循环流化床垃圾焚烧炉的设计与安装要点

文章编号:1004-8774(2008)06-15

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第一作者:方朝军,杭州锦江集团循环流化床锅炉首席专

家,在循环流化床锅炉设计、安装、调试和运行维护方面拥有二十余年经验。

循环流化床垃圾焚烧炉的设计与安装要点

收稿日期:2008-08-29

方朝军,宋灿辉,王武忠

(杭州锦江集团,杭州310005)

摘 要:结合大量的工程实践,介绍了循环流化床垃圾焚烧炉在设计和安装中应当注意的

问题,综合在运行中暴露的问题,从运行的稳定性、连续性、安全性、经济性等方面提出了合理建议。

关键词:循环流化床;垃圾焚烧;设计;安装中图分类号:TK229.6+6 文献标识号:B

Su mm ary of Designi ng and Buil di ng about Circulati ng

Fl ui dized BedM S W I nci neration Boiler

F AN

G Chao -jun ,SONG Can -hu,i WANG W u -z hong

(H angzhou Jinjiang G roup ,H angzhou 310005,Ch i n a)

A bstrac t

:Based on many pro j ec t practice experience ,m uch atta ti ons shou l d be pa i d to thedesign i ng and bu il d i ng o f CFB i nc i ne ra tion bo il er .A na lyzed and gaved som e adv i ces f o r CFB bo iler ope rati ng stab ility ,conti nuity ,secur ity ,econo m-ical aspect .

K ey word s :CFB;M S W inc i neration ;d esign ;buil d

0 概述

垃圾焚烧锅炉从炉型上主要分为层燃锅炉与循环流化床锅炉,其中前者以国外引进为主,后者可以完全由国内自主研发制造。循环流化床锅炉具有垃圾燃尽率高、灰渣含碳量低、负荷调节范围大、设备

成本低(初始投资仅为层燃炉的1/3左右)、符合中国垃圾低位热值低的国情等优点,但运行成本相对较高。杭州锦江集团目前为国内最大的循环流化床垃圾焚烧发电企业之一,自20世纪90年代中期与浙江大学热能工程研究所合作开发城市生活垃圾异重循环流化床焚烧技术以来,先后同中国科学院、日本荏原公司进行过合作与技术交流。并于1998年将余杭锦江环保能源有限公司1台35t/h 的链条炉排锅炉成功地改造成循环流化床垃圾焚烧炉,通过不断的积累经验,结合在余热发电系统、脱硫除尘系统、DCS 集中控制系统、垃圾预处理系统、给料系统及冷渣系统等各类配套设施方面的不断创新,使得锦江集团在垃圾焚烧发电技术方面处于国内领先地位。

1 循环流化床垃圾焚烧锅炉设计要点

迄今为止,杭州锦江集团先后在浙江杭州、嘉兴、余杭、山东荷泽、安徽芜湖、河南荥阳等地投资建设了20多台循环流化床垃圾焚烧锅炉,处理量和额定蒸发量分别从150~400t/d 、35~55t/h 不等,锅

炉分离器型式分别有下排气中温分离、上排气高温分离;过热器布置型式有内置式与外置式。通过大量的工程实践,杭州锦江集团在循环流化床锅炉的设计、制造、安装、运行、维护等方面拥有雄厚的实力和经验,以下将结合工程实践经验,总结循环流化床垃圾焚烧炉在设计方面应当注意的几个问题。1.1 垃圾落料口

垃圾落料口是垃圾进入炉膛的主要通道,其设计的合理性直接影响到锅炉热效率,主要分为矩形进料口和圆形进料口两种类型。进料段与炉膛水冷壁连接的斜管为两段拼接而成,并同悬吊的膜式水冷壁整体向下膨胀,该管段上一般设置有六波或八波的金属膨胀补偿器。以往由于进料口设计较大,漏风系数大,对炉膛中部温度及引风机负载存在很大影响,通过多次实验,将方形改进为1000mm @700mm,圆形外径为1000mm 或1200mm,且圆形

的垃圾落料口需内衬浇注层,并在直管与斜管处布置环形密封风。改进后漏风系数大大下降,并对布置前后墙的二次风腾出了很大的空间位置。

此外,垃圾落料口的设计还需考虑接口密封。由于垃圾燃烧时易喷正压,落料口接口一般选择在炉膛负压区域,如果该接口不密封,当垃圾爆燃时会产生较大的正压而使热烟气冲出,不但会增加热损失,还可能破坏给料设备;当炉膛处于负压状态时,会将大量的冷空气吸进炉膛,对炉膛中、上部温度产生很大影响,会导致燃烧温度降低、飞灰含碳量上升、过量空气系数增加、排烟热损失增加、锅炉热效率下降等一系列问题出现,所以需高度重视对垃圾落料口接口的密封设计。

1.2炉膛

垃圾焚烧炉炉膛的设计与常规循环流化床有一定区别,除了常规的受热面布置、燃料送入点、燃烧速度的控制等以外,还要考虑二恶英的/3T0技术要求,即焚烧温度高(850~950e)、停留时间长(燃烧气体在炉内的停留时间一般不低于3s)、湍流度好(在炉膛合适的位置开孔分级送风使气体与垃圾进行良好的混合形成湍流以便使其充分燃烧)。因此,这就需要从炉膛的高度、二次风口的切入点、高温循环灰的切入点、避免水冷壁磨损、水循环动力等方面综合考虑进行设计。对于中温中压垃圾焚烧炉,一般炉内流化风速设计应在5m/s左右,炉膛的高度应在20m左右。在二次风口以下的床层应采取较小的横截面积,并向上渐扩的结构。如果截面积保持与上部相同,则流化质量会下降,特别在低负荷时容易导致流化不良甚至不能流化等现象。对于炉膛的设计,浙大同中科院在设计中存在一定的区别,浙江大学设计是下部区域采用较小的截面,在二次风送入位置采用渐扩的锥形扩口,扩口的角度小于45b;中科院设计在炉膛布风板上就呈锥形扩口,有助于在布风板附近区域提高流化风速,以减少床内分层和大颗粒沉积的可能性,两种设计各有利弊。

通过运行观察得知,在炉内落料口上部区域燃烧的大部分为高热值垃圾,而大部分的低热值垃圾、无机组分负热值垃圾在炉膛的中下部燃烧,会对床层温度稳定有一定影响。为了维持床层温度的稳定,就必须增加掺烧煤量,增加运行成本。因此在设计时首先要考虑炉膛出口温度在各种工况下都在850e以上,确保返回的飞灰温度在850~950e范围内(垃圾炉的分离器一般应设计为绝热式分离筒体),这样就可以利用飞灰来加热床层而满足整个炉膛垃圾焚烧所要求的温度;其次是尽可能提高炉内内循环的份额,让高热值的垃圾释放出的热量通过内循环灰的传递来补充负热值垃圾吸收的热量,使整个炉膛的轴向温度趋于均匀。在循环流化床垃圾焚烧炉炉膛的设计中,如果充分考虑到以上问题,可借助垃圾自身发出的热量来建立稳定燃烧的温度场,提高垃圾与煤的比值,发挥循环流化床垃圾焚烧炉的优势。

1.3二次风口

二次风一般分两层或三层从一定的高度送入炉膛,提供完全燃烧所需的氧气。在设计中,二次风送入的位置与速度非常重要,因为送入位置决定了密相区的高度,密相区作为一个稳定的温度场与储能区,这一区域的大小也就决定了煤是否能完全裂解及变负荷下床温的稳定性。较低的密相区能降低能耗,根据工程经验,二次风送入高度一般距离布风板1.5~3m,笔者在工程实践中一般取2.3m。

另外送入的风速决定了射流的刚性与射程,试验表明,大型循环流化床二次风在冷态下的流速在70m/s左右时方可达到炉内完全混燃的效果,中压锅炉在50m/s左右即可满足运行要求,在设计中考虑到燃烧垃圾的特殊性和加强混燃及扰动效果要求,需要留有一定的余量。运行中具体风速需要根据炉膛高度、深度及穿透深度及在炉墙的布置型式而定。

1.4排渣口

垃圾入炉后带进床层的粗颗粒最终会影响床层的流化质量,所以调整流化质量是循环流化床垃圾焚烧炉的一个主要任务,而流化质量的调整主要是通过排渣来实现的。通过观察一次风风量、风室风压及料层压力的升降来判断床层的厚薄,然后再对排渣机的转速进行调节来控制床层,并维持床层粗细比例不至于失调。因此在设计中需考虑排渣口位置的确定和排渣口口径大小。

通过大量的工程实践发现,排渣口位置设计应尽量避开给煤口,否则在排放粗颗粒物料时原煤与底料很容易一起排走而增加运行成本。另外排渣口的中心线应对准垃圾落料口的中心线,以利于最大化地排除粗颗粒,尽可能减少细颗粒物料的排出,保证流化质量及避免过大的灰渣热损失,而且运行实践后发现,将排渣口布置在布风板的中前部比布置在后部和中部更有利于大颗粒物料的排除,因为在运行中发现垃圾焚烧后的大颗粒主要集中在布风板的中前部,往后推移的速度很慢,如果排渣口设置在

中部或后部,很难将大颗粒物料及时排出。

除了排渣口位置外,同时还需重视排渣口口径大小的设计,否则影响锅炉的安全、连续、经济运行。由于我国的城市生活垃圾成分极其复杂,运往焚烧厂的生活垃圾中常掺有较大份额的建筑、工业垃圾等难排除(如陶瓷、金属、混凝土、轮胎焚烧后残留铁丝等)的不可燃垃圾,排渣口口径大小的设计对锅炉的连续稳定运行有很大影响。杭州锦江集团在排渣口口径的设计上从早期的后墙方形排渣口改进为布风板中后部布置<159mm圆形排渣口,后来又设计在布风板中部左右侧各布置一个<219mm圆形排渣口,接着又改在布风板中前部布置<273mm 或<325mm的圆形排渣口,且采用圆形排渣管时,设计应注意设置一个浇铸件短管与下部的不锈钢管焊接而成,以防止口子变形造成堵塞。通过大量运行实践发现,采用矩形口径为300mm@500mm或300mm@600mm材质全段采用铸钢件的排渣管,既可有效防止排渣管变形,又可有效排出大颗粒物料。

1.5返沙口

高温的物料经过冷渣机分选后返回炉膛,可保证细颗粒比例在床内的份额,有利于床层流化。但返回床层的细颗粒经过冷却后一般温度都在200e 以下,直接补入床层则会吸收大量的热量,会影响床温,在连续补充床料时,需要较大的给煤量以维持床温,同时由于外界负荷与烟气流通量一定,投煤量增加势必导致垃圾焚烧量将会降低,因此会大大增加运行成本。所以在设计时应尽可能把返沙口设置在垃圾落料口的上方区域,这样便可以用垃圾焚烧释放的热量加热低温床料,待沙料被加热到床层所需温度后才进入下部床层,这样既可提高垃圾焚烧量又可减少煤用量,达到经济稳定运行。

1.6尾部对流受热面

尾部受热面主要为过热器、省煤器或对流管,在运行中存在诸多如过热器管束磨损、积灰严重影响主蒸汽温度、省煤器管束磨损、积灰、管内介质流速过低造成整组管束变形等问题,针对此类问题,在设计时应从以下几个方面予以考虑并有针对性地采取措施。

(1)如果没有特殊的防腐防磨手段,在热力设计中应选择合适的烟气和工质流动速度,既要考虑防止烟气侧磨损,又要考虑使工质能尽快带走通过管壁传来的热量。过热器进口烟温应取在750e以下,防止H C l、SO2等酸性气体对管壁的高温腐蚀以及焦硫酸盐和碱金属对管壁的熔盐腐蚀。

(2)生活垃圾燃烧过程中由灰渣形成低熔点的化合物极易使管壁积灰,所以需要留有一定的管排节距,并采用合适的脉冲激波吹灰器,且管排尽量采用顺列布置型式。

(3)选择合适的蒸汽参数,对流烟道烟气进口的第一排管子采用T)22型管材,防止启动时过热。

(4)由于垃圾焚烧放热波动较大且对受热面存在粘污,所以过热器受热面在设计中必须要有较大的富裕量,且必须校核,使在低负荷、高负荷和变负荷等多种工况下过热器参数满足要求。

2循环流化床垃圾焚烧炉安装要点

循环流化床的设计对锅炉的安全、稳定、经济运行起到了决定作用,但要达到锅炉的长期稳定运行,安装施工也是不能忽略的,尤其是对一些重要部件的安装,如果没有引起足够重视,不但会严重影响锅炉的使用寿命,甚至对锅炉的安全稳定运行造成非常大的影响。

2.1分离和返料系统

在锅炉的安装过程中首先要特别注意旋风分离器的中心筒与下部立管的中心线必须垂直而不能有所偏离,另外筒体内弧与出口烟气筒必须做到同心圆,否则不但会影响分离效率,而且出口烟气筒也会加速磨损。

返料装置是流化床锅炉连接炉膛与分离器的纽带,对于整个烟风系统来说是非常重要的部件,因此在安装中要特别注意立管与返料装置连接处的安装,需要说明的是安装工作必须在零米层施工完毕并经得到足够的养护后方可逐段起吊进行拼装,另返料器内的风帽施工程序应与水冷布风板上的风帽一样,应防止浇注料将风帽出口小孔堵塞。

2.2尾部烟道

垃圾焚烧过程中由于烟气中飞灰浓度较高、通流量大、粘性系数高等特点,在安装或筑炉施工时,应特别注意过热器、省煤器、对流管束等与四周墙体的间隙要求,严格按照图纸规范施工,否则会导致炉墙损坏、烟气走廊、烟气流速不均、管束磨损或积灰加剧、过热器受热不均而使烟速高的区域管壁温度超温爆管、对流受热面传热变差、排烟温度上升等诸多问题,严重影响锅炉热效率。

2.3水冷壁

水冷壁为拼装焊接而成,由于炉膛内高浓度的灰在一次流化风为主气流流化上升并在中部和二次风横向混合扰动后带至炉膛的稀相区进行燃烧,其

主要流场是环形状,到顶部后分别沿4个壁面下流,形成所谓的壁面粒子流,因此对水冷壁的耐磨性能有较高的要求,要将磨损降至最低限度,除了要在结构设计上有所要求外,在拼接水冷壁时应注意管排上下之间的中心线必须垂直对准,经焊接后的环形焊疤要用磨光机加以打磨光滑,否则会干扰流场,对水冷壁造成不必要的磨损。

2.4膨胀缝

在锅炉施工过程中,一些细节方面的工作如膨胀缝的施工应当给予充分重视,否则容易引发膨胀不均烧穿外护板、内漏或外漏、管束与集箱根部拉裂等现象。所以除了要严格按图纸规范施工外,还必须掌握好施工先后顺序及养护的时间要求,例如炉膛出口织物补偿器的/Z0字形结构、分离器立管、返料管、过热器、省煤器、对流管束等穿墙管的施工,不管是用石棉绳、涂刷沥青、包敷油毡等技术手段都必须严格按照设计规范及相关行业标准进行施工。3结束语

循环流化床在我国应用发展几十年来,经历了诸多坎坷,尤其是循环流化床垃圾焚烧炉,通过杭州锦江集团与浙江大学联合开发,在工程项目和运行中的不断总结、在设计上的不断改进完善,迄今已经取得了较大的成绩。同时也应当清醒地认识存在的不足,循环流化床锅炉作为固废资源化技术工艺设备,应当在充分发挥循环流化床焚烧垃圾的优势同时,通过技术完善,争取使得循环流化床垃圾焚烧炉可以在不使用外加燃料的情况下稳定燃烧低位热值垃圾,

加快我国环保技术事业的发展。

参考文献

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出版社,2000.

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北京:中国电力出版社,2003.