造紙污泥焚燒發(fā)電系統(tǒng)中蒸汽能量的梯級(jí)利用

鄒大勇 沈昊天

浙江山鷹紙業(yè)有限公司

0 引言

“十四五”時(shí)期，“碳達(dá)峰”“碳中和”是我國(guó)的重點(diǎn)工作，《國(guó)務(wù)院關(guān)于印發(fā)2030 年前碳達(dá)峰行動(dòng)方案的通知》提到：到2025年，非化石能源的消費(fèi)比重將達(dá)到20%左右，國(guó)內(nèi)單位生產(chǎn)能源消耗的總值將比2020年下降13.5%，生產(chǎn)總值二氧化碳排放下降18%，為2060 年實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰”奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)［1］。在這一目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)過程中，企業(yè)肩負(fù)著重要的使命和責(zé)任，企業(yè)可通過推動(dòng)科技創(chuàng)新、加快能源清潔化等積極參與能源綠色低碳轉(zhuǎn)型過程［2］。造紙污泥、印染污泥等含有大量的病原微生物、重金屬、有機(jī)污染物等有害物質(zhì)，對(duì)污泥進(jìn)行焚燒發(fā)電可有效推進(jìn)“減量化、資源化、無害化”的實(shí)現(xiàn)，對(duì)我國(guó)生態(tài)文明建設(shè)有著重大的意義［3］。

蒸汽是污泥發(fā)電系統(tǒng)中重要的能源介質(zhì)之一。作為汽輪機(jī)傳熱工質(zhì)，蒸汽承擔(dān)了污泥干化過程中的能量轉(zhuǎn)化。但目前部分設(shè)備能耗在發(fā)電系統(tǒng)中未被合理利用，導(dǎo)致蒸汽綜合利用效率低，電廠熱效率低［4］。

能量的梯級(jí)利用遵循熱力學(xué)第一定律及第二定律。熱力學(xué)第一定律依據(jù)能量和物質(zhì)守恒原則，分析能量在傳遞與轉(zhuǎn)化過程中的熱量損失和利用情況，為機(jī)組熱力性能分析提供了理論支持。熱力學(xué)第二定律是使實(shí)際熱力循環(huán)過程無限接近理想的卡諾循環(huán)，減少高品位熱能損失［5］，是從質(zhì)和量上分析系統(tǒng)的能量有效利用［6］。蒸汽梯級(jí)利用原理是通過對(duì)工程實(shí)際蒸汽使用情況進(jìn)行分析，加強(qiáng)余熱回收，減少能量的外部損失與浪費(fèi)，對(duì)產(chǎn)生大能量的環(huán)節(jié)進(jìn)行改善和優(yōu)化，以提高系統(tǒng)熱效率［7］。

余熱回收對(duì)提高系統(tǒng)的能效至關(guān)重要［8］，而能量階梯利用是一種有效的方法。國(guó)內(nèi)對(duì)發(fā)電系統(tǒng)能量綜合利用進(jìn)行了廣泛的研究，如崔殊杰等對(duì)大型燃煤機(jī)組余壓梯級(jí)利用進(jìn)行了供熱方案的分析，為研究余壓梯級(jí)利用的可行性和經(jīng)濟(jì)性提供了參考［9］；周璐瑤的高參數(shù)一次再熱超超臨界機(jī)組回?zé)嵯到y(tǒng)蒸汽能量梯級(jí)利用結(jié)果表明，在較高負(fù)荷下，回?zé)崾狡啓C(jī)的節(jié)能效果較外置式蒸汽冷卻器系統(tǒng)更好［10］；盛化才的造紙企業(yè)熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組蒸汽能量梯級(jí)利用表明減溫減壓裝置可代替背壓機(jī)組供熱和發(fā)電［11］；張寶茸等對(duì)污泥蒸汽干化過程的廢熱能梯級(jí)利用進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)污泥干化后的廢熱能經(jīng)預(yù)熱器和閃蒸罐再利用后可明顯降低蒸汽消耗量［12］。 綜上所述，目前針對(duì)不同企業(yè)生產(chǎn)過程中能量梯級(jí)利用的研究已有一定的基礎(chǔ)，但造紙污泥焚燒發(fā)電廠的蒸汽能量梯級(jí)利用的研究尚不充足。

本文通過對(duì)工程實(shí)例的分析，探究了使用干化凝汽器與水冷式螺旋冷渣機(jī)階梯聯(lián)合換熱和蒸汽能量梯級(jí)利用的可行性和經(jīng)濟(jì)性，為造紙污泥發(fā)電廠熱力系統(tǒng)的改造和建設(shè)提供參考。

1 污泥干化蒸汽能量階梯利用工藝

本文以浙江愛拓能源環(huán)保有限公司污泥焚燒發(fā)電廠為例介紹蒸汽能量的階梯利用。該廠以海鹽縣域內(nèi)的造紙廢棄物、造紙漿渣、造紙污泥及其它可焚燒的工業(yè)固廢為原料進(jìn)行焚燒發(fā)電，配套建設(shè)1×200 t/h 高溫高壓循環(huán)流化床鍋爐和1×50 MW 凝汽式汽輪發(fā)電機(jī)組，蒸汽使用設(shè)備多，包括凝汽器、高壓除氧器、高壓加熱器、低壓加熱器、軸封加熱器等，且使用參數(shù)差異大。

基于該廠的污泥干化工藝，在常規(guī)干化過程中干化器內(nèi)污泥側(cè)會(huì)產(chǎn)生90～100 ℃的濕蒸汽，在凝汽器內(nèi)凝結(jié)后進(jìn)入污水站處理。由于干化機(jī)凝汽器基本是在常壓下運(yùn)行，因此在合理利用的情況下，干化凝汽器換熱管束外部最高可收集90 ℃左右的熱媒供以利用。污泥干化機(jī)及干化凝汽器設(shè)備布置情況見圖1。

該廠采用閉式水冷排渣系統(tǒng)，閉式水冷系統(tǒng)中收集的熱量最終流入循環(huán)水系統(tǒng)中。由于水冷螺旋冷渣機(jī)進(jìn)出口溫差為700 ℃，造成了相當(dāng)可觀的冷渣損失，此外排渣溫度也很高，可利用這一部分的高品位熱能加熱凝結(jié)水，達(dá)到余熱回收的目的。水冷式冷渣機(jī)布置系統(tǒng)示意圖見圖2。

圖2 水冷式冷渣機(jī)布置系統(tǒng)示意圖

綜上，就污泥焚燒發(fā)電系統(tǒng)而言，圓盤污泥干化機(jī)凝汽器損失和水冷式冷渣機(jī)換熱損失具有熱源熱流量高和易回收的特點(diǎn)。對(duì)污泥干化凝汽器，已知表面式換熱器的換熱溫度上限（廢蒸汽側(cè)飽和溫度）約98 ℃，考慮到5～10 ℃的傳熱溫差，則水側(cè)溫度設(shè)計(jì)上限預(yù)計(jì)在83～88 ℃左右。對(duì)于此溫度范圍的出水，重新回到#1 低壓加熱器的話，則溫度高且含水量大，直接進(jìn)入除氧器溫度偏低，可結(jié)合水冷式冷渣機(jī)的高溫?zé)嵩?，為此，考慮采用干化凝汽器與冷渣機(jī)熱源梯級(jí)聯(lián)合換熱方式，加熱一部分凝結(jié)水至除氧器，從而達(dá)到熱能回收的目的。

2 主要熱流損失計(jì)算

基于機(jī)組熱力系統(tǒng)圖、干化機(jī)凝汽器廢蒸汽和水冷式冷渣機(jī)熱能回收原理，設(shè)計(jì)的蒸汽能量梯級(jí)回收利用系統(tǒng)圖見圖3。

圖3 蒸汽能量梯級(jí)利用系統(tǒng)圖

由機(jī)組額定抽汽工況下原則性回?zé)嵯到y(tǒng)數(shù)據(jù)可知，干化機(jī)凝汽器進(jìn)口廢蒸汽正常運(yùn)行工況下參數(shù)通常為P=0.094 MPa，T=98 ℃，按污泥干化機(jī)每日處理500 t 造紙污泥計(jì)算，其理論廢蒸汽產(chǎn)生量約為225 t/d。根據(jù)該參數(shù)下熱力學(xué)性質(zhì)可以算出凝汽器內(nèi)部熱流量為凝結(jié)前Pc=0.094 MPa，Tc=98 ℃，x=1，Hc=2 672.4 kJ/kg；凝結(jié)后溫度和壓力不變，x=0，H=410.7 kJ/kg，則每小時(shí)的熱流量為：225()

Hc-H x÷24=21 203.4 MJ/h，可見其單位時(shí)間的熱流量非常巨大，其熱能利用率可看作100%。若以此系統(tǒng)（干化機(jī)凝汽器部分）作為回?zé)嵯到y(tǒng)的一部分，可減少#1 低壓加熱器的抽汽量，增加純凝汽流量，從而提升發(fā)電機(jī)功率。

假設(shè)在100%～105%MCR 工況下，日均理論排渣量在150 t 左右，則單位時(shí)間內(nèi)的排渣熱損失可由公式得出：爐渣比熱容c=1.1 kJ/kg·℃，爐渣溫降ΔT=700 ℃，則冷渣機(jī)每日排渣損失理想熱流為：C·ΔT·m質(zhì)量流量=4 812.5 MJ/h，水冷式冷渣機(jī)熱能利用率可根據(jù)對(duì)數(shù)平均溫差得出，約93.7%，故損失熱流為4 509.31 MJ/h。可見機(jī)組負(fù)荷越高，其冷渣損失越大，對(duì)冷渣損失進(jìn)行回收利用的可行性越高，收益越大。

3 蒸汽能量梯級(jí)利用模式熱經(jīng)濟(jì)性分析

3.1 案例機(jī)組說明

鍋爐-汽輪機(jī)主要參數(shù)見表1。

表1 鍋爐-汽輪機(jī)主要參數(shù)

3.2 熱經(jīng)濟(jì)性分析

工質(zhì)循環(huán)吸收熱量成為汽輪機(jī)的熱耗Q0（kJ/h），

式中：D0——主蒸汽量，t/h；h0,hfw——主蒸汽焓、給水焓，kJ/kg；Qr——再熱蒸汽熱耗，kJ/h。

汽輪發(fā)電機(jī)每發(fā)1 kWh 的電量所消耗循環(huán)吸收熱量成為熱耗率q0，即：

式中：Pe——汽輪機(jī)發(fā)電功率，kW。

發(fā)電廠的主要經(jīng)濟(jì)指標(biāo)為全廠熱效率ηcp、全廠熱耗率qcp（kJ/ kWh）、標(biāo)準(zhǔn)發(fā)電煤耗率b（kg/ kWh）。使用上述數(shù)據(jù)進(jìn)行額定工況和干化凝汽器—冷渣機(jī)換熱工況下的熱經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，對(duì)其熱經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行評(píng)價(jià)。

全廠熱耗率計(jì)算公式見式（3）：

式中：ηb——鍋爐效率，ηp——管道效率。

發(fā)電熱效率計(jì)算公式見式（4）：

發(fā)電標(biāo)準(zhǔn)煤耗率計(jì)算公式見式（5）：

式中：QDW,C——標(biāo)準(zhǔn)煤的低位發(fā)熱量，29 270 kJ/kg。

分別對(duì)發(fā)電機(jī)組額定工況與增加干化凝汽器-水冷式冷渣機(jī)換熱工況進(jìn)行熱經(jīng)濟(jì)指標(biāo)計(jì)算，結(jié)果見表2。

表2 經(jīng)濟(jì)指標(biāo)計(jì)算結(jié)果

機(jī)組的全廠熱耗率由額定工況的11 591 kJ/kWh下降至11 503 kJ/kWh，下降了0.76%，此時(shí)額外發(fā)電量約為386 kWh，按平均上網(wǎng)電價(jià)0.505 8 元計(jì)算，年8 160 運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)下的額外經(jīng)濟(jì)收益約為1 592 740 元。全廠熱耗率變化不大，發(fā)電標(biāo)準(zhǔn)煤耗率由396 kg/kWh 下降至393 kg/ kWh，即每發(fā)電1 kWh消耗的能量折合標(biāo)準(zhǔn)煤減少3 kg。

綜上所述，使用污泥干化凝汽器-水冷式冷渣機(jī)換熱可以加熱部分凝結(jié)水至除氧器，減少除氧器的抽汽量，有效地進(jìn)行了蒸汽能量梯級(jí)利用，達(dá)到了熱能回收目的，為企業(yè)帶來了可觀的經(jīng)濟(jì)收益。

4 結(jié)論與展望

本文以使用造紙污泥為原料的焚燒發(fā)電系統(tǒng)為研究對(duì)象，基于能量階梯利用原理開展了能量階梯利用的研究，并進(jìn)行了熱經(jīng)濟(jì)性分析，討論了使用污泥干化機(jī)系統(tǒng)凝汽器和水冷式冷渣機(jī)蒸汽能量階梯利用的優(yōu)勢(shì)，主要結(jié)論如下：

1）使用污泥干化凝汽器和水冷式冷渣機(jī)換熱的發(fā)電機(jī)組可有效減少除氧器抽汽量，從而降低末級(jí)蒸汽濕度，減少葉輪水侵蝕。

2）與額定工況相比，使用污泥干化機(jī)系統(tǒng)凝汽器和水冷式冷渣機(jī)換熱的機(jī)組全廠熱耗率下降了0.76% ，蒸汽能量梯級(jí)利用提高了發(fā)電機(jī)組的整體能量利用水平。

通過對(duì)污泥焚燒發(fā)電系統(tǒng)的蒸汽的能量梯級(jí)利用，可有效提高污泥焚燒發(fā)電廠的能源利用效率，在為企業(yè)帶來經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)，對(duì)于節(jié)能減排，實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)具有一定意義。