高压往复炉排垃圾焚烧锅炉的研发

高压往复炉排垃圾焚烧锅炉的研发

郑金成

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摘要：随着中国经济的发展和人民生活水平的提高，各地的生活垃圾量与日俱增。各研究机构和企业通过引进、借鉴，自主研发了各种垃圾焚烧技术，并取得了一定的成果。目前，中国垃圾焚烧行业正在进入良性阶段，垃圾焚烧发电技术在国内已经积累了相当的经验。往复炉排垃圾焚烧锅炉具有良好的技术优势，但高温腐蚀问题一直制约着锅炉向高压参数发展。

关键词：垃圾焚烧锅炉;高压;水循环;结构设计；

往复式机械炉排垃圾焚烧炉是国内外广泛采用的城市生活垃圾焚烧炉技术，它的主要特点是技术完善可靠、容量大、运行维护方便，可燃烧低热值高水分的生活垃圾。由于层燃垃圾焚烧技术较复杂、技术含量高，我国目前的大型层燃炉排炉垃圾焚烧厂建设主要依靠引进国外先进的垃圾焚烧炉排技术。

一、锅炉结构

该锅炉为单锅筒、自然循环、卧式“π”形布置，由三个垂直膜式蒸发水冷壁通道、一个水平通道和两个“U”形尾部竖直钢烟道组成。在第三通道内设有扩展蒸发受热面的6个膜式水冷屏，水平通道内设有低、中、高温过热器，通道顶棚包墙管和水平通道两侧包墙管为过热低温段，在过热器之间布置三级喷水减温器，尾部U形竖井通道内设有省煤器;锅炉采用全钢构架，锅筒、三通道、水平烟道均为悬吊结构，所有载荷承接在顶部承载梁上，再传至与顶梁相连的钢柱上。尾部省煤器载荷支撑在通风梁上，再传至与梁相互连接的钢柱上。燃烧设备为往复炉排。

二、技术要点

1.炉膛膜式水冷蒸发通道。常规的燃煤或燃油(气)锅炉，炉膛内温度很高，火焰以辐射传热形式为主，炉膛内一般设置膜式水冷受热面，以吸收较多的辐射热，膜式受热面热负荷很高。较高的单位热负荷能使管内介质产生更多的蒸汽，同等循环高度下有更多的截面含汽率，锅炉管路的水循环动力大。但是，低热值垃圾燃料在炉内燃烧时，由于燃烧温度低，燃尽时间长，采用常规的膜式水冷壁会使炉膛温度过低，燃烧就会不稳定，且燃料也不能充分燃尽。为保证低热值垃圾稳定燃烧及确保燃料在烟道内充分燃尽，须在炉膛膜式水冷壁上敷设耐火浇筑料，这样能将燃烧热储存于耐火料上，保持炉膛较稳定的燃烧温度场。根据燃烧设备的性能及燃料特性，设计时在该锅炉第一通道2/3高度和第二、第三通道顶棚表面均敷设浇筑料。因烟气温度相对较低，且通道内敷设了耐火料，3个通道的辐射蒸发受热面积不能满足蒸发吸热的需求，为满足锅炉负荷性能，同时考虑垃圾热值和成分变化对负荷的影响，设置适当的扩展蒸发受热面，在第三烟道内布置了6组膜式水冷屏。

2.水循环的安全性。（1）管径的选取。该锅炉蒸发量为117．3 t/h，3个通道水冷壁和6个水冷屏的总受热面积为2 570 m2，由于辐射受热面较多，管路的自然水循环动力和流速相对较小。为确保锅炉水循环的安全性，须提高膜式蒸发受热面管内循环水速，在受热面积为一定量时，只有减小总流通截面积。考虑锅炉制造的经济性和工艺性，该锅炉采用小管径φ51×7的管子，另外，考虑膜式水冷壁连接扁钢的中间壁温要避开高温腐蚀温度区，同时考虑材料的耐热性能要求，确定膜式水冷壁管间距为70 mm。（2）循环高度设计。在高压工况下蒸汽和水的介质密度差小，为确保锅炉水循环的安全可靠，并考虑锅炉燃烧特性，尽量向高度方向布置受热面，以提高循环高度。该锅炉初始设计方案中:焚烧室侧墙为绝热形式，侧墙下部未沿伸至燃烧室处，一通道侧墙下集箱较前墙下集箱高3．8 m，经水循环安全校核，侧墙回路水循环流速偏低，存在停滞和倒流的安全隐患。为解决这一问题，结合燃烧设备结构，将侧墙下移约7 m。经校核，该锅炉的水循环特性各项性能指标均能满足安全性要求。为提高锅炉的水循环安全性，对这种低热值的垃圾焚烧炉，考虑合理的安全裕度，建议设计时锅炉整体高度提高至少2 m，各回路的水动力特性将更为安全。（3）热负荷的分布。锅炉3个通道中各通道烟气温度不同，第一通道进口温度为1 090℃，第二通道进口温度为888℃，第三通道进口温度为761℃，各通道温差较大，且一二通道中有浇筑区和堆焊区，所以各通道膜式水冷壁的各区段的表面热负荷相差较大。垃圾炉排焚烧炉各蒸发面较宽，烟气流场极易不均匀，为合理地进行结构设计和热力计算，还对该锅炉进行了烟气流场模拟计算，热力计算和水动力计算时按模拟结果进行修正。烟气流速越快越有利于热传递，相应的受热面热负荷越大，设计时尽量使各通道的流场状态相近。各通道锅炉外墙膜式水冷壁为单面受热，而三通道中的两组隔墙和6组水冷屏双面受热，表面热负荷较外墙要大。经多次烟气流场模拟，水冷屏间的距离、各屏的深度对整个通道的流场影响较大，为确保整个通道流场的均匀性和各组屏热负荷的均匀性，屏的间距和深度尺寸须设计合理。（4）循环回路的设计。该锅炉采用集中下降管形式，将相似循环高度和相似表面热负荷回路进行合并。结合各组受热面循环高度和热负荷情况，该锅炉共分6组回路，第1、2组含一通道的前墙、前侧墙、后隔墙;第3、4组为前隔墙，该组为独立循环回路;第5、6组含二通道中侧墙、三通道后侧墙、后墙、水冷屏。第5、6回路部分受热面因表面热负荷很低，流速小于0．5 m/s，根据低温余热锅炉设计经验，该速度下锅炉能安全运行。其余受热面循环流速均大于0．5 m/s，锅炉垂直上升管水循环安全。（5）汽冷膜式炉顶和水平包墙的设计。目前压力为次中压以下的卧式锅炉，前三通道的炉顶和水平通道侧包墙均设为水冷蒸发受热面。对于高压锅炉，高压状态下汽水密度差小，小角度的倾斜管在循环水速不充裕的情况下极易发生汽水分层，所有炉顶宜设为汽冷包墙。同样压力为次中压以下的卧式锅炉，水平通道侧墙和顶棚设为水冷的自然循环膜式包墙，而在高压情况下，对水平通道侧包墙管和顶棚管束，整个回路循环高度不足，且包墙表面热负荷低，回路的循环流速低，传热不佳，极易发生循环停滞及高温腐蚀，故水平通道的侧墙和顶棚均设为汽冷包墙。（6）蒸发段分区。各区域的烟气的冲刷有较大的差距，即各区域热负荷有所差异，会导致局部管束发生流速偏低、传热差，从而造成管壁温度高而出现安全问题，或造成水循环停滞、倒流的水循环安全问题。为解决这一问题，设计时须沿宽度方向按热负荷大小进行分配，通过在下集箱上加隔板，确保水循环安全可靠。（7）锅筒内部分离装置。该锅炉采用旋风分离装置进行汽水一次分离。汽水混合物引入到共用通道内，然后再进入旋风分离装置内，因蒸发受热面各回路的热力特性不同，各回路的循环流速不同，为防止高低流速的汽水相互干扰，影响不同水力特性回路的水循环稳定和安全性，须将旋风分离装置进行分区，相似的循环流速蒸发段连接管接至同一分离通道内。该锅炉共分两区段，高低循环流速的回路汽水引出管分别进入不同的通道，各通道按各回路蒸发量设置相应数量的分离器。第1、2、3、4回路进入前侧分离通道区，共16只分离器;第3、4回路进入后侧分离通道，共12只分离器。

总之，该往复炉排垃圾焚烧锅炉为国内首台大容量中温高压垃圾炉排焚烧锅炉，可以提高垃圾焚烧系统的发电效率，提高能源利用率。

参考文献;

［1］刘萍．电站锅炉汽水分离装置的原理和设计.2019.

［2］李振文，关于高压往复炉排垃圾焚烧锅炉的研发.2020.