生活垃圾焚烧能源梯级利用探讨与应用

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　　摘  要：生物质能是可再生能源的重要组成部分，随着生活垃圾热值的提高，垃圾焚烧发电项目的建设逐年稳步增长，可再生能源发展“十三五”规划提出到2020年城镇生活垃圾焚烧发电装机容量达到750万kW。目前垃圾焚烧余热利用形式较为单一，主要以发电为主，热效率较低，提升空间较大。针对垃圾焚烧厂的特点，通过对热能转化过程中的热损失分析探讨余热梯级利用的方案及应用案例，分析表明热电联产是提高全厂热效率的最佳途径，应因地制宜推进垃圾焚烧供热的建设，烟气余热、循环冷却水余热等低品位热能的回收潜力巨大，具有明显的经济效益，在技术经济比较后可广泛应用，通过提高蒸汽参数，节能产品的使用以及工艺系统的优化设计能提高能源转化效率，降低厂用电率，从而提高能源综合利用率，实现生态效益与经济效益的可持续性发展。
　　关键词：垃圾焚烧;梯级利用;余热回收
　　中图分类号：X799.3         文献标志码：A         文章编号：2095-2945（2019）32-0171-03
　　Abstract： Biomass energy is an important part of renewable energy. With the increase of the heat value of waste， the construction of waste incineration power plants has steadily increased year by year. The 13th Five-Year Plan for renewable energy development proposes that the installed capacity of waste incineration power plants will reach 7.5 million kW by 2020. At present， the heat utilization form of waste incineration is relatively single， mainly in power generation， low thermal efficiency and exists broad space for improvement. According to the characteristics of incineration plant， through the analysis of heat loss in the process of heat energy conversion， this paper discusses the methods and application of cascade utilization of waste heat. The analysis shows that cogeneration of heat and power is the best way to improve the thermal efficiency. The energy recovery from the low-grade thermal， such as flue gas and circulating cooling water， has great potential and obvious economic benefits， it can be widely used after technical and economic comparison. The energy conversion efficiency can be improved by improving steam parameters， the use of energy-saving products and the optimization design of process system. The sustainable development of ecological and economic benefits can be realized by the cascade utilization of heat energy and improving energy utilization efficiency.
　　Keywords： waste incineration; cascade utilization; waste heat recovery
　　垃圾焚烧是实现生活垃圾资源化、减量化、无害化最有效的处理方式，根据“十三五”生态环境保护规划，大中型城市重点发展生活垃圾焚烧发电技术，到2020年，全国垃圾焚烧处理率达到40%。垃圾焚烧资源化方式主要是利用焚烧过程产生的热能，以发电为主。目前我国生活垃圾焚烧发电厂项目能源利用水平比较低，项目能源利用率平均约为21%[1]。能量在转换与传递过程中有品位的差异，电能、机械能的品位比热能高，温度高压力高的热能品位高[2]。垃圾焚烧发电的过程是输出能源品位提升，总能量降低的过程，优化能源加工转化过程中的能源利用方式，按質用能，逐级利用，能有效提高垃圾焚烧能源综合利用效率，达到节能减排目的。
　　1 垃圾焚烧热电联产
　　垃圾焚烧的热能利用过程是垃圾中可燃物的化学能通过余热锅炉转化为工质蒸汽的热能，蒸汽在汽轮机中膨胀做功，将蒸汽热能转化为机械能，通过带动发电机最终将机械能转化为电能的过程。垃圾焚烧产生的能源在加工转化过程中的损失约占80%，其中排烟热损失约20%，凝汽式汽轮机冷源损失约40%。
　　背压式汽轮机组没有冷源热损失，汽轮机的排汽全部对外供热，机组的热效率较高，全厂热效率能达到60%～70%，但背压机组以热负荷调整发电负荷，当排汽量变化时需要调整汽轮机进汽量，焚烧炉入炉垃圾量也需随之调整，当供热负荷波动较大时不利于焚烧炉的安全环保经济运行。由于垃圾焚烧厂主要以处理生活垃圾为主，实际建设过程中很少采用背压式汽轮机。 　　抽凝式汽轮机组可根据供热负荷调整抽汽量，其余部分排入凝汽器冷凝后回到锅炉，尽管仍有部分冷源损失，但运行方式灵活，垃圾焚烧处理不受供热负荷波动的影响，是垃圾焚烧热电联产的主要形式。垃圾焚烧厂周边有稳定供热需求时，采用热电联产能取得较好经济效益，绍兴某生活垃圾热电联产项目，设计处理规模2250t/d，配置3台750t/d的焚烧炉，3台中温中压余热锅炉，2台20MW抽凝式汽轮机组，最大供汽能力120t/h，发电机年发电量约1.88亿kWh，年供蒸汽约96万t，所供蒸汽在工业园区内能全部消纳，该项目供热市场化运行，供热收入较高，供热经济性较高，极大缓解政府在垃圾处理成本的压力。
　　低真空供热技术是通过对凝汽式汽轮机末级叶片及凝汽器的调整，使汽轮机能在较高背压的情况下稳定运行，通过降低凝汽器真空提高排汽压力，提高排汽温度，使经过凝汽器换热后的循环水温度提升，可对外提供稳定的低温热水，在用热负荷较高时利用汽轮机的抽汽换热后作为补充热源。低真空供热在采暖期能实现汽轮机排汽余热的全部回收，热利用效率较高，接近采用背压机组的热电联产的热效率。
　　提高汽轮机背压会降低机组发电效率，运行时一般控制低于28kPa，此时发电机功率会减少7%。低真空供热方式常应用于凝汽式机组的改造，部分新建项目也有应用，如山东某生活垃圾焚烧项目设计时采用低真空供热方式，该项目配置2台250t/d焚烧炉，单台余热锅炉额定蒸发量23.5t/h，配置1台10MW凝汽式汽轮机组，额定工况汽轮机乏汽35t/h，背压25kPa，排汽温度65℃，一次网设计供回水温度为60℃和44℃，二次网采暖设计供回水温度为45℃和35℃，供热负荷约17MW，按55W/m2采暖指标，可供约30万m2建筑面积采暖。
　　垃圾焚烧热电联产能充分利用发电后热能，实现热量的梯级利用，经济效益显著，对有供热需求的项目宜积极推广，可再生能源发展“十三五”规划提出要因地制宜推进城镇生活垃圾焚烧热电联产项目建设，垃圾“焚烧发电+供热”是今后垃圾焚烧处理的发展趋势。
　　2 低品位热量回收
　　垃圾焚烧过程中有大量低品位热源产生，回收低品位热量后可对外供热或厂内自用，对降低运营成本，提高经济效益起到积极作用。
　　2.1 烟气余热回收
　　生活垃圾中厨余垃圾含量较高，垃圾含水率较高，夏季垃圾含水率可高达60%，垃圾焚烧后产生的烟气中湿度较大，经过半干法脱酸工艺后湿度进一步增加，排入大气的烟气中水分体积比约占20%～30%。为避免烟气的低温腐蚀、滤袋糊袋等现象，排放烟气温度控制在150℃左右，排出烟气中仍有部分余热，其中以烟气中水蒸气的凝结潜热为主。以500t/d焚烧炉产生的烟气，烟气含水率26%，如果将烟气温度降至30℃，约15MW的余热可被回收利用，其中水蒸气液化潜热占全部热量的52%左右[3]，烟气回收的潜力巨大。
　　山东德州某生活垃圾焚烧厂建设2台500t/d焚烧炉，配置1台18MW凝汽式汽轮发电机组，烟气净化采用“SNCR+半干法+干法+活性炭喷射+袋式除尘”处理工艺，设计工况烟气量90000Nm3/h，烟气排放温度150℃，烟气成分如下表：
　　该项目1.5km有居民小区有供暖需求，因远离城市集中供热区，采用燃气锅炉供热，采暖热水供回水温度为60℃和50℃。为降低小区采暖成本，该项目回收烟气余热对外供热，设置1套烟气余热回收中试装置，单台炉设置2台板式换热器，换热器面积815m2，一次换热采用除盐水作为热媒，设计烟气进出口温度为150℃和55℃，设计热媒供回水温度为75℃和55℃;二次换热供回水温度为60℃和50℃，经过一个采暖季的试运行，运行结果如下：（1）烟气经冷凝换热后出口平均温度110℃，与设计温度相差大，单台炉烟气中平均凝结水量约3.5t/h。（2）热媒除盐水平均供回水温度为56.5℃和50℃，流量390t/h，最高供回水温度为76.5℃和69.4℃，换热量约3MW，供暖面积约6万m2。（3）烟气凝结水呈弱酸性，浊度较高，对酸性气体及烟尘起到了进一步去除的作用，换热器无明显腐蚀现象，烟囱无明显腐蚀现象。
　　实际运行结果可以看出，烟气余热仍未深度回收，加强换热及设备防腐是烟气余热回收的推广应用需要解决的技术问题。
　　2.2 循环冷却水余热回收
　　凝汽式汽轮机组大部分热量被循环冷却水带走，热损失较高，冷却过程中也造成较大的水资源浪费。循环水设计出水温度33℃，水量稳定，属于稳定可靠的低品位热源，回收潜力大。
　　吸收式热泵技术是利用汽轮机抽汽作为驱动热源，从低品位热源（循环冷却水）中回收热量，通过热媒（如溴化锂）的循环相变提高工质的温度，达到使用要求后再利用。吸收式热泵对系统的供热量等于消耗的高品位热源以及从低温余热吸收热量之和，吸收式热泵能效比（COP）一般在1.6～1.85，低温余热温度超过15℃即可采用，具有较大的节能优势。吸收式热泵COP与运行工况有关，进水温度越高，提供的热水温度也越高，热水温升越大COP越小，热泵热水温度不宜超过85℃。利用热泵技术提高热水温度后可为焚烧厂内提供熱源，降低高品位热量的使用。
　　东北地区垃圾焚烧厂冬季气温低，采暖负荷大，冬季运行时生活垃圾容易结冰带雪，需要大量的热量维持垃圾仓的温度，融冰化雪，降低入炉垃圾的含水率，提高热值，维持冬季焚烧炉的连续稳定运行。以吉林省某800t/d生活垃圾焚烧发电项目为例，全厂采暖、生活热水、垃圾仓暖风系统、垃圾渗沥液融冰加热系统总负荷约4680kW，采用溴化锂热泵机组回收循环水余热，可减少蒸汽用量2.5t/h，年增加发电效益约100万元，经济效益明显。热泵技术在东北地区垃圾焚烧厂有广阔的应用前景。
　　3 提高能源转化效率
　　在能源加工转化过程中转化效率也影响能源综合利用效率，通过提高锅炉效率，提高汽轮机发电效率，减少高品位热量消耗，节能产品的使用以及工艺系统的设计优化等可提高发电量，降低厂用电率。 　　3.1 提高汽轮机发电效率
　　垃圾焚烧厂余热锅炉蒸汽参数直接影响汽轮机的发电效率，汽輪机进汽参数越高，理想比焓降越高，机组热效率越高。
　　生活垃圾成分复杂，烟气中HCl浓度较高，平均浓度在600mg/Nm3～1500mg/Nm3，为避免高温腐蚀现象，锅炉蒸汽参数一般选择中温中压参数（400℃、4.0MPa）。近年来随着垃圾热值的逐渐升高，高温耐腐蚀材料的价格降低，单台焚烧炉规模提高，中温次高压参数（450℃、6.4MPa）在新建垃圾焚烧项目逐步得到推广应用。2013年-2017年的垃圾焚烧余热锅炉供货业绩中，高参数余热锅炉占比逐步上升为30%左右，且大部分业绩集中在2016年-2017年[4]，采用中温次高压参数的焚烧项目经济效益明显，中温次高压锅炉的发电效率比中温中压锅炉的发电效率的发电量约差17%。中温次高压的发电收入比中温中压多约20%[5]。
　　中小型汽轮机相比大功率汽轮机，单机内效率有相当的降幅，输出功率越小，转换效率越低。如何提高中小型汽轮机的效率，一直是汽轮机行业的重要课题之一。采用高转速条件下优化汽轮机通流结构设计，作为提高小流量汽轮机的效率的重要手段，并取得了显著的效果。在相同蒸汽参数的条件下，采用高转速（5500r/min）汽轮机的机组效率比低转速（3000r/min）机组的效率高约4%～6%，高转速汽轮机在垃圾焚烧发电行业应用越来越多。
　　3.2 减少高品位热量消耗
　　垃圾焚烧厂换热设备较多，合理选择热源及参数，按质用能，减少高品位热源消耗节能效果显著。
　　一次风空预器是垃圾焚烧厂重要的换热设备，一次风风温直接影响垃圾在炉排上的干燥效果和燃烧工况。对于机械式炉排炉一般采用蒸汽进行加热，空气温度加热到230℃后从炉排底部进入炉膛。蒸汽空气预热器采用两段式结构，低压段采用汽轮机一段抽汽，高压段采用汽包饱和汽，部分焚烧炉厂家因设计理念及设计习惯，高压段采用主蒸汽，实际运行过程中容易出现一次风温不达标，换热管道冲刷严重的现象。
　　主蒸汽的焓值比汽包饱和蒸汽焓值略高，但蒸汽用于换热主要是利用凝结释放的潜热，利用高品位的主蒸汽用于加热空气能源利用率较低。另外空气与过热蒸汽的换热系数约15W/（m2·℃），空气与饱和蒸汽的换热系数约35W/（m2·℃），相同换热量使用饱和蒸汽的所需的换热面积小于过热蒸汽。在部分一次风空预器技改中，在低压段前设置高压饱和蒸汽凝水段，降低高温段凝结水温度（可降低至85℃～90℃），进一步吸收凝结水的热量，同时也可以延长疏水阀的使用寿命，避免气液两相流对管道的冲刷造成爆管，避免疏水不畅造成的蒸汽浪费。
　　东北地区垃圾焚烧厂冬季运行时入炉垃圾热值低，容易夹杂冰块，为确保垃圾在干燥段充分干燥，一次风温的设计温度一般取300℃。单独采用蒸汽预热器难以满足设计要求，需要使用其他热源加热空气。利用烟气预热器可以直接利用高温烟气的热量加热空气，减少直接式预热器燃油或天然气的消耗，达到节能降耗的目的。
　　吉林某焚烧项目设计时采用蒸汽空气预热器与烟气空气预热器的组合方式，空气经蒸汽预热器加热达到220℃后进入烟气预热器，利用高温烟气的余热使空气再提高到300℃，夏季垃圾热值较高时停用蒸汽预热器高压段即可满足230℃一次风温要求。烟气预热器设置在高温过热器前，烟气入口温度控制在650℃以内，避免高温腐蚀，材料选0Cr25Ni20。实践证明，冬季运行时采用烟气预热器单位垃圾轻柴油消耗量同比节省约50%。
　　3.3 节能设计
　　垃圾焚烧厂厂用电率较高，设备用电约占发电量的15%～22%，降低设备用电可提高上网电量，提高经济效益。
　　垃圾焚烧厂主要用电设备为风机、水泵、空压机等，在节能设计时应优先选用节能设备。以空压机为例，额定排气压力0.7Mpa，1级能效空压机比功率5.6kW/（m3/min），2级能效空压机比功率6.3kW/（m3/min），对于800t/d焚烧规模的项目，全厂压缩空气消耗量平均约45m3/min，选用1级能效的空压机全年可节省用电约25万kWh。
　　工艺系统的优化设计也能起到节能效果。通过改进管路系统，减少系统阻力，如缩短管线长度，降低流速以减少沿程水头损失，减少闸阀、底阀、弯头、孔板等部件的数量以减少局部水头损失。合理设备选型，降低水泵、风机的富裕量，避免采取关小阀门等节流方法来降压，造成功率浪费。
　　对于多级离心式给水泵，相同扬程条件下，给水泵额定流量越大，泵的效率越高，在给水系统设计时可以优化给水泵的配置达到节能的目的。以2台750t/d焚烧炉为例，常规设计时按单台锅炉给水量10%余量，选用3台额定流量110m3/h的给水泵，其中1台备用，小流量给水泵效率约72%，若优化给水泵选型设计，改为按总给水量10%余量，选用1台额定流量210m3/h的给水泵作为正常工况下使用，大流量给水泵效率可以提高到78%，同时配备2台110m3/h的给水泵作为备用，按年运行8000h计算，1台大流量给水泵运行比2台小流量给水泵同时运行，年节省用电量56万kWh。
　　4 结论
　　垃圾焚烧发电不仅能解决垃圾围城现象，改善生活环境，也是可再生能源的重要补充，“十三五”规划中垃圾焚烧装机容量占生物质能总装机容量的46%。从能源利用角度，垃圾焚烧应优先选择热电联产，开发低品位余热回收技术，提高能源转化效率，从而提高能源综合利用率，实现能源与环境的可持续性发展。
　　参考文献：
　　[1]吴剑，蹇瑞欢，刘涛.我国生活垃圾焚烧发电厂的能效水平研究[J].环境卫生工程，2018，26（3）：39-42.
　　[2]李红华.提高对多种品位能量利用的认识，促进能量高效利用[J].节能，2007（1）：14-16.
　　[3]龚燊，陈霜玲，赵联淼，等.垃圾焚烧发电厂烟气余热的回收利用[J].节能与环保，2016（06）：67-69.
　　[4]张晓斌，戴小东，熊君霞，等.垃圾焚烧发电项目余热锅炉中参数和高参数的对比分析[J].能源研究与信息，2018，34（4）：195-201.
　　[5]林昌梅.生活垃圾焚烧厂吨垃圾发电量的研究分析[J].环境卫生工程，2010，18（5）：7-8.
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