提高垃圾焚燒電廠熱能利用效率的幾個途徑
1.引言
在我國，城市活垃圾焚燒發(fā)電技術是1980代末期開始出現(xiàn)的，以焚燒生活垃圾為目的，實現(xiàn)垃圾減容、滅菌和無害化處理并實現(xiàn)焚燒余熱利用的一種新興生活垃圾處理方式。垃圾焚燒余熱利用主要方式是設置余熱鍋爐，利用余熱鍋爐產(chǎn)生的蒸汽供熱、發(fā)電。有效實現(xiàn)生活垃圾在焚燒爐內(nèi)充分燃燒，在爐內(nèi)完成滅菌、減容、實現(xiàn)無害化處理并最終實現(xiàn)生活垃圾化學能向熱能——電能高效轉(zhuǎn)換，是建設垃圾發(fā)電設施的基本要求，深圳在1988年率先建成國內(nèi)第一座生活垃圾焚燒廠—— 深圳市市政環(huán)衛(wèi)綜合處理廠，并在此基礎上成功對引進的二臺150t／d生活垃圾焚燒鍋爐進行提高發(fā)電工質(zhì)參數(shù)的改造，使單爐發(fā)電能力從500kW提高至 1500kW；與杭州鍋爐廠共同研制爐排型150t／d生活垃圾焚燒鍋爐，在國內(nèi)首次實現(xiàn)大型垃圾焚燒鍋爐國產(chǎn)化。該廠目前已形成處理垃圾 450t／d，4000kw發(fā)電能力，是國內(nèi)第一家投入運行的垃圾焚燒發(fā)電廠，開創(chuàng)了國內(nèi)垃圾焚燒余熱發(fā)電先例。以此為開端，深圳、上海、廣州、寧波、溫州和佛山市的南海區(qū)等沿海地區(qū)經(jīng)濟較為發(fā)達城市已建成一批生活垃圾焚燒處理設施，杭州、北京、天津、鄭州等城市亦開始建設垃圾焚燒發(fā)電廠。目前，國內(nèi)已建成焚燒設施的城市生活垃圾低位熱值大致在4600kJ／噸上下，含水率約為60%左右，與發(fā)達國家城市相比，其特征是熱值低、含水率高、組分成分變化大，垃圾焚燒有一定難度。早期引進建設的垃圾焚燒設施，主要解決生活垃圾減容和無害化處理，垃圾焚燒熱能一電能轉(zhuǎn)換效率較低，如深圳市市政環(huán)衛(wèi)綜合處理廠引進的垃圾焚燒鍋爐焚燒－噸生活垃圾發(fā)電不到75kWh，熱能－電能轉(zhuǎn)換效率遠低于國外垃圾發(fā)電廠，因而垃圾發(fā)電效率仍有潛力可挖。
國內(nèi)目前已建成的生活垃圾發(fā)電設施大都采用引進國外垃圾焚燒設備，與國產(chǎn)中小型汽輪發(fā)電機組配套。垃圾焚燒廠熱用戶主要由三部分構成；汽輪發(fā)電機組—實現(xiàn)熱能向電能轉(zhuǎn)換基本設備，也是垃圾發(fā)電廠最重要熱力設備；外供熱用戶；由熱力除氧器、蒸汽式空氣預熱器、鍋爐給水加熱器等熱力系統(tǒng)配置的熱力設備。經(jīng)近百年開發(fā)、完善，當今各國生產(chǎn)的汽輪發(fā)電機組已相當成熟，內(nèi)效率相當高。進入汽輪機發(fā)電工質(zhì)的大部分可用能可轉(zhuǎn)化為電能并已形成系列產(chǎn)品；對外供熱量則受熱用戶用汽量制約，允許在一定范圍內(nèi)波動，難以保證穩(wěn)定負荷。因而，提高垃圾焚燒熱能－電能轉(zhuǎn)換效率主要途徑是提高垃圾鍋爐熱效率；選擇適當?shù)陌l(fā)電工質(zhì)參數(shù)：完善本廠熱力系統(tǒng)。
2.垃圾焚燒發(fā)電廠熱能利用效率低下的原因
2.1早期垃圾焚燒鍋爐自身熱效率較低
早期引進焚燒設備主要解決低熱值生活垃圾能夠燃燒、減容和無害化處理。限于當時技術條件與客觀因素，即年代國內(nèi)首次引進的垃圾焚燒鍋爐熱效率為65%，遠低于同年代普通工業(yè)鍋爐（80%以上）；電站鍋爐（90%以上）。因垃圾燃燒煙氣中主要由含氯成分構成腐蝕性氣體，對余熱鍋爐受熱面產(chǎn)生高溫腐蝕和低溫腐蝕。余熱鍋爐設計難以選擇較高蒸汽參數(shù)。為避免低溫腐蝕，垃圾鍋爐排煙溫度又不能過低，一般在控制在200℃以上。因而，提高垃圾焚燒鍋爐熱效率亦受到一定限制。
2.2發(fā)電工質(zhì)參數(shù)偏低，進入汽機的可用能偏小
對于選定型號的汽輪發(fā)電機組，其發(fā)電能力主要由進入汽機的工質(zhì)數(shù)量、工質(zhì)參數(shù)以及排汽參數(shù)決定。垃圾焚燒鍋爐提供的工質(zhì)數(shù)量和工質(zhì)參數(shù)對于系統(tǒng)的發(fā)電能力具有決定性的影響。發(fā)電工質(zhì)參數(shù)越高，進入汽機的可用能就越大，可產(chǎn)生的有效做功能力也越大。垃圾焚燒鍋爐提供發(fā)電工質(zhì)應選擇較高溫度和壓力參數(shù)的過熱蒸汽。但與普通余熱鍋爐不同，生活垃圾焚燒的是日常生活產(chǎn)生的不同固體廢棄物構成的混合體，燃燒過程中產(chǎn)生HCL,SOx、NOx、CO2等酸性腐蝕性氣體，其特有燃燒工況極易在鍋爐金屬受熱面產(chǎn)生高溫腐蝕。為避免采用價格昂貴的耐高溫腐蝕所需特殊鋼材（目前主要選用鎳基合金材料，用于垃圾鍋爐過熱器部件制造），控制焚燒鍋爐造價，在當前條件下，垃圾鍋爐蒸汽參數(shù)不宜過高。新加坡TUASⅡ垃圾焚燒廠是目前世界規(guī)模最大的爐排爐型垃圾發(fā)電廠，首期安裝 4x720t／d垃圾焚燒鍋爐，其發(fā)電工質(zhì)參數(shù)為3.2MPa／370℃。大多數(shù)發(fā)達國家垃圾焚燒鍋爐蒸汽參數(shù)在4MPa／400℃以下，均低于常規(guī)小型熱力發(fā)電廠發(fā)電工質(zhì)參數(shù)，因而垃圾電廠熱效率低于小型熱力發(fā)電廠。
2.3機組排汽熱能無法充分利用
受天氣因素影響，排汽參數(shù)不可能低于對應的飽和溫度，一般排汽壓力為0.005－0.009MPa，對應飽和溫度為32.5－43.4℃。蒸汽在汽輪機內(nèi)膨脹做工降壓至排汽壓力后即進入凝汽器中凝結放熱，這部分蒸汽能量難以直接利用，在熱力學上稱之為不可利用熱能，一般占全廠熱能損失60%左右。垃圾焚燒鍋爐熱力系統(tǒng)采用的壓力式熱力除氧器（亦作為一級給水加熱器，提高給水溫度，避免鍋爐省煤器發(fā)生低溫腐蝕）和鍋爐給水加熱器是極為穩(wěn)定、理想的熱用戶，而早期引進的垃圾電廠的蒸汽式空氣預熱器、除氧器、鍋爐給水加熱器直接由鍋爐減壓供汽，未利用其壓差發(fā)電，直接造成了蒸汽可用能的損失。
2.4汽輪發(fā)電機組與鍋爐出力不匹配
一些垃圾焚燒設施選用進口焚燒鍋爐，配置國產(chǎn)的汽輪發(fā)電機組只能選擇系列產(chǎn)品，設計項目雖不考慮擴建，汽輪機組功率往往大于鍋爐最大出力，而電站輔機仍需按汽輪發(fā)電機組額定功率配置。某廠三臺鍋爐總蒸發(fā)量為30t／h，配置6MW汽輪機，發(fā)電汽耗量略大于30t／h。其中除氧器、蒸汽式空氣預熱器由本廠熱力系統(tǒng)直接減壓供汽，用汽量近l0t／h，可供汽輪發(fā)電機組做功汽量不足20t／ha其發(fā)電出力在3MW上下，機組長時期工作在低負荷運行狀態(tài)，熱力系統(tǒng)長期出現(xiàn)小馬拉大車狀況，導致廠用電極大浪費，既不經(jīng)濟，又不安全。亦有個別垃圾焚燒廠配置發(fā)電機組功率遠小于鍋爐平均出力，熱力系統(tǒng)多余蒸汽需直接冷卻，產(chǎn)生不必要熱能損失。
2.5熱力系統(tǒng)設計不完善，一些可利用熱能未充分利用
一些垃圾發(fā)電廠熱力系統(tǒng)設計蒸汽直接冷凝器，用于在緊急狀態(tài)下（如汽機因突發(fā)事故停運）直接冷卻鍋爐蒸汽。為避免直接冷凝器和供汽管道在投用時發(fā)生水擊，要求在焚燒設備運行情況下，冷凝器處于熱備用狀態(tài)，因而必須保證系統(tǒng)直接冷凝設備有少量蒸汽流動，實際運行中其流量調(diào)節(jié)閥開度往往大于實際需要。一些垃圾電廠選擇機組功率偏小，在設備正常運行時，將熱力系統(tǒng)多余蒸汽直接冷卻。供直接冷凝器蒸汽非但不做功，反而需耗能冷卻，產(chǎn)生電能損失和熱能直接冷凝損失。
2.6鍋爐排污的熱能損失
垃圾鍋爐在運行中，為使爐水含鹽量控制在允許范圍內(nèi)，在運行中采用排除一部分爐水，以放走一部分鹽分和爐水中渣、垢，代之以較清潔給水，這種方式稱之為鍋爐排污。鍋爐排污水是壓力較高的飽和水，可以進行減壓，分離一些參數(shù)較低的蒸汽予以利用。
3.提高垃圾焚燒發(fā)電廠熱能利用效率途徑
3.1提高鍋爐熱效率，降低散熱損失
3.1.1 根據(jù)各地生活垃圾不同特性，選擇合適的生活垃圾焚燒鍋爐爐型，其基本要求是，入爐垃圾實現(xiàn)完全焚燒，在焚燒爐床上完成失水，燃燒，燃燼全部過程；鍋爐燃燒溫度850－950℃；不投助燃用油能實現(xiàn)穩(wěn)定燃燒；爐渣熱灼減率＜4.5%；新建垃圾焚燒鍋爐熱效率應大于70%。對于熱效率低的舊設備可考慮進行技術改造，提高熱能利用率，例如深圳市市政環(huán)衛(wèi)綜合處理廠早期引進的二臺垃圾焚燒鍋爐，出口蒸汽為1.6Mpa的飽和蒸汽，僅供一臺背壓式雙列速度級汽輪機組發(fā)電，背壓0.13Mpa且不利用，汽耗率高達17kg/kWh。在對垃圾焚燒鍋爐進行技術改造，加裝過熱器后，出口蒸汽參數(shù)提高到1.4Mpa /350℃，配備一臺國產(chǎn)3000kW汽輪發(fā)電機組，汽耗率降至6.7kg/kWh，在鍋爐熱出力不變的前提下，單爐發(fā)電能力從原來的500kW提高到 1500kW，僅上網(wǎng)發(fā)電一項，二臺焚燒鍋爐年創(chuàng)收益超過500萬元。
3.1.2充分利用鍋爐排污水熱量，降低散熱損失。垃圾焚燒鍋爐在正常運行過程中，需將爐水表面含鹽分較高的爐水排出，一般在上鍋筒設連續(xù)排污系統(tǒng)，排污率為3%左右；此外鍋爐還在底部設定期排污系統(tǒng)，將爐水底部渣、垢排出。鍋爐運行中因排污帶走熱量可設置集中排污擴容熱能利用設備，將這部分熱能有效利用，一般可分離0.2－0.4MPa飽和蒸汽用于熱用戶。按目前較為成熟技術，一臺中參數(shù)蒸發(fā)量為15t/h余熱鍋爐，其排污余熱利用設備可提供 0.2－0.4MPa飽和蒸汽0.2t／h。有三臺同樣蒸發(fā)量鍋爐的垃圾電廠排污余熱每小時可提供0.6－0.7t低參數(shù)蒸汽，目前深圳地區(qū)外供蒸汽價格大約為200元/t，如按垃圾焚燒廠發(fā)電平均價格0.52元／度計，對這部分蒸汽進行有效利用相當于每小時多發(fā)230－270度電，經(jīng)濟效益可觀。
3.2提高鍋爐出口蒸汽參數(shù)
垃圾發(fā)電廠屬于小型熱力發(fā)電廠，發(fā)電工質(zhì)提高壓力需提高熱力設備承壓等級；過高溫度需采用價格昂貴的耐高溫腐蝕金屬材料制造過熱器，其整體經(jīng)濟效益不一定經(jīng)濟。因而，一定要測算出設備投入—產(chǎn)出效能比較并與汽輪發(fā)電機組相匹配，優(yōu)選最佳方案。目前國內(nèi)外大中型垃圾發(fā)電廠常選用發(fā)電工質(zhì)參數(shù)為 4.OMPa／400℃過熱蒸汽，發(fā)電汽耗率小于6.Okg／kWh,2003年建成的溫州第二座垃圾發(fā)電廠，采用國產(chǎn)垃圾焚燒鍋爐，其蒸汽參數(shù)為 3.9Mpa／45090，發(fā)電汽耗率已接近5.Okg／kWh,已達到當代垃圾電廠國際先進水平。
3.3優(yōu)化、完善熱力系統(tǒng)，采用回熱循環(huán)等措施增加熱能利用率
3.3.1減少全廠熱力系統(tǒng)損失，除考慮對外供熱用戶供汽能力外，要求機組發(fā)電能力與全部運行鍋爐最大供汽量相適應。在正常運行工況下，垃圾鍋爐產(chǎn)生的蒸汽全部用于供熱和供汽輪發(fā)電機組發(fā)電，不允許出現(xiàn)熱力系統(tǒng)蒸汽直接旁路冷卻工況，以盡可能利用垃圾焚燒鍋爐提供熱能。
3.3.2選擇抽汽機組，采用回熱循環(huán)增加熱能利用率。垃圾電廠熱力系統(tǒng)的除氧器、蒸汽式空氣預熱器和低壓給水加熱器是用汽量基本恒定的熱用戶。選用抽汽機組將汽輪機高壓段作過功部分蒸汽抽出供熱力系統(tǒng)混合式加熱器（熱力除氧器）表面式加熱器（低壓給水加熱器、蒸汽式空氣預熱器等）用于給水除氧、加熱鍋爐給水和助燃空氣，可充分利用這部分蒸汽中所蘊涵的較低品質(zhì)熱能，提高了系統(tǒng)的整體效率。一般發(fā)電工質(zhì)采用次中參數(shù)以上，單機容量在30O0kW以上的垃圾電廠應選用抽汽—凝汽式汽輪機組，對本廠熱力系統(tǒng)蒸汽式空氣預熱器、除氧器和低壓給水加熱器采取多級抽汽供系統(tǒng)回熱循環(huán)。其中一段抽汽參數(shù)較高，供蒸汽式助燃空氣預熱器，做功后背壓進除氧器；二段和三段抽汽供除氧器和低壓給水加熱器。從熱力發(fā)電廠意義來看，垃圾電廠仍屬于小型火力發(fā)電廠，抽汽級數(shù)不宜過多，以免造成垃圾電廠熱力系統(tǒng)過于復雜，反而不利于系統(tǒng)管理和運行。
3.4對入爐垃圾前進行適度堆酵，提高鍋爐燃燒效率
對入爐垃圾進行堆酵，可實現(xiàn)部分滲瀝液瀝除，同時在攪拌過程中，一部分無機質(zhì)材料沉入存貯池底，垃圾實現(xiàn)脫水、減重，可有效提高單位質(zhì)量入爐垃圾低位熱值，促進垃圾在爐內(nèi)的完全燃燒，提高焚燒垃圾燃燒效率。深圳市政環(huán)衛(wèi)綜合處理廠的經(jīng)驗，對含水率在60%以上的低熱值生活垃圾在焚燒前進行2－3天的堆酵，可瀝除12%左右的滲瀝液，整體減重約20%，實際入爐垃圾低位熱值增加836kJ／kg.提高入爐垃圾熱值，亦是提高系統(tǒng)整體熱效率的一種有效方法。
4.結論
由于垃圾焚燒爐產(chǎn)生的煙氣具有腐蝕性大、易產(chǎn)生高溫腐蝕和低溫腐蝕的特點，制約了鍋爐蒸汽參數(shù)的提升，其整體熱效率低于一般的電站鍋爐。但可通過適當選型、降低焚燒鍋爐散熱損失、對進廠垃圾進行堆酵以瀝出其中水分、提高入爐垃圾低位熱值等方法和手段提高鍋爐熱效率；通過適當提高發(fā)電工質(zhì)參數(shù)、選用熱效率較高的汽輪機發(fā)電機組、采用回熱循環(huán)等措施提高系統(tǒng)發(fā)電效率，從而提高垃圾焚燒發(fā)電廠整體的熱能利用效率。
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