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技术 | 400t/d循环流化床垃圾焚烧锅炉改造的设计和运行

发布时间:2019-12-11  点击:9

《中华人民共和国国民经济和社会发展第十三个五年规划纲要》提出,以提高环境质量为核心,以解决生态环境领域突出问题为重点,加大生态环境保护力度,提高资源利用效率。随着我国经济的快速发展、城市化和人民生活水平的不断提高,城市生活垃圾产量与日俱增,由此而带来的环境污染问题日益严重,垃圾无害化处理 处置已成为生态环境领域的突出问题。很多城 市面临“垃圾围城”的困境,城市垃圾增长速度超 过GDP增速。

(来源:微信公众号“循环流化床发电”  ID:xhlhcfd  作者:吕国钧)

垃圾焚烧处理不但可以实现其能源化资源化利用,又能对燃烧产生的有害气体成分通过烟气净化处理系统进行集中处置,减少对环境的污染。截至2016年底,全国投入运行的生活垃圾焚烧电厂有250座,总处理能力为23.8万吨/日,其中采用炉排技术的有168座,合计处理能力达到16.5万吨/日,约占垃圾焚烧电厂总数的 68%;其余主要采用流化床技术,总计有82座,合计处理能力为7.3万吨/日,约占垃圾焚烧电厂总数的32%。

《“十三五”全国城镇生活垃圾无害化处理设施建设规划》(发改环资〔2016〕2851号)提出,截止2020年底,设市城市生活垃圾焚烧处理能力要占无害化处理总能力的50%以上,其中东部地区要达到60%以上。另外,随着“一带一路”建 设和“中国制造2025”等国家战略的实施,垃圾焚烧产业将伴随着巨大的海外需求市场,未来我国的垃圾焚烧产业将迎来巨大的发展空间。

《生活垃圾焚烧污染控制标准》(GB 18485―2014)已于2016年1月1日起全面实 施,与原 GB18485―2001标准相比,新标准的污染物排放限值严格很多,同时要求每台焚烧炉必须单独设置烟气在线监测装置,对一氧化碳、颗粒物、二氧化硫、氮氧化物和氯化氢等进行连续监测。清洁高效焚烧已是垃圾焚烧行业的必然发展趋势。

国内外研究人员对流化床垃圾焚烧的燃烧 特性和CO排放特性进行了广泛而深入的研究。DUANF等通过实验得出,炉膛温度是影响 CO排放浓度最重要的因素。罗春鹏等用模 拟垃圾开展试验提出焚烧炉实际运行时炉膛温 度在800 ℃~1000 ℃,过量空气系数在1.5~2为宜。江爱朋实验得出当过量空气系数小于1.5 时,CO 的 排 放 浓 度 很 高;ESTELLEDESROCHES -DUCARNE等实 验 研 究 表 明 CO对二次风比例的敏感性比对燃料中垃圾的 比例和过量空气系数都明显。闫涛通过实验 研究表明合理分配一、二次风比例可以降低 CO 的排放值。李蕾等指出 RDF焚烧后的 CO 和二恶英等污染物排放浓度均低于原生垃圾直 接焚烧的排放值。COUTURITER 等在22 MWe循环流化床锅炉上研究发现采用双进料 口比单进料口在给料和炉内温度分布的均匀性都更好。Zhang Y等研究表明,CO浓度随着炉膛高度的增加而减少。

国内外学者已进行大量的研究,影响流化床 垃圾焚烧和 CO 排放的主要影响因素为炉膛温度、过量空气系数、一、二次风比例、燃料特性、炉膛高度等。本文以总结现有文献资料为基础,结合流化床垃圾焚烧锅炉设计与运行经验,提出400t/d循环流化床垃圾焚烧锅炉改造的设计方案。

1

400t/d垃圾焚烧锅炉基本情况介绍

本文改造对象为某垃圾焚烧电厂400t/d循环流化床垃圾焚烧锅炉。该型号锅炉主要投产 时间为2005年左右,为单锅筒,自然循环,垃圾和煤混烧高温分离流化床锅炉,设计垃圾焚烧量400t/d,掺煤重量为20%,额定蒸发量50t/h。通过初期改造后适当提升了垃圾处理量到500t/d, 将掺煤量减少为10%,额定蒸发量45t/h左右, 锅炉简图见图1,初次改造后锅炉基本参数见表1。

近年来随着垃圾组分与热值的不断变化,包括该垃圾焚烧锅炉在内的一部分循环流化床 垃圾焚烧锅炉由于垃圾处理量增加,燃煤量减少,又没有及时进行设备改造与运行方式的调整,导致锅炉运行中出现炉膛冒正压、燃烧不充分和CO排放不达标等问题,严重影响整厂环保效益和经济效益。因此,为满足新的环保要求,同时兼顾经济效益,需要对该锅炉提出系统燃烧优化改造。

2改造原则

( 1)垃圾分选提质:通过分选提质后的成品垃圾粒径小于80mm,去除玻璃、铁等不可燃组分,提升热值。

( 2)焚烧锅炉改造优化:以温度、扰动和停留时间的“3T”要素为原则,调整炉膛受热面,确保稀相区炉膛温度高于850 ℃的停留时间≥ 2s;合理布置二次风,增强炉内混合扰动;采用 2个垃圾给料口来提升垃圾给料的均匀性。

3具体改造方案

3.1垃圾分选提质

目前,生活垃圾流化床焚烧发电技术还存在发电效率不高,污染物排放控制压力大的不足,涉及的因素较多,除了焚烧锅炉本身需要优化提升外,垃圾燃料本身也存在很大的影响,如垃圾组分复杂、成分不稳定、灰分大、热值低等。因此,生活垃圾预处理系统的优化提质是非常重要的部分。

目前该厂通过引进2条芬兰 BMH 公司50t/h霸王龙垃圾分选线可以大大提升垃圾品质,具体工艺路线见图2。

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通过 BMH 系统对原生垃圾进行分选提质后,可以有效去除玻璃、铁器等不可燃组分,垃圾粒径小于80mm,粒度分布均匀,热值为6700kJ/kg左右,但是含水率仍然较高达到50%以上。分选提质效果见图3,成品垃圾的工业元素热值分析见表2。

3.2锅炉改造

3.2.1锅炉概况

通常流化床垃圾焚烧锅炉的单位截面处理 量取400~600kg/(m2・h),在不改变炉膛结构前提下,结合截面垃圾处理量和热力计算校 核,以现有分选提质后的垃圾热值计算,要保证焚烧锅炉充分燃烧,改造后的该焚烧炉处理量将 在370~400t/d左右。由于该地区垃圾处理量大,400t/d的垃圾处理量已无法满足处理需求,因此对包括炉膛在内的所有锅炉结构尺寸扩大并全部换新,将炉膛断面扩展到5.33m×7.53 m,垃圾处理量提升到600t/d。

改造后的锅炉仍为单锅筒,自然循环,中温中压,高温分离流化床垃圾焚烧锅炉。第一通道的炉膛作为炉室I,起循环燃烧作用;高温分离器 后的第二通道为炉室II作为燃尽室,起燃尽作用(下部布置有对流管束);新增加通道三,作为炉室Ⅲ布置有过热器;最后新增第四通道布置省煤器。空气预热器由原来的布置烟道尾部,改为采用外置式蒸汽空气预热器。改造设计燃料采用分选提质后的成品垃圾,改造后的锅炉参数见表 3,结构布置见图4。


3.2.2 具体改造内容

( 1)给料装置

目前垃圾炉给料口为一个,布置在前墙位置,给料系统为垃圾斗→上级绞龙→下级绞龙,通过分别调节两级绞龙的速度来控制给料量。由于垃圾给料系统和给料口都只有1个,如果垃圾发生堵塞或者不均匀输送,容易造成垃圾入炉不均匀,出现垃圾入炉断断续续或者成团入炉,使得炉内燃烧不稳定,出现炉膛冒正压等问题。

给料口由原来的1个改为选用2个给料口,配套2条给料线,给料系统仍然采用垃圾斗→上 级绞龙→下级绞龙,每条给料线为两级单轴螺旋给料,采用两级给料输送可以提升给料的均匀性,达到稳定燃烧的目的,同时也可以避免炉内出现冒正压现象。

( 2)燃烧装置

目前布风装置的排渣口与给料口对应为1个,由于垃圾给料口改为2个后,如果排渣口仍然为1 个容易造成入料口块状不可燃物体难以顺利排出炉外,因此对应的排渣口也应改为2个,对应排渣口附近的风帽也相应地改为定向风帽。

( 3)增加补渣系统

增加连续补渣系统可使回到炉内的细料有效降低床层的临界流化风速,减少玻璃铁屑等的渣块比率,冲击玻璃熔融团,从而减少压火次数,延长运行周期,降低一次风量,提升锅炉的整体效率。

( 4)二次风装置

二次风可以对入炉垃圾产生较大的扰动作用,合理的二次配风可以增强垃圾与氧气之间的氧化反应,使得燃烧更加完全。原锅炉左右侧墙共布置三层二次风,每层对称布置2个二次风口。最下层二次风口位于垃圾给料口下方1.7m 位置,第二层二次风口位于垃圾入料口水平处,最上层二次风口位于给料口向上1.5m处。

改造后除了原有二次风口外,在最上层二次风口向上1m 位置左右侧墙分别均匀布置3个二次风口,2m 位置左右侧墙分别均匀布置4个二次风口,以增强二次风对炉内燃烧的混合和扰动。

( 5)炉膛部分

将炉膛断面扩展到5.33m×7.53m,通过热力计算对炉膛内部受热面进行校核计算,以确定合适的炉内受热面积从而保证炉膛温度高于850 ℃,达到炉内垃圾充分燃烧的目的。炉膛内温度越高,炉内传热、传质和氧化反应就越 剧烈,燃烧也就越充分。

( 6)分离器

分离器全部换新,仍然采用高温上出气旋风分离器作为高温循环物料的气固分离装置。分离器具有99%以上的分离效率,将烟气中的颗粒分离下来保证烟气排放的粉尘浓度达标,同时实现高温物料的循环,延长燃料颗粒在高温条件下的炉内停留时间,提高锅炉的燃烧效率;同时可以使炉膛上部空间具有较高的物料浓度,使炉膛整体温度均匀。

( 7)增加燃尽室

拆除分离器后第一跨烟道所有受热面,将该烟道改为燃尽室,布置水冷包墙,并在外全部敷设浇筑料,在燃尽室最下侧烟道布置对流管束,以弥补炉膛内部受热面积减少造成蒸发受热面减少的不足。

分离器后布置燃尽室既可以延长烟气停留时间,使得炉膛内未燃尽气体继续燃烧,同时还可以对炉膛内由于给料不均等引起的瞬时烟气波动起到缓冲作用。燃尽室的效果已在多台投入使用的循环流化床垃圾焚烧锅炉中得到验证。

( 8)过热器系统

饱和蒸汽从锅筒经连接管引至低温过热器, 经一级减温器进入中温过热器,再经二级减温器进入高温过热器,最后进入到主汽集箱。

过热器为纯对流型,双管圈顺列布置,位于分离器后第Ⅲ水冷烟道中。沿烟气流动方向依次为高温、中温和低温过热器,中、高温过热器均为顺流布置,低温过热器为逆流布置,两级过热器之间设有减温器以调节汽温。所有过热器重新布置,横向节距为200mm,目的是为了减少过热器积灰。

( 9)省煤器

新增第四烟道以布置省煤器,烟道宽度×深度尺寸为7.53m×3.2m,省煤器分7组光管,均为顺列逆流布置,横向节距为110mm,增加管间距的目的是为了减少受热面积灰,延长运行时间。

( 10)空气预热器

尾部烟道不再布置空气预热器,改造后采用外置式蒸汽空气预热器,一次风风温由20 ℃加 热至150 ℃(采用汽轮机抽汽),二次风风温由 20℃加热至220℃(采用汽轮机抽汽与汽包抽汽相结合)。外置式蒸汽空气预热器可以增加一、二次风温的调节性,减少尾部受热面积灰,解决炉内空气预热器运行中容易漏风而增大烟气量导致引风机负荷变大问题。

3.3锅炉热力计算校核

改造后的锅炉热力计算汇总见表4。

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4改造效果验证

焚烧锅炉改造完成并调试运行稳定后,分别从主要运行参数、炉膛温度、烟气停留时间、炉膛冒正压状况、CO排放数据和燃烧效率等方面分析燃烧优化改造效果,并对排放烟气中所有污染物指标进行检测。现场运行数据及垃圾处理量、蒸发量数据来自运行报表,炉膛温度等运行数据来自现场运行记录,24h烟气排放数据来自与环保部门联网的烟气在线监测系统。

4.1主要技术性能指标

(1)设计与运行参数对比

垃圾处理、蒸发量、炉膛温度和炉膛出口过量空气系数等关键参数的24h运行数据和设计参数对比见表5。

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焚烧锅炉改造后实际运行数据满足设计参数要求,垃圾处理量达到631t/d,蒸发量达到53t/h,分别高出设计值5%和6%。炉膛中部和炉膛出口温度24h均值都高于850℃,满足设计 改造要求。炉膛出口过量空气系数均值为1.47, 满足燃烧需要的空气量。

( 2)炉膛温度和烟气停留时间

维持流化床炉膛内850℃~950℃的稳定燃 烧温度不仅能有助于垃圾的完全燃烧,更是生活垃圾焚烧时分解有机气体、降低二恶英生成的重要保障。

根据《生活垃圾焚烧污染控制标准》(GB 18485―2014)中对炉膛温度的要求,分别选择在流化床密相区出口、炉膛中部断面(上层二次风口断面)和炉膛出口温度断面监测温度分布,每隔1h 进行记录,做出24h温度分布曲线,见图5。

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由图5可以看出炉膛中部和出口温度都高于850 ℃,炉膛中部平均温度为867 ℃,炉膛出口平均温度达到896 ℃,烟气在炉膛中部和炉膛出口的烟气停留时间达到5s左右,优于生活垃 圾焚烧炉主要技术性能指标中悬浮段内保证850 ℃炉膛温度下烟气停留时间大于2s的要求。炉膛温度分布中炉膛出口温度最高,因为垃 圾中挥发分含量较高,垃圾入炉后挥发分在垃圾 给料口附近燃烧放出大量的热量,为垃圾中焦炭 的燃烧提供温度条件,烟气在炉膛内有足够的停留时间,大量的CO气体和未燃尽碳在炉膛出口继续燃烧放出热量,使得烟气升温。

( 3)主要性能指标对比

《生活垃圾焚烧污染控制标准》(GB 18485― 2014)中对生活垃圾焚烧炉的炉膛内焚烧温度、 炉膛内烟气停留时间、焚烧炉渣热灼减率和排放烟气中一氧化碳等主要技术指标都有严格要求, 改造后各项技术指标对比见表6。

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改造后焚烧锅炉实际运行的各项指标均达 到GB 18485―2014中的技术要求。综合炉膛温度、烟气停留时间及CO排放数据等各项技术指标,说明改造优化后的流化床垃圾焚烧锅炉燃烧状况好。

CO日排放均值和炉渣热灼减率分别为 23.24mg/m3和0.35%,均达到《生活垃圾焚烧污染控制标准》(GB 18485―2014)中的限值要求。

4.2炉膛冒正压状况

流化床焚烧中悬浮段内应处于负压状态,正常状况炉内负压水平宜为-200~-500Pa。一般炉内垃圾处理量过大,或者给料不均匀都会引起炉膛出口压力波动大,经常出现冒正压状况,造成炉内烟气外溢。改造后炉膛出口负压曲线见图6。

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改造后炉膛出口负压基本维持在-800~ -200Pa之间,炉膛内悬浮段没有出现冒正压现象。这得益于垃圾分选提质,采用双给料口和尾部受热面的重新布置。垃圾的分选提质,去除了大块状的不可燃组分,将垃圾粒径破碎到80mm 以下,提升了垃圾的均匀性;采用2个给料口的设计增强了给料的均匀性;增大尾部受热面节距 和采用外置蒸汽空气预热器的设计大大减少了尾部受热面阻力,降低了引风机负荷,有助于维持炉内负压。

4.3CO和燃烧效率

燃烧效率指烟道排出气体中CO2质量浓度 与CO2、CO质量浓度之和的百分比:

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根据现场采用德国MRU烟气分析仪进行每1min1组连续检测1h,CO排放均值和燃烧效率分布见图7。

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从图7可以看出CO排放值基本为0左右,燃烧效率达到99%以上。但是1h中仍然会有 短时间内CO的排放值达到400mg/m3左右,这 与垃圾本身特性有关。尽管垃圾进行了分选提 质,但是也不能保证垃圾本身以及给料的绝对均 匀,给料过程中垃圾入炉时不可避免会出现垃圾 挤压成团入炉,导致瞬时燃烧不够充分,但是在 1~2min内 CO 排放数据恢复到40 mg/m3以 内,这得益于较高的炉膛温度提升了CO燃烧速 率,使得未燃烧完全的CO瞬时燃尽。

1h 连续检测数据 CO 小时排放均值为 19.35mg/m3,燃烧效率 CE 达到99.98%。说明 改造后燃烧充分,烟气中基本不存在可燃成分。

4.4烟气中污染物排放检测

改造后的循环流化床垃圾焚烧锅炉的污染 物监测数据见表7。排放限值为2016年1月1 日起全面实施的《生活垃圾焚烧污染控制标准》 ( GB 18485―2014)。

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由表7可以看出燃烧优化改造后的循环流化床垃圾焚烧锅炉排放烟气中各项污染物指标均低于 《生活垃圾焚烧污染控制标准》(GB 18485―2014)限值。

5结语

(1)改造后的循环流化床垃圾焚烧锅炉垃圾 处理量、蒸发量达到设计改造要求。(2)改造后炉膛内焚烧温度达到870 ℃以 上,烟气停留时间大于5s,CO的24h排放均值 和炉渣热灼减率分别为23.24mg/m3和0.35%,

燃烧效率达到99%以上,解决了炉内燃烧不充 分、CO排放不达标、炉膛冒正压问题。

(3)排放烟气中污染物指标均低于《生活垃 圾焚烧污染控制标准》(GB 18485―2014)中的 限值。

文献信息

吕国钧,蒋旭光,蔡永祥,陈俊,袁克.400 t/d循环流化床垃圾焚烧锅炉改造的设计和运行[J].锅炉技术,2019,50(02):27-34.



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