熱泵技術(shù)回收垃圾焚燒電廠爐渣余熱的研究

黃鴻滿

摘要：為了充分利用垃圾焚燒熱量，實現(xiàn)電廠節(jié)能降耗的目標(biāo)，可以借助熱泵技術(shù)回收爐渣中的低品位熱量。通過熱泵逆循環(huán)方式迫使熱量從爐渣冷卻水傳遞給空氣，再將被加熱的高溫空氣接入一次風(fēng)機(jī)入口回噴至爐膛，提高垃圾焚燒爐爐膛溫度，并實現(xiàn)回收爐渣余熱的目標(biāo)。經(jīng)過初步計算，一座2000噸/天的垃圾焚燒廠每天浪費(fèi)爐渣余熱約60，470，367 kcal，加以利用可以節(jié)省8.6噸標(biāo)準(zhǔn)煤，具有可觀的開發(fā)利用價值。

關(guān)鍵詞：熱泵技術(shù);垃圾焚燒;爐渣余熱;余熱利用;低品位熱源

Abstract：To make full use of waste incineration heat and achieve the goal of energy-saving and consumption reduction in power plants，heat pump technology can be used to recover low-grade heat in the slag. The heat pump reverse circulation method is used to force the heat to be transferred from the slag cooling water to the air，and then the heated high-temperature air is connected to the inlet of the primary fan to blowback into the furnace，so as to increase the temperature of the waste incinerator furnace and achieve the goal of recovering the slag waste heat. After preliminary calculations，a 2，000-ton waste incineration plant wastes about 60，470，367 kcal of slag waste heat every day. After recycling，it can save 8.6 tons of standard coal，which has considerable development and utilization prospects.

Key words：Heat pump technology;Waste incineration;Slag waste heat;Waste heat utilization;Low-grade heat

引言

隨著節(jié)能環(huán)保意識不斷深化，各行各業(yè)開始重視低品位熱能的回收利用，然而在垃圾焚燒電廠中卻忽略了爐渣余熱的回收。垃圾焚燒電廠的爐渣經(jīng)冷卻水冷卻后直接排出，爐渣余熱被全部廢棄;在冷卻過程中，冷卻水蒸發(fā)還會攜帶出很多的灰塵，污染生產(chǎn)現(xiàn)場的環(huán)境，威脅工作人員的身體健康;同時高溫水汽對電廠設(shè)備會造成極大的腐蝕作用，也造成廠房內(nèi)環(huán)境溫度高的問題。在這種情況下，既造成了能量的浪費(fèi)，也不利于現(xiàn)場環(huán)境的管理。

1 垃圾焚燒電廠排渣現(xiàn)狀

垃圾焚燒電廠運(yùn)行遵循“減量化”、“資源化”、“無害化”的原則[1]，是當(dāng)下主流的一種垃圾處理方式，解決了“垃圾圍城”的困擾，減少了垃圾填埋占用的土地面積，對環(huán)境保護(hù)起到重要的作用。然而，在當(dāng)前爐排爐垃圾焚燒電廠中，垃圾在爐排上焚燒后產(chǎn)生爐渣如圖1，產(chǎn)生的爐渣溫度達(dá)到600℃的高溫，通過爐排的運(yùn)動將爐渣推進(jìn)除渣機(jī)豎井落入出渣及中，在除渣機(jī)內(nèi)通過冷卻水冷卻后推至振動輸送機(jī)上，通過振動及重力的作用將爐渣排入渣坑[2]。在整個過程中，爐渣余熱得不到回收利用，而且冷卻爐渣需要補(bǔ)充大量的冷卻水，冷卻水被加熱蒸發(fā)，帶走爐渣的熱量，同時蒸汽中攜帶有大量的粉塵，出渣機(jī)冷卻水敞開在環(huán)境空氣中，增加環(huán)境空氣的粉塵含量異味，同時，高溫的水蒸氣對電廠設(shè)備產(chǎn)生強(qiáng)大腐蝕作用[3]。

在當(dāng)前垃圾焚燒電廠排渣工藝中，既不能有效地回收利用熱量，同時還產(chǎn)生嚴(yán)重的環(huán)境問題。若高效回收爐渣的余熱，既能節(jié)約能源，節(jié)約用水量，同時還可以改善垃圾焚燒電廠的現(xiàn)場環(huán)境。

2 熱泵技術(shù)的利用

2.1 熱泵技術(shù)的原理

熱泵是一種充分利用低品位熱能的高效節(jié)能裝置。熱量可以自發(fā)地從高溫物體傳遞到低溫物體中去，但不能自發(fā)地沿相反方向進(jìn)行。熱泵的工作原理就是以逆循環(huán)方式迫使熱量從低溫物體流向高溫物體的機(jī)械裝置，如圖2，它僅消耗少量的逆循環(huán)凈功，就可以得到較大的供熱量，可以有效地把難以應(yīng)用的低品位熱能利用起來達(dá)到節(jié)能目的[4]。

2.2 熱泵技術(shù)的應(yīng)用

當(dāng)今社會，環(huán)境污染和能源危機(jī)已成為威脅人類生存的頭等大事，如何解決這一問題，已成為全人類的課題。在這種背景下，以節(jié)能和環(huán)保為主要特征的綠色建筑及相應(yīng)的空調(diào)系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生，北方多個地區(qū)已經(jīng)實行了煤改電的政策，將以前的燃煤小鍋爐改成了空氣能熱泵，大大減少了污染物的排放，同時也能滿足人們?nèi)粘Ｈ∨男枰?。在地?zé)崮茌^為發(fā)達(dá)的地區(qū)，人們通過地源熱泵的技術(shù)將品質(zhì)低的地?zé)崮苁占?，用于發(fā)電或者熱水供應(yīng)，開發(fā)新能源，同時還研究水源熱泵等技術(shù)，在低品質(zhì)能源的利用的過程中熱泵技術(shù)發(fā)揮重要的作用，。

2.3 空氣能熱泵

空氣能熱泵是按照“逆卡諾”原理工作的，逆卡諾循環(huán)原理[5]。通過壓縮機(jī)系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)工作，吸收空氣中熱量制造熱水。具體過程是：壓縮機(jī)將冷媒壓縮，壓縮后溫度升高地冷媒，經(jīng)過水箱中的冷凝器制造熱水，熱交換后的冷媒回到壓縮機(jī)進(jìn)行下一循環(huán)，在這一過程中，空氣熱量通過蒸發(fā)器被吸收導(dǎo)入冷媒中，冷媒再導(dǎo)入水中，產(chǎn)生熱水。通過壓縮機(jī)空氣制熱的新一代熱水器，即空氣能熱泵熱水器。形象地說，就是“室外機(jī)”像打氣筒一樣壓縮空氣，使空氣溫度升高，然后通過一種-17℃就會沸騰的液體傳導(dǎo)熱量到室內(nèi)的儲水箱內(nèi)，再將熱量釋放傳導(dǎo)到水中[6]。

運(yùn)用熱泵工作原理制熱，與空調(diào)制冷相反—國家制冷標(biāo)準(zhǔn)是1000瓦，電制冷2800瓦。根據(jù)熱平衡的原理，同時最少產(chǎn)生2800瓦的熱量，加上輸入的1000瓦電，實際產(chǎn)生的熱量在3000—4000瓦，把這些熱量輸送到保溫水箱，其耗電量只是電熱水器的四分之一（電熱水器即使熱效率100%，輸入1000電也只有1000瓦的熱）。

2.4 水源熱泵

水源熱泵是利用地球表面淺層的水源，如地下水、河流和湖泊中吸收的太陽能和地?zé)崮芏纬傻牡推肺粺崮苜Y源，采用熱泵原理，通過少量的高位電能輸入，實現(xiàn)低位熱能向高位熱能轉(zhuǎn)移的一種技術(shù)。

水源熱泵機(jī)組工作原理就是在夏季將建筑物中的熱量轉(zhuǎn)移到水源中;在冬季，則從相對恒定溫度的水源中提取能量，利用熱泵原理通過空氣或水作為載冷劑提升溫度后送到建筑物中。通常水源熱泵消耗1kW的能量，用戶可以得到4kW以上的熱量或者冷量。水源熱泵克服了空氣源熱泵冬季室外換熱器結(jié)霜的不足，而且運(yùn)行可靠性和制熱效率又高，近年來國內(nèi)應(yīng)用廣泛[7].

2.5 地源熱泵

地源熱泵是指通過輸入少量的能量實現(xiàn)將地表淺層的低品位能量向高品位能量轉(zhuǎn)移，通常地源熱泵用于建筑采暖、低能發(fā)電站等領(lǐng)域的應(yīng)用。地源熱泵屬經(jīng)濟(jì)有效的節(jié)能技術(shù)。其地源熱泵的COP值達(dá)到了4以上，也就是說消耗1KWh的能量，用戶可得到4KWh以上的熱量或冷量[8]。地表淺層是一個巨大的太陽能集熱器，收集了47%的太陽能量，比人類每年利用能量的500倍還多。它不受地域、資源等限制，真正是量大面廣、無處不在。這種儲存于地表淺層近乎無限的可再生能源，使得地能也成為清潔的可再生能源一種形式。

2.6 熱泵技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)

第一，節(jié)能，有利于能源的綜合利用，熱泵是通過輸入少量的能量把低溫?zé)崮芪者M(jìn)來，經(jīng)過壓縮機(jī)壓縮后轉(zhuǎn)化為高溫?zé)崮?，其?jié)能效果相當(dāng)顯著;

第二，有利于環(huán)境保護(hù);

第三，冷熱結(jié)合，設(shè)備應(yīng)用率高，節(jié)省出投資，第四，因為它是電驅(qū)動，調(diào)控比較方便。相比電鍋爐，可以節(jié)約50%以上的電力消耗[9]。

第四，應(yīng)用領(lǐng)域廣，在低品位熱能較低的地區(qū)，可以通過熱泵技術(shù)將其轉(zhuǎn)化為高品位熱能，滿足生產(chǎn)生活需要。

3 利用熱泵技術(shù)回收爐渣余熱

在垃圾焚燒電廠中，爐渣溫度可以達(dá)到600℃，由于爐渣成分、含量及形狀等較為復(fù)雜，不利于將其收集并回收使用[10]。在實際生產(chǎn)運(yùn)行中，垃圾在爐排上燃盡后，將其推進(jìn)出渣機(jī)內(nèi)，通過向出渣機(jī)補(bǔ)水將爐渣冷卻到100℃以下，如圖3，然后利用液壓技術(shù)將其輸送至渣坑內(nèi)。在整個輸渣的過程中，不僅爐渣余熱得不到充分利用，對機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性造成不良的影響。根據(jù)能量守恒，爐渣通過冷卻水冷卻后，冷卻水蒸發(fā)至廠房中，造成廠房溫度升高，如圖4，圖5（出渣間地面溫度達(dá)到40℃，出渣機(jī)間廠房鋼架溫度達(dá)到44℃），對廠房內(nèi)的運(yùn)行人員造成影響，高溫水蒸氣對金屬設(shè)備腐蝕嚴(yán)重，影響設(shè)備安全穩(wěn)定運(yùn)行，如圖6。蒸發(fā)的水汽中攜帶有大量的粉塵及異味，污染廠房內(nèi)環(huán)境衛(wèi)生，如圖7。對垃圾電廠生產(chǎn)衛(wèi)生造成許多不利的影響，如圖8。

據(jù)調(diào)查，某垃圾焚燒電廠爐渣產(chǎn)生率為焚燒量20%，根據(jù)一天垃圾焚燒量為2000噸，每天爐渣生產(chǎn)量為400噸，需要消耗的冷卻水為120噸/天。根據(jù)經(jīng)驗，爐渣的比熱容為1.0-1.26 kJ/（kg·K）[11]，取中間值，爐渣的比熱容為1.13 kJ/（kg·K），爐渣由600 ℃下降到40 ℃，由公式（1）計算得2000噸垃圾焚燒廠一天爐渣的熱量為：

由以上計算可以看出，一座2000噸的垃圾焚燒廠每天爐渣余熱有60，470，367 kcal的余熱，相當(dāng)于8.6噸標(biāo)準(zhǔn)煤。據(jù)統(tǒng)計，截止至2020年底，我國垃圾焚燒廠的數(shù)量為455座，垃圾焚燒日處理量為38.5萬噸，爐渣余熱相當(dāng)于1655.5噸標(biāo)準(zhǔn)煤，若能將其溫度降到40℃并加以利用，每年可節(jié)省60.4萬噸標(biāo)準(zhǔn)煤。

利用熱泵技術(shù)可以將爐渣余熱高效回收利用，將出渣機(jī)作為熱泵的熱源，通過電能驅(qū)動，利用壓縮機(jī)做功和虛幻系統(tǒng)不斷從出渣機(jī)中吸收熱量并釋放到風(fēng)機(jī)的入口，將鍋爐間的環(huán)境空氣收集并加熱輸送到爐膛內(nèi)作為垃圾干燥及助燃風(fēng)，既能提高垃圾焚燒的效率，節(jié)省能源，同時通過降低出渣機(jī)的溫度降低出渣機(jī)冷卻水蒸發(fā)量，如圖9;還能將鍋爐間的粉塵，異味等抽到鍋爐內(nèi)燃燒，有效地改善鍋爐間的工作環(huán)境。

4 總結(jié)

在節(jié)能環(huán)保意識不斷深化的趨勢下，垃圾焚燒電廠遵循減量化、資源化、無害化的原則為解決垃圾圍城的困擾做出來巨大的貢獻(xiàn)，然而當(dāng)前的出渣工藝在爐渣余熱回收，揚(yáng)塵控制，異味控制等方面有待改善，通過熱泵技術(shù)將爐渣余熱高效回收，既可以提高電廠的經(jīng)濟(jì)性，同時在環(huán)境衛(wèi)生方面也得到很好的治理，具有廣闊的應(yīng)用前景。

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