垃圾焚燒電廠熱電聯(lián)產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)性分析

張宇飛，趙娜娜，黃 杰，卜光峰

（光大生態(tài)環(huán)境設(shè)計(jì)研究院有限公司，江蘇 南京 210000）

近年來，經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展給社會能源的消費(fèi)帶來較大壓力。與此同時(shí)，人類活動的頻繁加劇了生活垃圾對環(huán)境的壓力。前瞻產(chǎn)業(yè)研究院發(fā)布的《中國生活垃圾處理行業(yè)發(fā)展前景與投資預(yù)測分析報(bào)告》數(shù)據(jù)顯示：2016 年，我國城鎮(zhèn)垃圾產(chǎn)生量超過2.9 億t，再加上農(nóng)村大量的生活垃圾沒有進(jìn)入處理的行列，我國生活垃圾狀況非常嚴(yán)峻，很多省市已經(jīng)出現(xiàn)了垃圾圍城的情況［1］。由于我國垃圾清運(yùn)量遠(yuǎn)低于垃圾產(chǎn)生量，而且目前的差距有逐漸增大的趨勢，雖然垃圾的無害化處理率逐年增加，但仍顯不足。此外，“十二五”期間，我國生活垃圾焚燒處理量進(jìn)一步增加，以堆肥處理為主的各類綜合處理設(shè)施處于萎縮狀態(tài)，衛(wèi)生填埋場和垃圾焚燒處理數(shù)量和處理能力略有增長?！丁笆濉比珖擎?zhèn)生活垃圾無害化建設(shè)規(guī)劃》目標(biāo)要求：到2020 年底，全國城市生活垃圾焚燒處理能力占無害化處理［2-3］總能力的50%以上，其中東部地區(qū)達(dá)到60%以上。由此可知，未來幾年，我國垃圾焚燒處理比例將迅速增長。

但目前，我國的生活垃圾焚燒發(fā)電項(xiàng)目能源利用水平較低，純發(fā)電的項(xiàng)目能效平均值僅為0.51，而在歐盟垃圾焚燒發(fā)電廠的調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，314 家垃圾焚燒發(fā)電廠中實(shí)現(xiàn)熱電聯(lián)產(chǎn)的達(dá)184家，能源回收利用因子最高，平均約為0.76［4］?？梢姡贌姀S實(shí)現(xiàn)熱電聯(lián)產(chǎn)可有效提高能源利用效率。與此同時(shí)，熱電聯(lián)產(chǎn)也可實(shí)現(xiàn)較高的經(jīng)濟(jì)效益。2018 年，紹興市垃圾焚燒熱電聯(lián)產(chǎn)項(xiàng)目，以國內(nèi)最低的18 元·t-1的垃圾處理服務(wù)費(fèi)中標(biāo)，這也得益于熱電聯(lián)產(chǎn)的高效益［5］。日本的垃圾焚燒電廠起步較早，在發(fā)電的同時(shí)，也為工業(yè)、居民提供蒸汽、熱水服務(wù)［6］。

綜上，利用垃圾為能源實(shí)施熱電聯(lián)產(chǎn)，可實(shí)現(xiàn)廢棄物的資源化利用，是響應(yīng)國家可再生能源高效利用的有力手段。熱電聯(lián)產(chǎn)是指發(fā)電廠既產(chǎn)生電能，又利用汽輪發(fā)電機(jī)做過功的蒸汽對用戶供熱的生產(chǎn)方式，是世界公認(rèn)的節(jié)能方式，它是根據(jù)能源梯級利用的原理，同時(shí)生產(chǎn)人們所需要的電能和熱能，能夠有效地節(jié)約能源、改善環(huán)境質(zhì)量，并使能源利用率大大提高［7］。結(jié)合垃圾焚燒發(fā)電項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)熱電聯(lián)產(chǎn)、集中供熱的主要優(yōu)點(diǎn)有：①以大型設(shè)備代替小型分散設(shè)備，實(shí)現(xiàn)繁重勞動機(jī)械化，節(jié)約了勞動力，改善了勞動條件和供汽品質(zhì)，更為本地區(qū)的投資環(huán)境創(chuàng)造了條件；②各用汽部門無需要建設(shè)單獨(dú)的鍋爐房、儲煤場、堆灰場地，減少了建筑占地面積，節(jié)約了土地資源；③改善區(qū)域的生態(tài)環(huán)境，大大減少對環(huán)境的污染，實(shí)現(xiàn)清潔生產(chǎn)，與城市總體形象相協(xié)調(diào)統(tǒng)一；④以垃圾焚燒實(shí)現(xiàn)熱電聯(lián)產(chǎn)代替燃煤供熱，既實(shí)現(xiàn)了生活垃圾的處理，又減少了燃煤消耗，是節(jié)能減排、改善環(huán)境的有力措施［8］；⑤通過對城市及工業(yè)區(qū)進(jìn)行合理的規(guī)劃，供熱設(shè)備的金屬消耗量和總投資比分散供熱低。

本文旨在研究垃圾焚燒電廠實(shí)現(xiàn)熱電聯(lián)產(chǎn)的優(yōu)勢，比較熱電聯(lián)產(chǎn)和其他熱電生產(chǎn)形式的排放效益，促進(jìn)垃圾焚燒電廠實(shí)現(xiàn)熱電聯(lián)產(chǎn)，結(jié)合垃圾焚燒發(fā)電行業(yè)的發(fā)展及整個(gè)熱電聯(lián)產(chǎn)的廣闊市場，提出一套合理的、適合垃圾焚燒項(xiàng)目的熱電聯(lián)產(chǎn)推薦方案，提高垃圾焚燒電廠的熱效率及經(jīng)濟(jì)效益，為其推廣奠定基礎(chǔ)。

1 系統(tǒng)模型

1.1 垃圾焚燒電廠系統(tǒng)

選取某2 × 750 t·d-1垃圾焚燒電廠為例，鍋爐（蒸汽參數(shù)6.1 MPa，溫度440 ℃）效率為80%。蒸汽用戶參數(shù)取輕工業(yè)生產(chǎn)用汽常用蒸汽參數(shù)：1.2 MPa/220 ℃，蒸汽價(jià)格以200 元·t-1計(jì)，蒸汽管輸費(fèi)用為15 元·t-1，化學(xué)除鹽水制備成本為4 元·t-1。分別計(jì)算該系統(tǒng)在熱電聯(lián)產(chǎn)及熱電分產(chǎn)下的熱效率及經(jīng)濟(jì)效益，其中，熱電聯(lián)產(chǎn)可采用主汽雙減供熱、一抽蒸汽供熱兩種方式（汽輪機(jī)一抽抽汽供熱參數(shù)為1.35 MPa/330 ℃）。垃圾焚燒電廠熱電聯(lián)產(chǎn)示意圖如圖1 所示，汽機(jī)選型根據(jù)實(shí)際機(jī)組容量確定。

圖 1 垃圾焚燒電廠熱電聯(lián)產(chǎn)示意圖Fig. 1 Schematic diagram of CHP in the waste incineration power plant

根據(jù)國家相關(guān)要求，每噸入廠生活垃圾折算上網(wǎng)電量暫定為280 kW·h，執(zhí)行全國統(tǒng)一垃圾發(fā)電標(biāo)桿電價(jià)為0.65 元·（kW·h）-1，其余上網(wǎng)電量執(zhí)行當(dāng)?shù)赝惾济喊l(fā)電機(jī)組上網(wǎng)電價(jià)［9］。機(jī)組年運(yùn)行時(shí)長為8 000 h，供熱時(shí)長為7 200 h，垃圾焚燒電廠的廠用電率以17%計(jì)。

1.2 熱電聯(lián)產(chǎn)指標(biāo)

在熱電廠中，總熱效率和熱電比是常用于衡量節(jié)能效益和能源綜合利用率的量化指標(biāo)，也是重要的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性能指標(biāo)，用來區(qū)分和考核熱電聯(lián)產(chǎn)企業(yè)的運(yùn)行水平和檢驗(yàn)熱電聯(lián)產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)效益。投資回收期是以項(xiàng)目的凈收益抵償全部投資所需的時(shí)間，是考察項(xiàng)目的重要靜態(tài)指標(biāo)。因此，本文選取總熱效率η、熱電比βb、經(jīng)濟(jì)效益C、投資回收期Pt作為衡量垃圾焚燒電廠熱電聯(lián)產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)。

式中：Pa為垃圾焚燒電廠全年發(fā)電量，HL為垃圾的低位熱值，Qa為垃圾焚燒電廠全年供熱量，Ba為垃圾年處理量；CP為發(fā)電收入；CQ為供熱收入；T為各年累計(jì)凈現(xiàn)金流量首次為正值或0 的年份；CI為現(xiàn)金流入量；CO為現(xiàn)金流出量。

2 結(jié)果討論

2.1 供熱方式的影響

本節(jié)主要研究相同供熱量下，主汽雙減供熱與一抽蒸汽供熱的經(jīng)濟(jì)效益。以熱值為7 325.2 kJ·kg-1的垃圾、供熱量為30 t·h-1計(jì)算垃圾焚燒電廠的總熱效率和經(jīng)濟(jì)效益投資分析。以純凝工況下建設(shè)電廠費(fèi)用為基準(zhǔn)，分析熱電聯(lián)產(chǎn)與熱電分產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)效益。

由表1 中可知，純凝工況下，供電功率為26.41 MW，在現(xiàn)行電價(jià)基礎(chǔ)上，經(jīng)濟(jì)效益為11 877.24 萬元·a-1。

表 1 熱電聯(lián)產(chǎn)與熱電分產(chǎn)的指標(biāo)對比Tab. 1 Comparison between CHP and the separate generation of power and heat

純凝機(jī)組發(fā)電，利用主汽雙減供熱，供熱量為30 t·h-1時(shí)，供電功率為18.08 MW，供熱投資約為360 萬元，在現(xiàn)行電價(jià)基礎(chǔ)上，熱電聯(lián)產(chǎn)經(jīng)濟(jì)效益為13 451.77 萬元·a-1，比熱電分產(chǎn)經(jīng)濟(jì)效益高1 574.53 萬元·a-1，回收期（稅后）為2.25 a。

改造純凝機(jī)組，利用一抽蒸汽供熱，供熱投資約為720 萬元，供熱量為30 t·h-1時(shí)，供電功率為19.36 MW，在現(xiàn)行電價(jià)基礎(chǔ)上，熱電聯(lián)產(chǎn)經(jīng)濟(jì)效益為13 812.12 萬元·a-1，比熱電分產(chǎn)經(jīng)濟(jì)效益高1 934.88 萬元·a-1，比主汽雙減供熱的熱電聯(lián)產(chǎn)經(jīng)濟(jì)效益高360.35 萬元·a-1，回收期（稅后）為2.40 a。這是因?yàn)榧兡龣C(jī)組改造供熱初期投資大，導(dǎo)致投資回收期相對較長。

由此可見，對于垃圾焚燒電廠，在供熱量為30 t·h-1前提下，熱電聯(lián)產(chǎn)可以減少電廠的冷源損失，提高電廠熱效率；采用一抽蒸汽供熱可實(shí)現(xiàn)蒸汽品質(zhì)的梯級利用，為電廠帶來較高的經(jīng)濟(jì)效益。

采用主汽雙減供熱，其蒸汽品質(zhì)較高，對熱用戶的適應(yīng)性較高，供熱投資較低，但會犧牲較多的發(fā)電量，年經(jīng)濟(jì)效益有所降低，且對機(jī)組的運(yùn)行會產(chǎn)生不利的影響。對于已建垃圾焚燒電廠，若機(jī)組改造較為困難，可采用該方式供熱。新建或具備改造條件的垃圾焚燒電廠，可采用一抽蒸汽供熱，在保證機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行的情況下，實(shí)現(xiàn)較高的經(jīng)濟(jì)效益［10］。

2.2 垃圾熱值的影響

本節(jié)分別研究了純凝工況下、主汽雙減供熱量為30 t·h-1時(shí)，垃圾熱值（4 185.9～8 371.7 kJ·kg-1）對總熱效率和經(jīng)濟(jì)效益的影響，因垃圾熱值對電廠總熱效率和經(jīng)濟(jì)效益的影響與供熱方式無關(guān)，本節(jié)以主汽雙減供熱作為研究對象。

圖2 為垃圾熱值對電廠總熱效率、經(jīng)濟(jì)效益的影響。由圖2 中可知，當(dāng)垃圾熱值為4 185.9 kJ·kg-1時(shí)，純凝工況下供電功率為15.03 MW，電廠總熱效率為24.91%，熱電分產(chǎn)經(jīng)濟(jì)效益為7 816.28 萬元·a-1；供熱量為30 t·h-1時(shí)，供電功率為6.69 MW，電廠總熱效率為48.38%，熱電聯(lián)產(chǎn)經(jīng)濟(jì)效益為7 822.76 萬元·a-1，熱電聯(lián)產(chǎn)比熱電分產(chǎn)年經(jīng)濟(jì)效益高6.48 萬元·a-1。

圖 2 垃圾熱值對電廠總熱效率、經(jīng)濟(jì)效益的影響Fig. 2 Effect of the heating value of the wastes on the thermal efficiency and the economic benefits of power plant

垃圾熱值為6 278.8 kJ·kg-1時(shí)，純凝工況下供電效率為22.60 MW，總熱效率為24.97%，熱電分產(chǎn)經(jīng)濟(jì)效益為10 695.56 萬元·a-1；供熱量為30 t·h-1時(shí)，供電功率為14.27 MW，總熱效率為40.62%，熱電聯(lián)產(chǎn)經(jīng)濟(jì)效益為11 657.94萬元·a-1，熱電聯(lián)產(chǎn)比熱電分產(chǎn)年經(jīng)濟(jì)效益高962.38 萬元。

垃圾熱值為8 371.7 kJ·kg-1時(shí)，純凝工況下供電功率為30.20 MW，總熱效率為25.03%，年發(fā)電收益為13 073.72 萬元；供熱量為30 t·h-1時(shí)，供電功率為21.88 MW，總熱效率為36.78%，經(jīng)濟(jì)效益為14 641.07 萬元·a-1，熱電聯(lián)產(chǎn)比熱電分產(chǎn)年收益高1 567.35 萬元。

可見，純凝工況下垃圾熱值對總熱效率的影響較小。供熱量為30 t·h-1時(shí)，熱電聯(lián)產(chǎn)總熱效率隨著垃圾熱值的升高而有所降低，這是因?yàn)槔鵁嶂翟礁?，而供熱熱量一定的情況下，供熱所減少的冷源損失越少，整體而言，熱電聯(lián)產(chǎn)的總熱效率遠(yuǎn)高于熱電分產(chǎn)，可大大提高垃圾焚燒電廠的總熱效率，其他研究者也得到了相同的結(jié)論［11］；供熱量相同時(shí)，垃圾熱值越高，發(fā)電量越多，供熱能力越強(qiáng)，熱電聯(lián)產(chǎn)、熱電分產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)效益相差越來越大。

2.3 供熱量的影響

研究垃圾熱值為8 371.7 kJ·kg-1、主汽雙減供熱時(shí)，供熱量（0～60 t）對電廠總熱效率及經(jīng)濟(jì)效益的影響。

圖3 為供熱量對電廠總熱效率、經(jīng)濟(jì)效益的影響。由圖中可知，垃圾熱值為8 371.7 kJ·kg-1時(shí)，純凝工況下，供電功率為30.2 MW，總熱效率為25.03%，經(jīng)濟(jì)效益為13 073.72 萬元·a-1；供熱量為10 t·h-1時(shí)，供電功率為27.45 MW，總熱效率為28.96%，供熱投資為120 萬元，經(jīng)濟(jì)效益為13 602.74 萬元·a-1，投資回收期為2.25 a；供熱量為30 t·h-1時(shí)，供電功率為21.88 MW，總熱效率為36.78%，供熱投資為360萬元，經(jīng)濟(jì)效益為14 641.07 萬元·a-1，投資回收期為2.25 a；供熱量為60 t·h-1時(shí)，供電功率為13.52 MW，總熱效率為48.50%，供熱投資為720 萬元，經(jīng)濟(jì)效益為15 455.66 萬元·a-1，投資回收期為2.32 a。

可見，隨著供熱量的增加，垃圾焚燒電廠總熱效率越高，經(jīng)濟(jì)效益越來越高，但供熱量增加到一定量后，經(jīng)濟(jì)效益增幅略有下降。這主要是因?yàn)槔暇W(wǎng)的階梯電價(jià)對經(jīng)濟(jì)效益有較大的影響。

圖 3 供熱量對電廠總熱效率、經(jīng)濟(jì)效益的影響Fig. 3 Effect of the heat load on the thermal efficiency and the economic benefits of power plant

3 結(jié) 論

（1）合理利用垃圾資源進(jìn)行熱電聯(lián)產(chǎn)，取代燃煤小鍋爐，這既實(shí)現(xiàn)了生活垃圾的處理，又減少了燃煤消耗，是節(jié)能減排、改善環(huán)境的有力措施。

（2）熱電聯(lián)產(chǎn)可減少電廠的冷源損失，提高電廠總熱效率。利用一抽蒸汽供熱可實(shí)現(xiàn)蒸汽品質(zhì)的梯級利用，為電廠帶來較高的經(jīng)濟(jì)效益；

（3）熱電聯(lián)產(chǎn)的熱效率隨著垃圾熱值的升高而有所降低；供熱量相同時(shí)，垃圾熱值越高，發(fā)電量越多，供熱能力越強(qiáng)，所產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益越高。

（4）隨著供熱量的增加，垃圾焚燒電廠熱電聯(lián)產(chǎn)的熱效率越高，經(jīng)濟(jì)效益越來越高，但供熱量增加到一定量后，經(jīng)濟(jì)效益增幅略有下降。當(dāng)該地區(qū)垃圾熱值較高、并具備供熱條件時(shí)，實(shí)現(xiàn)垃圾熱電聯(lián)產(chǎn)可帶來較高的收益。