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生活垃圾焚燒爐積灰結(jié)渣問(wèn)題研究

文檔作者：王雋哲徐俊孫軍徐嘉俊文檔來(lái)源：上海電氣集團(tuán)股份有限公司中央研究		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2024年03月03日
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生活垃圾焚燒爐積灰結(jié)渣問(wèn)題研究
王雋哲徐俊孫軍徐嘉俊
(上海電氣集團(tuán)股份有限公司中央研究院上海200070)
摘要對(duì)生活垃圾焚燒鍋爐積灰結(jié)渣的理化性質(zhì)、形成過(guò)程、形成機(jī)理等進(jìn)行了綜述。其中機(jī)理主要從堿金屬熔融、Ca-S
體系積灰、固相燒結(jié)3種類型進(jìn)行了詳細(xì)介紹。對(duì)除渣的普遍方法進(jìn)行了總結(jié)；對(duì)清灰除焦劑的發(fā)展提出了建議。
關(guān)鍵詞積灰結(jié)渣垃圾焚燒鍋爐堿金屬
中圖分類號(hào)：TK6 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672—9064(2017)0爭(zhēng)_005—03
隨著我國(guó)城市化發(fā)展不斷推進(jìn)．生活垃圾填埋所造成的
垃圾圍城、土地污染等問(wèn)題越加凸顯。對(duì)生活垃圾采用的熱
處理方式如熱解、氣化、焚燒可以有效實(shí)現(xiàn)生活垃圾的無(wú)害
化、減量化、資源化。但熱解和氣化對(duì)于垃圾原料的熱值、種
類等要求較嚴(yán)格，不適合我國(guó)生活垃圾分類程度小、無(wú)機(jī)物
含量多等特點(diǎn)。因此目前在我國(guó)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(guò)程中總會(huì)產(chǎn)生一定量的無(wú)機(jī)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(shè)備的則稱為飛灰。飛灰經(jīng)
常在遷移過(guò)程中于熱交換設(shè)備的受熱面上形成積灰和結(jié)渣。
其中積灰是指溫度低于灰熔點(diǎn)的灰粒在受熱面上的沉積：結(jié)
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(jié)下來(lái)。并在受熱面上不斷積聚而成【¨。
1積灰結(jié)渣形成過(guò)程
積灰和結(jié)渣形成過(guò)程較復(fù)雜，包括固、液、氣三相之間的
相態(tài)變化。同時(shí)又伴隨著混合物之間的化學(xué)反應(yīng)。通常積灰
結(jié)渣的形成過(guò)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(kuò)散凝結(jié)、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(jié)渣的
初始層嘲：初始層較薄，形成顆粒的粒度較小，結(jié)渣比表面積
較低。初始層的形成會(huì)阻礙熱傳導(dǎo)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(jié)渣
前后一般會(huì)升高60。80℃．從而更加促進(jìn)了結(jié)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(huì)更易
粘結(jié)在熔融顆粒表面。結(jié)渣從而不斷加劇，逐漸形成過(guò)渡層、
外層．影響正常生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)。
2理化性質(zhì)分析
對(duì)結(jié)渣樣品進(jìn)行了理化性質(zhì)的分析。通過(guò)sEM(掃描電
鏡)、EDS(能譜)對(duì)過(guò)熱器位置結(jié)渣樣品的管壁測(cè)、煙氣側(cè)進(jìn)
行了取樣分析。對(duì)樣品物理特征和化學(xué)組成有了更微觀的認(rèn)
識(shí)．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(jié)渣中的主要構(gòu)成元素為Ca、
Si、S，其他元素包括堿金屬Na、K，堿土金屬M(fèi)g，以及m、P
等元素。其中，對(duì)比兩列數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，管壁側(cè)的堿金屬含量
明顯高于煙氣側(cè)，幾乎是煙氣側(cè)的2倍；而在煙氣側(cè)，S元素
的含量明顯高于管壁側(cè)。
裹l 過(guò)熱器結(jié)渣成分分析
對(duì)比圖l、圖2可以看出煙氣側(cè)的灰渣結(jié)構(gòu)更加松散，
管壁側(cè)顆粒聚團(tuán)更加緊密。說(shuō)明在管壁側(cè)熔融、燒結(jié)現(xiàn)象更
加嚴(yán)重，而結(jié)渣的煙氣側(cè)以物理碰撞粘結(jié)積灰為主。這些化
學(xué)成分和物理結(jié)構(gòu)的差異性都是與結(jié)渣形成的機(jī)理密不可
分的。
￡=======j(乳霉躺
圖1煙氣側(cè)灰渣SEM圖
◆c===：====鴦茁鰳
圖2管壁側(cè)灰渣SEM圖
3生活垃圾焚燒積灰結(jié)渣機(jī)理
由于我國(guó)的生活垃圾基本未經(jīng)過(guò)有效的分類處理．導(dǎo)致
垃圾成分復(fù)雜且具有化學(xué)物質(zhì)含量不穩(wěn)定的特點(diǎn)。這也直接
導(dǎo)致了焚燒爐工況的不穩(wěn)定【¨】。常見(jiàn)的結(jié)渣機(jī)理可以分為
堿金屬熔融引起的結(jié)渣和Ca—S體系引起的結(jié)渣。
3．1堿金屬導(dǎo)致熔融結(jié)渣
由于我國(guó)生活垃圾中?；烊氪罅康牟蛷N垃圾、菜場(chǎng)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(huì)形成氣相的凝結(jié)、沉積；同時(shí)。低熔點(diǎn)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(yīng)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(wàn)方數(shù)據(jù)
等遇到溫度較低的換熱面會(huì)發(fā)生相態(tài)轉(zhuǎn)化，凝結(jié)在低溫金屬
表面【卵]．相關(guān)反應(yīng)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(guò)程中也會(huì)發(fā)生一系列的堿金屬腐蝕換熱器的反應(yīng)。
如：
K20(或其硅酸鹽)+F—FeO(或其硅酸鹽)+K(氣體)
飛灰中常見(jiàn)低熔點(diǎn)共熔物及其熔點(diǎn)見(jiàn)表2。
表2飛灰中常見(jiàn)低熔點(diǎn)共熔物及其熔點(diǎn)
低熔點(diǎn)共熔體熔點(diǎn)／℃
Fe0·FeS
Fe0·燦203·si02
CaO·Fe0
Na20。A1203‘6si02
Na2S04‘Cas04
94JD
1073
1074
1100
912
通過(guò)大量的調(diào)研發(fā)現(xiàn)．堿金屬結(jié)渣在垃圾焚燒爐、生物
質(zhì)焚燒爐、危險(xiǎn)廢物焚燒爐中都廣泛存在。
3．2 Ca—S體系導(dǎo)致結(jié)渣
垃圾中含有大量的含硫物質(zhì)如橡膠、紡織品等，同時(shí)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(guò)多引起污染等問(wèn)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(yīng)通
常是指CaO和SO，在煙氣中發(fā)生的化合反應(yīng)。CaSO。顆粒熔
點(diǎn)超過(guò)1725℃。對(duì)于這種熔點(diǎn)遠(yuǎn)超焚燒溫度的物質(zhì)發(fā)生的
結(jié)渣現(xiàn)象的原因，學(xué)術(shù)界尚無(wú)定論。還原性氣氛、水蒸氣都可
以促進(jìn)硫酸鹽化過(guò)程。除此之外還有部分研究提出了以下幾
種觀點(diǎn)：Cao和SO：發(fā)生的化合反應(yīng)具有放熱作用，促進(jìn)了
結(jié)渣的熔融【8]：Ca在硫酸化過(guò)程中存在燒結(jié)作用和分子間物
理作用的共同影響嘲：鈣長(zhǎng)石CaO·m20，·2Si02和鈣黃長(zhǎng)石
2CaO．址如，·Si02等低溫共熔體的形成加深了結(jié)渣作用[10]。
3．3固相燒結(jié)
除了化學(xué)反應(yīng)和物態(tài)變化．煙氣中還往往伴隨有固相燒
結(jié)的過(guò)程[1l刪．即粉狀物料在低于熔點(diǎn)的高溫作用下。通過(guò)
顆粒間相互粘結(jié)和物質(zhì)傳遞、氣孔排除、體積收縮等過(guò)程形
成的具有一定機(jī)械強(qiáng)度的物料的過(guò)程。
燒結(jié)的溫度要求比熔融要低。泰曼指出，純物質(zhì)的燒結(jié)
溫度殆與熔點(diǎn)弛有一定的線性關(guān)系：
。金屬粉末：珀一(O．3一O．4)Z’m
無(wú)機(jī)鹽：A一0．57‰
硅酸鹽類：死一(O．8一O．9)zh
這些研究也側(cè)面證明了．煙氣中飛灰小顆粒之間發(fā)生粘
結(jié)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(zhì)熔點(diǎn)高于1000℃，而爐溫控制在850℃的低位
運(yùn)行．積灰結(jié)渣問(wèn)題仍然難以避免。
另外．我國(guó)部分焚燒廠存在超負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)的情況，使得爐
內(nèi)焚燒溫度長(zhǎng)期高于設(shè)計(jì)溫度，熔融現(xiàn)象加重；超負(fù)荷進(jìn)料
也會(huì)導(dǎo)致不完全燃燒．使得爐內(nèi)CO含量超標(biāo)形成還原性氣
氛．而還原性氣氛對(duì)積灰結(jié)渣的形成也有明顯的促進(jìn)作用。
灰渣主要成分及其熔點(diǎn)見(jiàn)表3。
表3灰渣主要成分及其熔點(diǎn)
4積灰結(jié)渣的控制
積灰結(jié)渣的控制涉及到工誘優(yōu)化、設(shè)備改進(jìn)、添加劑的
加入等環(huán)節(jié)。工廠在選擇控制措施時(shí)還應(yīng)針對(duì)結(jié)渣的類型進(jìn)
行評(píng)估，以控制成本的前提下實(shí)現(xiàn)較優(yōu)的目標(biāo)[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(yùn)行溫度和焚燒量
下運(yùn)行，鍋爐可以基本保持在40。60天正常運(yùn)行。當(dāng)爐內(nèi)超
負(fù)荷焚燒且溫度較高．鍋爐運(yùn)行周期常?？s減一半．甚至極
端情況下一周內(nèi)就發(fā)生結(jié)渣堵塞，必須停爐清灰。因此嚴(yán)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(yùn)行
可以有效達(dá)到預(yù)防結(jié)渣、延長(zhǎng)停爐周期的目的。
由于焚燒氣氛對(duì)結(jié)渣也有明顯的影響．調(diào)整風(fēng)量風(fēng)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(jié)渣問(wèn)
題。另一方面，在垃圾入爐前進(jìn)行發(fā)酵、淋洗等處理。也可以
減少人爐物質(zhì)的堿金屬等易引起結(jié)渣物質(zhì)的含量。但從而導(dǎo)
致的垃圾滲濾液?jiǎn)栴}仍需相關(guān)技術(shù)處置。
4．2設(shè)備改進(jìn)
由于垃圾焚燒爐的尾部換熱管束排列密集．一旦結(jié)渣物
質(zhì)形成堵塞管束間縫隙。爐內(nèi)壓力會(huì)急速升高．必須及時(shí)進(jìn)
行停爐清灰。
可以通過(guò)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(dá)到延長(zhǎng)停爐清灰周期的目的。但該方式對(duì)于
成本、設(shè)備占地等要求較高。實(shí)際可操作性不高：另一種改進(jìn)
方式是在過(guò)熱器之前布置專門(mén)用來(lái)凝渣的管束。這部分管束
間距較寬，使結(jié)渣一部分提前形成。該方法可以在一定程度
上延長(zhǎng)停爐周期。
4．3物理脫除
在易結(jié)渣的換熱器管柬表面通過(guò)沖刷，刮摩等物理方式
對(duì)粘結(jié)物進(jìn)行清除，可以達(dá)到長(zhǎng)效脫除。但是該方法一般面
2017．No．6． o 萬(wàn)方數(shù)據(jù)
l臨著機(jī)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(jìn)行噴砂．一方面可以對(duì)結(jié)渣
進(jìn)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(guān)文獻(xiàn)提供過(guò)一種基于“清灰子”的積灰脫除裝
置，該裝置通過(guò)套在換熱管上的環(huán)狀物的往復(fù)運(yùn)動(dòng)來(lái)脫除積
灰【14]。該方式具有一定的創(chuàng)新性．但對(duì)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(xué)添加劑混燒的方式來(lái)達(dá)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(duì)于液體添加劑通常通過(guò)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(gè)鍋爐
中。添加劑可以按作用機(jī)理分成3類，具體見(jiàn)表4。
表4清灰除焦劑分類
作用機(jī)理典型添加劑(主要成分)
與堿金屬結(jié)合防止低溫共融物
的形成
形成微爆或疏松效應(yīng)
與酸性氣體反應(yīng)
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(duì)燃煤鍋爐開(kāi)發(fā)或在其基礎(chǔ)上進(jìn)行配方修改。由于燃煤鍋爐
針對(duì)的結(jié)渣機(jī)理和垃圾焚燒結(jié)渣有很大不同．垃圾焚燒鍋爐
在防結(jié)渣添加劑方面仍然需要更深入的研究。
5 總結(jié)
垃圾焚燒鍋爐的受熱面積灰結(jié)渣問(wèn)題是由于其原料的
化學(xué)組成特殊性引起的，具體包括堿金屬、Ca—S體系等引起
的結(jié)渣。
由于垃圾焚燒的原料復(fù)雜言．焚燒爐受熱面結(jié)渣問(wèn)題在
原料上很難解決。只能著眼于工藝優(yōu)化、設(shè)備改造、物理脫
除、加入添加劑等方式。其中，工藝上的改進(jìn)作用效果有限且
可能引發(fā)其他問(wèn)題；設(shè)備改造往往費(fèi)用大、工期長(zhǎng)；物理脫除
對(duì)管壁的磨損不可避免。因此建議新建的焚燒廠在前期對(duì)原
料做好調(diào)研．對(duì)結(jié)渣問(wèn)題在前期就給予考慮，優(yōu)化設(shè)計(jì)，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(kāi)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(zhì)直燃電廠等環(huán)保電廠加速發(fā)展的背景下．開(kāi)發(fā)更有針對(duì)
性的新型藥劑可以彌補(bǔ)現(xiàn)在的市場(chǎng)空缺。
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四川試運(yùn)行世界首條新能源空中鐵路
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(yùn)行。該線總長(zhǎng)146lm。該線為專用試驗(yàn)線，它不同于普通鐵
路采用外接電力驅(qū)動(dòng)的方式．而是采用自主創(chuàng)新開(kāi)發(fā)的超級(jí)
鋰電池能量包作為動(dòng)力源，為我國(guó)首創(chuàng)的新型軌道交通制式。

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