蔡文宇，沈?yàn)I(中節(jié)能(煙臺(tái))環(huán)保能源有限公司, 山東 煙臺(tái) 264000)

0 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，城市化進(jìn)程不斷加快，城市垃圾產(chǎn)生量急劇增加。根據(jù)中國(guó)統(tǒng)計(jì)年鑒，中國(guó)的城市垃圾清運(yùn)量已經(jīng)達(dá)到 22 801.8 噸，城市生活垃圾處理量急劇增長(zhǎng)，給城市生活垃圾處理能力帶來(lái)極大的挑戰(zhàn)[1]。面對(duì)日益嚴(yán)峻的“垃圾圍城”問(wèn)題，如何合理處理城市生活垃圾已經(jīng)成為研究者關(guān)注的熱點(diǎn)問(wèn)題[2]。

城市生活垃圾的處理方法通常包括填埋法、堆肥法和焚燒法[3]。由于城市生活垃圾中有較多的病菌和重金屬，所以填埋法和堆肥法不僅會(huì)占用大量土地，還會(huì)對(duì)地下水和土壤造成巨大污染。垃圾焚燒處理由于具有占地少、處理時(shí)間短、減量化顯著、無(wú)害化較為徹底以及垃圾焚燒余熱可利用等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)成為不少城市解決垃圾問(wèn)題的首要選擇[4-6]。垃圾焚燒處理量占所有垃圾無(wú)害化處理量的比重也逐年提高，截至2018年底，垃圾焚燒處理占所有垃圾無(wú)害化處理方式的比重已經(jīng)達(dá)到45%。截至2019年底，在中國(guó)建設(shè)并投入運(yùn)行的垃圾焚燒廠已經(jīng)達(dá)到418 座[7-8]。由此可見(jiàn)，垃圾焚燒技術(shù)具有廣闊的應(yīng)用前景。

垃圾焚燒爐受熱面掛灰是影響垃圾爐長(zhǎng)周期運(yùn)行的最主要因素，每2～3個(gè)月單臺(tái)爐就需停爐清灰一次。垃圾焚燒爐受熱面掛灰會(huì)縮短鍋爐運(yùn)行周期，同時(shí)增加檢修工作量?，F(xiàn)有吹灰系統(tǒng)受到高溫區(qū)受熱面管束積灰、煙氣溫度和噴吹范圍有限等因素制約，為保證鍋爐實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)周期運(yùn)行，減少鍋爐檢修頻次，研發(fā)及制作真正達(dá)到實(shí)際使用效能的在線清灰設(shè)備具有重要意義。

1 在線清灰系統(tǒng)在焚燒爐上的應(yīng)用背景

1.1 生活垃圾焚燒爐積灰結(jié)焦的因素

積灰是指溫度低于灰熔點(diǎn)的灰粒在受熱面上沉積，主要發(fā)生在對(duì)流受熱面上。目前對(duì)燃煤和生物質(zhì)鍋爐的積灰研究已經(jīng)形成比較系統(tǒng)的理論。積灰根據(jù)積灰強(qiáng)度分為黏結(jié)性積灰和松散性積灰：黏結(jié)性積灰一般在管壁的迎風(fēng)面形成并沿著氣流增長(zhǎng)，這種積灰不斷增長(zhǎng)會(huì)引起管束的阻力迅速增加，直至整個(gè)煙道堵塞；松散性積灰一般形成在管壁的背風(fēng)面，或者當(dāng)顆粒很細(xì)微、煙氣速度很小時(shí)在管壁的迎煙面形成。

1.2 生活垃圾焚燒爐積灰結(jié)焦的影響因素

垃圾焚燒與一般燃料燃燒相比，垃圾熱值低而含水量高，質(zhì)地低劣；垃圾焚燒過(guò)程極為復(fù)雜，氣、液、固體多項(xiàng)反應(yīng)混合，多孔介質(zhì)中的傳遞、同相和異相間的傳遞交互發(fā)生，并受晶界過(guò)程、電化學(xué)過(guò)程和應(yīng)力演變過(guò)程等多重因素的影響。另外，由于垃圾形狀不均，質(zhì)地隨季節(jié)、年份和地區(qū)而變化，相應(yīng)的熱值變化幅度較大，焚燒過(guò)程中煙氣溫度和成分波動(dòng)也很大，所以垃圾焚燒環(huán)境中發(fā)生的結(jié)渣比一般燃料燃燒過(guò)程更復(fù)雜。從垃圾飛灰的實(shí)際的灰熔融特性來(lái)看，其變形、軟化、熔融溫度明顯低于粉煤灰的溫度，基本上在1 050 ℃時(shí)發(fā)生軟化，較煤灰低約200℃。垃圾本身的固有特性，決定了垃圾焚燒爐易于結(jié)焦的特點(diǎn)。

生活垃圾焚燒爐積灰結(jié)焦所產(chǎn)生的影響主要包括以下五個(gè)方面：(1)鍋爐內(nèi)積灰結(jié)焦最直接的影響是導(dǎo)致鍋爐煙氣流道阻塞，爐內(nèi)煙氣負(fù)壓無(wú)法維持而被迫停運(yùn)；(2)鍋爐受熱面積灰結(jié)焦導(dǎo)致受熱面熱阻增加，使排煙溫度大幅增加，導(dǎo)致鍋爐效率降低；(3)焚燒爐內(nèi)積灰結(jié)焦加大了鍋爐本體承重，焦塊在重力作用下易將澆注料拉掉或局部脫落；(4)受熱面大面積積灰結(jié)焦，給停爐檢修帶來(lái)極大的困難，增加檢修維護(hù)工作量，同時(shí)也給檢修人員帶來(lái)安全與健康風(fēng)險(xiǎn)；(5)因積灰結(jié)焦造成鍋爐運(yùn)行周期短，機(jī)組啟停頻繁，大大縮減了鍋爐及配套的汽輪發(fā)電機(jī)組壽命。

1.3 目前解決生活垃圾焚燒積灰結(jié)焦的對(duì)策與措施

在鍋爐運(yùn)行中，因無(wú)法控制入廠垃圾品質(zhì)與成分，且鍋爐運(yùn)行周期短的首要因素是水平煙道中受熱面嚴(yán)重積灰結(jié)焦，故企業(yè)不能僅從技術(shù)應(yīng)用方面采取措施加以控制，還應(yīng)將解決水平煙道內(nèi)受熱面積灰結(jié)焦問(wèn)題作為首要任務(wù)。

2 在線清灰系統(tǒng)應(yīng)用原理

2.1 系統(tǒng)功能及要求

在線清灰系統(tǒng)針對(duì)現(xiàn)有吹灰技術(shù)存在的不足，提供一種可以由人工智能控制、實(shí)現(xiàn)定點(diǎn)清灰的垃圾焚燒爐清灰系統(tǒng)。系統(tǒng)可根據(jù)焚燒爐各個(gè)受熱面前后煙氣的溫度以及壓差情況，相應(yīng)調(diào)整爆燃?xì)怏w的壓力、流量和充氣時(shí)間，選擇不同容積的爆破布袋，達(dá)到最優(yōu)的清灰效果。同時(shí)，系統(tǒng)需要配置安全提示音以及系統(tǒng)管路安全防護(hù)裝置，保證在線清灰作業(yè)人員的安全，不對(duì)周?chē)O(shè)備和環(huán)境帶來(lái)隱患。

2.2 在線清灰系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

在線清灰系統(tǒng)采用可編程控制系統(tǒng)，配備供氣裝置、混氣裝置、自動(dòng)點(diǎn)火裝置、爆破裝置、防止回火裝置以及聲光報(bào)警提示設(shè)備。在實(shí)際應(yīng)用中只需要將儲(chǔ)氣袋對(duì)準(zhǔn)要清灰的受熱面，控制供氣裝置供氣，由點(diǎn)火裝置將混合氣體點(diǎn)燃，使得儲(chǔ)氣袋爆破，便可實(shí)現(xiàn)對(duì)特定區(qū)域的清灰，增加受熱面的換熱效率，延長(zhǎng)焚燒爐運(yùn)行周期，提高經(jīng)濟(jì)效益。

2.3 在線清灰系統(tǒng)實(shí)施方式

在線清灰系統(tǒng)包括氧氣供給裝置和乙炔供給裝置，氧氣供給裝置包括氧氣瓶和氧氣供給管路，乙炔供給裝置包括乙炔瓶和乙炔供給管路，氧氣供給管路和乙炔供給管路的末端連接混氣裝置的入口，混氣裝置能夠?qū)⒀鯕夂鸵胰不旌暇鶆?。在兩種氣體進(jìn)入混合裝置前均設(shè)置有防止回火的單向閥。爆破裝置包括點(diǎn)火裝置和儲(chǔ)氣袋，點(diǎn)火裝置設(shè)于混氣裝置上，儲(chǔ)氣袋設(shè)于混氣裝置的出氣口處，點(diǎn)火裝置能夠?qū)⒒旌蠚怏w點(diǎn)燃使儲(chǔ)氣袋爆破。儲(chǔ)氣袋外層為布料，內(nèi)側(cè)為塑料。

2.4 材料與方法

2018—2021年煙臺(tái)潤(rùn)達(dá)垃圾處理運(yùn)營(yíng)有限公司生產(chǎn)情況(如表1所示)，公司實(shí)行垃圾與污泥協(xié)同燃燒處置，污泥摻燒比例為8%左右，使得鍋爐受熱面掛灰速度更快，投產(chǎn)2至3個(gè)月后，鍋爐水平煙道各個(gè)受熱面管束被灰堵塞，影響煙氣正常流通，致使省煤器出口負(fù)壓值達(dá)到-400 Pa以上，需要停爐進(jìn)行清灰作業(yè)。以該公司400 t/d垃圾焚燒爐為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，2020年1月31日鍋爐在線清灰系統(tǒng)正式投入運(yùn)用，表1統(tǒng)計(jì)了該公司2018—2021年實(shí)際生產(chǎn)數(shù)據(jù)。

表1 2018—2021年煙臺(tái)潤(rùn)達(dá)垃圾處理運(yùn)營(yíng)有限公司的生產(chǎn)實(shí)際情況

3 在線清灰系統(tǒng)應(yīng)用效果評(píng)價(jià)

3.1 垃圾焚燒爐在線清灰應(yīng)用效果圖對(duì)比

如圖1和圖2所示，垃圾焚燒爐正常運(yùn)行時(shí)，通過(guò)人孔門(mén)查看的過(guò)熱器管束積灰與清灰后的實(shí)際狀態(tài)圖。如圖1所示，過(guò)熱器第一排管束的積灰有凸起，積灰溫度較高，并且黏性較大，附著在過(guò)熱器管束上。如圖2所示，在線清灰設(shè)備將過(guò)熱器管束上的積灰清除后，管束顯現(xiàn)出的本來(lái)面貌。

圖1 過(guò)熱器清灰前

圖2 過(guò)熱器清灰后

另一部分的積灰需要在另一側(cè)人孔門(mén)處實(shí)施在線清灰才能夠被清除。

3.2 垃圾焚燒爐在線清灰系統(tǒng)應(yīng)用停爐檢修統(tǒng)計(jì)

污泥中含灰量較大，污泥焚燒后的殘余物大部分被煙氣帶往后部受熱面，附著在尾部受熱面管子上，影響了換熱效率，殘余物長(zhǎng)時(shí)間積累，造成尾部受熱面積灰嚴(yán)重，對(duì)鍋爐負(fù)荷產(chǎn)生不良影響。同時(shí)，在高過(guò)、中過(guò)受熱面煙氣通道中所堆積的灰會(huì)形成非常硬的灰塊，運(yùn)行期間很難清除，如處理不及時(shí)，會(huì)造成過(guò)熱器煙溫過(guò)高。

煙臺(tái)潤(rùn)達(dá)垃圾處理運(yùn)營(yíng)有限公司2019年在焚燒運(yùn)行過(guò)程中未采取措施，污泥協(xié)同摻燒造成的鍋爐受熱面積灰嚴(yán)重，2臺(tái)焚燒爐停爐清灰8次。2020年該公司在焚燒運(yùn)行過(guò)程中采取在線清灰，2臺(tái)焚燒爐停爐清灰4次。2021年兩臺(tái)焚燒爐整體運(yùn)行情況良好，在線清灰系統(tǒng)投運(yùn)正常，2臺(tái)焚燒爐停爐清灰4次。

3.3 應(yīng)用在線清灰系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性分析

3.3.1 垃圾焚燒爐正常運(yùn)行日經(jīng)濟(jì)產(chǎn)值

如表2、表3所示，兩臺(tái)垃圾焚燒爐正常運(yùn)行每天平均所創(chuàng)造的日均收益為：

表2 垃圾焚燒爐日均經(jīng)濟(jì)產(chǎn)值

表3 垃圾焚燒爐日均耗材費(fèi)用

39.44 萬(wàn)元－3.124 5 萬(wàn)元=33.315 5 萬(wàn)元。

3.3.2 垃圾焚燒爐在線清灰系統(tǒng)應(yīng)用前后效果對(duì)比

煙臺(tái)潤(rùn)達(dá)垃圾處理運(yùn)營(yíng)有限公司供試兩臺(tái)垃圾焚燒爐2018年至2021年4年間垃圾焚燒爐停運(yùn)時(shí)間(如表4所示)。結(jié)果表明，在線清灰的應(yīng)用使得每年停爐維修次數(shù)降低4次，縮短年均停爐時(shí)間12天。

表4 計(jì)劃停爐時(shí)間明細(xì)

3.3.3 在線清灰系統(tǒng)應(yīng)用綜合效益分析

在線清灰系統(tǒng)應(yīng)用總增產(chǎn)效益：

在線清灰系統(tǒng)的應(yīng)用使年均停爐時(shí)間減少12天，增創(chuàng)產(chǎn)值：

33.315 5萬(wàn)元×12=399.786 萬(wàn)元。節(jié)省啟爐次數(shù)為4次(每次啟爐燃油費(fèi)用7 萬(wàn)元)，即節(jié)省啟爐燃油費(fèi)用7 萬(wàn)元×4=28 萬(wàn)元。

在線清灰系統(tǒng)運(yùn)行成本：

(1)在線清灰設(shè)備成本費(fèi)用：控制系統(tǒng)1.0 萬(wàn)元，配氣系統(tǒng)0.5 萬(wàn)元，附屬設(shè)備配件1.0 萬(wàn)元，合計(jì)2.5萬(wàn)元。按5年折舊，每年0.5 萬(wàn)元攤銷。

(2)在線清灰設(shè)備維護(hù)費(fèi)用0.5 萬(wàn)元/年。

(3)在線清灰外委操作費(fèi)用為79.51 萬(wàn)元/年。

在線清灰年發(fā)生費(fèi)用共計(jì)80.01萬(wàn)元。

在線清灰系統(tǒng)運(yùn)行凈增產(chǎn)效益：

對(duì)比分析在線清灰全年創(chuàng)造的經(jīng)濟(jì)效益：427.786萬(wàn)元－80.01萬(wàn)元=347.776 萬(wàn)元。

4 結(jié)語(yǔ)

污泥處置的一個(gè)重要發(fā)展路徑是焚燒，而與生活垃圾協(xié)同焚燒處置無(wú)疑是污泥徹底無(wú)害化處置的一條投資少、見(jiàn)效快、運(yùn)行成本低、可操作性強(qiáng)的處置路線。在線清灰技術(shù)的應(yīng)用，使鍋爐受熱面積灰情況得到了極大改善，延長(zhǎng)了鍋爐運(yùn)行周期，提升了鍋爐受熱面的換熱效率，減少了啟停爐的頻次，兩臺(tái)400 t/d垃圾焚燒爐運(yùn)用在線清灰系統(tǒng)后，每年凈增長(zhǎng)利潤(rùn)347.8萬(wàn)元，具有較高的經(jīng)濟(jì)效益。