提高垃圾焚燒電廠熱能利用效率的幾個(gè)途徑

1、提高垃圾焚燒電廠熱能利用效率的幾個(gè)途徑1.引言在我國(guó)，城市活垃圾焚燒發(fā)電技術(shù)是1980代末期開始出現(xiàn)的，以焚燒生活垃圾為目的， 實(shí)現(xiàn)垃圾減容、滅菌和無(wú)害化處理并實(shí)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(shè)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(shí)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(shí)現(xiàn)無(wú)害化處理并最終實(shí)現(xiàn)生活垃圾 化學(xué)能向熱能一一電能高效轉(zhuǎn)換，是建設(shè)垃圾發(fā)電設(shè)施的基本要求，深圳在1988年率先建 成國(guó)內(nèi)第一座生活垃圾焚燒廠一一深圳市市政環(huán)衛(wèi)綜合處理廠，并在此基礎(chǔ)上成功對(duì)引進(jìn) 的二臺(tái)150t / d生活垃圾焚燒鍋爐進(jìn)行提高發(fā)電工質(zhì)參數(shù)的改

2、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(guó)內(nèi)首次 實(shí)現(xiàn)大型垃圾焚燒鍋爐國(guó)產(chǎn)化。該廠目前已形成處理垃圾450t/d，4000kw發(fā)電能力，是 國(guó)內(nèi)第一家投入運(yùn)行的垃圾焚燒發(fā)電廠，開創(chuàng)了國(guó)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(jì)較為發(fā)達(dá)城市已建成一批 生活垃圾焚燒處理設(shè)施，杭州、北京、天津、鄭州等城市亦開始建設(shè)垃圾焚燒發(fā)電廠。目前， 國(guó)內(nèi)已建成焚燒設(shè)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(dá)國(guó)家城市相比，其特征是熱值低、含水率高、組

3、分成分變化大，垃圾焚燒有一定 難度。早期引進(jìn)建設(shè)的垃圾焚燒設(shè)施，主要解決生活垃圾減容和無(wú)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(jìn)的垃圾焚燒鍋爐焚燒一噸生活垃圾 發(fā)電不到75kWh，熱能一電能轉(zhuǎn)換效率遠(yuǎn)低于國(guó)外垃圾發(fā)電廠，因而垃圾發(fā)電效率仍有潛 力可挖。國(guó)內(nèi)目前已建成的生活垃圾發(fā)電設(shè)施大都采用引進(jìn)國(guó)外垃圾焚燒設(shè)備，與國(guó)產(chǎn)中小型 汽輪發(fā)電機(jī)組配套。垃圾焚燒廠熱用戶主要由三部分構(gòu)成；汽輪發(fā)電機(jī)組一實(shí)現(xiàn)熱能向電能 轉(zhuǎn)換基本設(shè)備，也是垃圾發(fā)電廠最重要熱力設(shè)備；外供熱用戶；由熱力除氧器、蒸汽式空氣 預(yù)熱器、鍋爐給水加熱器等熱力系統(tǒng)配置的熱力設(shè)備。經(jīng)近百年開發(fā)、完善，當(dāng)今各

4、國(guó)生產(chǎn) 的汽輪發(fā)電機(jī)組已相當(dāng)成熟，內(nèi)效率相當(dāng)高。進(jìn)入汽輪機(jī)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(duì)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(dòng)，難以 保證穩(wěn)定負(fù)荷。因而，提高垃圾焚燒熱能一電能轉(zhuǎn)換效率主要途徑是提高垃圾鍋爐熱效率； 選擇適當(dāng)?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(jìn)焚燒設(shè)備主要解決低熱值生活垃圾能夠燃燒、減容和無(wú)害化處理。限于當(dāng)時(shí) 技術(shù)條件與客觀因素，即年代國(guó)內(nèi)首次引進(jìn)的垃圾焚燒鍋爐熱效率為65%，遠(yuǎn)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

5、要由含氯成分 構(gòu)成腐蝕性氣體，對(duì)余熱鍋爐受熱面產(chǎn)生高溫腐蝕和低溫腐蝕。余熱鍋爐設(shè)計(jì)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(guò)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(jìn)入汽機(jī)的可用能偏小對(duì)于選定型號(hào)的汽輪發(fā)電機(jī)組，其發(fā)電能力主要由進(jìn)入汽機(jī)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(duì)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(jìn)入汽機(jī)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(yīng)選擇較高溫度和壓力參數(shù)的過(guò)熱蒸汽。但與普通余熱鍋爐不同， 生活垃圾焚燒的

6、是日常生活產(chǎn)生的不同固體廢棄物構(gòu)成的混合體，燃燒過(guò)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(jià)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(guò) 熱器部件制造），控制焚燒鍋爐造價(jià)，在當(dāng)前條件下，垃圾鍋爐蒸汽參數(shù)不宜過(guò)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/370C。大多數(shù)發(fā)達(dá)國(guó)家垃圾焚燒鍋爐蒸汽參數(shù)在 4MPa/400C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

7、熱力發(fā)電廠。2.3機(jī)組排汽熱能無(wú)法充分利用受天氣因素影響，排汽參數(shù)不可能低于對(duì)應(yīng)的飽和溫度，一般排汽壓力為0.005一 0.009MPa，對(duì)應(yīng)飽和溫度為32.5-43.4C。蒸汽在汽輪機(jī)內(nèi)膨脹做工降壓至排汽壓力后即 進(jìn)入凝汽器中凝結(jié)放熱，這部分蒸汽能量難以直接利用，在熱力學(xué)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(jí)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(jìn)的垃圾電廠的蒸汽式空氣預(yù)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

8、用能的損失。2.4汽輪發(fā)電機(jī)組與鍋爐出力不匹配一些垃圾焚燒設(shè)施選用進(jìn)口焚燒鍋爐，配置國(guó)產(chǎn)的汽輪發(fā)電機(jī)組只能選擇系列產(chǎn)品， 設(shè)計(jì)項(xiàng)目雖不考慮擴(kuò)建，汽輪機(jī)組功率往往大于鍋爐最大出力，而電站輔機(jī)仍需按汽輪發(fā)電 機(jī)組額定功率配置。某廠三臺(tái)鍋爐總蒸發(fā)量為30t/h，配置6MW汽輪機(jī)，發(fā)電汽耗量略大 于30t/h。其中除氧器、蒸汽式空氣預(yù)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(jī)組做功汽量不足20t / ha其發(fā)電出力在3MW上下，機(jī)組長(zhǎng)時(shí)期工作在 低負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)，熱力系統(tǒng)長(zhǎng)期出現(xiàn)小馬拉大車狀況，導(dǎo)致廠用電極大浪費(fèi)，既不經(jīng)濟(jì)，又 不安全。亦有個(gè)別垃圾焚燒廠配置發(fā)電機(jī)組功率遠(yuǎn)小于鍋

9、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(shè)計(jì)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(shè)計(jì)蒸汽直接冷凝器，用于在緊急狀態(tài)下（如汽機(jī)因突發(fā)事 故停運(yùn)）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(shí)發(fā)生水擊，要求在焚燒 設(shè)備運(yùn)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(shè)備有少量蒸汽流動(dòng)， 實(shí)際運(yùn)行中其流量調(diào)節(jié)閥開度往往大于實(shí)際需要。一些垃圾電廠選擇機(jī)組功率偏小，在設(shè)備 正常運(yùn)行時(shí)，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(yùn)行中，為使

10、爐水含鹽量控制在允許范圍內(nèi)，在運(yùn)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(jìn)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(shí)現(xiàn)完全焚燒，在焚燒爐床上完成失水，燃燒，燃燼全部過(guò)程；鍋爐燃燒溫闋50 950C；不投助燃用油能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定燃燒；爐渣熱灼減率V4.5%；新建垃圾焚燒鍋爐熱效率 應(yīng)大于70%。對(duì)于熱效率低的舊設(shè)備可考慮進(jìn)行技術(shù)改造，提高熱能利用

11、率，例如深圳市 市政環(huán)衛(wèi)綜合處理廠早期引進(jìn)的二臺(tái)垃圾焚燒鍋爐，出口蒸汽為1.6Mpa的飽和蒸汽，僅供 一臺(tái)背壓式雙列速度級(jí)汽輪機(jī)組發(fā)電，背壓0.13Mpa且不利用，汽耗率高達(dá)17kg/kWh。在 對(duì)垃圾焚燒鍋爐進(jìn)行技術(shù)改造，加裝過(guò)熱器后，出口蒸汽參數(shù)提高到1.4Mpa/350C，配備 一臺(tái)國(guó)產(chǎn)3000kW汽輪發(fā)電機(jī)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(lái)的500kW提高到1500kW，僅上網(wǎng)發(fā)電一項(xiàng)，二臺(tái)焚燒鍋爐年創(chuàng)收益 超過(guò)500萬(wàn)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(yùn)行過(guò)程中，需 將爐水表面含鹽分較高的爐水排出，一般

12、在上鍋筒設(shè)連續(xù)排污系統(tǒng)，排污率為3%左右；此 外鍋爐還在底部設(shè)定期排污系統(tǒng)，將爐水底部渣、垢排出。鍋爐運(yùn)行中因排污帶走熱量可設(shè) 置集中排污擴(kuò)容熱能利用設(shè)備，將這部分熱能有效利用，一般可分離0.20.4MPa飽和蒸 汽用于熱用戶。按目前較為成熟技術(shù)，一臺(tái)中參數(shù)蒸發(fā)量為15t/h余熱鍋爐，其排污余熱利 用設(shè)備可提供0.20.4MPa飽和蒸汽0.2t / h。有三臺(tái)同樣蒸發(fā)量鍋爐的垃圾電廠排污余熱 每小時(shí)可提供0.60.7t低參數(shù)蒸汽，目前深圳地區(qū)外供蒸汽價(jià)格大約為200元/t，如按垃 圾焚燒廠發(fā)電平均價(jià)格0.52元/度計(jì)，對(duì)這部分蒸汽進(jìn)行有效利用相當(dāng)于每小時(shí)多發(fā)230 270度電，經(jīng)濟(jì)效益可觀。3

13、.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(shè)備承壓等級(jí)；過(guò)高 溫度需采用價(jià)格昂貴的耐高溫腐蝕金屬材料制造過(guò)熱器，其整體經(jīng)濟(jì)效益不一定經(jīng)濟(jì)。因而，一定要測(cè)算出設(shè)備投入一產(chǎn)出效能比較并與汽輪發(fā)電機(jī)組相匹配，優(yōu)選最佳方案。目前國(guó)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/400C過(guò)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(guó)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(dá)至U當(dāng)代垃圾電廠國(guó)際先進(jìn)水平。3.3優(yōu)化、完善熱力系統(tǒng)，采用回?zé)嵫h(huán)等措施增加熱能

14、利用率3.3.1減少全廠熱力系統(tǒng)損失，除考慮對(duì)外供熱用戶供汽能力外，要求機(jī)組發(fā)電能力與 全部運(yùn)行鍋爐最大供汽量相適應(yīng)。在正常運(yùn)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(jī)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(jī)組，采用回?zé)嵫h(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(yù)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(jī)組將汽輪機(jī)高壓 段作過(guò)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(yù)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

15、所蘊(yùn)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(jī)容量在30O0kW以上的垃圾電廠應(yīng)選用抽汽一凝汽式汽輪機(jī)組，對(duì)本廠熱力系統(tǒng)蒸汽 式空氣預(yù)熱器、除氧器和低壓給水加熱器采取多級(jí)抽汽供系統(tǒng)回?zé)嵫h(huán)。其中一段抽汽參數(shù) 較高，供蒸汽式助燃空氣預(yù)熱器，做功后背壓進(jìn)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(lái)看，垃圾電廠仍屬于小型火力發(fā)電廠，抽汽級(jí)數(shù)不宜過(guò)多， 以免造成垃圾電廠熱力系統(tǒng)過(guò)于復(fù)雜，反而不利于系統(tǒng)管理和運(yùn)行。3.4對(duì)入爐垃圾前進(jìn)行適度堆酵，提高鍋爐燃燒效率對(duì)入爐垃圾進(jìn)行堆酵，可實(shí)現(xiàn)部分滲瀝液瀝除，同時(shí)在攪拌過(guò)程中，一部分無(wú)機(jī)質(zhì)材 料沉入存貯池底，垃圾實(shí)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(jìn)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(yàn)，對(duì)含水率在 60%以上的低熱值生活垃圾在焚燒前進(jìn)行23天的堆酵，可瀝除12%左右的滲瀝液，整體 減重約20%，實(shí)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(jié)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(diǎn)，制約