用于燃煤電站尿素水解制氨的垃圾焚燒能量利用系統(tǒng)性能分析

魏 來，王軼男，陳 衡，潘佩媛，張 鍇

(華北電力大學(xué)熱電生產(chǎn)過程污染物監(jiān)測(cè)與控制北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 102206)

1 引言

隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展，我國城市化進(jìn)程加快，居民生活水平提高。然而，人口集中和消費(fèi)增加導(dǎo)致城鎮(zhèn)垃圾管理已成為一個(gè)突出問題[1]。國家《“十四五”城鎮(zhèn)生活垃圾分類和處理設(shè)施發(fā)展規(guī)劃》中指出：“十三五”期間城市生活垃圾焚燒處理能力占比已達(dá)到45%左右，這一比例到2025年底要達(dá)到65%[2]。焚燒已經(jīng)成為我國主要的垃圾處理方式。

然而，與傳統(tǒng)燃煤發(fā)電機(jī)組相比，垃圾焚燒發(fā)電機(jī)組的能效較低，原因在于其蒸汽參數(shù)較低、冷凝壓力較高、廠用電耗較高以及排煙能量損失較大。目前提高垃圾焚燒機(jī)組能源效率的方法主要集中在提高蒸汽參數(shù)和利用排煙熱。Koralewska Ralf[3]將爐排上方的煙氣分為兩個(gè)氯濃度不同的部分，并使用氯濃度較低的煙氣去加熱過熱器，以獲得較高的蒸汽溫度。Bogale等[4]將主蒸汽的外部過熱與高壓汽輪機(jī)排汽再熱結(jié)合起來，提升了主蒸汽參數(shù)和再熱蒸汽參數(shù)。Liuzzo等[5]利用煙氣再循環(huán)來限制燃燒室的溫度，減少煙氣中的污染物并降低其流量，從而減少排煙熱損失。Martin等[6]利用富氧空氣，以增加進(jìn)入爐膛的空氣氧量，從而減少煙氣流量和能量損失。

此外，已有研究人員通過將垃圾焚燒發(fā)電系統(tǒng)與其他能源系統(tǒng)結(jié)合來提高能效[7]。Bianchi等[8]研究了與燃?xì)饴?lián)合循環(huán)耦合的垃圾焚燒系統(tǒng)，結(jié)果表明，與單個(gè)系統(tǒng)相比，混合系統(tǒng)可以獲得更高的能量效率和經(jīng)濟(jì)效益。有學(xué)者研究了垃圾焚燒裝置和太陽能裝置的集成，利用太陽能實(shí)現(xiàn)外部過熱，并實(shí)現(xiàn)了4.5%的凈能量效率提升[9]。Chen等[10]將垃圾焚燒系統(tǒng)和燃煤機(jī)組結(jié)合，提高了凈發(fā)電效率，并獲得一定經(jīng)濟(jì)效益。

由于我國燃煤機(jī)組數(shù)量占比較大，而且大型燃煤機(jī)組性能高效穩(wěn)定，在這種情況下，研究與燃煤發(fā)電機(jī)組的集成具有重要意義。已有學(xué)者對(duì)燃煤機(jī)組與垃圾焚燒機(jī)組的集成方式展開了研究[10]。然而，很少有人將燃煤機(jī)組的輔助設(shè)備納入系統(tǒng)集成研究。大多數(shù)燃煤機(jī)組在鍋爐尾部煙道布置選擇性催化還原（selective catalytic reduction，SCR）反應(yīng)器以去除煙氣中的氮氧化物（nitrogen oxides，NOx），以使煙氣中的污染物達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)。SCR脫硝技術(shù)將釋到特定濃度的氨氣噴射到煙氣中，在催化劑的作用下，NOx被還原為氮?dú)夂退?。燃煤電站通常采用的脫硝還原劑是液氨，然而液氨的儲(chǔ)量超過10 t將被視為重大危險(xiǎn)源，現(xiàn)有燃煤電站的液氨儲(chǔ)量基本達(dá)到重大危險(xiǎn)源標(biāo)準(zhǔn)，因此燃煤電站探索替代廠內(nèi)液氨存儲(chǔ)的工藝。尿素水解制氨工藝可以消除液氨儲(chǔ)運(yùn)的潛在危險(xiǎn)，具有集中布置、穩(wěn)定可靠的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，是替代液氨的理想工藝。目前已有不少燃煤機(jī)組使用尿素水解制氨工藝替代液氨存儲(chǔ)。

燃煤電站尿素水解反應(yīng)器通常采用鍋爐的中壓高溫蒸汽作為熱源。蒸汽質(zhì)量高，作為外部熱源導(dǎo)致能量損失較大。蒸汽在進(jìn)入反應(yīng)器之前，需要通過噴灑除鹽水進(jìn)行冷卻和減壓。在增加除鹽水消耗的同時(shí)，也會(huì)導(dǎo)致水解裝置的運(yùn)行波動(dòng)，從而影響氨氣的生產(chǎn)?，F(xiàn)存的許多燃煤電站正在改造使用尿素水解制氨脫硝，因此在耦合其他能量系統(tǒng)與燃煤發(fā)電系統(tǒng)時(shí)需要將此類輔助裝置納入集成研究。本文以采用尿素水解制氨脫硝的燃煤電站為例，分析垃圾焚燒發(fā)電機(jī)組與帶有尿素水解裝置的燃煤機(jī)組的耦合系統(tǒng)性能。

2 研究方法

2.1 垃圾焚燒發(fā)電機(jī)組

垃圾焚燒機(jī)組配備一臺(tái)每天處理500 t垃圾的機(jī)械爐排爐和一臺(tái)10 MW的冷凝式汽輪發(fā)電機(jī)組，系統(tǒng)示意圖如圖1所示，表1列出了機(jī)組的主要運(yùn)行參數(shù)。燃燒室中的煙氣需要維持在850℃以上超過2 s，以抑制二惡英和其他有害物質(zhì)的產(chǎn)生[11]。煙氣流經(jīng)各個(gè)受熱面，加熱給水或蒸汽，最終經(jīng)清洗裝置處理后排出。為了防止鍋爐尾部受熱面發(fā)生低溫腐蝕，排煙溫度不低于190℃，造成較大的能量損失，進(jìn)而降低了鍋爐的熱效率，最終該機(jī)組的凈發(fā)電效率僅達(dá)到19.74%。。

表1 垃圾焚燒發(fā)電機(jī)組運(yùn)行參數(shù)Tab.1 Operating parameters of the waste-to-energy unit

圖1 垃圾焚燒電站示意圖Fig.1 Diagram of the waste-to-energy plant

垃圾焚燒發(fā)電機(jī)組采用由兩臺(tái)回?zé)崞鹘M成的回?zé)嵯到y(tǒng)來提高鍋爐的給水溫度。為了讓垃圾在鍋爐中正常燃燒，利用鍋爐汽包和汽輪機(jī)的抽汽預(yù)熱入爐空氣?？諝忸A(yù)熱器主要參數(shù)如表2所示。三級(jí)一次風(fēng)空氣預(yù)熱器將一次風(fēng)從15.0℃加熱至220.0℃，二次風(fēng)空氣預(yù)熱器將二次風(fēng)從15.0℃加熱至166.0℃。較大的傳熱溫差會(huì)減小空氣預(yù)熱器的面積，但可能會(huì)對(duì)此類部件造成較大的?損失。

表2 空氣預(yù)熱器參數(shù)Tab.2 Parameters of the air preheaters

2.2 燃煤發(fā)電機(jī)組

本文選取的660 MW超臨界燃煤機(jī)組示意圖如圖2所示。表3給出了燃煤機(jī)組的主要運(yùn)行參數(shù)。由于機(jī)組容量較大，蒸汽循環(huán)做功效率較高，機(jī)組的凈發(fā)電效率可達(dá)到42.31%，遠(yuǎn)高于垃圾焚燒發(fā)電機(jī)組。

圖2 燃煤電站示意圖Fig.2 Diagram of the coal-fired power plant

表3 燃煤發(fā)電機(jī)組基本參數(shù)Tab.3 Operating parameters of the coal-fired power unit

尿素水解產(chǎn)生的氨氣為鍋爐的SCR脫硝反應(yīng)器提供了還原劑。燃煤鍋爐SCR脫硝裝置的進(jìn)口煙氣量約為2 200 000 m3/h，進(jìn)口 NOx濃度約為950 mg/m3。SCR反應(yīng)器的NOx去除率超過95%，其出口NOx濃度按40 mg/m3計(jì)算。根據(jù)公式(1)、(2)、(3)計(jì)算所需的尿素量[12]。進(jìn)入水解裝置的尿素溶液質(zhì)量濃度為50%，由鍋爐冷端再熱蒸汽抽汽供熱?？刂蒲b置的反應(yīng)溫度為150℃。孫立群等[13]估算了尿素水解過程所需的熱量。根據(jù)理論計(jì)算，滿足燃煤機(jī)組正常運(yùn)行的設(shè)計(jì)尿素量不應(yīng)小于1.28 t/h。理論計(jì)算結(jié)果如表4所示。然而，尿素水解反應(yīng)器運(yùn)行期間使用的熱源是冷端再熱蒸汽，蒸汽品質(zhì)較好，作為外部熱源浪費(fèi)嚴(yán)重。且在進(jìn)入水解器之前，需要噴灑除鹽水以冷卻并降低溫度和壓力，增加了除鹽水的消耗，并容易導(dǎo)致水解器運(yùn)行波動(dòng)，影響煙氣脫硝。

表4 尿素水解裝置的運(yùn)行參數(shù)Tab.4 Parameters of the urea hydrolysis devic

式中：ΔQNOx是煙氣中NOx的脫除量，mg/m3；qm,NH3是噴入的氨氣流量，kg/h；qm,CO(NH2)2是尿素流量，kg/h；n是氨氮摩爾比，計(jì)算值為0.96；Q是進(jìn)入脫硝裝置的煙氣流量，m3/h；MNO，MNO2，MNH3以及MCO(NH2)2分別是NO，NO2，NH3以及CO(NH2)2的摩爾質(zhì)量；η是煙氣中NO在NOx中所占的比例，約為99%[14]。

2.3 集成設(shè)計(jì)

為了提高垃圾焚燒系統(tǒng)的能量效率，提出一個(gè)設(shè)計(jì)方案，將燃煤機(jī)組與垃圾焚燒機(jī)組集成起來，示意圖如圖3所示。在這種一體化設(shè)計(jì)中，垃圾焚燒產(chǎn)生的大部分能量被轉(zhuǎn)移到燃煤系統(tǒng)中，從而顯著增加了發(fā)電量。以下是燃煤機(jī)組與垃圾焚燒機(jī)組之間的連接方式：

圖3 集成設(shè)計(jì)示意圖Fig.3 Diagram of the integrated design

（1）移除垃圾焚燒發(fā)電機(jī)組汽輪機(jī)、凝汽器以及發(fā)電機(jī)等設(shè)備；

（2）垃圾焚燒鍋爐過熱器出口的蒸汽送入燃煤鍋爐的再熱器；

（3）在垃圾焚燒鍋爐省煤器后布置一個(gè)蒸發(fā)器，產(chǎn)生的飽和蒸汽為尿素水解裝置供熱，替代原來的燃煤鍋爐冷端再熱蒸汽的抽汽供熱；

（4）垃圾焚燒系統(tǒng)的給水和進(jìn)入蒸發(fā)器的工質(zhì)均來自燃煤機(jī)組除氧器出口給水；

（5）垃圾焚燒機(jī)組第2級(jí)一次風(fēng)預(yù)熱器和二次風(fēng)預(yù)熱器的所需熱量由燃煤機(jī)組除氧器出口給水提供，換熱后的冷卻水送入燃煤機(jī)組的凝汽器，而第1級(jí)一次風(fēng)預(yù)熱器出口的冷卻水送入燃煤機(jī)組的8號(hào)回?zé)崞鳌?/p>

2.4 系統(tǒng)分析方法

2.4.1 基本假設(shè)

EBSILON Professional可用于集成不同的熱力系統(tǒng)，該軟件廣泛用于電廠熱力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、優(yōu)化、改造和運(yùn)行[15]。采用該軟件仿真并計(jì)算集成前后的系統(tǒng)。在原設(shè)計(jì)系統(tǒng)100%負(fù)載下，確定了集成設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)。對(duì)于獨(dú)立和集成設(shè)計(jì)，需要說明幾個(gè)關(guān)鍵假設(shè)：

① 垃圾焚燒鍋爐的排煙溫度及其熱效率保持不變[10]；

② 燃煤機(jī)組的鍋爐熱效率及其廠用電耗保持不變[10]；

③ 煤炭和城市生活垃圾的消耗率保持不變[10]；

④ 燃煤發(fā)電量保持不變[10]；

⑤ 垃圾焚燒系統(tǒng)的發(fā)電量是可變的[10]；

⑥ 環(huán)境壓力和溫度分別為1 atm和15.0℃。

2.4.2 能量分析指標(biāo)

集成設(shè)計(jì)中垃圾焚燒系統(tǒng)的凈發(fā)電量定義為（pw,int）：

式中：ptot,int是集成系統(tǒng)的凈發(fā)電量，MW；pc是燃煤系統(tǒng)的凈發(fā)電量，MW。

垃圾焚燒系統(tǒng)的凈發(fā)電效率（ηen,w）和集成系統(tǒng)的凈發(fā)電效率（ηen,int）分別表示為：

式中：Pw垃圾焚燒系統(tǒng)的凈發(fā)電量，MW；mw和mc分別是垃圾和煤的消耗量，kg/s；qw和qc分別是垃圾和煤的低位發(fā)熱量，kJ/kg。

2.4.3 ?分析指標(biāo)

?分析可以找出熱力系統(tǒng)中發(fā)生不可逆損失的主要位置和數(shù)量，幫助尋找改善整個(gè)系統(tǒng)性能的方法。燃料?按下式計(jì)算[10]：

式中：mf為燃料消耗量，kg/s；qf為燃料低位發(fā)熱量，kJ/kg；w(C)，w(H)，w(O)和w(N)分別是燃料中碳、氫、氧、和氮的質(zhì)量含量。

垃圾發(fā)電系統(tǒng)?效率（ηex,w）和集成系統(tǒng)的?效率（ηex,tot）分別表示為：

式中：EXw是垃圾的?，MW；EXc是煤的?，MW。

2.4.4 經(jīng)濟(jì)性分析指標(biāo)

經(jīng)濟(jì)性分析通過動(dòng)態(tài)回收周期（dynamic payback period,DPP,a）與凈現(xiàn)值（net present value,NPV,元）計(jì)算，分別表示為：

式中：a項(xiàng)目生命周期的年份；Cin和Cout分別表示第a年現(xiàn)金流入和流出，元；rdis是折現(xiàn)率；n是項(xiàng)目的生命周期，a。

3 結(jié)果與討論

3.1 集成系統(tǒng)的參數(shù)

在EBSILON professional中實(shí)現(xiàn)了所提出的集成設(shè)計(jì)的仿真和計(jì)算。表5列出了布置在垃圾焚燒鍋爐省煤器后的附加蒸發(fā)器的參數(shù)，表6對(duì)比了集成前后尿素水解裝置的運(yùn)行參數(shù)。附加蒸發(fā)器產(chǎn)生的蒸汽為尿素水解過程供熱，換熱后的冷凝水送入燃煤系統(tǒng)的除氧器。尿素水解裝置的熱源蒸汽壓力從原來的4.24 MPa降至1.01 MPa，溫度從308.3°C降低至180.5°C。同時(shí)，不再需要噴灑除鹽水來降低飽和蒸汽溫度和壓力，可以提高水解反應(yīng)器的運(yùn)行穩(wěn)定性。表7比較了集成前后垃圾焚燒系統(tǒng)的省煤器與過熱器的參數(shù)。表8列出了新垃圾焚燒系統(tǒng)的空氣預(yù)熱器參數(shù)。系統(tǒng)集成后，省煤器，過熱器以及空預(yù)器的傳熱溫差減小，導(dǎo)致其傳熱面積增大。

表5 附加蒸發(fā)器的設(shè)計(jì)參數(shù)Tab.5 Design parameters of the additional evaporator

表6 尿素水解裝置的參數(shù)對(duì)比Tab.6 Parameters comparation of the urea hydrolysis device

表7 集成前后垃圾焚燒系統(tǒng)省煤器和過熱器的參數(shù)比較Tab.7 Parameters comparison of economizer and superheater of the waste-to-energy system before and after integration

表8 新垃圾焚燒系統(tǒng)的空氣預(yù)熱器參數(shù)Tab.8 Parameters of air preheaters of the new waste-to-energy system

3.2 能量分析結(jié)果

表9比較了原設(shè)計(jì)和集成設(shè)計(jì)的能量分析結(jié)果。通過將燃煤和垃圾焚燒系統(tǒng)結(jié)合，系統(tǒng)總發(fā)電量增加了3.56 MW。此外由于集成設(shè)計(jì)移除了垃圾焚燒系統(tǒng)多個(gè)設(shè)備，總廠用電功率降低了0.33 MW。

表9 原設(shè)計(jì)和集成設(shè)計(jì)能量分析結(jié)果比較Tab.9 Comparison of the energy analysis results between the initial and integrated designs

因此，混合動(dòng)力系統(tǒng)的凈發(fā)電量提高了3.89 MW，凈發(fā)電效率從41.71%提高到41.97%?？紤]到燃煤系統(tǒng)的發(fā)電量不變，新垃圾焚燒系統(tǒng)的凈發(fā)電量從8.00 MW提高到11.89 MW，凈發(fā)電效率提高了9.58%。如圖4所示，給出了原設(shè)計(jì)與集成設(shè)計(jì)的能流圖。

圖4 原設(shè)計(jì)與集成設(shè)計(jì)的能流圖Fig.4 Energy flow diagrams of the initial and integrated designs

3.3 ?分析結(jié)果

對(duì)初始系統(tǒng)和集成系統(tǒng)進(jìn)行?分析，表10對(duì)比了集成前后系統(tǒng)的?分析結(jié)果，集成后系統(tǒng)?損失變化如下：

表10 原設(shè)計(jì)與集成設(shè)計(jì)的?分析結(jié)果比較Tab.10 Comparison of the exergy analysis results between the initial and proposed designs

（1）垃圾焚燒鍋爐給水溫度提高后各換熱器的傳熱溫差減小，使垃圾焚燒鍋爐的?損失降低了0.27 MW。由于部分再熱汽通過垃圾焚燒鍋爐加熱后匯入燃煤鍋爐，使得進(jìn)入燃煤鍋爐的冷端再熱蒸汽溫度升高造成?損失降低了0.15 MW。結(jié)果表明，鍋爐總?損失降低了0.42 MW。

（2）集成后移除了原垃圾焚燒機(jī)組的低效率汽輪機(jī)，兩個(gè)發(fā)電系統(tǒng)都通過燃煤機(jī)組的汽輪發(fā)電機(jī)發(fā)電，使汽輪機(jī)的總?損失減少了1.93 MW。

（3）集成后燃煤機(jī)組給水流量增大，燃煤系統(tǒng)回?zé)崞?損失增加了0.57 MW，而垃圾焚燒系統(tǒng)由于移除了換熱器并調(diào)整了空氣預(yù)熱器的熱流體參數(shù)使得?損失減少了0.78 MW。因此，集成系統(tǒng)的回?zé)崞骱涂疹A(yù)器的總?損失下降了0.21 MW。

（4）集成后燃煤發(fā)電機(jī)組的汽輪機(jī)的總排汽流量下降，減少了0.65 MW的凝汽器?損失。

（5）集成后尿素水解裝置的熱源參數(shù)得到優(yōu)化，使該設(shè)備?損失降低了0.14 MW。

（6）由于移除垃圾焚燒系統(tǒng)部分耗能設(shè)備，使得集成系統(tǒng)廠用電減少了0.33 MW。

綜上所述，集成后系統(tǒng)的整體?損失減少了3.89 MW。與原系統(tǒng)相比，集成后垃圾焚燒發(fā)電系統(tǒng)的?效率提高了9.08%，系統(tǒng)總?效率提高了0.25%。?分析結(jié)果表明，?效率提高的主要原因是集成后系統(tǒng)汽輪、鍋爐以及凝汽器的?損失減少。

3.4 經(jīng)濟(jì)性分析結(jié)果

為了評(píng)估集成設(shè)計(jì)的財(cái)政可行性，需要對(duì)集成后的系統(tǒng)進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性分析。在原設(shè)計(jì)和集成設(shè)計(jì)中，燃煤系統(tǒng)的成本和效益不變，評(píng)估垃圾焚燒系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性。垃圾焚燒系統(tǒng)使用國產(chǎn)設(shè)備時(shí)，其投資成本約為344568元/t[16]。擬建垃圾焚燒項(xiàng)目是一個(gè)生命周期25 a的建設(shè)-運(yùn)營-轉(zhuǎn)讓項(xiàng)目，包括2 a的建設(shè)期和23 a的資本回收期。垃圾焚燒電站的收入依賴于售電和垃圾處理費(fèi)用，而垃圾焚燒機(jī)組的上網(wǎng)電價(jià)和垃圾處理補(bǔ)貼主要由政府決定[17]。表11提供了經(jīng)濟(jì)分析所需基本參數(shù)。

表11 經(jīng)濟(jì)性分析基本參數(shù)Tab.11 Essential parameters of the economic analysis

如上表12所示，新垃圾焚燒系統(tǒng)的總成本受設(shè)備費(fèi)用的影響較大。集成后，垃圾焚燒系統(tǒng)的一部分設(shè)備被移除或改造，通過估算函數(shù)法[20-22]和規(guī)模放大法[23-26]計(jì)算有關(guān)設(shè)備的成本，因此，垃圾焚燒系統(tǒng)的投資成本降低了約3513萬元。與原設(shè)計(jì)相比，在新垃圾焚燒系統(tǒng)的整個(gè)生命周期內(nèi)，系統(tǒng)動(dòng)態(tài)回收期從10.23 a降至6.40 a，凈現(xiàn)值增加了約4901萬元。

表12 集成前后垃圾焚燒系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性分析結(jié)果比較Tab.12 Comparison of economic analysis results of the waste-to-energy system before and after integration

3.5 討論

通過將垃圾焚燒系統(tǒng)與燃煤系統(tǒng)耦合后顯著提高了垃圾焚燒系統(tǒng)發(fā)電效率，降低了垃圾焚燒系統(tǒng)的投資成本，集成后尿素水解裝置的?損失明顯減少，減少的?損失會(huì)間接轉(zhuǎn)化為發(fā)電量。通過將尿素水解裝置納入系統(tǒng)集成后進(jìn)行性能分析，可以發(fā)現(xiàn)合理的系統(tǒng)集成方式不僅能改善類似的輔助設(shè)備的運(yùn)行條件，還能增加機(jī)組發(fā)電量。此外，?分析結(jié)果表明，較大的傳熱溫差會(huì)導(dǎo)致更多的?損失，從而降低凈功率輸出，這就要求在系統(tǒng)集成時(shí)，流體間的混合應(yīng)盡量根據(jù)溫度選擇合適的混合位置，以最大限度地提高能量輸出。

4 結(jié)論

對(duì)用于燃煤系統(tǒng)尿素水解制氨工藝的垃圾焚燒耦合系統(tǒng)的進(jìn)行熱力學(xué)和經(jīng)濟(jì)性評(píng)估后得出以下幾點(diǎn)主要結(jié)論：

（1）在煤炭和垃圾消耗率不變的情況下，集成后的垃圾焚燒系統(tǒng)可以額外產(chǎn)生3.89 MW的凈功率輸出，凈發(fā)電效率提高9.58%。

（2）系統(tǒng)集成后，鍋爐、汽輪機(jī)和凝汽器的?損失分別降低了0.42、1.93、0.65 MW。最終，垃圾焚燒系統(tǒng)的?效率提高了9.08%，建議系統(tǒng)的總?效率提高了0.25%。

（3）系統(tǒng)集成后，垃圾焚燒系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)回收期從10.23 a降至6.40 a。其凈現(xiàn)值從7591萬元增加到12492萬元。