內(nèi)，進(jìn)出口溫差大于8 ℃。

3.7 鍋爐過熱器和蒸發(fā)器的技術(shù)改造

由于威海環(huán)境再生能源有限公司余熱鍋爐結(jié)構(gòu)形式為立式鍋爐，過熱器和蒸發(fā)器最初設(shè)計(jì)時(shí)又存在一定問題，鍋爐對流段極易積灰結(jié)焦。此次改造針對三、四煙道受熱面重新設(shè)計(jì)進(jìn)行了優(yōu)化技術(shù)改造。改造主要有：為減緩三通道一級蒸發(fā)器積灰板結(jié)，重新布置一級蒸發(fā)器，蛇形管由Φ38擴(kuò)大為Φ42，橫向間距由140 mm增加到280 mm，進(jìn)出口集箱位置不變，換熱面積增加42 m2。為保證鍋爐安全穩(wěn)定運(yùn)行，降低過熱器蒸汽流速，擴(kuò)大過熱器汽側(cè)流通面積，更換三段過熱器，將過熱器管束由Φ38擴(kuò)大為Φ42，縱向節(jié)距由100 mm改為84 mm，橫向不變，換熱面積增加156 m2； 為了避免省煤器沸騰，在省煤器前段增加二級蒸發(fā)器；換熱面積增加315 m2。

4 改造后運(yùn)行分析

改造后，原焚燒爐燃燒室設(shè)計(jì)無受熱面，現(xiàn)增加換熱面積100 m2(見表2)，提高鍋爐熱效率的同時(shí)減少了爐膛內(nèi)結(jié)焦；四煙道內(nèi)新增設(shè)一組換熱面積為410 m2的二級蒸發(fā)器，進(jìn)一步完成熱量交換，排煙溫度由220 ℃降到185 ℃；鍋爐改造后總的換熱面積由2 969 m2增加到3 659 m2。分別采集2017改造前數(shù)據(jù)(見表3)、2018第一階段改造后(見表4)、2019第二階段改造后(見表5)，對這三年中5-7月的運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行同期比較分析。

表2 鍋爐擴(kuò)容改造前后換熱面積比較

表3 鍋爐擴(kuò)容改造前數(shù)據(jù)

表4 鍋爐擴(kuò)容改造第一階段實(shí)施后數(shù)據(jù)

表5 鍋爐性能優(yōu)化第二階段實(shí)施后數(shù)據(jù)

對鍋爐擴(kuò)容優(yōu)化前后收益進(jìn)行比較分析，由表6數(shù)據(jù)可見，通過此次擴(kuò)容優(yōu)化改造，無論是焚燒量還是發(fā)電量，經(jīng)過擴(kuò)容改造性能優(yōu)化后均明顯提高，給企業(yè)帶來良好經(jīng)濟(jì)效益，最重要緩解了威海市城市生活垃圾處理的壓力，對保護(hù)環(huán)境、促進(jìn)當(dāng)?shù)睾椭C發(fā)展，產(chǎn)生良好的社會(huì)效益。

表6 鍋爐擴(kuò)容優(yōu)化前后收益比較

5 結(jié) 語

從此次擴(kuò)容改造結(jié)果可知，改造基本達(dá)到預(yù)期目的，焚燒量和發(fā)電量均有大幅提高，也緩解了城鎮(zhèn)生活垃圾增加帶來的壓力，及處理能力不足的現(xiàn)狀；同時(shí)有效降低了鍋爐入口煙溫、高溫過熱器入口煙溫及鍋爐排煙溫度，整體提高了鍋爐熱效率，減輕鍋爐結(jié)焦和高溫腐蝕，機(jī)組運(yùn)行更加安全穩(wěn)定?？傊?，該項(xiàng)技術(shù)改造帶來的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益是顯著的，值得推廣，特別適用于早期建設(shè)的小容量垃圾焚燒爐。