中小規(guī)模垃圾焚燒項目鍋爐配置分析

上海黎明資源再利用有限公司 劉 超

近年來，垃圾焚燒發(fā)電已取代衛(wèi)生填埋成為城市生活垃圾資源化處置主流工藝，中國垃圾焚燒發(fā)電自八十年代中后期引進國外技術，經過數(shù)十年的高速發(fā)展，已逐步實現(xiàn)全產業(yè)鏈一體化自主創(chuàng)新。隨著我國垃圾焚燒市場趨于飽和，據不完全統(tǒng)計，截至2020年底全國建成投運的垃圾焚燒發(fā)電項目已超過650座，結合2019-2020年各省市新建項目規(guī)模情況分析，項目投建重心逐漸呈現(xiàn)出從一二線城市向三四線縣市，由東部向中西部地區(qū)轉移的態(tài)勢[1-2]。

目前，國內垃圾焚燒市場需求可分為兩類：一部分是中西部以及縣級市新建項目需求；另外一部分，則是經濟發(fā)達地區(qū)已投運項目二期、三期擴建需求。新建項目與擴建項目區(qū)域差異性較為明顯。同時，參考中國政府采購網以及各級政府發(fā)改委官方網站統(tǒng)計數(shù)據表明：2020年度垃圾焚燒新增中標項目中，以設計處理能力在600-1200t/d 的項目數(shù)量居多，占比達44%；其次為設計處理能力在300-600t/d 的項目，約占28%；2000t/d 以上的大型項目僅占6%?？梢灶A期的是未來三到五年，由于常住人口及地區(qū)生活垃圾總量限制，1200t/d以下中小規(guī)模垃圾焚燒項目更符合項目所在地垃圾處理需求。

此外，考慮中西部地區(qū)生活垃圾熱值與沿海發(fā)達地區(qū)相比差距較大，未來中小規(guī)模垃圾焚燒項目盈利能力必將深受影響，伴隨日趨嚴格的環(huán)保要求，勢必會對新建項目提出更高的經營要求。因此，針對中小規(guī)模垃圾焚燒項目，其鍋爐主蒸汽參數(shù)及爐型配置的選擇將成為影響電廠經濟效益的重要因素。

1 項目規(guī)模配置比較

1.1 控制項目風險

根據中西部地區(qū)以及三四線縣級市工商業(yè)水平、居民生活水平與地方財政收支情況，大部分中小規(guī)模新建項目多集中于縣一級或臨近縣市多地共建模式。由于工業(yè)化水平、人口等多方面因素限制，項目所在地垃圾增長速度較慢，垃圾處置補貼費用相對較低。并且，部分多地共建項目綜合盈利能力較差、項目經濟強度較低，BOT 模式實際運作難度較大，對于垃圾處置服務商而言項目熱情偏低。因此，部分共建項目也會采取競爭性談判模式。在前期談判階段，臨近縣市可能尚未納入特許經營協(xié)議范圍，垃圾保底量較低。此外，后期項目運營階段，若發(fā)生政策變化或技術改造涉及垃圾補貼調價時，調價機制涉及多地區(qū)各級政府，相關溝通協(xié)調工作難度較大。因此，中小規(guī)模項目生活垃圾產生量預估難度較大，不可控因素較多，項目風險相對較大。

對于中小規(guī)模項目而言，常見的焚燒系統(tǒng)配置有：兩爐一機（即2×500～600t/d 焚燒線）；三爐兩機（即3×300～400t/d 焚燒線）。其中，三爐兩機配置（3×300～400t/d）可分成兩階段實施，一期先行投運2條焚燒線（預留一條焚燒線），以保證系統(tǒng)負荷率維持在50%以上，控制項目初投資，降低前期投資風險。后期，根據4～5年實際入廠垃圾量與運營情況，靈活調整項目規(guī)模，二期可進一步申請擴建450～500t/d 焚燒線，或者暫時擱置擴建計劃。而一次性建成兩爐一機配置（2×500～600t/d），前期入廠垃圾量不足，機組長期處于低負荷運行狀態(tài)，汽耗率高，系統(tǒng)穩(wěn)定性差，且項目初投資相對較高，前五年項目現(xiàn)金流壓力較大，直接影響電廠經濟性、安全性。

1.2 國補政策影響

新政策關注焦點在于垃圾焚燒項目產能利用率、噸上網電量以及噸發(fā)電機功率。對于高利用率、高噸發(fā)電量、高水平的項目，無法享受超額發(fā)電量全部補貼，提前結束國補期限；反之若項目運營水平差、噸發(fā)電量低，15年內無法滿足利用小時數(shù)，之后也無法享受國補。

通過三爐兩機配置（3×300～400t/d）分期建設，一期可按照實際容量（1臺汽輪機）計算全生命周期補貼電量，后期增設2#汽機機組，提高項目容量，及時調整產能利用率以及噸發(fā)電機功率，尋求項目最佳平衡點，確保足額獲取國家補貼。

綜上，三爐兩機與兩爐一機相比，盡管設備總投資相對較高，但是為了避免前期垃圾收集量不足以及應對垃圾熱值多變性，三爐兩機通過分期建設項目靈活性更高，抗風險能力更強，更適合中小規(guī)模的垃圾焚燒新建項目。

2 鍋爐參數(shù)爐型比較

目前主流垃圾焚燒鍋爐參數(shù)選擇可分為兩類：中溫中壓（即中參數(shù)，400℃、4MPa）以及中溫次高壓（即高參數(shù)，450℃、6.4MPa）。而高參數(shù)鍋爐又可以分為中間再熱式與非中間再熱式，即再熱器系統(tǒng)將汽輪機高壓缸的排汽再次加熱，直至與過熱蒸汽溫度相近，再送入低壓缸中重新做功，從而整體提升經濟效益[3]。但是，由于中間再熱系統(tǒng)高昂的設備投資、運行維護費用以及高溫防腐成本，中間再熱系統(tǒng)僅適用于大型垃圾焚燒項目，并且處理規(guī)模越大的項目，再熱系統(tǒng)經濟效益越明顯。

因此，以1臺300t/d 中溫次高壓非再熱垃圾焚燒鍋爐為例，對比同等規(guī)模中溫中壓垃圾焚燒鍋爐，在鍋型設計、成本控制、經濟效益等方面進行比較分析。

2.1 鍋爐結構對比

圖1為處理量300t/d、設計熱值7118kJ/kg 的垃圾焚燒鍋爐設計方案，該鍋爐為單鍋筒，自然循環(huán)中溫次高壓非再熱鍋爐，整體呈π 形布置，爐排采用二段往復式結構設計。

圖1 300t·d-1中溫次高壓非再熱垃圾焚燒鍋爐

鍋爐構架為鋼結構，按7度地震設防，爐膛、二煙道、三煙道、水平煙道均為膜式水冷壁結構。并在爐膛上部設有3片水冷屏；三煙道內自下而上依次布置蒸發(fā)器、高溫過熱器、中溫過熱器，水平煙道中布置低溫過熱器Ⅰ、低溫過熱器Ⅱ；尾部煙道自上而下依次布置低溫過熱器Ⅲ以及三段省煤器；集中下降管，平臺為鍍鋅柵格平臺。

圖2為相同處理量、設計熱值的中參數(shù)垃圾焚燒鍋爐設計方案。該鍋爐為單鍋筒，自然循環(huán)中溫中壓鍋爐，該鍋爐主要結構與上述高參數(shù)鍋爐設計方案大致相同。主要區(qū)別在于爐膛上部設置有2片水冷屏；燃燼室內設置有1片隔墻水冷壁；三煙道內自下而上依次布置蒸發(fā)器、高溫過熱器，水平煙道中布置中溫過熱器、低溫過熱器；尾部煙道依次布置四段省煤器。

圖2 300t/d 中溫中壓垃圾焚燒鍋爐

如表1所示，在鍋爐主要設計參數(shù)（給水溫度、鍋爐設計效率等）大致相同的情況下，中參數(shù)鍋爐與高參數(shù)鍋爐相比，由于其蒸汽品味相對較低，故鍋爐額定蒸發(fā)量相對較大。

表1 中、高參數(shù)鍋爐主要參數(shù)

2.2 鍋爐基本尺寸對比

表2主要涉及中參數(shù)和高參數(shù)鍋爐基本尺寸參數(shù)對比情況，可以看出：在垃圾處理量（300t/d）、垃圾設計熱值（7118kJ/kg）相同的情況下，由于高參數(shù)鍋爐主蒸汽參數(shù)相對較高，所需換熱面積相對較大，因此在爐排寬度保持一致的情況下，鍋爐高度、深度尺寸均大于中參數(shù)鍋爐尺寸，鍋爐本體占地面積較大，主廠房焚燒間空間要求相對更高。

表2 中參數(shù)和高參數(shù)鍋爐基本尺寸對比

2.3 熱力計算結果對比

表3、表4分別列出了采用中參數(shù)和高參數(shù)鍋爐額定負荷工況下的熱力計算匯總情況，主要涉及鍋爐各受熱面換熱面積、煙氣溫度、受熱面管內工質進出口溫度、煙氣及工質平均速度等主要數(shù)據。

由表3、表4可以看出：高參數(shù)鍋爐過熱器換熱面積共計1483.4m2，比中參數(shù)過熱器換熱面積大60%，而兩者水冷壁、蒸發(fā)器、省煤器換熱面積差距較小。并且，由于高參數(shù)鍋爐高溫過熱器工質進、出口溫度以及煙氣溫度相對較高，過熱器管內工質對管壁冷卻能力較差，其受熱面管子除采用12Cr1MoVG 材質外，還需采取額外防止高溫腐蝕的措施（堆焊、低溫微熔焊、熔覆等技術）。因此，過熱器的設計與布置是中、高參數(shù)鍋爐成本控制的重點所在。

表3 300t/d 中參數(shù)鍋爐熱力計算匯總（100%負荷，Qydw ＝7118kJ/kg-1）

表4 300t/d 高參數(shù)鍋爐熱力計算匯總（100%負荷，Qydw ＝7118kJ/kg-1）

3 高參數(shù)與中參數(shù)鍋爐經濟性分析

通常垃圾焚燒項目按特許經營期30a（含2a 建設期）進行項目投資財務測算。項目規(guī)模、鍋型選擇將直接影響生活垃圾焚燒項目的建設、運行、維護等各個方面經濟分析。

3.1 前期投資成本

3.1.1 鍋爐本體

鍋爐本體按部件功能、特性劃分大致可分為結構件、受壓件兩類。單臺中參數(shù)鍋爐結構件（含梁和柱、護板、頂板、平臺扶梯、爐墻金屬件、落灰裝置、連接煙道等部件）總重量約為338t，而單臺高參數(shù)鍋爐結構件總重量約為387t（同比相差14.5%）。針對鍋爐受壓元件而言，依據受熱面管壁溫度確定不同類型受熱面管材。對于中參數(shù)鍋爐，僅高溫過熱器采用12Cr1MoVG，質量約為11t，其余受壓件（大部分采用20G）質量約為265t；而對于高參數(shù)鍋爐，高溫過熱器與中溫過熱器均采用12Cr1MoVG，質量約為22t，其余受壓件質量約為287t（同比相差8.3%）。

此外，部分高溫腐蝕嚴重區(qū)域（如衛(wèi)燃帶上部水冷壁區(qū)域）管壁外還需采用額外的防腐措施。目前，垃圾焚燒項目主流防腐措施多采用堆焊工藝，堆焊層與母材冶金結合，使用壽命長，費用約為8000元/m2。相比中參數(shù)鍋爐，高參數(shù)鍋爐在爐膛區(qū)域（增加30.67m2）、水冷屏（增加13.18m2）以及高溫過熱器（增加287.14m2）額外增加堆焊防腐面積共計331m2。因此，高參數(shù)鍋爐堆焊成本額外增加264.8萬元。

綜合上述中、高參數(shù)鍋爐本體成本對比情況匯總至表5所示，由于主蒸汽參數(shù)的提高、換熱面積的增加，單臺高參數(shù)鍋爐本體總重量顯著增長。同時，由于中溫過熱器受熱面材質等級提升以及高溫過熱器防腐措施的應用，進一步增加了高參數(shù)鍋爐制造成本，與中參數(shù)鍋爐相比成本額外增加約417萬。其中，高溫過熱器防腐成本約為230萬元，約占額外支出的55.2%，直接影響前期投資成本。

表5 中、高參數(shù)鍋爐本體成本匯總

3.1.2 前期投資成本匯總

鑒于上述項目規(guī)模配置比較情況，以兩爐一機（2×300t/d）配置方案為例進行前期投資成本分析。蒸汽參數(shù)的選擇僅對熱力系統(tǒng)影響較大，因此僅對鍋爐、汽輪機投資成本進行綜合比較。中參數(shù)和高參數(shù)垃圾焚燒項目前期投資成本差額匯總見表6。前期投資成本差額按運營期28a 均攤到每年，中高參數(shù)項目年折舊差額約為30萬元。

表6 前期投資成本差額匯總

3.2 運行維護成本

鍋爐運行維護成本主要集中于受熱面管系更換，根據以往運行維護情況，大部分中參數(shù)垃圾焚燒項目水冷壁、過熱器更換周期為5～6a、省煤器更換周期為10a，其余部件使用壽命一般皆為30a。而高參數(shù)鍋爐鑒于主蒸汽參數(shù)相對較高，過熱器更換頻次相對更高，過熱器按4～5a 更換周期進行估算，且每次高溫過熱器的受熱面管系仍需采取必要的防腐措施[4]。因此，年攤銷費用差額約為22萬元。此外，為緩解高參數(shù)鍋爐高溫過熱器結焦問題，其蒸汽吹灰頻次相對較高。因此，高參數(shù)鍋爐蒸汽耗量較高，運行成本每臺爐每年增加約10萬元。

綜上，中、高參數(shù)鍋爐單爐運行維護總成本均攤到每年差額約為32萬元。

3.3 發(fā)電收益

一般垃圾焚燒項目主要經濟收益可分為三類：發(fā)電收益、垃圾補貼收益以及其他三產收益（如配套周邊地區(qū)供熱、供汽、售電；污水、污泥等其他廢物協(xié)同處置；厭氧產沼提純外售等）。其中，主要以噸垃圾發(fā)電量、噸垃圾上網電量作為衡量電廠經濟收益主要指標，直接反應余熱利用水平以及發(fā)電收益情況。由于國內上網電價補貼標準存在差異，本文按全國上網電價均值（280kWh 以內為0.65元/kWh、280kWh 以上為0.45元/kWh）計算同等處理規(guī)模、相同垃圾熱值的中、高參數(shù)垃圾焚燒項目發(fā)電收益情況，如表7所示。對于中小規(guī)模垃圾焚燒項目，在額定工況（100%負荷）下，雖然高參數(shù)項目汽輪機汽耗率較低但額定蒸發(fā)量較小，發(fā)電效益優(yōu)勢并不明顯，年發(fā)電收益略高于中參數(shù)項目（年垃圾處理量按20萬噸計算）。

但是鑒于前期投資成本以及運行維護成本等因素，如表8所示中、高參數(shù)項目凈收益匯總情況，高參數(shù)項目年平均凈收益遠低于中參數(shù)項目。因此，對于中小規(guī)模垃圾焚燒項目，更適合采用傳統(tǒng)的中參數(shù)模式。

表7 中、高參數(shù)項目發(fā)電收益匯總

表8 中、高參數(shù)項目凈收益匯總

4 結語

針對中小規(guī)模垃圾焚燒項目，結合項目所在地區(qū)域特性分析以及最新國補政策的影響，通過合理選擇項目規(guī)模配置，增強項目靈活性，提高抗風險能力，三爐兩機分期建設更適合未來中小規(guī)模的垃圾焚燒新建項目。此外，盡管垃圾焚燒鍋爐采取高參數(shù)模式具有一定經濟優(yōu)勢，但是不能盲目追求高參數(shù)化，中小規(guī)模垃圾焚燒項目更適合采用傳統(tǒng)的中參數(shù)模式。項目前期垃圾進廠量不足，長期低負荷運行，直接影響焚燒—發(fā)電系統(tǒng)負荷工況，導致汽耗率增高，年均凈收益低于預期。因此，從側面也印證了規(guī)模配置的選擇相比主蒸汽參數(shù)的選擇對發(fā)電收益的影響更大。