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生活垃圾焚燒爐積灰結渣問題研究

文檔作者：王雋哲徐俊孫軍徐嘉俊文檔來源：上海電氣集團股份有限公司中央研究		點擊數(shù)：	更新時間： 2024年03月03日
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生活垃圾焚燒爐積灰結渣問題研究
王雋哲徐俊孫軍徐嘉俊
(上海電氣集團股份有限公司中央研究院上海200070)
摘要對生活垃圾焚燒鍋爐積灰結渣的理化性質、形成過程、形成機理等進行了綜述。其中機理主要從堿金屬熔融、Ca-S
體系積灰、固相燒結3種類型進行了詳細介紹。對除渣的普遍方法進行了總結；對清灰除焦劑的發(fā)展提出了建議。
關鍵詞積灰結渣垃圾焚燒鍋爐堿金屬
中圖分類號：TK6 文獻標識碼：A 文章編號：1672—9064(2017)0爭_005—03
隨著我國城市化發(fā)展不斷推進．生活垃圾填埋所造成的
垃圾圍城、土地污染等問題越加凸顯。對生活垃圾采用的熱
處理方式如熱解、氣化、焚燒可以有效實現(xiàn)生活垃圾的無害
化、減量化、資源化。但熱解和氣化對于垃圾原料的熱值、種
類等要求較嚴格，不適合我國生活垃圾分類程度小、無機物
含量多等特點。因此目前在我國垃圾直接焚燒發(fā)電依然是較
為主流的垃圾熱處理方式。
生活垃圾焚燒過程中總會產(chǎn)生一定量的無機物廢渣。其
中爐膛(以流化床為例)底部出渣口排出的稱為底渣。隨煙氣
遷移到工藝流程下游煙氣處理等設備的則稱為飛灰。飛灰經(jīng)
常在遷移過程中于熱交換設備的受熱面上形成積灰和結渣。
其中積灰是指溫度低于灰熔點的灰粒在受熱面上的沉積：結
渣主要是由煙氣中夾帶的熔融或半熔融的灰粒接觸到受熱
面凝結下來。并在受熱面上不斷積聚而成【¨。
1積灰結渣形成過程
積灰和結渣形成過程較復雜，包括固、液、氣三相之間的
相態(tài)變化。同時又伴隨著混合物之間的化學反應。通常積灰
結渣的形成過程如下：焚燒物在爐膛中焚燒產(chǎn)生煙氣。其中
的小顆粒在氣相擴散凝結、熱泳(溫度梯度使得顆粒向低溫
表面沉積)、電泳沉積等作用下，在受熱面形成了積灰結渣的
初始層嘲：初始層較薄，形成顆粒的粒度較小，結渣比表面積
較低。初始層的形成會阻礙熱傳導作用，煙氣中多余熱量的
傳遞就受到影響，換熱器性能降低，受熱面平均溫度在結渣
前后一般會升高60。80℃．從而更加促進了結渣等在高溫下
熔融．飛灰中的顆粒在慣性撞擊、分子間力等作用下會更易
粘結在熔融顆粒表面。結渣從而不斷加劇，逐漸形成過渡層、
外層．影響正常生產(chǎn)運營。
2理化性質分析
對結渣樣品進行了理化性質的分析。通過sEM(掃描電
鏡)、EDS(能譜)對過熱器位置結渣樣品的管壁測、煙氣側進
行了取樣分析。對樣品物理特征和化學組成有了更微觀的認
識．樣品取自江蘇省某生活垃圾焚燒廠(表1)。
從表l中數(shù)據(jù)可以看出，結渣中的主要構成元素為Ca、
Si、S，其他元素包括堿金屬Na、K，堿土金屬Mg，以及m、P
等元素。其中，對比兩列數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，管壁側的堿金屬含量
明顯高于煙氣側，幾乎是煙氣側的2倍；而在煙氣側，S元素
的含量明顯高于管壁側。
裹l 過熱器結渣成分分析
對比圖l、圖2可以看出煙氣側的灰渣結構更加松散，
管壁側顆粒聚團更加緊密。說明在管壁側熔融、燒結現(xiàn)象更
加嚴重，而結渣的煙氣側以物理碰撞粘結積灰為主。這些化
學成分和物理結構的差異性都是與結渣形成的機理密不可
分的。
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圖1煙氣側灰渣SEM圖
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圖2管壁側灰渣SEM圖
3生活垃圾焚燒積灰結渣機理
由于我國的生活垃圾基本未經(jīng)過有效的分類處理．導致
垃圾成分復雜且具有化學物質含量不穩(wěn)定的特點。這也直接
導致了焚燒爐工況的不穩(wěn)定【¨】。常見的結渣機理可以分為
堿金屬熔融引起的結渣和Ca—S體系引起的結渣。
3．1堿金屬導致熔融結渣
由于我國生活垃圾中常混入大量的餐廚垃圾、菜場垃圾
等，這將引人大量的Na、K等堿金屬元素【5]。在焚燒爐固定的
焚燒溫度(一般在750～850℃)下，飛灰中的堿金屬及其化合
物常易發(fā)生氣化，典型的組分如Na、K：其在接觸到溫度較低
的換熱面就會形成氣相的凝結、沉積；同時。低熔點的堿金屬
鹽類如NaCl、KCl、Na2s04、K§04，以及堿金屬氧化物與SiO：
等在高溫下反應生成低溫共融物如Na如．2SiO：、K如．4SiO：
作者筒介：王雋哲(199∞)，男。助理工程師，碩士研究生，研究方向：固體廢物處置。
2017|No．6．9 萬方數(shù)據(jù)
等遇到溫度較低的換熱面會發(fā)生相態(tài)轉化，凝結在低溫金屬
表面【卵]．相關反應如下：
2SiO—NaC0f_+Na20·2SiO—C02
4siO升K2C03_'K20·4SiO才C02
除了上述低溫共融物的生成所造成的積灰等現(xiàn)象，垃圾
焚燒過程中也會發(fā)生一系列的堿金屬腐蝕換熱器的反應。
如：
K20(或其硅酸鹽)+F—FeO(或其硅酸鹽)+K(氣體)
飛灰中常見低熔點共熔物及其熔點見表2。
表2飛灰中常見低熔點共熔物及其熔點
低熔點共熔體熔點／℃
Fe0·FeS
Fe0·燦203·si02
CaO·Fe0
Na20。A1203‘6si02
Na2S04‘Cas04
94JD
1073
1074
1100
912
通過大量的調研發(fā)現(xiàn)．堿金屬結渣在垃圾焚燒爐、生物
質焚燒爐、危險廢物焚燒爐中都廣泛存在。
3．2 Ca—S體系導致結渣
垃圾中含有大量的含硫物質如橡膠、紡織品等，同時如
果生活垃圾摻煤混燒，也不可避免地增加硫元素的含量。另
一方面，為避免焚燒煙氣中SO：等過多引起污染等問題，需
要加入石灰石或鈣基脫硫劑一起焚燒。Ca—S體系的反應通
常是指CaO和SO，在煙氣中發(fā)生的化合反應。CaSO。顆粒熔
點超過1725℃。對于這種熔點遠超焚燒溫度的物質發(fā)生的
結渣現(xiàn)象的原因，學術界尚無定論。還原性氣氛、水蒸氣都可
以促進硫酸鹽化過程。除此之外還有部分研究提出了以下幾
種觀點：Cao和SO：發(fā)生的化合反應具有放熱作用，促進了
結渣的熔融【8]：Ca在硫酸化過程中存在燒結作用和分子間物
理作用的共同影響嘲：鈣長石CaO·m20，·2Si02和鈣黃長石
2CaO．址如，·Si02等低溫共熔體的形成加深了結渣作用[10]。
3．3固相燒結
除了化學反應和物態(tài)變化．煙氣中還往往伴隨有固相燒
結的過程[1l刪．即粉狀物料在低于熔點的高溫作用下。通過
顆粒間相互粘結和物質傳遞、氣孔排除、體積收縮等過程形
成的具有一定機械強度的物料的過程。
燒結的溫度要求比熔融要低。泰曼指出，純物質的燒結
溫度殆與熔點弛有一定的線性關系：
。金屬粉末：珀一(O．3一O．4)Z’m
無機鹽：A一0．57‰
硅酸鹽類：死一(O．8一O．9)zh
這些研究也側面證明了．煙氣中飛灰小顆粒之間發(fā)生粘
結作用的溫度可能大大低于其熔融溫度。所以即使飛灰中絕
大多數(shù)純物質熔點高于1000℃，而爐溫控制在850℃的低位
運行．積灰結渣問題仍然難以避免。
另外．我國部分焚燒廠存在超負荷運轉的情況，使得爐
內(nèi)焚燒溫度長期高于設計溫度，熔融現(xiàn)象加重；超負荷進料
也會導致不完全燃燒．使得爐內(nèi)CO含量超標形成還原性氣
氛．而還原性氣氛對積灰結渣的形成也有明顯的促進作用。
灰渣主要成分及其熔點見表3。
表3灰渣主要成分及其熔點
4積灰結渣的控制
積灰結渣的控制涉及到工誘優(yōu)化、設備改進、添加劑的
加入等環(huán)節(jié)。工廠在選擇控制措施時還應針對結渣的類型進
行評估，以控制成本的前提下實現(xiàn)較優(yōu)的目標[13]。
4．1工藝的優(yōu)化
以流化床垃圾焚燒爐為例．在正常的運行溫度和焚燒量
下運行，鍋爐可以基本保持在40。60天正常運行。當爐內(nèi)超
負荷焚燒且溫度較高．鍋爐運行周期常?？s減一半．甚至極
端情況下一周內(nèi)就發(fā)生結渣堵塞，必須停爐清灰。因此嚴格
控制焚燒量．垃圾熱值等焚燒條件．從而控制爐溫穩(wěn)定運行
可以有效達到預防結渣、延長停爐周期的目的。
由于焚燒氣氛對結渣也有明顯的影響．調整風量風溫從
而防止還原性氣氛的形成也可以在一定程度上緩解結渣問
題。另一方面，在垃圾入爐前進行發(fā)酵、淋洗等處理。也可以
減少人爐物質的堿金屬等易引起結渣物質的含量。但從而導
致的垃圾滲濾液問題仍需相關技術處置。
4．2設備改進
由于垃圾焚燒爐的尾部換熱管束排列密集．一旦結渣物
質形成堵塞管束間縫隙。爐內(nèi)壓力會急速升高．必須及時進
行停爐清灰。
可以通過增加換熱管束間距。增加焚燒爐尾部煙氣通道
截面積的方式達到延長停爐清灰周期的目的。但該方式對于
成本、設備占地等要求較高。實際可操作性不高：另一種改進
方式是在過熱器之前布置專門用來凝渣的管束。這部分管束
間距較寬，使結渣一部分提前形成。該方法可以在一定程度
上延長停爐周期。
4．3物理脫除
在易結渣的換熱器管柬表面通過沖刷，刮摩等物理方式
對粘結物進行清除，可以達到長效脫除。但是該方法一般面
2017．No．6． o 萬方數(shù)據(jù)
l臨著機械磨損、裝置成本等方面的限制。
具體方式如定期在煙道內(nèi)進行噴砂．一方面可以對結渣
進行物理沖擊使其脫落。另一方面可使煙氣中還未黏附的熔
融顆粒隨砂礫帶走。
另有相關文獻提供過一種基于“清灰子”的積灰脫除裝
置，該裝置通過套在換熱管上的環(huán)狀物的往復運動來脫除積
灰【14]。該方式具有一定的創(chuàng)新性．但對鍋爐改造難度提出了
較高的要求。
4．4添加劑脫除
在不影響現(xiàn)有工況、不改造裝置的前提下．可使用加入
化學添加劑混燒的方式來達到清灰除焦的效果。添加劑可能
是液體或固體．投加方式可以是與垃圾混合后入爐也可以是
從爐膛看火孔投加。對于液體添加劑通常通過特殊霧化裝置
從看火孔噴入爐膛．從而使添加劑更均勻分散到整個鍋爐
中。添加劑可以按作用機理分成3類，具體見表4。
表4清灰除焦劑分類
作用機理典型添加劑(主要成分)
與堿金屬結合防止低溫共融物
的形成
形成微爆或疏松效應
與酸性氣體反應
氧化鋁、高嶺土、鎂鹽等堿土金
屬鹽類或氧化物[15]
硝酸鹽類、硼砂等[16]
生石灰等
目前市面上的起清灰除焦作用的添加劑產(chǎn)品大都是針
對燃煤鍋爐開發(fā)或在其基礎上進行配方修改。由于燃煤鍋爐
針對的結渣機理和垃圾焚燒結渣有很大不同．垃圾焚燒鍋爐
在防結渣添加劑方面仍然需要更深入的研究。
5 總結
垃圾焚燒鍋爐的受熱面積灰結渣問題是由于其原料的
化學組成特殊性引起的，具體包括堿金屬、Ca—S體系等引起
的結渣。
由于垃圾焚燒的原料復雜言．焚燒爐受熱面結渣問題在
原料上很難解決。只能著眼于工藝優(yōu)化、設備改造、物理脫
除、加入添加劑等方式。其中，工藝上的改進作用效果有限且
可能引發(fā)其他問題；設備改造往往費用大、工期長；物理脫除
對管壁的磨損不可避免。因此建議新建的焚燒廠在前期對原
料做好調研．對結渣問題在前期就給予考慮，優(yōu)化設計，避免
二次改造造成的不必要成本投入：清灰除焦添加劑的開發(fā)方
面仍有較大空間，尤其是在火電廠發(fā)展減速，垃圾發(fā)電廠、生
物質直燃電廠等環(huán)保電廠加速發(fā)展的背景下．開發(fā)更有針對
性的新型藥劑可以彌補現(xiàn)在的市場空缺。
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空中鐵路把鐵軌架在空中，把車廂掛在空中，節(jié)約用地，
是四川特有的景觀。去年底，四川首條新能源空鐵成功投入
運行。該線總長146lm。該線為專用試驗線，它不同于普通鐵
路采用外接電力驅動的方式．而是采用自主創(chuàng)新開發(fā)的超級
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