生活垃圾焚燒余熱蒸發(fā)滲瀝液膜濃縮液的可行性分析

丁兆勇 中城院（北京）環(huán)境科技股份有限公司

1 蒸發(fā)處理

2 利用各種垃圾焚燒余熱處理滲瀝液膜濃縮液可行性分析

生活垃圾焚燒廠垃圾焚燒產(chǎn)生的余熱可用方式有焚燒爐尾部煙道煙氣所含熱能、汽輪機(jī)排汽冷凝損失所含熱能、汽輪機(jī)抽汽所具有的熱能、熱循環(huán)水所含熱能等。如果用以上余熱來加熱蒸發(fā)滲瀝液膜濃縮液，既對(duì)余熱加以利用，提高了整體熱效率，又能減排和減少熱污染。

2.1 利用排煙余熱加熱

煙氣脫酸塔前煙氣溫度為210～250 ℃，煙氣脫酸塔和布袋除塵器之間的煙氣溫度為180～200 ℃，布袋除塵器后煙氣溫度為150～180 ℃。煙氣脫酸塔前煙氣溫度相對(duì)較高，如果將換熱器設(shè)置在該處換熱效果較好，且需要布置的換熱器面積也比較小。但是，由于煙氣脫酸塔前的煙氣中含有HCL、SO2等腐蝕性氣體和粉塵等固體顆粒，如果將換熱器布置在該位置，對(duì)換熱器材質(zhì)的耐腐蝕性和耐磨性要求都較高，也增加了換熱器的成本；布袋除塵器前也存在灰分含量高，對(duì)換熱器磨損嚴(yán)重的問題；布袋除塵器后的潔凈煙氣對(duì)換熱器材質(zhì)耐腐蝕和耐磨損的要求較低，因此將換熱器布置在該處成本相對(duì)較低，但是由于煙氣可利用的焓降小，需要布置的換熱面積較大。

考慮到煙氣中含有未脫除的酸性氣體，酸露點(diǎn)在125 ℃左右，若不考慮后續(xù)設(shè)備和管路做防腐處理，那么如果將受熱面布置在脫酸塔前，可利用的煙氣溫度范圍為從210～250 ℃降到125 ℃；如果將受熱面布置在布袋除塵之后，可利用的煙氣余熱溫度范圍在從150～180 ℃降到125 ℃。如果考慮對(duì)增設(shè)的換熱器以及后續(xù)設(shè)備和管路都做防腐處理，可以將煙氣溫度降低到110 ℃，這樣的話利用的煙氣余熱量增加，但是由于換熱器要采用耐腐蝕的材質(zhì)如ND 鋼或聚四氟乙烯，后續(xù)的設(shè)備和管路要做防腐處理，導(dǎo)致投入成本大大增加。

因此，不論采取在尾部煙道何處利用煙氣余熱加熱蒸發(fā)垃圾滲瀝液膜濃縮液的方式，都存在煙氣余熱利用量低、換熱器投入成本高的問題。

2.2 利用汽輪機(jī)排汽或抽汽加熱

汽輪機(jī)做功后的乏汽排入凝汽器，造成汽化潛熱冷凝損失，損失熱能約占垃圾燃燒產(chǎn)生總熱量的40%～50%，如果能用這部分熱量來加熱蒸發(fā)垃圾滲瀝液膜濃縮液既節(jié)能又減排。另外，采用做功能力相對(duì)較低的汽輪機(jī)抽汽來加熱蒸發(fā)滲瀝液膜濃縮液也是一個(gè)可行方法。

2.2.1 采用汽輪機(jī)排汽加熱

汽輪機(jī)排汽溫度約為42 ℃，根據(jù)熱量傳遞理論，為了利用該排汽的潛熱加熱蒸發(fā)滲瀝液膜濃縮液，滲瀝液膜濃縮液蒸汽最高也僅能被加熱到41 ℃左右，這就需要容器內(nèi)壓力要低于8.0 kPa，并且實(shí)際工程應(yīng)用中換熱器至少要有4 ℃的端差。汽輪機(jī)排汽溫度僅為42 ℃左右，所以要想利用這部分余熱只能利用乏汽潛熱而不是利用溫差，這就決定了只能采用間接的換熱方式，即汽輪機(jī)排汽和滲瀝液膜濃縮液不接觸。為了達(dá)到和維持滲瀝液膜濃縮液容器內(nèi)的壓力，需要對(duì)容器增設(shè)抽真空系統(tǒng)。具體可以將耐腐蝕的流通乏汽的管路布置在儲(chǔ)存滲瀝液膜濃縮液的容器內(nèi)，或者將滲瀝液膜濃縮液噴淋在耐腐蝕的流通乏汽的管路表面，但是在具體操作時(shí)要考慮到滲瀝液膜濃縮液被干燥后生成物的清理。采用該方式的難點(diǎn)在于容器內(nèi)真空系統(tǒng)的設(shè)置比較復(fù)雜。

1）功能強(qiáng)大、性能指標(biāo)高。大型儀器設(shè)備普遍具有普通設(shè)備所不具備的功能強(qiáng)大、性能指標(biāo)高等特點(diǎn)[5]。例如：有的設(shè)備能完成數(shù)據(jù)采集、建模、加工控制與質(zhì)量檢驗(yàn)等完備功能；有的設(shè)備運(yùn)行精度高，達(dá)到微米、納米精度；有的設(shè)備速度快，達(dá)到10 g的快速啟停等。

采用汽輪機(jī)排汽加熱滲瀝液膜濃縮液對(duì)原系統(tǒng)熱平衡的影響，僅僅通過調(diào)整進(jìn)入凝汽器的循環(huán)冷卻水量即可以維持。同時(shí)降低了循環(huán)水成本和循環(huán)泵電耗，夏季外界溫度較高時(shí)又提高了降低凝汽器背壓的能力。

2.2.2 采用汽輪機(jī)抽汽加熱

越是流通到汽輪機(jī)后端的蒸汽品質(zhì)越低，低品質(zhì)蒸汽做功能力較低，尤其是四抽（按照當(dāng)前生活垃圾焚燒廠汽輪機(jī)所采取的主流結(jié)構(gòu)），幾乎都以冷凝損失的形式排入凝汽器中，同時(shí)造成大氣的熱污染。以某額定功率10 MW、主蒸汽壓力3.79 MPa（g）、主蒸汽溫度403 ℃為例，其一抽壓力1.1 MPa（g）、溫度286 ℃，二抽壓力0.74 MPa （g）、溫度237 ℃，四抽壓力0.07 （g）MPa、溫度85.7 ℃。

（1）采用主蒸汽、一抽蒸汽或二抽蒸汽來加熱蒸發(fā)滲瀝液膜濃縮液

無論采用直接加熱還是間接加熱方式都比較容易實(shí)現(xiàn)，只是直接加熱要保證蒸汽不被冷凝，這樣蒸汽的潛熱就不能得到利用，能量浪費(fèi)嚴(yán)重。采用間接加熱，即采用相變換熱器，換熱器一側(cè)為蒸汽被冷凝為液態(tài)水，液態(tài)水回收輸入到相應(yīng)的低加，另一側(cè)為滲瀝液膜濃縮液被加熱蒸發(fā)，產(chǎn)生的蒸汽被抽出，滲瀝液膜濃縮液先被濃縮為粘稠物，然后被干燥成塊狀或粉末狀固體。采用主蒸汽、一抽蒸汽或二抽蒸汽會(huì)對(duì)原系統(tǒng)熱力平衡造成影響。采用主蒸汽，如果在原焚燒爐設(shè)計(jì)出力較大，即焚燒爐未達(dá)到最大出力前提下，增加抽汽僅通過增大焚燒爐的出力即可，這種情況下進(jìn)入汽輪機(jī)的主蒸汽量不減少。但是由于焚燒爐產(chǎn)生更多的主蒸汽需要從汽輪機(jī)抽取更多的蒸汽來加熱凝結(jié)水和給水，導(dǎo)致汽輪機(jī)出力降低、焚燒爐排煙溫度下降，同時(shí)汽輪機(jī)排汽也相應(yīng)減少，熱損失降低。這種情況下增加抽汽造成的焚燒爐效率是增加還是降低，具體要看焚燒爐效率的最大設(shè)計(jì)負(fù)荷。

采用主蒸汽、一抽蒸汽或二抽蒸汽對(duì)原系統(tǒng)熱力平衡造成影響，在不影響安全運(yùn)行的前提下，將導(dǎo)致汽輪機(jī)出力降低，發(fā)電負(fù)荷下降。假定汽輪機(jī)設(shè)計(jì)最低發(fā)電熱耗值為汽輪機(jī)額定負(fù)荷的95 %，那么當(dāng)由于增加抽汽導(dǎo)致汽輪機(jī)負(fù)荷從100 %下降到95 %之間時(shí)，發(fā)電熱耗值是逐漸降低的，當(dāng)負(fù)荷從95 %下降時(shí)，發(fā)電熱耗值是逐步增加的?？紤]到蒸汽品質(zhì)降低做功能力下降，采用二抽的綜合經(jīng)濟(jì)性比采用主蒸汽和一抽要高。增加抽汽相應(yīng)地減少了汽輪機(jī)排汽，冷凝損失減少，所以對(duì)整體經(jīng)濟(jì)性是有利的。

（2）采用四抽蒸汽來加熱蒸發(fā)滲瀝液膜濃縮液

四抽蒸汽溫度低于標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下的水汽化溫度，因此若要采用四抽來加熱蒸發(fā)滲瀝液，需要將滲瀝液膜濃縮液容器內(nèi)抽真空并維持，85℃對(duì)應(yīng)的飽和水蒸汽壓力約為60 kPa，也就是說滲瀝液膜濃縮液容器內(nèi)壓力至少要維持在60 kPa 以下。因此，如果采用該種方案，復(fù)雜的抽真空系統(tǒng)不可避免。

綜合考慮采用汽輪機(jī)排汽或抽汽來加熱蒸發(fā)滲瀝液膜濃縮液，在二抽蒸汽量能夠滿足需要的前提下，建議采用二抽，如果滲瀝液膜濃縮液產(chǎn)量穩(wěn)定，從發(fā)電和蒸發(fā)滲瀝液膜濃縮液的總體經(jīng)濟(jì)性考慮，可以改造汽輪機(jī)結(jié)構(gòu)，將汽輪機(jī)后段葉片去掉，直接根據(jù)汽源需要改成排汽溫度130 ℃左右的背壓機(jī)形式。

2.3 采用熱循環(huán)水加熱

這里的熱循環(huán)水指的是焚燒爐給水（約130 ℃）或汽包內(nèi)飽和水（約250 ℃）。無論利用焚燒爐給水還是利用汽包內(nèi)飽和水，都將影響到焚燒爐的最大主蒸汽產(chǎn)生量，對(duì)整個(gè)熱力系統(tǒng)的影響與采用主蒸汽來加熱的影響相類似，即要根據(jù)焚燒爐最大出力與汽輪機(jī)最大出力來判定。采用熱循環(huán)水肯定會(huì)影響到焚燒爐內(nèi)的熱力平衡，也會(huì)影響到汽輪機(jī)內(nèi)的熱平衡。

（1）利用焚燒爐給水來加熱蒸發(fā)滲瀝液膜濃縮液，對(duì)原熱力系統(tǒng)的影響與原系統(tǒng)是否處于最大出力有直接關(guān)系

在汽輪機(jī)低加、高加和除氧器已經(jīng)達(dá)到最大出力的情況下，抽取焚燒爐給水勢(shì)必會(huì)造成進(jìn)入省煤器、水冷壁、汽包和過熱器的工質(zhì)減少，相應(yīng)地這些受熱面的出力減少，產(chǎn)生的主蒸汽量也相應(yīng)降低，焚燒爐和汽輪機(jī)出力下降。為了防止省煤器、水冷壁、汽包和過熱器等受熱面和管路的超溫，焚燒爐垃圾處理量減少。鍋爐給水量減少，壓力降低，省煤器、水冷壁和汽包內(nèi)的壓力和溫度也降低，焚燒爐內(nèi)溫度下降，爐膛出口煙氣溫度下降。過熱器內(nèi)壓力下降，溫度可以維持不變。產(chǎn)生主蒸汽壓力下降，溫度可以不變。由于省煤器內(nèi)給水溫度降低、流量減少，因此排煙溫度降低。進(jìn)入水冷壁的單位給水量對(duì)應(yīng)的垃圾量增加，但總的焚燒爐處理垃圾能力降低。

因此，抽取省煤器后的給水后，焚燒爐焚燒垃圾能力降低但并不與給水量成比例下降，而是產(chǎn)生單位給水需要的垃圾量有所增加；進(jìn)入水冷壁的給水溫度下降，雖然為了提高水冷壁出力相應(yīng)增加單位給水對(duì)應(yīng)的垃圾量，但由于進(jìn)入水冷壁的給水量減少，壓力降低，導(dǎo)致汽包內(nèi)飽和壓力下降、飽和溫度下降，進(jìn)入過熱器的蒸汽溫度也相應(yīng)降低；進(jìn)入汽輪機(jī)的主蒸汽壓力降低，主蒸汽溫度可以維持不變，各抽壓力和溫度降低，導(dǎo)致各抽汽對(duì)凝結(jié)水和給水的加熱能力降低，因此進(jìn)一步降低了進(jìn)入省煤器的給水溫度。汽輪機(jī)的排汽量減少，排汽冷凝損失降低。

焚燒爐尚未達(dá)到最大出力，抽取焚燒爐給水不影響進(jìn)入省煤器給水的情況。這種情況下，抽取省煤器前的給水，進(jìn)入省煤器的給水假定仍然能夠達(dá)到原水量，也就是說原來整個(gè)焚燒爐系統(tǒng)，包括低加、除氧器和高加，都處于未最大出力狀態(tài)，增加抽取焚燒爐給水僅是相當(dāng)于增大了汽輪機(jī)低加、除氧器和高加系統(tǒng)的出力。假定進(jìn)入省煤器的給水的溫度和壓力都不發(fā)生變化，那么進(jìn)入水冷壁。汽包和過熱器的工質(zhì)參數(shù)也不變，焚燒爐焚燒垃圾能力保持不變，產(chǎn)生的主蒸汽參數(shù)也可以保持不變。但是由于汽輪機(jī)低加、除氧器和高加的出力需要增加，這就需要汽輪機(jī)的各抽蒸汽量增加，汽輪機(jī)排汽熱損失減少，相應(yīng)地汽輪機(jī)的出力降低，雖然多抽的蒸汽品質(zhì)已經(jīng)較低。

（2）利用汽包內(nèi)飽和水的情況也需要分析原焚燒爐和汽輪機(jī)的出力情況

在汽輪機(jī)低加、高加和除氧器以及焚燒爐省煤器、水冷壁和汽包已經(jīng)達(dá)到最大出力的情況下，從汽包內(nèi)抽取飽和水后，由于系統(tǒng)內(nèi)循環(huán)的工質(zhì)減少，進(jìn)入過熱器的蒸汽溫度和壓力降低，產(chǎn)生主蒸汽的壓力也下降，汽輪機(jī)出力降低，各抽汽參數(shù)降低，抽汽加熱能力下降，導(dǎo)致焚燒爐給水降溫。要想使得給水溫度盡量接近設(shè)計(jì)值，這就需要增大垃圾焚燒量，這樣雖然能夠滿足進(jìn)入汽包工質(zhì)的參數(shù)達(dá)到設(shè)計(jì)值，但是由于進(jìn)入過熱器的蒸汽量減少，而煙氣溫度和流量都增加，直接導(dǎo)致過熱器及后面受熱面超溫，需要持續(xù)噴水減溫甚至設(shè)備燒壞，因此從安全運(yùn)行考慮，該方案不可行。

在汽輪機(jī)低加、高加和除氧器以及焚燒爐省煤器、水冷壁和汽包都未達(dá)到最大出力的情況下，抽取汽包飽和水后進(jìn)入過熱器的蒸汽量仍然能夠達(dá)到原運(yùn)行值，僅是將汽輪機(jī)低加、高加和除氧器以及焚燒爐省煤器和水冷壁的出力增加。假定抽取部分汽包飽和水后進(jìn)入過熱器的蒸汽參數(shù)不變，那么驅(qū)動(dòng)汽輪機(jī)的主蒸汽參數(shù)也能達(dá)到原參數(shù)，但是由于汽輪機(jī)各低加、高加和除氧器的出力增加，需要抽取更多的蒸汽來加熱焚燒爐給水，所以汽輪機(jī)的出力降低，汽輪機(jī)排汽損失減少。進(jìn)入省煤器的給水量增加，需要吸收更多的熱量，如要維持焚燒爐排煙溫度不變，只能提高焚燒爐內(nèi)煙氣溫度；另一方面，水冷壁出力增加也需要在焚燒爐內(nèi)吸收更多的熱，因此焚燒垃圾量需要增加，導(dǎo)致爐膛出口煙溫增加，過熱器超溫。

3 結(jié)語(yǔ)

綜合以上采用煙氣余熱、汽輪機(jī)排汽和抽汽、熱循環(huán)水加熱蒸發(fā)滲瀝液膜濃縮液來看，各種余熱皆可利用，但存在不同的優(yōu)勢(shì)與缺點(diǎn)。

由于排煙熱損失相對(duì)較大，從節(jié)能減排的角度考慮，煙氣余熱可以采用，但是需要布置較大的受熱面。

汽輪機(jī)排汽品質(zhì)較低，且操作復(fù)雜，投入較高。

抽取焚燒爐給水實(shí)際上是變相地需要增加汽輪機(jī)各抽抽汽，不如直接采取汽輪機(jī)抽汽來加熱滲瀝液膜濃縮液操作更直接、對(duì)機(jī)組熱力系統(tǒng)影響更小，從安全考慮，除非余熱鍋爐設(shè)計(jì)余量較大，否則抽取汽包飽和水的方案不建議采用。

因此，采用汽輪機(jī)抽汽來加熱滲瀝液膜濃縮液方案更合適，其中尤以采用二抽的方法更可行、經(jīng)濟(jì)。