(廣州環(huán)投設(shè)計研究院有限公司，廣州 510220)

0 引 言

我國城鎮(zhèn)化進程帶動了固廢行業(yè)的快速發(fā)展，發(fā)展初期無害化處理技術(shù)相對落后，固廢的處理還是以衛(wèi)生填埋技術(shù)為主，但是垃圾產(chǎn)生量的持續(xù)增長和土地資源的日益匱乏對垃圾處理提出了減量化的更高要求。垃圾焚燒相對其它末端處理技術(shù)優(yōu)勢明顯，具有處理周期短、占地面積小、減量化程度高、資源利用率高、二次污染小等優(yōu)勢。為了鼓勵垃圾焚燒處理，國家頻頻發(fā)布垃圾處理政策，比如垃圾處理服務(wù)費的相關(guān)補貼政策，尤其是《國家發(fā)展改革委關(guān)于完善垃圾焚燒發(fā)電價格政策的通知》(發(fā)改價格【2012】801號)，正式明確了垃圾焚燒發(fā)電的電價補貼細則，使得垃圾焚燒發(fā)電投資熱度處于較高的水平。

但是，近年來隨著城市垃圾熱值的提高和垃圾處理費的降低，很多垃圾焚燒廠鍋爐容量無法滿足垃圾焚燒量的要求；環(huán)保排放指標(biāo)越來越嚴，煙氣凈化系統(tǒng)投資及運行成本增加；根據(jù)其他政府扶持行業(yè)(光伏、新能源汽車等)的發(fā)展經(jīng)驗，垃圾焚燒發(fā)電上網(wǎng)補貼取消將成為趨勢；垃圾焚燒市場從一二線城市向三四線城市擴張，市場競爭愈發(fā)激烈。在此種環(huán)境下，垃圾焚燒企業(yè)只有通過提高垃圾發(fā)電效率的方式來提高整體經(jīng)濟性。提高垃圾焚燒發(fā)電效率的主要方式有提高鍋爐主蒸汽參數(shù)、降低廠用電率等，其中提高鍋爐主蒸汽參數(shù)可以取得顯著效果，高參數(shù)垃圾焚燒發(fā)電技術(shù)是未來發(fā)展的必然趨勢。

1 高溫腐蝕

高溫腐蝕是選擇主蒸汽溫度時主要考慮的問題。由于垃圾焚燒鍋爐中的高溫腐蝕主要由HCl引起，且發(fā)生部位主要在管壁溫度最高的過熱器段，根據(jù)高溫氯腐蝕曲線，當(dāng)溫度超過500 ℃后，因氯化鐵或堿鐵硫酸鹽的分解而引起的過熱器管壁高溫腐蝕加劇，到了650 ℃左右，腐蝕速度達到最大值，因此要嚴格控制過熱器入口煙溫在650 ℃以下。主蒸汽溫度的提高導(dǎo)致過熱器溫壓降低，過熱器面積增加，同時為了提高材料的抗腐蝕性能需要選用耐熱耐腐蝕的優(yōu)質(zhì)合金鋼材料(12Cr1MoVG等)，甚至在部分過熱器采用鎳基管或合金鋼鎳基堆焊技術(shù)來延長管壁的使用壽命，這些設(shè)計提高了設(shè)備投資成本。

有研究表明，垃圾焚燒過程中硫的存在可以減輕高溫氯腐蝕[1]。氣態(tài)的SO2、SO3與堿金屬氯化物發(fā)生反應(yīng)，生成薄而致密的堿金屬硫酸鹽覆蓋在金屬表面，阻礙了HCl和Cl2的擴散。因此，可選擇在垃圾中添加含硫化合物如硫酸銨，或其他能捕捉金屬氯化物的化合物，以減少管壁表面的氯離子濃度。

另外，垃圾分類對垃圾進行減量化處理，提高了垃圾熱值，使得入爐垃圾成分均勻，降低氯元素在入爐垃圾中的含量，可以減輕高溫氯腐蝕，同時減少二噁英的排放。

2 水循環(huán)

飽和水溫度的提高影響鍋爐的水循環(huán)，循環(huán)倍率是衡量鍋爐水循環(huán)安全性的重要指標(biāo)。循環(huán)倍率過低，則汽水混合物含汽量提高，管壁表面形成很薄的水膜，當(dāng)管壁水膜被蒸干，形成第二類沸騰傳熱惡化。循環(huán)倍率過高，上升管工質(zhì)平均密度增大，循環(huán)回路運動壓頭減小，使循環(huán)流速降低，蒸汽量產(chǎn)量不夠。如果保持循環(huán)倍率不變，飽和水溫度的提高要求增加管壁熱負荷以維持汽水轉(zhuǎn)化比率，但是熱負荷的提高對于管壁材料的耐熱性能也有更高要求。局部過高的熱負荷容易導(dǎo)致管壁內(nèi)的第一類沸騰傳熱惡化，或膜態(tài)沸騰，使得管壁傳熱系數(shù)急劇下降，壁溫飛升，可能超過金屬材料的極限允許溫度，縮短金屬材料使用壽命。

另外，垃圾焚燒產(chǎn)生的煙氣中含有大量HCl、SOX、NOX等酸性氣體，其對水冷壁管材長期的沖刷、磨損、腐蝕，容易導(dǎo)致水冷壁泄漏、爆管，破壞正常水循環(huán)，造成事故停爐。主要防護措施有，選用更高等級水冷壁材質(zhì)，提高受壓管壁厚度，改善其機械性能；管壁敷設(shè)耐火澆注料(碳化硅等)，避免煙氣對管壁的直接沖刷，保護管壁，還能使煙氣溫度緩慢下降，延長煙氣在850 ℃以上的停留時間，減少二噁英的生成；管壁外表面采用堆焊處理，減輕高溫腐蝕，但是成本高昂，需要根據(jù)具體鍋爐參數(shù)和經(jīng)濟性確定堆焊的合理區(qū)域；通過各級爐排以及一、二次風(fēng)量的調(diào)整和配合，使垃圾充分燃燒，熱負荷分布均勻，避免水冷壁出現(xiàn)局部過高溫度。

3 鍋爐積灰

鍋爐積灰屬于垃圾焚燒鍋爐里的共性問題，對于高參數(shù)垃圾焚燒余熱鍋爐而言，解決鍋爐積灰的問題，對于鍋爐的安全穩(wěn)定運行具有重要意義。鍋爐的積灰問題發(fā)生在鍋爐各受熱面，影響受熱面的傳熱效率，使鍋爐排煙溫度上升，熱效率下降。對于鍋爐來說，嚴重的鍋爐積灰、結(jié)焦最終導(dǎo)致管壁腐蝕、爆管等事故。而焚燒爐內(nèi)煙氣溫度高于1 000 ℃，形成的焦塊體積較大，粘結(jié)在爐墻上，長期不清容易導(dǎo)致當(dāng)焦塊重量超過爐墻所能承受的負荷時，爐墻變形甚至坍塌的后果，帶來巨大的經(jīng)濟損失，需要特別注意。

影響鍋爐積灰的因素，主要有以下幾點：

(1)飛灰成分

垃圾焚燒飛灰中Si、Ca、Al、Na、Cl等元素含量較高，主要由含鈉鈣長石、鈉長石、石英及大量非晶態(tài)物質(zhì)構(gòu)成，鈣長石在加熱過程中易與其他物質(zhì)形成低溫共融化合物(熔點1200℃左右)，飛灰熔融溫度低易導(dǎo)致受熱面積灰結(jié)渣。

(2)煙氣溫度

當(dāng)煙氣溫度高于飛灰的軟化溫度時，焚燒爐爐墻上將吸附大量具有較強粘聚性的灰渣，這些灰渣的吸附量隨著溫度的升高不斷增多，發(fā)展成為熔渣，最終形成結(jié)焦現(xiàn)象。

(3)還原性氣氛

當(dāng)水冷壁區(qū)域CO含量高時，煙氣處于強還原性氣氛，同時存在大量H2S等氣體，易造成高溫腐蝕現(xiàn)象。同時在還原性氣氛下，灰熔點下降，更易產(chǎn)生積灰和結(jié)焦現(xiàn)象。

(4)滲濾液回噴工藝

垃圾滲濾液，在高溫條件下升華，形成硫酸鹽、氯化物的蒸汽，隨煙氣流入二、三通道，然后冷凝在高溫受熱面上，與受熱面、積灰、高溫?zé)煔庀嗷プ饔?，加劇了積灰程度以及腐蝕速率。

針對鍋爐積灰的防護措施有：鍋爐設(shè)計階段控制各通道煙氣流速、煙氣溫度不能太高，保持適當(dāng)?shù)墓鼙?、管屏間距，防止大量飛灰被煙氣攜帶到過熱器，造成過熱器的積灰、板結(jié)；爐墻采用水冷、風(fēng)冷等有效冷卻手段帶走熱量，輔以保溫性能良好的耐火澆注料保護；控制風(fēng)量、風(fēng)溫，使火焰燃燒中心位于二、三級爐排間，保證垃圾充分燃燒，避免還原性氣氛的產(chǎn)生；二、三通道和水平煙道采用蒸汽吹灰、水力吹灰、脈沖吹灰等吹灰手段；保證滲濾液噴槍的霧化效果，控制滲濾液的回噴量。

4 再熱循環(huán)

對于高參數(shù)的機組，采用再熱循環(huán)工藝可以提高吸熱平均溫度，提高機組熱效率，降低汽輪機的排汽濕度，降低汽輪機葉片產(chǎn)生水蝕的風(fēng)險。蒸汽的再熱方式有煙氣再熱和汽包再熱。煙氣再熱屬于內(nèi)置式，再熱冷段蒸汽管道從汽機高壓缸的排汽口引出，進入鍋爐對流受熱面進行再次加熱，再熱后的汽溫接近主蒸汽溫度，進入汽機中壓缸再次做功。此法熱經(jīng)濟性較高，但是管道壓損大，為了保護再熱器需要增加旁路系統(tǒng)，系統(tǒng)復(fù)雜，投資較高。汽包再熱屬于外置式，來自汽輪機高壓缸的再熱冷段蒸汽進入汽包加熱，優(yōu)點是管道壓損小，系統(tǒng)簡單，調(diào)節(jié)方便，投資較小。但是汽包的飽和蒸汽溫度相對較低，汽包出口的再熱蒸汽溫度也低，且消耗掉了一部分汽包飽和蒸汽，相對煙氣再熱的方式熱經(jīng)濟性不好。

采用煙氣再熱的方式，省煤器和蒸發(fā)器吸熱比例減小，對流受熱面(過熱器、再熱器)吸熱比例增加，對流受熱面進口煙溫升高較多，需考慮對流受熱面的安全性。高溫過熱器和再熱器中蒸汽溫度較高同時所處區(qū)域煙溫較高，需要特別考慮防高溫腐蝕措施以及再熱器的布置問題，需要對高溫環(huán)境下不同材料(如碳鋼、合金鋼、不銹鋼、鋼管表面堆焊鎳基、鎳基管等)的耐腐蝕性能開展研究，確定高溫過熱器、再熱器材質(zhì)，提出最優(yōu)的高溫防腐方案。

5 經(jīng)濟性

以垃圾處理規(guī)模3 000 t/d(設(shè)計選用4×750 t/d垃圾焚燒爐、3×25 MW汽輪發(fā)電機組)為例進行比較。蒸汽參數(shù)分別為中溫中壓(4.0 MPa、400 ℃)、中溫次高壓(6.4 MPa、450 ℃)、中溫次高壓帶再熱(6.4 MPa，450 ℃/1.233 MPa，450 ℃)、高溫高壓(10.0 MPa、540 ℃)。設(shè)定年度垃圾發(fā)電時間為8 000 h，廠用電損耗率15%，發(fā)電價格按照2012年國家垃圾發(fā)電補貼細則計算見表1。

表1 高參數(shù)和中參數(shù)垃圾焚燒工藝經(jīng)濟性對比

采用高參數(shù)垃圾焚燒余熱鍋爐技術(shù)可以提高垃圾焚燒發(fā)電機組的整體效率，提高噸垃圾發(fā)電量，是提高垃圾焚燒電廠經(jīng)濟效益的有效手段。但不可忽視的是，高參數(shù)技術(shù)現(xiàn)階段還不成熟，有運行和維護成本增加的風(fēng)險。

6 結(jié)束語

隨著城市垃圾熱值的提高和垃圾處理費的降低，高參數(shù)余熱鍋爐技術(shù)可以提高垃圾發(fā)電效率，提高垃圾發(fā)電企業(yè)的整體經(jīng)濟性，是未來的發(fā)展方向，但是需要思考和解決提高主蒸汽參數(shù)給鍋爐設(shè)備帶來的以下問題：

(1)嚴格控制過熱器入口煙溫在650℃以下，避免高溫腐蝕最劇烈區(qū)域，同時可采用提高過熱器材質(zhì)等級、堆焊等手段延長過熱器使用壽命；

(2)保持垃圾穩(wěn)定燃燒，保證爐膛熱負荷均勻，對水冷壁進行耐火澆注料、堆焊保護，維持正常的水循環(huán)；

(3)控制煙氣流速，減少煙氣進入后部煙道攜帶飛灰，控制煙氣溫度，減少熔渣的產(chǎn)生，采用鍋爐吹灰器減少受熱面積灰，保持良好的傳熱性能；

(4)采用煙氣再熱方式需要注意對流受熱面的腐蝕和布置問題，以及再熱蒸汽在多臺鍋爐間的分配問題。