垃圾焚燒鍋爐能效測試方法的探討

程 靜，謝常歡，吳繼權(quán)

(深圳市特種設(shè)備安全檢驗研究院，廣東 深圳518029)

0 引言

我國城市的垃圾量以每年8%～10%左右的速度增長［1－2］，產(chǎn)量巨大。垃圾焚燒并利用其產(chǎn)生的熱量是實現(xiàn)垃圾減量化、無害化和資源化的有效途徑，目前用于發(fā)電或供熱的垃圾焚燒鍋爐在國內(nèi)的城市得到長足的發(fā)展。進行垃圾焚燒鍋爐的能效測試，是找出鍋爐運行過程中存在問題并加以解決的必要途徑，使鍋爐更節(jié)能、更安全、更環(huán)保的運行［3－5］。

目前對于垃圾焚燒鍋爐能效測試方法，只有GB/T 18750《生活垃圾焚燒鍋爐》第7.4條規(guī)定:垃圾焚燒爐及余熱鍋爐按照GB/T 10184《電站鍋爐熱工性能試驗規(guī)程》或GB/T 10180《工業(yè)鍋爐熱工性能試驗規(guī)程》進行熱工性能試驗。但垃圾焚燒鍋爐與常規(guī)的電站鍋爐和工業(yè)鍋爐的燃料系統(tǒng)、燃燒系統(tǒng)、熱力系統(tǒng)都具有較大的差別，且兩個標準本身也具有較大差別，故在實際操作中按照這兩個標準來執(zhí)行存在著一定的問題。本文就針對垃圾焚燒鍋爐能效測試中的幾個關(guān)鍵性問題進行分析和研究。

1 垃圾焚燒鍋爐的熱量平衡圖

能量平衡包括三個方面:輸入熱量、有效利用熱量和損失熱量。根據(jù)熱平衡邊界的設(shè)定，輸入熱量包括垃圾的熱值、垃圾的顯熱、外來熱源加熱空氣的熱量、輔機耗電當量熱、輔助燃料的熱值、臭氣和滲濾液的熱量。一般垃圾焚燒鍋爐沒有再熱系統(tǒng)，因此有效熱只考慮主蒸汽(飽和蒸汽或過熱蒸汽)的熱量，排污水的熱量也應(yīng)考慮在內(nèi)，蒸汽用于非鍋爐系統(tǒng)的熱量也應(yīng)屬于有效熱的一部分。熱損失與電站鍋爐和工業(yè)鍋爐基本相同，若有摻混石灰石燃燒，則應(yīng)加入石灰石帶走的熱量。見圖1中，按照輸入熱量、輸出熱量、各項熱損失的箭頭方向，箭頭方向相反的為負值。

圖1 垃圾焚燒鍋爐的能量平衡圖Fig.1 The energy balance diagram of waste incineration boiler

2 幾個關(guān)鍵問題的研究

2.1 熱效率的求取法

熱效率的求取有正平衡和反平衡兩種求取方法，因為垃圾燃料入爐量和蒸汽流量難以準確計量，另外，能效測試只是手段，目的是為了找出鍋爐運行過程中存在著的能源浪費、結(jié)焦積灰、污染區(qū)排放等問題產(chǎn)生的原因，并提出相應(yīng)的措施。因此垃圾焚燒鍋爐的能效測試主要采用反平衡的方法求取鍋爐的熱效率，若測試條件較好，則可在反平衡的基礎(chǔ)上在計算正平衡以作參考。

2.2 試驗的基準溫度

垃圾焚燒鍋爐的一次風(fēng)來自垃圾池內(nèi)，二次風(fēng)來自環(huán)境，一次風(fēng)由于在垃圾池抽出，其溫度較環(huán)境溫度高，為使垃圾取樣更加準確均勻，垃圾池不在機組熱平衡邊界之內(nèi)，因此不能直接用環(huán)境溫度作為測試的基準溫度，應(yīng)該根據(jù)一次風(fēng)和二次風(fēng)的比例和各自溫度來確定測試的基準溫度。通過測試一、二次風(fēng)的風(fēng)量以及垃圾池內(nèi)和環(huán)境的溫度，則采用下式進行基準溫度t'0的計算。

式中n——一次風(fēng)占總風(fēng)量的比例/［%］;

t0——環(huán)境溫度/℃;

t″0——垃圾池內(nèi)的空氣溫度/℃。

2.3 臭氣影響對燃料低位熱值的修正

生活垃圾一般在垃圾池內(nèi)過程中會發(fā)酵，并產(chǎn)生一定量的CH4聚集在垃圾池上方，臭氣隨著一次風(fēng)進入爐膛燃燒，增加了單位質(zhì)量燃料的熱值［6－9］。選取幾臺垃圾焚燒鍋爐對垃圾池上方的空氣進行取樣分析，其CH4的含量見表1。

表1 臭氣中CH4含量測試結(jié)果表

根據(jù)測試結(jié)果，取一次風(fēng)中的CH4含量為0.2%，CH4的熱值為35.818 MJ/m3。臭氣隨著一次風(fēng)進入爐膛燃燒，增加了單位質(zhì)量燃料的熱值。進入爐膛的實際熱值按照下式進行修正。

αpy——實測排煙過量空氣系數(shù)(空氣預(yù)熱器之前);

前一部分是指由于一次風(fēng)中帶有CH4而引起的單位質(zhì)量的燃料熱值增大，是由實際燃燒所需要的空氣量中含有的CH4所帶入的熱量，后一部分是垃圾燃料本身的熱值。兩項合計為實際從垃圾池輸入的熱值。

2.4 滲濾液的影響

滲濾液的熱量應(yīng)加入到輸入熱量中［10］，滲濾液的熱值和單位時間內(nèi)滲濾液的輸入量應(yīng)進行測量，若無條件，可取平時運行統(tǒng)計的平均數(shù)據(jù)。

2.5 垃圾燃料的取樣和分析

垃圾燃料的成分比較復(fù)雜，均勻性較差，因此取樣的均勻性是垃圾燃料分析的準確性的先決條件。根據(jù)垃圾的來源和最大尺寸確定每次取樣的最小采樣量，再用二級制樣的方法進行垃圾燃料的制樣。采樣方法可以根據(jù)現(xiàn)場的實際條件采用四分法、坡面法、周邊法、網(wǎng)格法等方法進行取樣。取樣前應(yīng)用垃圾斗進行充分混合，取樣后應(yīng)注意密封和防止與吸水性物質(zhì)相接觸，防止水分散失。二次樣品帶回實驗室后，可進行含水率的試驗，含水率的試驗應(yīng)在樣品取回后24 h完成?？扇挤趾突曳钟民R福爐和干燥箱進行測試分析，熱值采用量熱儀進行測試分析，碳、氫、氧、氮、硫采用有機元素分析儀進行測試分析，氯元素采用離子色譜法進行測試分析。

2.6 熱效率計算方法

2.6.1 正平衡熱效率中輸入熱量的計算

輸入熱量按下式進行計算

Qsly——燃燒單位質(zhì)量的垃圾燃料所噴入的

滲濾液的低位熱值/kJ·kg－1;

Qrx——燃料的物理顯熱/kJ·kg－1;

Qw1——當用汽輪機抽汽或其它外來熱源加

熱暖風(fēng)器空氣而帶入鍋爐系統(tǒng)內(nèi)的熱量/kJ·kg－1;

Qfz——燃燒單位質(zhì)量的垃圾燃料所帶入的輔助燃料的低位熱值/kJ·kg－1;

Qwh——若輔助燃料為燃油且需要霧化時，燃燒單位質(zhì)量的垃圾燃料所帶入的燃油霧化蒸汽的熱量/kJ·kg－1。

2.6.2 考慮Cl元素和石灰石影響的排煙熱損失計算

考慮Cl元素和石灰石影響后排煙熱損失中有關(guān)參數(shù)的計算公式做下列改變。

Vgy——每千克垃圾燃料生成的干煙氣體積/m3·kg－1;

cpgy——干煙氣從t0到θpy的平均比定壓熱容/kJ·m－3·℃－1;

θpy——排煙溫度/℃;

Cy、Hy、Ny、Oy、Sy、Ay——分別為燃料應(yīng)用基碳、氫、氮、氧、硫和灰分含量百分率/［%］;

Ajs——計入石灰石后單位燃料灰分含量百分率/［%］;

βfj——脫硫石灰石中碳酸鈣分解率/［%］，取值為98%;

Kglb——對應(yīng)于單位質(zhì)量燃料的入爐石灰石中鈣的摩爾數(shù)與燃料收到基全硫摩爾數(shù)之比;

ACaSO4、ACaO、Awfj、Azz——分別為硫酸鈣生成量、未反應(yīng)氧化鈣、未分解碳酸鈣、石灰石帶入雜質(zhì)的百分率/［%］;

CpH2O——水蒸氣從修正基準溫度到θpy溫度間的平均定壓比熱/kJ·m－3·℃－1;

VH2O——煙氣中所含水蒸氣容積/m3·kg－1，其中包括:(a)垃圾燃料中的氫燃燒產(chǎn)生水蒸氣;(b)空氣中的水分帶入的水蒸氣;(c)采用爐內(nèi)加石灰石時，石灰石中的水分蒸發(fā)形成的水蒸氣;(d)采用輔助燃料為燃油時，燃油霧化帶入的水蒸氣;(e)滲濾液帶入的水蒸氣;

dk——空氣的絕對濕度/［%］;

Mt——垃圾燃料的全水分含量/［%］;

Dwh——當采用燃油作為輔助燃料時，霧化蒸汽的質(zhì)量/kg·h－1;

Dsly——噴入滲濾液的質(zhì)量/kg·h－1;

κ——滲濾液的含水量/［%］，取值95%。

2.6.3 凈效率的計算方法

鍋爐凈效率是考慮了鍋爐自身需用的熱耗和電耗后的效率。鍋爐用來發(fā)電的，按下式計算

鍋爐用來供熱的，按下式計算

式中 ηj——鍋爐凈效率/［%］;

∑Qzy——鍋爐自用熱耗，系指蒸汽驅(qū)動輔助設(shè)備和吹灰等所用外來蒸汽熱耗/kJ·kg－1;

∑P——鍋爐設(shè)備送風(fēng)機、引風(fēng)機、給水泵，除渣及除灰系統(tǒng)、煙氣凈化系統(tǒng)等輔助機械電動機的實際運行功率/kW;

ηq、ηf——分別為垃圾焚燒廠汽輪機和發(fā)電機的效率，可根據(jù)其性能試驗報告取值，或取其設(shè)計值;

b——電能的當量折標系數(shù)，取值0.1229 kgce/kWh。

3 結(jié)論

(1)本文通過試驗和理論分析的方法對熱效率的求取法、試驗的基準溫度、臭氣對燃料低位熱值的影響、滲濾液的影響、垃圾燃料的取樣和分析、熱效率的計算方法等幾個關(guān)鍵性問題進行了研究和探討，提出了解決方案。

(2)通過本文所述的方法與GB/T 18750《生活垃圾焚燒鍋爐》和GB/T 10180《工業(yè)鍋爐熱工性能試驗規(guī)程》相結(jié)合，可以較為準確的對垃圾焚燒鍋爐進行能效測試。筆者也通過本文的方法對四臺垃圾焚燒鍋爐分別進行能效測試，平行性較好，測試指標和結(jié)果能正確的反應(yīng)鍋爐的運行情況，對垃圾焚燒鍋爐的節(jié)能、環(huán)保、安全、經(jīng)濟運行具有重要的指導(dǎo)意義。

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