提高垃圾焚燒發(fā)電廠熱效率的措施

1、提高垃圾焚燒發(fā)電廠熱效率的措施重慶三峰卡萬塔環(huán)境產(chǎn)業(yè)有限公司 劉思明 鄭雪艷摘要：本文以國內(nèi)某垃圾焚燒發(fā)電廠為研究對象，結(jié)合實際分析了影響垃圾焚燒發(fā)電廠熱效率的主要因素；并結(jié)合運行經(jīng)驗，提出了提高垃圾焚燒發(fā)電廠熱效率的措施及改造方案。0 概述焚燒可減少垃圾量80%以上，這種方式能實現(xiàn)垃圾無害化處理，減少填埋用地；焚燒產(chǎn)生的熱量可以加以回收利用來供熱、發(fā)電等，達(dá)到回收利用資源的目的；更能為企業(yè)帶來很好的經(jīng)濟效益。目前，國內(nèi)很多城市如深圳、上海、重慶、廣州、成都等都已經(jīng)采用垃圾焚燒發(fā)電方式來解決城市生活垃圾處理問題。很多大型的垃圾焚燒發(fā)電廠已經(jīng)初步實現(xiàn)了環(huán)保、社會和經(jīng)

2、濟的“三贏”，成為垃圾焚燒發(fā)電的成功典范，加快了我國生活垃圾處理實現(xiàn)“三化”的進程。本文以國內(nèi)某大型垃圾焚燒發(fā)電廠為研究對象，針對設(shè)計及運行調(diào)整中存在的一些問題，對影響熱效率的因素、提高熱效率的方法進行研究與探討，以期為垃圾焚燒發(fā)電廠熱效率的提高提供有意義的指導(dǎo)。1 熱效率的主要影響因素1.1 熱效率的影響因素概述1.1.1 焚燒鍋爐的效率在垃圾焚燒鍋爐中，將垃圾中的化學(xué)能轉(zhuǎn)換為蒸汽中的熱能，其能量轉(zhuǎn)換效率(以h 表示)即焚燒鍋爐效率，比現(xiàn)代火電廠鍋爐效率低得多。h = h ´h ，其111a1b中h&#

3、160;為燃燒效率，即化學(xué)能轉(zhuǎn)換為煙氣中熱能的百分比；h 為熱能回收效率，1a1b即煙氣中熱能轉(zhuǎn)換為蒸汽中熱能的百分比。我們對某垃圾電廠和某火電廠鍋爐的效率進行了比較，結(jié)果如表1所示。表 1 現(xiàn)代垃圾電廠與現(xiàn)火電廠鍋爐效率的比較能力轉(zhuǎn)換垃圾化學(xué)能煙氣熱能（h ）1a煙氣熱能蒸汽熱能（h ）1b現(xiàn)代垃圾電廠9088現(xiàn)代火電廠9893鍋爐效率（h = h ´h ）799111a1b1造成垃圾焚燒鍋爐效率低下的原因有： ）城市生活垃圾的高水分、低熱值；2）焚燒鍋爐熱功率相對較小，蒸發(fā)量一般不

4、會超過100t/h，出于經(jīng)濟原因，能量回收措施有局限性；3）垃圾焚燒后煙氣中含灰塵及各種復(fù)雜成份，帶來燃燒室內(nèi)熱回收的局限性。4）為了確保煙氣凈化處理系統(tǒng)的進口煙氣溫度滿足要求，設(shè)計時考慮垃圾焚燒鍋爐排煙溫度一般為220左右，大大高于火電廠鍋爐排煙溫度。也就是說為了環(huán)保效益犧牲了垃圾焚燒鍋爐的經(jīng)濟效益。1.1.2 蒸汽參數(shù)的影響垃圾焚燒鍋爐生產(chǎn)的蒸汽其參數(shù)偏低，原因如下： 1）焚燒鍋爐的熱功率較小，在同容量的小型火電廠中也同樣不會應(yīng)用高壓蒸汽參數(shù)； 2）焚燒鍋爐燃燒氣體中含有的氯化物鹽類會引起過熱器的高溫腐蝕。在歐洲與美國，過熱器管材應(yīng)用低合金鋼與高鎳合金，蒸汽參

5、數(shù)一般不超過 4.5MPa，450。1.1.3 給水回?zé)嵯到y(tǒng)熱效率的影響汽輪機組的給水回?zé)嵯到y(tǒng)既是汽輪機熱力系統(tǒng)的基礎(chǔ) ,該系統(tǒng)的性能直接影響到機組的安全和經(jīng)濟性，對全廠的熱經(jīng)濟性也起著決定性的作用。因此，在實際的運行過程中，要保證該系統(tǒng)處于良好的工作狀態(tài)。1.1.4 廠用電率的影響垃圾焚燒發(fā)電由于其特殊性，廠用電率較高，約為 17%25 %，其原因為：1）垃圾焚燒發(fā)電廠容量小、蒸汽參數(shù)低；2）系統(tǒng)復(fù)雜，輔機數(shù)量及耗電量增加。垃圾輸送儲存及爐排驅(qū)動系統(tǒng)能耗較大；同時，因垃圾焚燒產(chǎn)生的煙氣中有害成分較多，需要有煙氣凈化處理系統(tǒng)等，增加了

6、輔機，并導(dǎo)致引風(fēng)機功率增加。同樣，我們對上述兩個發(fā)電廠進行比較，結(jié)果如表 2 所示，蒸汽熱能轉(zhuǎn)換為發(fā)電電能的效率用h 表示；發(fā)電電能轉(zhuǎn)換為供電電能的效率用h ，h =1-廠用電233率；發(fā)電效率h= h ´h ；供電效率h= h ´h ´h 。發(fā)12供123表 2 現(xiàn)代垃圾電廠與現(xiàn)代火電廠全廠效率的比較能量轉(zhuǎn)換符號   現(xiàn)代垃圾焚燒發(fā)電廠現(xiàn)代火力發(fā)電廠化學(xué)能蒸汽熱能h79911蒸汽熱能發(fā)電電能h2

7、8452發(fā)電電能供電電能h78953發(fā)電效率h發(fā)= h ´h12h發(fā)2241供電效率h供= h ´h ´h1 23h供17391.2 垃圾焚燒發(fā)電廠熱效率的主要影響因素根據(jù)上述分析，針對鍋爐熱效率不高的實際, 通過對某垃圾焚燒發(fā)電廠實際運行情況的認(rèn)真分析與探討, 并結(jié)合鍋爐實際運行中出現(xiàn)的問題和取得的經(jīng)驗,總結(jié)出了影響該焚燒發(fā)電廠熱效率的幾點原因：(1) 垃圾的混合均勻程度、給料速度、爐排運動速度；(2) 一次風(fēng)的分配；(3) 排煙溫度高,

8、60;排煙熱損失大；(4) 傳熱較差或長期運行導(dǎo)致傳熱惡化特別是蒸發(fā)管束的積灰；(5) 爐膛負(fù)壓過大導(dǎo)致的漏風(fēng)以及保溫狀況；(6)給水回?zé)嵫h(huán)的熱效率；(7)廠用電率。2 提高垃圾焚燒發(fā)電廠鍋爐熱效率的措施針對前面分析的影響鍋爐熱效率的因素, 結(jié)合實際運行中取得的經(jīng)驗與存在的問題, 共同探討出了如下的解決辦法。2.1 蒸發(fā)管束的積灰積灰速度太快，過熱器溫度升高，蒸發(fā)量下降，排煙溫度升高，熱損失增加，廠用電增加，對系統(tǒng)影響很大。前期與后期運行參數(shù)的變化較大就說明了上述問題。鍋爐受熱面不足是導(dǎo)致鍋爐蒸汽產(chǎn)量下降的主要原因。鍋爐產(chǎn)量降低，并

9、造成鍋爐出力與汽輪機能力不匹配，致使整個蒸汽發(fā)電系統(tǒng)效率降低。積灰問題的存在，影響余熱鍋爐效率，導(dǎo)致裝置能耗升高，經(jīng)濟效益下降。造成上述問題的主要原因：一是光管的換熱系數(shù)相對較低，傳熱效果差；二是受熱面順列布置，設(shè)計意圖是減少積灰，為了加強傳熱，保護過熱器而把管束節(jié)距又設(shè)計的太小，這本身就是矛盾的，實際運行中由于垃圾所含灰分較多、管束節(jié)距小且受熱容易積灰，致使換熱更加的惡化。通過在該電廠的現(xiàn)場調(diào)查及與該電廠的技術(shù)人員交流發(fā)現(xiàn)，鍋爐系統(tǒng)的對流受熱面中，蒸發(fā)器的積灰最為嚴(yán)重。蒸發(fā)器是余熱鍋爐重要的受熱面，蒸發(fā)器起著保護過熱器，調(diào)節(jié)煙溫的重要作用。但在實際運行中普遍存在以下問題：因吹灰而帶來的管子破

10、損，由于余熱鍋爐具有大量的換熱管束，而煙氣中含有較多量的灰份，隨著運行時間的推移導(dǎo)致管子嚴(yán)重積灰，影響了傳熱及煙氣的流動。為了提高鍋爐的熱效率，我們建議取掉部分蒸發(fā)器換熱管，增大管子節(jié)距。改造前一級蒸發(fā)管束原設(shè)為錯列布置，結(jié)構(gòu)如圖1所示，節(jié)距為110mm，管凈距為72mm,管子規(guī)格為38×4.5,材質(zhì)為20G，管排數(shù)為118排，每排3根管子。改造后的一級蒸發(fā)管束改為順列布置，結(jié)構(gòu)如圖2所示，節(jié)距改為220mm，管凈距增至182mm，管排數(shù)減至59排。圖1 改造前的一級蒸發(fā)器管束結(jié)構(gòu)示意圖圖2 改造后的一級蒸發(fā)器管束結(jié)構(gòu)示意圖經(jīng)過計算，垃圾熱值為 7000

11、kJ/kg、工質(zhì)進出口溫度不變的條件下，改造后一級蒸發(fā)管束進出口煙氣溫度由原來 647/599變成 647/628，一級蒸發(fā)管束的出口煙溫比原設(shè)計提高了 29。主要原因有二：一是原設(shè)計的一級蒸發(fā)器管圈數(shù)為 4 圈，而現(xiàn)有的蒸發(fā)器管圈數(shù)為 3 圈，換熱面積減少了 1/4；二是本次改造使得蒸發(fā)器換熱面積又減少了 1/2。因此，相對于原設(shè)計，換熱面積減少了 5/8。在高過進口蒸汽溫度不變的情況下，主蒸汽溫度由原來的 400變?yōu)?#160;405。在實際運行中，我們可以通過調(diào)節(jié)減溫水量來調(diào)節(jié)主

12、蒸汽的溫度。因此，不會影響電廠的正常運行。同時對受熱面必須及時吹灰 , 保持受熱面外壁清潔，還要保證軟化除氧水及蒸汽的品質(zhì), 防止出現(xiàn)汽水管道結(jié)垢現(xiàn)象。2.2 一次風(fēng)的分配爐排面的下部設(shè)有一次風(fēng)室供應(yīng)垃圾燃燒所需空氣并且對爐排片的進行冷卻，為了對垃圾起到良好的干燥及助燃效果，一次風(fēng)空氣進入焚燒爐之前，先通過蒸汽式空氣預(yù)熱器加熱到 220，然后從爐排下部分段送風(fēng)。垃圾在爐排上的燃燒分為三個階段：干燥段、燃燒段、燃盡段。所研究垃圾發(fā)電廠每列爐排下布置有四個風(fēng)室，分別對爐排的四個部分供應(yīng)一次風(fēng)。用一次風(fēng)風(fēng)量調(diào)節(jié)閥的開度控制每段風(fēng)的風(fēng)量。改造前的一次風(fēng)

13、管結(jié)構(gòu)尺寸如圖 3 所示，經(jīng)過風(fēng)管的阻力計算我們發(fā)現(xiàn)只有 5%10%的風(fēng)量進入第一風(fēng)室，對垃圾進行干燥。而有接近 70%的風(fēng)量進入第二風(fēng)室，進入第三風(fēng)室的占 15%左右，進入第四風(fēng)室的占 10%左右。目前，風(fēng)量調(diào)節(jié)板一直處于全開狀態(tài)，對風(fēng)量起不到控制作用。考慮到垃圾含水量高、發(fā)熱值低的特點，干燥段的風(fēng)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有達(dá)到要求。在這種情況下垃圾得不到充分的干燥，就在爐排的推動下進入燃燒段燃燒。由于含水量較高，垃圾不能得到充分的燃燒，會生成更多的一氧化碳，甚至?xí)?dǎo)致爐膛內(nèi)充滿濃煙，增大不完全燃燒損失。另外，根據(jù)研究二噁英的生成與燃料在燃燒時產(chǎn)生

14、 CO 量的多少有著密切的關(guān)系，因此我們在設(shè)計時，考慮了足夠的過量空氣系數(shù)和特殊的一、二次風(fēng)進風(fēng)方式及合理配比，保證燃料的完全燃燒，盡量避免 CO 的生成。針對以上情況，為了使垃圾得到更好的燃燒，我們采取以下措施：對一次風(fēng)管進行改造，增大第一風(fēng)室風(fēng)管的進口尺寸和第一風(fēng)室的風(fēng)管直徑，使改造后進入第一風(fēng)室的風(fēng)量可以達(dá)到 30%，利用風(fēng)量調(diào)節(jié)閥控制流量；同時，增大第三風(fēng)室的風(fēng)管進口尺寸，使更多的一次風(fēng)進入該尾部燃燒段，有利于垃圾充分燃燒。改造后的一次風(fēng)管結(jié)構(gòu)尺寸如圖 4 所示，這樣進入第二風(fēng)室和燃盡段的風(fēng)量就相應(yīng)減少，風(fēng)量的分配更

15、加合理。垃圾得到充分的干燥，有利于充分燃燒。因此，燃盡段需要的風(fēng)量就相應(yīng)減少。圖 3 改造前一次風(fēng)管結(jié)構(gòu)示意圖圖 4 改造后一次風(fēng)管結(jié)構(gòu)示意圖2.3 排煙損失排煙熱損失是煙氣離開鍋爐末級受熱面帶走的部分熱量 , 是鍋爐最主要的熱損人。該值可按排煙溫度焓與冷空氣焓差來求得。Q = K (H1py - H lk ) ´100式中： k 為燃燒產(chǎn)物修正值； Hpy為排煙焓值， H lk

16、0;為冷空氣焓值（包括空氣過剩系數(shù)的大?。纳鲜娇梢钥闯?，排煙熱損失的大小主要取決于排煙溫度和過量空氣系數(shù)的大小。1) 排煙溫度的高低, 是鍋爐的基本設(shè)計參數(shù)之一。設(shè)計鍋爐時 , 首先要對該參數(shù)進行科學(xué)選定。鍋爐排煙溫度的合理選定, 直接影響到鍋爐機組的經(jīng)濟性和其尾部受熱面工作的安全性。選擇并在實際操作中達(dá)到較低的排煙溫度 ,可以較明顯降低鍋爐的排煙熱損失 , 有利于提高鍋爐的熱效率 , 節(jié)約能源及降低鍋爐的運行費用。研究結(jié)果表明，在鍋爐的過?？諝庀禂?shù)一定, 其排煙溫度每升高或降低&

17、#160;15左右時, 排煙熱損失就會升高或降低 1%左右。因此,鍋爐在運行中, 應(yīng)盡量降低其排煙溫度。當(dāng)然, 排煙溫度的高低同時也受鍋爐出力和尾部受熱面的影響。2) 過量空氣系數(shù)鍋爐運行中爐膛及煙風(fēng)道不同程度的漏風(fēng)現(xiàn)象 , 以及送引風(fēng)配風(fēng)不合理等都會造成空氣過剩系數(shù)偏大 , 不僅增大了排煙熱損失 , 造成爐膛溫度降低 , 也增大了其它熱損失。2.4 爐膛壓力及保溫因素當(dāng)爐膛微正壓運行時工況比較合理, 可有效避免冷風(fēng)侵入爐膛。但是這樣會使現(xiàn)場臟亂

18、甚至?xí)霈F(xiàn)漏氣、冒火等危險, 因此鍋爐大多采用微負(fù)壓運行。綜合考慮可取爐膛負(fù)壓為 -5mmWG，可以有較小的上下波動，一般控制在2050Pa。實際運行過程應(yīng)避免負(fù)壓過大導(dǎo)致的嚴(yán)重漏風(fēng)以及正壓運行導(dǎo)致的現(xiàn)場臟亂。根據(jù)已有的研究成果，對于電站鍋爐，一般漏風(fēng)系數(shù)每增加 0.10.2,排煙溫度將升高 38，鍋爐效率降低 0.2%0.3%；漏風(fēng)系數(shù)每增加 0.1，將使送、引風(fēng)機電耗增加 2kW/MW 電功率。因此要在運行過程中，要嚴(yán)格控制負(fù)壓。此因素多為檢修造成 , 當(dāng)鍋爐某處位于保溫層內(nèi)部件出現(xiàn)故障時&

19、#160;, 檢修必須拆下保溫層進行 , 維修完成后保溫層不能及時修復(fù) , 導(dǎo)致鍋爐散熱熱損失增大。汽包、聯(lián)箱、管道、構(gòu)架、爐墻和其他附件等的溫度高于周圍空氣的溫度, 應(yīng)確保這些元件處于良好的保溫狀態(tài)，減少散熱損失。2.5 強化燃燒，減少不完全燃燒損失不完全燃燒損失包括機械不完全燃燒損失和化學(xué)不完全燃燒損失。其中化學(xué)不完全燃燒損失是由于爐溫低、送風(fēng)量不足和混合不良等導(dǎo)致煙氣成分中一些可燃?xì)怏w（如 CO，H2，CH4 等）未燃燒所引起的熱損失；機械不完全燃燒損失是由于垃圾中未燃或未完全燃燒的固定碳引起的，由

20、飛灰不完全燃燒熱損失和爐渣不完全燃燒熱損失兩部分組成。其中化學(xué)不完全燃燒損失Q = KW (V Q2rCOCO+ V QH 2H 2+ VCH 4QCH 4+ × × ×)式中 W 為送入爐內(nèi)的垃圾量，V、VrCOH 2、VCH 4為 1kg 垃圾產(chǎn)生的煙氣所含未燃燒可燃?xì)怏w體積。 Q、 QCOH 2、 QCH 4為各

21、組分對應(yīng)的熱值。機械不完全燃燒損失100  1 - C lz×lzQ = 32700W ×3rA Cy式中 C  為爐渣中含碳百分比，   為 1kg 垃圾中所包含灰分。100Aylz空氣過剩系數(shù)對化學(xué)不完全燃燒熱損失影響很大，空氣過剩系數(shù)過小，將使燃燒因氧量不足而增大化學(xué)不完全燃燒熱損失，過大則會降低爐膛溫度，也會使化學(xué)不完全燃燒熱損失增大。因此在鍋爐運行中，對風(fēng)量進行調(diào)節(jié)，以保持合適的空氣過剩系數(shù)，保持

22、較高的爐膛溫度，使燃料與空氣充分混合，延長煙氣停留時間，促進煙氣中可燃物燃盡。燃料的灰分越少，揮發(fā)分越多，則機械不完全燃燒熱損失就越??；爐渣含碳量偏大，使?fàn)t渣不完全燃燒熱損失大幅度增大，應(yīng)根據(jù)鍋爐負(fù)荷情況合理調(diào)整給料速度、爐排速度和料層厚度，使垃圾能得以燃盡。另外，如果前后拱上吊渣現(xiàn)象比較嚴(yán)重，會影響爐膛內(nèi)熱輻射，這也是造成爐膛溫度降低，灰渣含碳量偏高的主要因素，應(yīng)利用檢修期間及時除焦渣。焚燒爐在正常運行時，燃燒室內(nèi)的火焰應(yīng)在上爐排燃燒區(qū)橫向分布均勻，下爐排燃燼區(qū)無明顯紅火；爐排上料層厚度呈階梯遞減分布，平均厚度應(yīng)在300mm500mm 之間；上下爐排運動均勻，下爐排較上爐排稍慢；火

23、焰不得沖刷四周水冷壁管和對流管束，也不能伸入冷灰斗內(nèi)；鍋爐兩側(cè)的煙氣溫度應(yīng)均勻，過熱器兩側(cè)的煙氣溫差，一般不超過 3040；燃燒室負(fù)壓應(yīng)保持為 3050pa，不允許正壓運行；爐膛出口氧量值在7%8%，一次風(fēng)機出口風(fēng)溫達(dá)到設(shè)計值220，二次風(fēng)機出口風(fēng)溫達(dá)到設(shè)計值 166；排煙溫度控制在 220240,一爐膛煙氣溫度應(yīng)保證煙氣在 850持續(xù) 2 秒的條件范圍。電廠實際運行時，操作人員要嚴(yán)格按照規(guī)程操作，并及時調(diào)節(jié)工況，是垃圾處于良好的燃燒狀態(tài)。3 汽輪發(fā)電機組給水回?zé)嵯到y(tǒng)給水回?zé)嵯到y(tǒng)是汽輪機組的主要組成部分，采用給水回

24、熱后，汽輪機抽汽的熱量被用于提高給水溫度，使排氣量及其對冷源的放熱量大為減少。因此，在蒸汽初、終參數(shù)相同的情況下，給水回?zé)嵫h(huán)的熱效率比朗肯循環(huán)的有顯著提高。在其它條件不變的情況下，給水溫度越高，回?zé)峒墧?shù)越多，則回?zé)嵫h(huán)的熱效率就越高。但過分提高給水溫度，使蒸汽的做功量減少，給水回?zé)岬慕?jīng)濟效益反而降低。因此當(dāng)回?zé)峒墧?shù)一定時，給水溫度有一最佳值，此時回?zé)嵫h(huán)的熱效率最高。同樣，當(dāng)給水溫度一定時，回?zé)峒墧?shù)越多，回?zé)嵫h(huán)的熱效率最高。但是，隨著回?zé)峒墧?shù)的增多，熱效率的相對增益逐漸減小，而加熱器等設(shè)備投資及維護費用將隨之增加。該電廠設(shè)有一級除氧抽汽，采用的除氧器類型為噴霧式中壓除氧器，其余采用的是表面

25、式加熱器，設(shè)置了低壓加熱器和軸封加熱器。未設(shè)置高壓加熱器。除氧器設(shè)計工作壓力為 0.27Mpa，工作溫度為 130。在實際運行中發(fā)現(xiàn)，如果按照設(shè)計給水溫度 130運行，給水泵存在一定程度的氣蝕現(xiàn)象，后來將除氧器工作溫度定為 105，對應(yīng)的飽和壓力為 0.12Mpa，接近大氣壓力。采用中壓除氧器的目的是提高給水溫度，更多的使用回?zé)岢闅饬考炊壵{(diào)整抽汽量。而目前二段抽汽的參數(shù)約為 0.3Mpa 左右，155，而中壓除氧器給水溫度在 130的飽和壓力為 0.27Mpa，基本等于二段抽汽壓力，使用二段抽汽來加熱給水存在一定困難。而目前除氧器工作溫度在 105，能夠解決采用二段抽汽來加熱給水的問題，但由于除氧器運行溫度比設(shè)計溫度低 25，勢必造成二段回?zé)岢闅饬繙p少，影響汽輪機發(fā)電機組效率；由于除氧器工作壓力降低了0.15MPa，意味著給水泵灌注頭降低了 0.15MPa，勢必加大給水泵氣蝕的危險性。針對上述情況，現(xiàn)對本系統(tǒng)進行如下改進，使得給水溫度能夠達(dá)到 130運行，從而提高給水回?zé)嵯到y(tǒng)的熱效率。1）更換給水泵，改進變頻裝置。選用知名廠家給水泵，保證給水泵在除氧器工作