北海和龙岗垃圾电站锅炉的设计与运行特点.docx

北海和龙岗垃圾电站锅炉的设计与运行特点黄杨庭(广州劲马动力设备企业集团公司, 广州510250)摘 要: 介绍广西北海的日焚 150 吨垃圾发电厂和广东深圳龙岗日焚 300 吨垃圾发电厂主要设备设计与制造的体会, 浅谈其焚烧设备与余热锅炉的设计特点, 根据这些特点提出在运行操作时应注意的问题, 以达到可靠、高效、经济、低污染的要 求。希望今后结合我国垃圾的实际情况加强开发研究力度, 开发新一代的垃圾焚烧及热回收与发电设备。关键词: 垃圾焚烧; 余热锅炉; 设计; 低污染运行中图分类号: T K 229. 91文献标识码: ACharac ter ist ic s of D e s ign an d O pera t ion of Be iha i an d L on ggan gRef use- In c in era t in g Bo iler s f or Power P lan tHU A N G Y an g2t in g(Gu an gzho u J inm a Pow e r E qu ipm en t G ro up Co. Gu an gzho u 510250, C h in a)1 前言随着社会经济的发展, 城镇规模日益扩大, 人们消费水 平的提高, 带来城镇工业和生活垃圾不断增多, 垃圾对环境 的污染成为社会的普遍问题。全世界每年的垃圾量达 100 亿 吨, 我国已积压下来的垃圾就有 700 多亿吨, 近年来以年增 垃圾 1 亿多吨的速度在增长, 加强对城镇垃圾的处理工作已 引起各方面的关注。垃圾的处理可反映一个国家的科技水平 和民族的文化素质, 随着现代处理垃圾学的发展, 先进的国 家实行科学的处理与利用, 并运用法律和高科技的手段进行 综合治理, 向垃圾废料要资源、要效益, 化废为利, 造福大众。 近年来我国也重视开发垃圾综合利用技术, 逐步实现垃圾处 理无害化、减容化和资源化的目标。与先进的国家相比, 我国城镇对垃圾的综合处理起步较 慢, 许多城镇采用露天堆放, 造成城镇周围垃圾堆积成山, 蚊 蝇孳生, 臭气随风飘散, 污染空气, 垃圾中的病原体和有毒元 素随水流淌污染河流和地下水, 严重破坏了城镇的生态环 境, 给城镇文明卫生和人民的身体健康带来严重威胁。近年, 不少城镇由露天堆放转至挖坑填埋, 填埋虽然减少空气污 染, 但无害化处理并不彻底, 特别对垃圾渗沥水的处理要求 较高, 投资也较大。填埋对垃圾的减容化效果不大, 要占用大 量土地, 不利于城镇的发展。有的地方在填埋处理的同时, 采 用部分堆肥处理, 利用微生物对垃圾中易腐有机物进行生物 降解, 使之成为较稳定的腐蚀土状肥料, 这种处理成本较高, 处理量也有限, 特别二次废弃物尚待处理, 远远不能处理日 益增多的垃圾量。借鉴国外经验和教训, 最有效的办法是采 用垃圾焚烧技术, 进行热能回收, 达到资源再生利用。垃圾焚 烧后消除了有毒物质和病原体, 其高温烟气通过热交换回收 大部分热量用于供热和发电。垃圾焚烧后的废气通过净化装置处理, 达到环保法规要求, 才排至大气。而焚烧后的废渣只是原来体积的 5% 和重量的 15% , 经磁选回收金属, 剩下灰 渣还可用于制砖或作道路的填充。综上所述, 实现垃圾资源化处理的最好办法是发展垃圾 焚烧和热能回收利用的技术。围绕这一技术兴起新的环保产 业, 我集团公司在原来的成套发电装置的基础上, 于 1996 年 开发垃圾焚烧系统及发电系统装置的技术研究, 近两年, 先 后承接了广西北海日焚 150 吨垃圾发电厂和深圳龙岗日焚300 吨垃圾发电厂主要设备的设计与制造, 下面浅谈一下这 两座垃圾发电厂的设计和运行特点。两座焚烧垃圾发电厂主要设备简介(1) 广西北海日焚 150 吨垃圾发电厂垃圾焚烧炉 (见图 1)本炉采用低倾斜的往复推动炉排 (设备由加拿大京龙公 司提供)。炉排面积: 长宽= 83m , 整台炉排的倾斜角为10。活动炉排采用液压推动。每排炉排略向上倾斜, 头部有 形状独特的凸台和通风槽, 材料为高铬铸铁。 炉排下面设置5 个独立风室, 配有设计独特的配风和调风装置。 炉排上方设有二次风管和装置燃油的辅助燃烧器。四周炉壁采用耐磨 抗腐的碳化硅砖。燃烧垃圾量为 6250k g/h , 垃圾的热值 ( 低位) 为 5000kJ /k g 以上, 垃圾水份约为 45% 。焚烧炉前设置垃圾分选设备, 视垃圾质量而定是否进行 分选。正常情况, 焚烧炉出口的烟气量为 36000k g/h , 烟温达950。 燃烬的灰渣经水冷却后由出渣器送至灰池。 炉膛后部设置电视摄像头, 监视垃圾燃烧情况。2工业锅炉1999 年第 3 期(总第 59 期)18图 1 北海日焚 150 吨垃圾焚烧锅炉系统示意图速度进行, 在这样的准化学平衡条件下, 垃圾经加热、脱水、余热锅炉 (见图 1)本锅炉为双锅筒横置式水管自然循环锅炉。过热器设置在第一段对流管束后, 炉后设置二级钢管省煤器。 整台锅炉 采用外护板包裹, 具有良好的密封结构。各段受热面均设置 吹灰装置和排灰装置。锅炉技术参数:蒸发量: D = 13. 6t/h (其中过热蒸汽为 12 t/h )蒸汽压力: P = 1. 1M P a蒸汽温度: t= 260 给水温度: t1 = 104排烟温度: ty = 200锅炉配备整套的检测和调节装置, 并与焚烧炉有关控制 连接, 通过微机数采回路和专用模块传送至中央监控室进行 直接监控。余热锅炉排出的尾烟气经冷却塔 (内装喷淋石灰装置)、 文丘里反应器和活性碳吸收装置、布袋除尘器排至大气, 使 其符合一类地区的环保要求。汽轮发电机组配置 1500kw 冷凝式汽轮发电机组 ( 包括冷却塔整套设 备) 以及前压调节装置。(2) 深圳龙岗日焚 300 吨垃圾发电厂垃圾焚烧炉 (见图 2)采用加拿大瑞威环保有限公司的 CA O (Co n t ro lled A ir O x ida t io n) 技术研制的新型垃圾焚烧炉。CA O 系统的燃烧过 程分二步进行, 第一步为“厌氧”燃烧, 垃圾热解气化, 第二步 是加入二次风, 二级完全燃烧。它由液压推料装置, 一燃室、 二燃室、沉灰斗和自动出渣装置组成, 配备一套自动调整控 制系统。一燃室的燃烧是在限温限空气量的情况下以很低的氧化, 进而释放出水分和挥发性物质, 不挥发的可燃物在一燃室燃烧以维持燃室设定的温度 (必要时可通过辅助燃料) , 而不可燃物 (如泥土、玻璃、金属等) 成灰渣推入水冷灰池。可 燃的挥发气体通过引出烟道进入二燃室, 在适量的空气助燃 下完全燃烧形成高温烟气, 烟气温度按要求控制在一定范围 内。本焚烧炉从进料、预热、气化、燃烧、物料向前移动、空气 流控制、反应温度控制、灰渣排出等各个程序都自动进行, 并 设置相应的电视摄像头, 监视燃烧室内的燃烧。本装置选用三台日焚 100 吨垃圾的 CA O 系统焚烧炉(即每台炉燃烧垃圾量为 4167k g/h )。 每台焚烧炉二燃室的出口烟气量为 27175k g/h , 烟气温度为 976。余热锅炉 (见图 2)本锅炉为双锅筒纵置式水管自然循环锅炉, 设置三台, 分别与三台焚烧炉连接。每台锅炉都设置单独的二级钢管省 煤器, 各段受热面设置专用吹灰装置和排灰装置, 为了便于 控制过热器的烟温和汽温, 设置专用调温装置。每台锅炉的技术参数:蒸发量: D = 9. 5t/h 蒸汽压力: P = 2. 45M P a 蒸汽温度: t= 320 给水温度: t1 = 104 排烟温度: ty = 220锅炉配备整套的检测和调节装置, 并与焚烧炉的有关控 制连接, 通过微机数采回路和专用模块传送至中央监控室进 行直接监控。产品设计北海和龙岗垃圾电站锅炉的设计与运行特点19措施。国内实际使用碰到很多问题, 不仅垃圾量大, 而且水份大、 污泥多, 分选远远跟不上, 到目前 还没有找到合适的筛选设备, 所 以在设计布置上, 不作垃圾分选 考虑, 只在垃圾的可燃物下降影 响炉子温度时投入辅助燃料。 最 快捷有效的办法是投油或天然 气, 也可以通过垃圾混入煤粒及 其它生物质燃料, 以保证炉子设 计限定的可燃物含量。焚烧炉的设计结构和运行 控制也是高效焚烧的关键。a. 对推动炉排来说, 要保证 物料充分与空气接触才能燃烧 好, 由于垃圾含有各种易熔易粘 的物质, 容易烧成团状, 表面固 化, 通过炉排的往复运动, 可使垃图 2 广东深圳龙岗日焚 300 吨垃圾焚烧设备与锅炉示意图根据 CA O 系统焚烧垃圾的特点和龙岗地区垃圾成份,锅炉排出的废气无需设置收尘和复杂的净化装置, 可直接排 放并能符合有关排放标准 ( 当然随着环保要求的进一步提 高, 根据运行的调整, 有针对性再设置有关的净化装置)。汽轮发电机组配置 6000kW 冷凝式汽轮发电机组一套 ( 采用捷克技 术) , 以上三炉的蒸汽共用一母管供给汽轮机。3 两座垃圾发电厂的设计特点与运行调整广西北海垃圾发电厂主要设备于 1998 年初制造完工, 深圳龙岗垃圾发电厂主要设备也于 1999 年 1 月制造完工, 6 月底完成安装, 7 9 月份进行调试投运。这两座电厂的设计 ( 包括使用的国外垃圾焚烧技术及有关配套设备) 和今后的 运行都环绕以下几个原则来进行。3. 1 要求较高的垃圾焚烧效率和电站效率做好炉前垃圾的可燃物及水份的控制是高效焚烧的 前提。垃圾焚烧效率与垃圾的可燃成份及水份有直接关系, 国内的垃圾相对于国外的垃圾质量较低, 给垃圾的焚烧带来 更大的难度, 过高的水份含量, 不但延长了入炉后垃圾的预 热干燥时间, 而且水份受热汽化要带走不少热量, 这会影响 炉子温度的稳定, 对垃圾的焚烧极为不利。两座电厂设计的 焚烧炉焚烧垃圾的水份为 45% , 超过此值会影响燃烧温度, 炉子配备的辅助燃油燃烧器会自动投油, 但这不是经济的运 行方式, 我们建议在贮料仓配置水份压滤机, 把部分水份压 出流至污水处理池。垃圾可燃质含量的高低, 根据各地区实 际情况有所不同, 但是可燃质发出的热量应该大于不可燃物 质的吸热量 (包括水份汽化的吸热) , 才能保证炉子达到一定 温度。否则, 很容易出现熄火, 谈不上焚烧完全。如何监控好 所需垃圾的可燃质含量是保证高效焚烧的前提, 国外有的焚 烧垃圾发电站在入炉前对垃圾进行分选, 当然这是一个很好圾移动搅拌, 增强其透气性。而炉排片头部的凸台, 能把垃圾燃烧产生表面固化的垃圾团 (内含极其难燃的碳黑) 进行翻 转搅拌, 以起到破碎的作用, 使其能均匀接触空气以达完全 燃烧。劣质燃料在炉排上的燃烧一般经过干燥、燃烧和燃烬 三个阶段, 根据垃圾的质量, 可确定垃圾在这三阶段中停留 时间和炉排的最佳长度, 在运行中可通过调节炉排推送速 度、行程和各风室调风比例来控制其三个阶段所需的时间, 以达到完全燃烧。送料器、炉排和推灰器的液压推动、各风室 调控板转动是根据燃烧要求, 由控制盘的可编程序燃烧控制 器发出指令 (主要是根据炉膛的温度) 来实现燃烧过程的全 自动控制。对垃圾这样的劣质燃料, 采用预热的空气作为一、 二次风是很有必要的, 它不但加速垃圾的干燥, 而且有助于 难燃物质的燃烬。b. 对 CA O 焚烧系统来说, 其设计主要根据垃圾质量和 体积, 布置足够的空间 (也即结构大小) 以满足其完全热解气 化所需的时间, 并能使垃圾按要求慢慢向前移动 ( 采用水冷 或风冷气动推杆) 与底部的喷风口喷入的空气均匀接触。 一 燃室产生的可燃气体通过与二燃室的切向二次风混合而完 全燃烧。运行时, 一燃室主要是控制进入的风量和反应温度, 这可通过可编程序控制器发出指令驱动调节风门开度和推 料推杆的速率, 必要时投油助燃。二燃室主要根据其出口的 烟气温度 (一般控制在 1000左右) 调节二次风的风量和辅 助燃油 (或气) 燃烧器, 也通过程序控制器来完成。 要达到垃 圾的完全热解气化, 最佳反应温度是 550 600, 温度过高 其逸出的可燃气体加速与空气中的氧反应, 在垃圾堆里着火 燃烧影响出气率, 温度过低垃圾中的可燃气体根本不能有效 逸出, 导致缺氧燃烧, 严重时出现熄火, 停止了整个反应。提高整个电站效率。即主要提高焚烧炉的焚烧效率、 余热锅炉的热交换效率和汽轮发电机组的效率。前面已谈到工业锅炉1999 年第 3 期(总第 59 期)20提高焚烧炉的垃圾焚烧效率的一些问题, 从上述两种不同的焚烧方式, 采用炉排式直接燃烧垃圾, 其焚烧效率一般只能 达 75 80% , 采用 CA O 系统焚烧垃圾, 其焚烧效率可高达90 94% 。汽轮机发电机的效率一般是 28 30% , 使用先进的捷 克斯科达汽轮机, 可提高到 33 35% 。如何提高余热锅炉的热交换是这里要谈的问题。进入锅 炉的烟气热量 (也即烟气流量、成份和温度) 已由焚烧炉的出 口确定, 锅炉只要布置足够的受热面进行烟气与工质的热交 换, 产出符合要求的蒸汽参数就达到要求。若多产汽来发电 就要提高余热锅炉的热效率, 在设计布置时一般从以下几个 方面考虑:a. 提高锅炉炉墙的密封性, 减少漏风;b. 减少锅炉炉墙和管道的热损失;c. 降低排烟温度, 减少排烟热损失;d. 选用高效节能的配套辅机; e. 进行废汽回收加热给水。 下面重点谈谈降低排烟温度的问题。由于焚烧垃圾的烟气含有带腐蚀的酸性物质, 烟气的露点温度是排烟温度的限 定值, 常用的 104给水温度下, 排烟温度应不小于 180, 受热面管壁才能达到防止烟气结露温度。即使在这样的温压 下, 要达到多产汽, 也要布置庞大的省煤器受热面, 因此采用 异型受热管, 提高传热效率很有必要, 但是必需与受热面烟 气流动阻力和粘灰垢程度 (除灰干净度) 综合考虑。由于垃圾 焚烧炉一般出口烟气温度不算高, 因此余热锅炉没有必要布 置过多的辐射受热面, 热交换主要靠对流和省煤器受热面。 限于焚烧垃圾烟气流的微尘和粘性对受热面的腐蚀, 烟气流 速一般选在 7m /s 左右, 不能以高流速来获得高传热系数, 在布置受热面时要充分考虑到烟气流冲刷的均匀、管子的排 列型式和受热面的便于清扫, 不致于降低其传热效率。 在运 行中, 定期对受热面的吹灰是很必要的。为了防止在垃圾焚 烧时烟气量和温度的波动, 特别在过热器和省煤器布置适当 的调节挡板和旁通调节门, 以保证运行的正常与稳定。3. 2 保证垃圾发电厂运行的可靠性 垃圾发电厂设备运行的安全可靠要求与其它机电设备一样, 应有优良的设计制造及安装质量, 有严格的管理制度 和切实可行的操作程序。对垃圾焚烧本身来说, 在垃圾质量 发生变化时, 应及时进行调整, 使炉温趋于稳定。 在焚烧炉 中, 由于垃圾内含有金属、玻璃、石块等坚硬杂物, 对往复运 动的炉排片和炉壁都产生磨损, 加上垃圾腐蚀物质在高温下 的侵蚀作用, 设备磨损速度很快, 要求炉排片材料使用耐热 耐磨耐蚀的合金铸铁, 而炉壁采用碳化硅涂料或特殊耐侵蚀 的高温混凝土砖。CA O 系统的焚烧炉没有炉排片, 它不存在 炉排片的磨蚀, 但四周炉壁一样要求使用抗腐的耐火混凝 土。余热锅炉也要考虑到焚烧垃圾后的烟气对管子受热面和 炉壁的影响, 否则影响其可靠的运行。除炉壁采用抗蚀的耐 火材料外, 重点是管子受热面的防腐和防磨, 在设计布置上考虑如下措施:在燃烧室的管子受热面涂上防腐涂料。这些涂料既有 较好的耐腐蚀性能, 又有良好的热传导性。按燃烧室出口温 度的要求在燃烧室进口端处的管子都焊上销钉, 涂上防腐涂 料层, 既保护管壁免受高温软化状的腐蚀微粒粘附, 又能调 整燃烧室的传热量。在布置对流过热器时要核算其管壁温度。由于垃圾焚 烧后的烟气含有氯化物, 其腐蚀活跃温度约为 380以上, 因此, 管壁温度在此温度以下较为可靠 ( 当然超过此温度只 能采用耐腐蚀管)。在布置上尽可能安排在烟气温度不大于700的区域内, 也即在达到过热气温的要求下把过热器安 排在部分对流受热面后, 而且过热器烟道设置调节受热面的 挡板和相应的旁通烟道, 以保证过热器的运行不处于此腐蚀 活跃期的管壁温度 (具体通过计算确定并以过热器前的烟温 为调节依据)。另方面在布置过热器时一定要考虑其装拆更 换方便和清除烟垢的方便。尾部受热面 ( 省煤器等) 防止烟气中的氯化物和硫化 物的腐蚀, 在布置时要考虑受热面管子壁温要高于烟气的露 点温度, 防止结露生成酸对金属的腐蚀 ( 若低于此露点温度 只能采用耐腐蚀管)。同时有必要设置旁通门对排出的烟气 温度进行调节。省煤器的工质流向和温度也要控制好。另方 面省煤器的布置要考虑其更换的方便和清除烟垢的方便。为防止烟气流夹带的微尘对受热面的磨损, 一般控制 气流经管子受热面的速度不要过大 ( 一般控制在 7m /s 左 右, 由于 CA O 系统焚烧烟气含尘较小, 烟速可适当提高)。每段受热面设置可靠的吹灰器, 以便清扫受热面的积 灰, 防止粘灰影响传热和加速对管子的腐蚀。在衡量电站的发电能力时, 尽可能采用压力和温度较 低的蒸汽运行参数, 这样, 受热面管壁温度相应下降, 不用专 门的防腐钢材也能保证其运行的安全, 整个设备制造成本下 降。设备运行的可靠性往往与设备成本和经济运行密切联 系在一起, 所以我们的着眼点也是在保证质量的前提下, 尽 可能在设计、制造和运行中采用相应的措施降低成本。3. 3 低污染运行焚烧垃圾的过程中, 会产生各种有害气体, 如何消除和 防止逸出, 也值得我们深思。焚烧炉焚烧垃圾的燃烧室出口温度应控制在 8501000, 一般不宜低于 800 ( 为防止炉排焚烧垃圾时的结 焦, 温度也不宜过高) , 低于此温度, 不能有效分解烟气中的 有机质和氨气的恶臭。在炉排焚烧垃圾时长期处于低温燃烧 会产生危害人体健康的二恶英。 对 CA O 系统焚烧垃圾, 其 一燃室的温度处在 550 600, 由于其焚烧垃圾特性, 过 程中产生的金属氧化物和金属的氯化物 (特别是铜金属) 较 少, 不会促成二恶英的产生, 即使有少量其它有害气体, 一燃 室出口的可燃气体进入二燃室后, 与二次风混合即完全燃 烧, 温度达 1000以上, 可分解这部分有害气体。 因此在运产品设计北海和龙岗垃圾电站锅炉的设计与运行特点21行操作中一定要调整好此温度。即使垃圾焚烧完全, 但气流夹带氯化物、硫化物和氮化 物仍是不可避免的, 因此要求从垃圾进料到烟囱排放所有设 备都有良好的密封, 防止烟气泄漏, 影响操作人员的身体健 康和环境卫生。废气处理也是焚烧垃圾发电站的重要一环。一般配置相 应的除尘器和洗涤吸收装置, 以达到环保的要求。由于 CA O 系统焚烧垃圾的特点, 其废气处理相应比较简单些。 垃圾贮 存间应有良好的抽风, 一般焚烧炉焚烧用的空气最好是把贮 存间的污气吸入而鼓进炉膛或燃烧室, 进行燃烧分解, 防止 垃圾臭味飞扬。至于洗涤后的废水和其它污水应设置废水处理池进行 处理, 以达到排污标准。3. 4 设备的成本与经济运行 由于垃圾是含有腐蚀物的劣质燃料。燃用时难度较大,其焚烧炉及其配用的余热锅炉的设计制造都有特殊的要求,配套设备也较多, 因其设备费用较燃用常规燃料来得昂贵。 我们是发展中的国家, 财力有限, 垃圾造成环境污染又不能 不治理, 因此在保证焚烧好、发好电的基础上, 采用低蒸汽参 数的机组, 以尽量少用昂贵的防腐蚀管材, 降低设备成本。在 设计和设备的配置上尽量考虑多回收热能, 提高发电能力, 如: 将配置锅炉排污水的热回收、灰渣热和废烟气的热回收 与设备的防腐措施一起考虑。在运行操作中, 本电站基本上实现自动监控, 无需配置 过多的人员, 以减少管理成本。在实际操作上, 要求司炉人员 掌握好炉膛的温度, 高效燃烧垃圾, 也可减少更换炉排片次 数 ( 对炉排炉来说) , 因为炉排片的价格比较昂贵; 同时要密 切注意进入过热器的烟气温度和锅炉的排烟温度, 做到及时 调整, 并按规定定期吹灰, 确保受热面清洁, 从而减轻管子受 热面受腐蚀的可能性, 延长受热管的使用时间; 对各种运转 机械经常细心检查和维护, 确保正常运转。在垃圾质量下降 水份增大时, 尽量少投油, 虽然投油助燃是目前垃圾发电厂 保证燃烧垃圾稳定的一项措施, 但燃油的价格较贵, 过多投 油会大大增加运行成本; 为确保垃圾的水份在规定范围内, 可以采用炉前压析部分水份。为确保垃圾的可燃质成份, 在 垃圾难以分拣的情况下采用添加燃料 (如碎煤粒或木屑谷壳 等生物质燃料) , 这可能比投油更能符合焚烧炉的设计要求, 又能大大降低成本 (这个想法需通过今后运行试验来验证)。4 今后的试验研究与开发垃圾的处理是一项高科技, 难题不少, 众多科学家已把 垃圾学 (垃圾的科学处理与利用) 作为一门新兴的热门科学。 垃圾的焚烧与热能回收, 在国外这方面已有很多成功的经 验, 但目前我国的城市垃圾质量与国外有较大差别, 热值较 低, 焚烧难度较大, 虽然我们在这两座发电厂的焚烧炉作了 不同程度的变动, 但仍存在以下一些问题, 需要作为今后试验和研究的方向。(1) 对高水份、低热值的垃圾燃料进行燃烧机理的分析, 从影响焚烧的诸多因素中建立相应的数学模型, 为开发新型 焚烧炉提供依