生活垃圾焚燒能源梯級(jí)利用探討與應(yīng)用

呂志中

摘? 要：生物質(zhì)能是可再生能源的重要組成部分，隨著生活垃圾熱值的提高，垃圾焚燒發(fā)電項(xiàng)目的建設(shè)逐年穩(wěn)步增長(zhǎng)，可再生能源發(fā)展“十三五”規(guī)劃提出到2020年城鎮(zhèn)生活垃圾焚燒發(fā)電裝機(jī)容量達(dá)到750萬kW。目前垃圾焚燒余熱利用形式較為單一，主要以發(fā)電為主，熱效率較低，提升空間較大。針對(duì)垃圾焚燒廠的特點(diǎn)，通過對(duì)熱能轉(zhuǎn)化過程中的熱損失分析探討余熱梯級(jí)利用的方案及應(yīng)用案例，分析表明熱電聯(lián)產(chǎn)是提高全廠熱效率的最佳途徑，應(yīng)因地制宜推進(jìn)垃圾焚燒供熱的建設(shè)，煙氣余熱、循環(huán)冷卻水余熱等低品位熱能的回收潛力巨大，具有明顯的經(jīng)濟(jì)效益，在技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較后可廣泛應(yīng)用，通過提高蒸汽參數(shù)，節(jié)能產(chǎn)品的使用以及工藝系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)能提高能源轉(zhuǎn)化效率，降低廠用電率，從而提高能源綜合利用率，實(shí)現(xiàn)生態(tài)效益與經(jīng)濟(jì)效益的可持續(xù)性發(fā)展。

關(guān)鍵詞：垃圾焚燒;梯級(jí)利用;余熱回收

中圖分類號(hào)：X799.3? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號(hào)：2095-2945（2019）32-0171-03

Abstract： Biomass energy is an important part of renewable energy. With the increase of the heat value of waste， the construction of waste incineration power plants has steadily increased year by year. The 13th Five-Year Plan for renewable energy development proposes that the installed capacity of waste incineration power plants will reach 7.5 million kW by 2020. At present， the heat utilization form of waste incineration is relatively single， mainly in power generation， low thermal efficiency and exists broad space for improvement. According to the characteristics of incineration plant， through the analysis of heat loss in the process of heat energy conversion， this paper discusses the methods and application of cascade utilization of waste heat. The analysis shows that cogeneration of heat and power is the best way to improve the thermal efficiency. The energy recovery from the low-grade thermal， such as flue gas and circulating cooling water， has great potential and obvious economic benefits， it can be widely used after technical and economic comparison. The energy conversion efficiency can be improved by improving steam parameters， the use of energy-saving products and the optimization design of process system. The sustainable development of ecological and economic benefits can be realized by the cascade utilization of heat energy and improving energy utilization efficiency.

Keywords： waste incineration; cascade utilization; waste heat recovery

垃圾焚燒是實(shí)現(xiàn)生活垃圾資源化、減量化、無害化最有效的處理方式，根據(jù)“十三五”生態(tài)環(huán)境保護(hù)規(guī)劃，大中型城市重點(diǎn)發(fā)展生活垃圾焚燒發(fā)電技術(shù)，到2020年，全國(guó)垃圾焚燒處理率達(dá)到40%。垃圾焚燒資源化方式主要是利用焚燒過程產(chǎn)生的熱能，以發(fā)電為主。目前我國(guó)生活垃圾焚燒發(fā)電廠項(xiàng)目能源利用水平比較低，項(xiàng)目能源利用率平均約為21%[1]。能量在轉(zhuǎn)換與傳遞過程中有品位的差異，電能、機(jī)械能的品位比熱能高，溫度高壓力高的熱能品位高[2]。垃圾焚燒發(fā)電的過程是輸出能源品位提升，總能量降低的過程，優(yōu)化能源加工轉(zhuǎn)化過程中的能源利用方式，按質(zhì)用能，逐級(jí)利用，能有效提高垃圾焚燒能源綜合利用效率，達(dá)到節(jié)能減排目的。

1 垃圾焚燒熱電聯(lián)產(chǎn)

垃圾焚燒的熱能利用過程是垃圾中可燃物的化學(xué)能通過余熱鍋爐轉(zhuǎn)化為工質(zhì)蒸汽的熱能，蒸汽在汽輪機(jī)中膨脹做功，將蒸汽熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，通過帶動(dòng)發(fā)電機(jī)最終將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能的過程。垃圾焚燒產(chǎn)生的能源在加工轉(zhuǎn)化過程中的損失約占80%，其中排煙熱損失約20%，凝汽式汽輪機(jī)冷源損失約40%。

背壓式汽輪機(jī)組沒有冷源熱損失，汽輪機(jī)的排汽全部對(duì)外供熱，機(jī)組的熱效率較高，全廠熱效率能達(dá)到60%～70%，但背壓機(jī)組以熱負(fù)荷調(diào)整發(fā)電負(fù)荷，當(dāng)排汽量變化時(shí)需要調(diào)整汽輪機(jī)進(jìn)汽量，焚燒爐入爐垃圾量也需隨之調(diào)整，當(dāng)供熱負(fù)荷波動(dòng)較大時(shí)不利于焚燒爐的安全環(huán)保經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。由于垃圾焚燒廠主要以處理生活垃圾為主，實(shí)際建設(shè)過程中很少采用背壓式汽輪機(jī)。

抽凝式汽輪機(jī)組可根據(jù)供熱負(fù)荷調(diào)整抽汽量，其余部分排入凝汽器冷凝后回到鍋爐，盡管仍有部分冷源損失，但運(yùn)行方式靈活，垃圾焚燒處理不受供熱負(fù)荷波動(dòng)的影響，是垃圾焚燒熱電聯(lián)產(chǎn)的主要形式。垃圾焚燒廠周邊有穩(wěn)定供熱需求時(shí)，采用熱電聯(lián)產(chǎn)能取得較好經(jīng)濟(jì)效益，紹興某生活垃圾熱電聯(lián)產(chǎn)項(xiàng)目，設(shè)計(jì)處理規(guī)模2250t/d，配置3臺(tái)750t/d的焚燒爐，3臺(tái)中溫中壓余熱鍋爐，2臺(tái)20MW抽凝式汽輪機(jī)組，最大供汽能力120t/h，發(fā)電機(jī)年發(fā)電量約1.88億kWh，年供蒸汽約96萬t，所供蒸汽在工業(yè)園區(qū)內(nèi)能全部消納，該項(xiàng)目供熱市場(chǎng)化運(yùn)行，供熱收入較高，供熱經(jīng)濟(jì)性較高，極大緩解政府在垃圾處理成本的壓力。

低真空供熱技術(shù)是通過對(duì)凝汽式汽輪機(jī)末級(jí)葉片及凝汽器的調(diào)整，使汽輪機(jī)能在較高背壓的情況下穩(wěn)定運(yùn)行，通過降低凝汽器真空提高排汽壓力，提高排汽溫度，使經(jīng)過凝汽器換熱后的循環(huán)水溫度提升，可對(duì)外提供穩(wěn)定的低溫?zé)崴?，在用熱?fù)荷較高時(shí)利用汽輪機(jī)的抽汽換熱后作為補(bǔ)充熱源。低真空供熱在采暖期能實(shí)現(xiàn)汽輪機(jī)排汽余熱的全部回收，熱利用效率較高，接近采用背壓機(jī)組的熱電聯(lián)產(chǎn)的熱效率。

提高汽輪機(jī)背壓會(huì)降低機(jī)組發(fā)電效率，運(yùn)行時(shí)一般控制低于28kPa，此時(shí)發(fā)電機(jī)功率會(huì)減少7%。低真空供熱方式常應(yīng)用于凝汽式機(jī)組的改造，部分新建項(xiàng)目也有應(yīng)用，如山東某生活垃圾焚燒項(xiàng)目設(shè)計(jì)時(shí)采用低真空供熱方式，該項(xiàng)目配置2臺(tái)250t/d焚燒爐，單臺(tái)余熱鍋爐額定蒸發(fā)量23.5t/h，配置1臺(tái)10MW凝汽式汽輪機(jī)組，額定工況汽輪機(jī)乏汽35t/h，背壓25kPa，排汽溫度65℃，一次網(wǎng)設(shè)計(jì)供回水溫度為60℃和44℃，二次網(wǎng)采暖設(shè)計(jì)供回水溫度為45℃和35℃，供熱負(fù)荷約17MW，按55W/m2采暖指標(biāo)，可供約30萬m2建筑面積采暖。

垃圾焚燒熱電聯(lián)產(chǎn)能充分利用發(fā)電后熱能，實(shí)現(xiàn)熱量的梯級(jí)利用，經(jīng)濟(jì)效益顯著，對(duì)有供熱需求的項(xiàng)目宜積極推廣，可再生能源發(fā)展“十三五”規(guī)劃提出要因地制宜推進(jìn)城鎮(zhèn)生活垃圾焚燒熱電聯(lián)產(chǎn)項(xiàng)目建設(shè)，垃圾“焚燒發(fā)電+供熱”是今后垃圾焚燒處理的發(fā)展趨勢(shì)。

2 低品位熱量回收

垃圾焚燒過程中有大量低品位熱源產(chǎn)生，回收低品位熱量后可對(duì)外供熱或廠內(nèi)自用，對(duì)降低運(yùn)營(yíng)成本，提高經(jīng)濟(jì)效益起到積極作用。

2.1 煙氣余熱回收

生活垃圾中廚余垃圾含量較高，垃圾含水率較高，夏季垃圾含水率可高達(dá)60%，垃圾焚燒后產(chǎn)生的煙氣中濕度較大，經(jīng)過半干法脫酸工藝后濕度進(jìn)一步增加，排入大氣的煙氣中水分體積比約占20%～30%。為避免煙氣的低溫腐蝕、濾袋糊袋等現(xiàn)象，排放煙氣溫度控制在150℃左右，排出煙氣中仍有部分余熱，其中以煙氣中水蒸氣的凝結(jié)潛熱為主。以500t/d焚燒爐產(chǎn)生的煙氣，煙氣含水率26%，如果將煙氣溫度降至30℃，約15MW的余熱可被回收利用，其中水蒸氣液化潛熱占全部熱量的52%左右[3]，煙氣回收的潛力巨大。

山東德州某生活垃圾焚燒廠建設(shè)2臺(tái)500t/d焚燒爐，配置1臺(tái)18MW凝汽式汽輪發(fā)電機(jī)組，煙氣凈化采用“SNCR+半干法+干法+活性炭噴射+袋式除塵”處理工藝，設(shè)計(jì)工況煙氣量90000Nm3/h，煙氣排放溫度150℃，煙氣成分如下表：

該項(xiàng)目1.5km有居民小區(qū)有供暖需求，因遠(yuǎn)離城市集中供熱區(qū)，采用燃?xì)忮仩t供熱，采暖熱水供回水溫度為60℃和50℃。為降低小區(qū)采暖成本，該項(xiàng)目回收煙氣余熱對(duì)外供熱，設(shè)置1套煙氣余熱回收中試裝置，單臺(tái)爐設(shè)置2臺(tái)板式換熱器，換熱器面積815m2，一次換熱采用除鹽水作為熱媒，設(shè)計(jì)煙氣進(jìn)出口溫度為150℃和55℃，設(shè)計(jì)熱媒供回水溫度為75℃和55℃;二次換熱供回水溫度為60℃和50℃，經(jīng)過一個(gè)采暖季的試運(yùn)行，運(yùn)行結(jié)果如下：（1）煙氣經(jīng)冷凝換熱后出口平均溫度110℃，與設(shè)計(jì)溫度相差大，單臺(tái)爐煙氣中平均凝結(jié)水量約3.5t/h。（2）熱媒除鹽水平均供回水溫度為56.5℃和50℃，流量390t/h，最高供回水溫度為76.5℃和69.4℃，換熱量約3MW，供暖面積約6萬m2。（3）煙氣凝結(jié)水呈弱酸性，濁度較高，對(duì)酸性氣體及煙塵起到了進(jìn)一步去除的作用，換熱器無明顯腐蝕現(xiàn)象，煙囪無明顯腐蝕現(xiàn)象。

實(shí)際運(yùn)行結(jié)果可以看出，煙氣余熱仍未深度回收，加強(qiáng)換熱及設(shè)備防腐是煙氣余熱回收的推廣應(yīng)用需要解決的技術(shù)問題。

2.2 循環(huán)冷卻水余熱回收

凝汽式汽輪機(jī)組大部分熱量被循環(huán)冷卻水帶走，熱損失較高，冷卻過程中也造成較大的水資源浪費(fèi)。循環(huán)水設(shè)計(jì)出水溫度33℃，水量穩(wěn)定，屬于穩(wěn)定可靠的低品位熱源，回收潛力大。

吸收式熱泵技術(shù)是利用汽輪機(jī)抽汽作為驅(qū)動(dòng)熱源，從低品位熱源（循環(huán)冷卻水）中回收熱量，通過熱媒（如溴化鋰）的循環(huán)相變提高工質(zhì)的溫度，達(dá)到使用要求后再利用。吸收式熱泵對(duì)系統(tǒng)的供熱量等于消耗的高品位熱源以及從低溫余熱吸收熱量之和，吸收式熱泵能效比（COP）一般在1.6～1.85，低溫余熱溫度超過15℃即可采用，具有較大的節(jié)能優(yōu)勢(shì)。吸收式熱泵COP與運(yùn)行工況有關(guān)，進(jìn)水溫度越高，提供的熱水溫度也越高，熱水溫升越大COP越小，熱泵熱水溫度不宜超過85℃。利用熱泵技術(shù)提高熱水溫度后可為焚燒廠內(nèi)提供熱源，降低高品位熱量的使用。

東北地區(qū)垃圾焚燒廠冬季氣溫低，采暖負(fù)荷大，冬季運(yùn)行時(shí)生活垃圾容易結(jié)冰帶雪，需要大量的熱量維持垃圾倉(cāng)的溫度，融冰化雪，降低入爐垃圾的含水率，提高熱值，維持冬季焚燒爐的連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行。以吉林省某800t/d生活垃圾焚燒發(fā)電項(xiàng)目為例，全廠采暖、生活熱水、垃圾倉(cāng)暖風(fēng)系統(tǒng)、垃圾滲瀝液融冰加熱系統(tǒng)總負(fù)荷約4680kW，采用溴化鋰熱泵機(jī)組回收循環(huán)水余熱，可減少蒸汽用量2.5t/h，年增加發(fā)電效益約100萬元，經(jīng)濟(jì)效益明顯。熱泵技術(shù)在東北地區(qū)垃圾焚燒廠有廣闊的應(yīng)用前景。

3 提高能源轉(zhuǎn)化效率

在能源加工轉(zhuǎn)化過程中轉(zhuǎn)化效率也影響能源綜合利用效率，通過提高鍋爐效率，提高汽輪機(jī)發(fā)電效率，減少高品位熱量消耗，節(jié)能產(chǎn)品的使用以及工藝系統(tǒng)的設(shè)計(jì)優(yōu)化等可提高發(fā)電量，降低廠用電率。

3.1 提高汽輪機(jī)發(fā)電效率

垃圾焚燒廠余熱鍋爐蒸汽參數(shù)直接影響汽輪機(jī)的發(fā)電效率，汽輪機(jī)進(jìn)汽參數(shù)越高，理想比焓降越高，機(jī)組熱效率越高。

生活垃圾成分復(fù)雜，煙氣中HCl濃度較高，平均濃度在600mg/Nm3～1500mg/Nm3，為避免高溫腐蝕現(xiàn)象，鍋爐蒸汽參數(shù)一般選擇中溫中壓參數(shù)（400℃、4.0MPa）。近年來隨著垃圾熱值的逐漸升高，高溫耐腐蝕材料的價(jià)格降低，單臺(tái)焚燒爐規(guī)模提高，中溫次高壓參數(shù)（450℃、6.4MPa）在新建垃圾焚燒項(xiàng)目逐步得到推廣應(yīng)用。2013年-2017年的垃圾焚燒余熱鍋爐供貨業(yè)績(jī)中，高參數(shù)余熱鍋爐占比逐步上升為30%左右，且大部分業(yè)績(jī)集中在2016年-2017年[4]，采用中溫次高壓參數(shù)的焚燒項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)效益明顯，中溫次高壓鍋爐的發(fā)電效率比中溫中壓鍋爐的發(fā)電效率的發(fā)電量約差17%。中溫次高壓的發(fā)電收入比中溫中壓多約20%[5]。

中小型汽輪機(jī)相比大功率汽輪機(jī)，單機(jī)內(nèi)效率有相當(dāng)?shù)慕捣?，輸出功率越小，轉(zhuǎn)換效率越低。如何提高中小型汽輪機(jī)的效率，一直是汽輪機(jī)行業(yè)的重要課題之一。采用高轉(zhuǎn)速條件下優(yōu)化汽輪機(jī)通流結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，作為提高小流量汽輪機(jī)的效率的重要手段，并取得了顯著的效果。在相同蒸汽參數(shù)的條件下，采用高轉(zhuǎn)速（5500r/min）汽輪機(jī)的機(jī)組效率比低轉(zhuǎn)速（3000r/min）機(jī)組的效率高約4%～6%，高轉(zhuǎn)速汽輪機(jī)在垃圾焚燒發(fā)電行業(yè)應(yīng)用越來越多。

3.2 減少高品位熱量消耗

垃圾焚燒廠換熱設(shè)備較多，合理選擇熱源及參數(shù)，按質(zhì)用能，減少高品位熱源消耗節(jié)能效果顯著。

一次風(fēng)空預(yù)器是垃圾焚燒廠重要的換熱設(shè)備，一次風(fēng)風(fēng)溫直接影響垃圾在爐排上的干燥效果和燃燒工況。對(duì)于機(jī)械式爐排爐一般采用蒸汽進(jìn)行加熱，空氣溫度加熱到230℃后從爐排底部進(jìn)入爐膛。蒸汽空氣預(yù)熱器采用兩段式結(jié)構(gòu)，低壓段采用汽輪機(jī)一段抽汽，高壓段采用汽包飽和汽，部分焚燒爐廠家因設(shè)計(jì)理念及設(shè)計(jì)習(xí)慣，高壓段采用主蒸汽，實(shí)際運(yùn)行過程中容易出現(xiàn)一次風(fēng)溫不達(dá)標(biāo)，換熱管道沖刷嚴(yán)重的現(xiàn)象。

主蒸汽的焓值比汽包飽和蒸汽焓值略高，但蒸汽用于換熱主要是利用凝結(jié)釋放的潛熱，利用高品位的主蒸汽用于加熱空氣能源利用率較低。另外空氣與過熱蒸汽的換熱系數(shù)約15W/（m2·℃），空氣與飽和蒸汽的換熱系數(shù)約35W/（m2·℃），相同換熱量使用飽和蒸汽的所需的換熱面積小于過熱蒸汽。在部分一次風(fēng)空預(yù)器技改中，在低壓段前設(shè)置高壓飽和蒸汽凝水段，降低高溫段凝結(jié)水溫度（可降低至85℃～90℃），進(jìn)一步吸收凝結(jié)水的熱量，同時(shí)也可以延長(zhǎng)疏水閥的使用壽命，避免氣液兩相流對(duì)管道的沖刷造成爆管，避免疏水不暢造成的蒸汽浪費(fèi)。

東北地區(qū)垃圾焚燒廠冬季運(yùn)行時(shí)入爐垃圾熱值低，容易夾雜冰塊，為確保垃圾在干燥段充分干燥，一次風(fēng)溫的設(shè)計(jì)溫度一般取300℃。單獨(dú)采用蒸汽預(yù)熱器難以滿足設(shè)計(jì)要求，需要使用其他熱源加熱空氣。利用煙氣預(yù)熱器可以直接利用高溫?zé)煔獾臒崃考訜峥諝?，減少直接式預(yù)熱器燃油或天然氣的消耗，達(dá)到節(jié)能降耗的目的。

吉林某焚燒項(xiàng)目設(shè)計(jì)時(shí)采用蒸汽空氣預(yù)熱器與煙氣空氣預(yù)熱器的組合方式，空氣經(jīng)蒸汽預(yù)熱器加熱達(dá)到220℃后進(jìn)入煙氣預(yù)熱器，利用高溫?zé)煔獾挠酂崾箍諝庠偬岣叩?00℃，夏季垃圾熱值較高時(shí)停用蒸汽預(yù)熱器高壓段即可滿足230℃一次風(fēng)溫要求。煙氣預(yù)熱器設(shè)置在高溫過熱器前，煙氣入口溫度控制在650℃以內(nèi)，避免高溫腐蝕，材料選0Cr25Ni20。實(shí)踐證明，冬季運(yùn)行時(shí)采用煙氣預(yù)熱器單位垃圾輕柴油消耗量同比節(jié)省約50%。

3.3 節(jié)能設(shè)計(jì)

垃圾焚燒廠廠用電率較高，設(shè)備用電約占發(fā)電量的15%～22%，降低設(shè)備用電可提高上網(wǎng)電量，提高經(jīng)濟(jì)效益。

垃圾焚燒廠主要用電設(shè)備為風(fēng)機(jī)、水泵、空壓機(jī)等，在節(jié)能設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)優(yōu)先選用節(jié)能設(shè)備。以空壓機(jī)為例，額定排氣壓力0.7Mpa，1級(jí)能效空壓機(jī)比功率5.6kW/（m3/min），2級(jí)能效空壓機(jī)比功率6.3kW/（m3/min），對(duì)于800t/d焚燒規(guī)模的項(xiàng)目，全廠壓縮空氣消耗量平均約45m3/min，選用1級(jí)能效的空壓機(jī)全年可節(jié)省用電約25萬kWh。

工藝系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)也能起到節(jié)能效果。通過改進(jìn)管路系統(tǒng)，減少系統(tǒng)阻力，如縮短管線長(zhǎng)度，降低流速以減少沿程水頭損失，減少閘閥、底閥、彎頭、孔板等部件的數(shù)量以減少局部水頭損失。合理設(shè)備選型，降低水泵、風(fēng)機(jī)的富裕量，避免采取關(guān)小閥門等節(jié)流方法來降壓，造成功率浪費(fèi)。

對(duì)于多級(jí)離心式給水泵，相同揚(yáng)程條件下，給水泵額定流量越大，泵的效率越高，在給水系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)可以優(yōu)化給水泵的配置達(dá)到節(jié)能的目的。以2臺(tái)750t/d焚燒爐為例，常規(guī)設(shè)計(jì)時(shí)按單臺(tái)鍋爐給水量10%余量，選用3臺(tái)額定流量110m3/h的給水泵，其中1臺(tái)備用，小流量給水泵效率約72%，若優(yōu)化給水泵選型設(shè)計(jì)，改為按總給水量10%余量，選用1臺(tái)額定流量210m3/h的給水泵作為正常工況下使用，大流量給水泵效率可以提高到78%，同時(shí)配備2臺(tái)110m3/h的給水泵作為備用，按年運(yùn)行8000h計(jì)算，1臺(tái)大流量給水泵運(yùn)行比2臺(tái)小流量給水泵同時(shí)運(yùn)行，年節(jié)省用電量56萬kWh。

4 結(jié)論

垃圾焚燒發(fā)電不僅能解決垃圾圍城現(xiàn)象，改善生活環(huán)境，也是可再生能源的重要補(bǔ)充，“十三五”規(guī)劃中垃圾焚燒裝機(jī)容量占生物質(zhì)能總裝機(jī)容量的46%。從能源利用角度，垃圾焚燒應(yīng)優(yōu)先選擇熱電聯(lián)產(chǎn)，開發(fā)低品位余熱回收技術(shù)，提高能源轉(zhuǎn)化效率，從而提高能源綜合利用率，實(shí)現(xiàn)能源與環(huán)境的可持續(xù)性發(fā)展。

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