CN117704393A - 亚临界参数垃圾焚烧锅炉及高热值垃圾焚烧生产蒸汽方法 - Google Patents

亚临界参数垃圾焚烧锅炉及高热值垃圾焚烧生产蒸汽方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种亚临界参数垃圾焚烧锅炉，包括：炉膛，其为单通道，其四面墙均为膜式水冷壁，所述炉膛下部布置OFA喷口，采用一次风机送风，所述炉膛下部两侧布置点火燃烧器，燃烧器采用一次风机送风，所述炉膛上部设置向炉深方向延伸的折焰角，所述炉膛出口沿炉宽方向并列布置有高温过热器与高温再热器；水平烟道组件，其包括水平烟道、中温过热器、低温过热器；U型烟道组件，其包括U型烟道、低温再热器、省煤器。本发明还公开了一种高热值垃圾焚烧处理生产高品质蒸汽的方法。本发明能够适用于高热值垃圾焚烧处理带再热的超高压到亚临界蒸汽参数，且能通过合理的布置和熔覆措施做到有效防腐，并提升发电机组经济性，提高发电厂效率。

Description

亚临界参数垃圾焚烧锅炉及高热值垃圾焚烧生产蒸汽方法
技术领域
本发明涉及垃圾焚烧及热能回收利用设备领域。更具体地说，本发明涉及一种亚临界参数垃圾焚烧锅炉及高热值垃圾焚烧生产蒸汽方法。
背景技术
垃圾是人类日常生活和生产中产生的固体废弃物，由于排出量大，垃圾焚烧是垃圾无害化、资源化、减量化和社会化处理。由于垃圾燃料的成分复杂，垃圾燃烧后，烟气成分、烟气量和烟气温度变化大。垃圾燃烧后产生的烟气中含有氯化物、硫化物和重金属，烟气飞灰中低熔点的碱金属含量高。由于高浓度的氯化物和硫化物对锅炉金属管材的腐蚀随着烟气温度和金属壁温的上升成指数性加剧。
目前国内城市生活垃圾焚烧处理主要采用机械炉排焚烧处理方法，将垃圾直接推进机械炉排，进行直接焚烧。垃圾没有进行处理，直接焚烧后的烟气中含有氯化物、硫化物和重金属，烟气飞灰中含有低熔点的碱金属。由于高浓度的氯化物和硫化物对锅炉金属管材的腐蚀随着烟气温度和金属壁温的上升成指数性加剧，因此提高锅炉参数，尤其是蒸汽温度就显得很困难。国内外垃圾焚烧锅炉最高参数采用超高压参数(主蒸汽出口温度485℃，再热蒸汽温度430℃，主汽压力13.7MPa)。随着垃圾分类的实施，垃圾热值将会提高，加上垃圾处理补贴收入占比降低，提高发电收益对垃圾焚烧发电厂至关重要。亚临界垃圾焚烧锅炉参数高(主蒸汽出口温度541℃，再热蒸汽温度541℃，主汽压力17.5MPa.g)，可以提高整个垃圾焚烧电厂的发电效率，是高热值垃圾焚烧的发展趋势。
然而，对于焚烧垃圾的锅炉，主汽压力的选取，主要受制于炉膛水冷壁的腐蚀风险。主汽压力提高到亚临界参数，汽包和水冷壁压力提高，对应的饱和温度相应提高，水冷壁管内的汽水混合物温度提高，水冷壁管向火侧的壁温升高，炉膛内的烟气温度高且含有大量的氯元素和硫元素，腐蚀风险升高。
主汽温度的选取，主要受制于高温受热面的腐蚀加剧和进入尾部过热器和再热器的烟气温度。为减少过热器、再热器腐蚀，常规要求进入尾部过热器的烟气温度不大于600℃。要想提高垃圾焚烧锅炉参数提高主蒸汽温度，尤其是再热器的蒸汽温度很难。较低的烟气温度和较高的蒸汽温度因温压较小，无法提高过热器、再热器蒸汽温度。
因此，亟需解决以上问题，发明一种能够焚烧处理垃圾带再热系统亚临界参数的垃圾焚烧锅炉。
发明内容
本发明提供一种亚临界参数垃圾焚烧锅炉及高热值垃圾焚烧生产蒸汽方法，其能够适用于垃圾焚烧处理带再热的超高压到亚临界蒸汽参数，且能通过合理的布置和熔覆措施做到有效防腐，并且提升发电机组经济性，提高发电厂效率。
为了实现根据本发明的这些目的和其它优点，提供了一种亚临界参数垃圾焚烧锅炉，包括：
炉膛，其为单通道，其四面墙均采用膜式水冷壁，所述炉膛下部布置OFA喷口，OFA喷口采用一次风机送风，所述炉膛下部两侧布置点火燃烧器，点火燃烧器采用一次风机送风，所述炉膛上部设置向炉深方向延伸的折焰角，所述炉膛出口沿炉宽方向并排并列布置有高温过热器与高温再热器；
水平烟道组件，其包括水平烟道、中温过热器、低温过热器，所述水平烟道串联设置于所述炉膛的出口，所述水平烟道由汽冷包墙包覆，所述中温过热器和低温过热器沿炉深依次布置在所述水平烟道内；
U型烟道组件，其包括U型烟道、低温再热器、省煤器，所述U型烟道串联设置于所述水平烟道的出口，所述U型烟道为护板结构，所述低温再热器、省煤器依次布置在所述U型烟道的前烟道、后烟道。
优选的是，炉膛采用膜式水冷壁管焊接密销钉敷设耐火材料，或采用水冷壁管挂设耐火砖。
优选的是，高温过热器和高温再热器主要采用顺流布置，出口的一圈管子采用逆流布置，将出口介质温度高的管子布置在管组中间。
优选的是，高温过热器和高温再热器管组沿炉宽布置不相等数量管屏，高温过热器和高温再热器进口介质温度一致。
优选的是，过热器采用两级喷水减温。
优选的是，再热器采用旁路调节汽温，并增加事故喷水减温装置。
优选的是，省煤器入口集箱增加节流孔，省煤器采用逆流结合顺流布置。
优选的是，U型烟道和水平烟道均设置灰斗收集飞灰，并经输灰装置送入渣坑。
高热值垃圾焚烧处理生产高品质蒸汽的方法，使用所述的亚临界参数垃圾焚烧锅炉，参数设置为：主蒸汽出口温度520～541℃，再热蒸汽温度520～541℃，主汽压力15.7～19.6MPa，所述方法包括：
由一次风机从垃圾坑抽取空气，经一次风预热器加热后进入炉排；
启动点火燃烧器，将垃圾由垃圾料斗经进料口推入炉排燃烧；
从一次风道引出空气，经调节挡板调节至合适风压和风量，送入OFA喷口和点火燃烧器；
炉排燃烧产生的烟气经由焚烧室出口的OFA喷口和空气混合燃烧完全；
烟气经炉膛上部折焰角均匀进入布置在炉膛出口的高温过热器和高温再热器，然后进入布置在汽冷包墙水平烟道的中温过热器和低温过热器，随后烟气进入护板U型烟道内的低温再热器和省煤器，最后进入烟气净化装置。
优选的是，焚烧室采用膜式水冷壁，前后拱侧墙水冷壁的介质采用上、下流形式汇集到炉膛中心侧墙水冷壁再向上流动进入汽包。
本发明至少包括以下有益效果：
第一、本发明提供一种亚临界参数垃圾焚烧锅炉，其属于垃圾焚烧带炉内再热亚临界参数垃圾焚烧锅炉系统，能够适用于超高压到亚临界蒸汽参数，且能通过合理的布置做到有效防腐。
第二、本发明提供一种高热值垃圾焚烧处理生产高品质蒸汽的方法，适用于高热值垃圾焚烧处理，采用带再热的超高压到亚临界参数，亚临界参数主蒸汽出口温度520～541℃，再热蒸汽出口温度520～541℃，主汽压力15.7～19.6MPa，并且提升发电机组经济性，提高发电厂效率10～12％。
本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。
附图说明
图1为本发明的一种技术方案的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不排除一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。
需要说明的是，下述实施方案中所述实验方法，如无特殊说明，均为常规方法，所述试剂和材料，如无特殊说明，均可从商业途径获得；在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“设置”应做广义理解，例如，可以是固定相连、设置，也可以是可拆卸连接、设置，或一体地连接、设置。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。术语“横向”、“纵向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，并不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
如图1所示，本发明提供一种亚临界参数垃圾焚烧锅炉，包括：
炉膛1，其为单通道，其四面墙采用膜式水冷壁，进行辐射换热，在辅助燃烧器上部布置OFA风系统，所述炉膛1下部布置炉膛OFA喷口2(取消垃圾焚烧锅炉焚烧室12前后拱区的二次风系统)，OFA采用两层大口径直流形式，喷口数量少，阻力低，能覆盖整个炉膛。炉膛1OFA喷口2的设置不仅能有效补充用于燃烧的空气，而且能有效控制焚烧室12烟气温度，让焚烧室12处于还原性区域，炉膛1OFA喷口2上处于氧化性区域，减少炉膛1腐蚀，另外，取消常规垃圾焚烧炉的二次风机，炉膛1OFA喷口2采用一次风机送风。所述炉膛1下部两侧布置点火燃烧器13(取消垃圾焚烧室的辅助燃烧器)，点火燃烧器13采用一次风机送风，所述炉膛1上部设置向炉深方向延伸的折焰角，占炉深近1/2，可以有效均匀炉膛1烟气流场，避免过热器、再热器受炉膛1辐射热造成金属壁温升高，加剧管材腐蚀，折焰角需考虑防磨、防腐措施，采用碳化硅砖+碳化硅耐火捣打料进行防磨防腐。所述炉膛1出口沿炉宽方向并列布置有高温过热器4与高温再热器5；
水平烟道组件，其包括水平烟道、中温过热器6、低温过热器7，所述水平烟道串联设置于所述炉膛1的出口，所述水平烟道由汽冷包墙包覆，所述中温过热器6和低温过热器7沿炉深依次布置在所述水平烟道内；中温过热器6采用顺流+逆流布置，低温过热器7采用逆流布置。
U型烟道组件，其包括U型烟道、低温再热器8、省煤器9，所述U型烟道串联设置于所述水平烟道的出口，所述U型烟道为护板结构，所述低温再热器8、省煤器9依次布置在所述U型烟道的前烟道、后烟道。U型烟道组件占地面积小，节约电厂投资成本。
常规燃油燃煤亚临界锅炉，为达到蒸汽参数，炉膛1出口烟温高(超过1000℃)，炉膛1上部布置有屏式过热器或屏式再热器，通过辐射传热，提高蒸汽参数。焚烧垃圾的锅炉，为了避免金属腐蚀，都不会把受热面布置在炉膛1上部，避免辐射换热，增加金属外壁温度。国内常规多通道卧式或π型垃圾焚烧锅炉，烟气经过多通道，进入过热器入口的烟气温度只有650℃，无法满足亚临界锅炉参数要求，过热器蒸汽出口温度最多能达到485℃，再热蒸汽出口温度无法超过450℃。
如果按照常规燃煤燃气锅炉过热器和再热器布置，将高温过热器4和高温再热器5串联布置，在保证过热器出口蒸汽温度满足541℃的要求时，再热器出口蒸汽温度最高只能达到520℃。本发明综合考虑了各种负荷工况、各种垃圾热值，通过最高壁温危险工况的考量，即最高蒸汽温度和最大吸热率同时发生，控制炉膛1烟气出口温度控制在845℃，将高温过热器4和高温再热器5并排布置在折焰角上部的炉膛1出口，可以保证过热蒸汽温度和再热蒸汽温度达到亚临界参数常规的541℃的要求。
在上述技术方案中，通过设计的高热值垃圾带炉内再热亚临界参数垃圾焚烧锅炉系统，能够适用于超高压到亚临界蒸汽参数，且能通过合理的布置做到有效防腐。
在另一种技术方案中，为了加强炉膛1换热，炉膛1采用膜式水冷壁管焊接密销钉敷设耐火材料，或采用水冷壁管挂设耐火砖，例如导热性能好的碳化硅耐火砖，既能加强炉膛1辐射换热，也能有效避免垃圾烟气对水冷壁的腐蚀。
在另一种技术方案中，高温过热器4和高温再热器5主要采用顺流布置，出口的一圈管子采用逆流布置，将出口介质温度高的管子布置在管组中间，避免空间辐射热造成出口管壁温度升高。优选的，高温过热器4和高温再热器5均采用抗腐蚀性能好的不锈钢材料TP310S，同时管子采用熔覆特殊抗腐蚀材料防止金属腐蚀。
在另一种技术方案中，考虑过热器、再热器流量不同，高温过热器4和高温再热器5管组沿炉宽布置不相等数量管屏，高温过热器4和高温再热器5进口介质温度一致，减少炉宽方向管组出口烟气偏差。
在另一种技术方案中，过热器采用两级喷水减温，即中温过热器6出口、低温过热器7出口。
在另一种技术方案中，再热器采用旁路调节汽温，并增加事故喷水减温装置。
在另一种技术方案中，考虑锅炉运行安全，省煤器9入口集箱增加节流孔，以保证介质向下流动的安全性，省煤器9采用逆流结合顺流布置。
在另一种技术方案中，U型烟道和水平烟道均设置灰斗收集飞灰，并经输灰装置送入渣坑。严格飞灰收集贮存运输管理。
高热值垃圾焚烧生产蒸汽方法，使用所述的亚临界参数垃圾焚烧锅炉，参数设置为：主蒸汽出口温度541℃，再热蒸汽温度541℃，主汽压力17.5MPa.g，所述方法包括：
由一次风机从垃圾坑抽取空气，一次风道与一次风室连通，空气经一次风预热器加热后经一次风室进入炉排11；
启动点火燃烧器13，将垃圾由垃圾料斗经进料口10推入炉排11燃烧；
从一次风道引出空气，经调节挡板调节至合适风压和风量，送入炉膛1的OFA喷口2和点火燃烧器13；
炉排11燃烧产生的烟气经由焚烧室12出口的炉膛1OFA喷口2和空气混合燃烧完全；
烟气经炉膛1上部折焰角均匀进入布置在炉膛1出口的高温过热器4和高温再热器5，然后进入布置在汽冷包墙水平烟道的中温过热器6和低温过热器7，随后烟气进入护板U型烟道内的低温再热器8和省煤器9，最后进入烟气净化装置。
在上述技术方案中，启动点火燃烧器13，将垃圾由垃圾料斗推入炉排11燃烧。产生的烟气经由焚烧室12出口的炉膛1OFA喷口2和空气进一步混合燃烧完全。烟气经炉膛1上部折焰角均匀进入布置在炉膛1出口的高温过热器4和高温再热器5，同时折焰角可分离部分烟气携带的灰分。经过高温过热器4和高温再热器5换热后的烟气进入布置在汽冷包墙水平烟道的中温过热器6和低温过热器7，随后烟气进入护板U型烟道内的低温再热器8和省煤器9，最后进入烟气净化装置。U型烟道和水平烟道均设置灰斗，收集飞灰，飞灰经输灰装置送入渣坑。燃烧所需的空气由一次风机从垃圾坑抽取，经一次风预热器加热后进入炉排11。OFA和燃烧器所需空气不需要加热，从一次风道引出，经调节挡板调节至合适风压和风量，送入炉膛1OFA喷口2和点火燃烧器13。
在另一个技术方案中，焚烧室采用膜式水冷壁，前后拱侧墙水冷壁的介质采用上、下流形式汇集到炉膛1中心侧墙水冷壁再向上流动进入汽包3。通常来说，亚临界参数为避免水循环出现停滞、倒流现象，禁止介质向下流动，本发明采用上、下流形式。高热值垃圾焚烧处理焚烧室采用膜式水冷壁，非高热值的焚烧室经常采用水冷壁和砖砌墙混合结构，高热值垃圾焚烧完全可以取消焚烧室二次风。
目前国内常规垃圾焚烧锅炉均设置二次风，二次风一般需经二次风空气预热器加热送入炉膛1。国内常规垃圾焚烧锅炉一般设置点火燃烧器13和辅助燃烧器，燃烧器均单独设置风机。高热值亚临界参数垃圾焚烧锅炉由于垃圾热值高，二次风不需要加热，焚烧室可以不设置二次风系统，只在焚烧室12出口设置OFA系统。OFA系统不仅能补充空气完全燃烧，而且可以降低炉膛1氮氧化物的产生量。
以中国南方某发达城市的生活垃圾为例，以日处理量1000吨为例，亚临界锅炉规范参数如表1所示，燃料特性如表2所示，锅炉主要热力计算汇总如表3所示。根据亚临界锅炉参数计算可以获得过热器蒸汽流量121.6t/h和再热器蒸汽流量100t/h。通过合理布置锅炉炉膛和各受热面布置，控制炉膛出口烟温845℃，保证高温过热器和高温再热器的出口介质温度满足亚临界参数要求，达到541℃(表3)。其中通过高温过热器和高温再热器的流量和受热面积匹配，做到了入口介质温度一致，减小了炉宽方向烟气的烟温偏差。
表1
项目 单位 额定负荷
过热蒸汽流量 t/h 121.6
过热蒸汽压力 MPa.g 17.5
过热蒸汽温度 ℃ 541
再热蒸汽流量 t/h 100
再热蒸汽进口压力 MPa.g 4.21
再热蒸汽出口压力 MPa.g 4.03
再热蒸汽入口蒸汽温度 ℃ 336
再热蒸汽出口蒸汽温度 ℃ 541
燃料消耗量(垃圾日处理量) t/d 1000
表2
表3
名称 单位 高温过热器 高温再热器 低温过热器 低温再热器
烟气进口温度 ℃ 845 845 639 457
烟气出口温度 ℃ 669 669 457 396
介质进口温度 ℃ 416 416 358 336
介质出口温度 ℃ 541 541 422 416
烟气流量 t/h 126.0 130.7 256.7 256.7
值得注意的是，垃圾焚烧锅炉高参数化的主要障碍在于高温受热面处的高温腐蚀问题。本发明高温受热面主要采用顺流布置，避免了高温烟气与高温蒸汽的相遇，同时在管排出口采用逆流布置，将出口介质温度高的管子布置在管排中间，避免了管排下游烟气空间的辐射造成管壁温度的提高。不仅如此，对于迎烟面管排以及管壁温度相对较高的管排，可进一步采用抗高温腐蚀性能强的SA-213TP310S不锈钢材质，同时管子采用熔覆特殊抗腐蚀材料防止金属腐蚀。综合本发明，可控制高温受热面壁温在较低水平，最大程度缓解了高温腐蚀问题，同时证明了亚临界垃圾焚烧锅炉的可行性。
目前国内次高压参数的垃圾炉电厂效率在23％～25％，超高压带再热的垃圾炉电厂效率在能达到32％，本发明带再热的亚临界蒸汽参数的亚临界能达到36％～38％。以上锅炉热力计算汇总数据可以看出，本发明的亚临界垃圾焚烧锅炉通过合理的布置，能够适用于超高压到亚临界蒸汽参数，且能提高整个垃圾焚烧电厂的发电效率。
这里说明的设备数量和处理规模是用来简化本发明的说明的。对本发明的应用、修改和变化对本领域的技术人员来说是显而易见的。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (10)

1.亚临界参数垃圾焚烧锅炉，其特征在于，包括：
炉膛，其为单通道，其四面墙均采用膜式水冷壁，所述炉膛下部布置OFA喷口，OFA喷口采用一次风机送风，所述炉膛下部两侧布置点火燃烧器，点火燃烧器采用一次风机送风，所述炉膛上部设置向炉深方向延伸的折焰角，所述炉膛出口沿炉宽方向并排并列布置有高温过热器与高温再热器；
水平烟道组件，其包括水平烟道、中温过热器、低温过热器，所述水平烟道串联设置于所述炉膛的出口，所述水平烟道由汽冷包墙包覆，所述中温过热器和低温过热器沿炉深依次布置在所述水平烟道内；
U型烟道组件，其包括U型烟道、低温再热器、省煤器，所述U型烟道串联设置于所述水平烟道的出口，所述U型烟道为护板结构，所述低温再热器、省煤器依次布置在所述U型烟道的前烟道、后烟道。
2.如权利要求1所述的亚临界参数垃圾焚烧锅炉，其特征在于，炉膛采用膜式水冷壁管焊接密销钉敷设耐火材料，或采用水冷壁管挂设耐火砖。
3.如权利要求1所述的亚临界参数垃圾焚烧锅炉，其特征在于，高温过热器和高温再热器主要采用顺流布置，出口的一圈管子采用逆流布置，将出口介质温度高的管子布置在管组中间。
4.如权利要求1所述的亚临界参数垃圾焚烧锅炉，其特征在于，高温过热器和高温再热器管组沿炉宽布置不相等数量管屏，高温过热器和高温再热器进口介质温度一致。
5.如权利要求1所述的亚临界参数垃圾焚烧锅炉，其特征在于，过热器采用两级喷水减温。
6.如权利要求1所述的亚临界参数垃圾焚烧锅炉，其特征在于，再热器采用旁路调节汽温，并增加事故喷水减温装置。
7.如权利要求1所述的亚临界参数垃圾焚烧锅炉，其特征在于，省煤器入口集箱增加节流孔，省煤器采用逆流结合顺流布置。
8.如权利要求1亚临界参数垃圾焚烧锅炉，其特征在于，U型烟道和水平烟道均设置灰斗收集飞灰，并经输灰装置送入渣坑。
9.高热值垃圾焚烧处理生产高品质蒸汽的方法，其特征在于，使用如权利要求1～8任一项所述的亚临界参数垃圾焚烧锅炉，参数设置为：主蒸汽出口温度520～541℃，再热蒸汽温度520～541℃，主汽压力15.7～19.6MPa，所述方法包括：
由一次风机从垃圾坑抽取空气，经一次风预热器加热后进入炉排；
启动点火燃烧器，将垃圾由垃圾料斗经进料口推入炉排燃烧；
从一次风道引出空气，经调节挡板调节至合适风压和风量，送入OFA喷口和点火燃烧器；
炉排燃烧产生的烟气经由焚烧室出口的OFA喷口和空气混合燃烧完全；
烟气经炉膛上部折焰角均匀进入布置在炉膛出口的高温过热器和高温再热器，然后进入布置在汽冷包墙水平烟道的中温过热器和低温过热器，随后烟气进入护板U型烟道内的低温再热器和省煤器，最后进入烟气净化装置。
10.如权利要求9所述高热值垃圾焚烧处理生产高品质蒸汽的方法，其特征在于，焚烧室采用膜式水冷壁，前后拱侧墙水冷壁的介质采用上、下流形式汇集到炉膛中心侧墙水冷壁再向上流动进入汽包。
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