提高垃圾焚燒電廠熱能利用效率的幾個途徑
1.引言
在我國，城市活垃圾焚燒發電技術是1980代末期開始出現的，以焚燒生活垃圾為目的，實現垃圾減容、滅菌和無害化處理并實現焚燒余熱利用的一種新興生活垃圾處理方式。垃圾焚燒余熱利用主要方式是設置余熱鍋爐，利用余熱鍋爐產生的蒸汽供熱、發電。有效實現生活垃圾在焚燒爐內充分燃燒，在爐內完成滅菌、減容、實現無害化處理并最終實現生活垃圾化學能向熱能——電能高效轉換，是建設垃圾發電設施的基本要求，深圳在1988年率先建成國內第一座生活垃圾焚燒廠—— 深圳市市政環衛綜合處理廠，并在此基礎上成功對引進的二臺150t／d生活垃圾焚燒鍋爐進行提高發電工質參數的改造，使單爐發電能力從500kW提高至 1500kW；與杭州鍋爐廠共同研制爐排型150t／d生活垃圾焚燒鍋爐，在國內首次實現大型垃圾焚燒鍋爐國產化。該廠目前已形成處理垃圾 450t／d，4000kw發電能力，是國內第一家投入運行的垃圾焚燒發電廠，開創了國內垃圾焚燒余熱發電先例。以此為開端，深圳、上海、廣州、寧波、溫州和佛山市的南海區等沿海地區經濟較為發達城市已建成一批生活垃圾焚燒處理設施，杭州、北京、天津、鄭州等城市亦開始建設垃圾焚燒發電廠。目前，國內已建成焚燒設施的城市生活垃圾低位熱值大致在4600kJ／噸上下，含水率約為60%左右，與發達國家城市相比，其特征是熱值低、含水率高、組分成分變化大，垃圾焚燒有一定難度。早期引進建設的垃圾焚燒設施，主要解決生活垃圾減容和無害化處理，垃圾焚燒熱能一電能轉換效率較低，如深圳市市政環衛綜合處理廠引進的垃圾焚燒鍋爐焚燒－噸生活垃圾發電不到75kWh，熱能－電能轉換效率遠低于國外垃圾發電廠，因而垃圾發電效率仍有潛力可挖。
國內目前已建成的生活垃圾發電設施大都采用引進國外垃圾焚燒設備，與國產中小型汽輪發電機組配套。垃圾焚燒廠熱用戶主要由三部分構成；汽輪發電機組—實現熱能向電能轉換基本設備，也是垃圾發電廠最重要熱力設備；外供熱用戶；由熱力除氧器、蒸汽式空氣預熱器、鍋爐給水加熱器等熱力系統配置的熱力設備。經近百年開發、完善，當今各國生產的汽輪發電機組已相當成熟，內效率相當高。進入汽輪機發電工質的大部分可用能可轉化為電能并已形成系列產品；對外供熱量則受熱用戶用汽量制約，允許在一定范圍內波動，難以保證穩定負荷。因而，提高垃圾焚燒熱能－電能轉換效率主要途徑是提高垃圾鍋爐熱效率；選擇適當的發電工質參數：完善本廠熱力系統。
2.垃圾焚燒發電廠熱能利用效率低下的原因
2.1早期垃圾焚燒鍋爐自身熱效率較低
早期引進焚燒設備主要解決低熱值生活垃圾能夠燃燒、減容和無害化處理。限于當時技術條件與客觀因素，即年代國內首次引進的垃圾焚燒鍋爐熱效率為65%，遠低于同年代普通工業鍋爐（80%以上）；電站鍋爐（90%以上）。因垃圾燃燒煙氣中主要由含氯成分構成腐蝕性氣體，對余熱鍋爐受熱面產生高溫腐蝕和低溫腐蝕。余熱鍋爐設計難以選擇較高蒸汽參數。為避免低溫腐蝕，垃圾鍋爐排煙溫度又不能過低，一般在控制在200℃以上。因而，提高垃圾焚燒鍋爐熱效率亦受到一定限制。
2.2發電工質參數偏低，進入汽機的可用能偏小
對于選定型號的汽輪發電機組，其發電能力主要由進入汽機的工質數量、工質參數以及排汽參數決定。垃圾焚燒鍋爐提供的工質數量和工質參數對于系統的發電能力具有決定性的影響。發電工質參數越高，進入汽機的可用能就越大，可產生的有效做功能力也越大。垃圾焚燒鍋爐提供發電工質應選擇較高溫度和壓力參數的過熱蒸汽。但與普通余熱鍋爐不同，生活垃圾焚燒的是日常生活產生的不同固體廢棄物構成的混合體，燃燒過程中產生HCL,SOx、NOx、CO2等酸性腐蝕性氣體，其特有燃燒工況極易在鍋爐金屬受熱面產生高溫腐蝕。為避免采用價格昂貴的耐高溫腐蝕所需特殊鋼材（目前主要選用鎳基合金材料，用于垃圾鍋爐過熱器部件制造），控制焚燒鍋爐造價，在當前條件下，垃圾鍋爐蒸汽參數不宜過高。新加坡TUASⅡ垃圾焚燒廠是目前世界規模最大的爐排爐型垃圾發電廠，首期安裝 4x720t／d垃圾焚燒鍋爐，其發電工質參數為3.2MPa／370℃。大多數發達國家垃圾焚燒鍋爐蒸汽參數在4MPa／400℃以下，均低于常規小型熱力發電廠發電工質參數，因而垃圾電廠熱效率低于小型熱力發電廠。
2.3機組排汽熱能無法充分利用
受天氣因素影響，排汽參數不可能低于對應的飽和溫度，一般排汽壓力為0.005－0.009MPa，對應飽和溫度為32.5－43.4℃。蒸汽在汽輪機內膨脹做工降壓至排汽壓力后即進入凝汽器中凝結放熱，這部分蒸汽能量難以直接利用，在熱力學上稱之為不可利用熱能，一般占全廠熱能損失60%左右。垃圾焚燒鍋爐熱力系統采用的壓力式熱力除氧器（亦作為一級給水加熱器，提高給水溫度，避免鍋爐省煤器發生低溫腐蝕）和鍋爐給水加熱器是極為穩定、理想的熱用戶，而早期引進的垃圾電廠的蒸汽式空氣預熱器、除氧器、鍋爐給水加熱器直接由鍋爐減壓供汽，未利用其壓差發電，直接造成了蒸汽可用能的損失。
2.4汽輪發電機組與鍋爐出力不匹配
一些垃圾焚燒設施選用進口焚燒鍋爐，配置國產的汽輪發電機組只能選擇系列產品，設計項目雖不考慮擴建，汽輪機組功率往往大于鍋爐最大出力，而電站輔機仍需按汽輪發電機組額定功率配置。某廠三臺鍋爐總蒸發量為30t／h，配置6MW汽輪機，發電汽耗量略大于30t／h。其中除氧器、蒸汽式空氣預熱器由本廠熱力系統直接減壓供汽，用汽量近l0t／h，可供汽輪發電機組做功汽量不足20t／ha其發電出力在3MW上下，機組長時期工作在低負荷運行狀態，熱力系統長期出現小馬拉大車狀況，導致廠用電極大浪費，既不經濟，又不安全。亦有個別垃圾焚燒廠配置發電機組功率遠小于鍋爐平均出力，熱力系統多余蒸汽需直接冷卻，產生不必要熱能損失。
2.5熱力系統設計不完善，一些可利用熱能未充分利用
一些垃圾發電廠熱力系統設計蒸汽直接冷凝器，用于在緊急狀態下（如汽機因突發事故停運）直接冷卻鍋爐蒸汽。為避免直接冷凝器和供汽管道在投用時發生水擊，要求在焚燒設備運行情況下，冷凝器處于熱備用狀態，因而必須保證系統直接冷凝設備有少量蒸汽流動，實際運行中其流量調節閥開度往往大于實際需要。一些垃圾電廠選擇機組功率偏小，在設備正常運行時，將熱力系統多余蒸汽直接冷卻。供直接冷凝器蒸汽非但不做功，反而需耗能冷卻，產生電能損失和熱能直接冷凝損失。
2.6鍋爐排污的熱能損失
垃圾鍋爐在運行中，為使爐水含鹽量控制在允許范圍內，在運行中采用排除一部分爐水，以放走一部分鹽分和爐水中渣、垢，代之以較清潔給水，這種方式稱之為鍋爐排污。鍋爐排污水是壓力較高的飽和水，可以進行減壓，分離一些參數較低的蒸汽予以利用。
3.提高垃圾焚燒發電廠熱能利用效率途徑
3.1提高鍋爐熱效率，降低散熱損失
3.1.1 根據各地生活垃圾不同特性，選擇合適的生活垃圾焚燒鍋爐爐型，其基本要求是，入爐垃圾實現完全焚燒，在焚燒爐床上完成失水，燃燒，燃燼全部過程；鍋爐燃燒溫度850－950℃；不投助燃用油能實現穩定燃燒；爐渣熱灼減率＜4.5%；新建垃圾焚燒鍋爐熱效率應大于70%。對于熱效率低的舊設備可考慮進行技術改造，提高熱能利用率，例如深圳市市政環衛綜合處理廠早期引進的二臺垃圾焚燒鍋爐，出口蒸汽為1.6Mpa的飽和蒸汽，僅供一臺背壓式雙列速度級汽輪機組發電，背壓0.13Mpa且不利用，汽耗率高達17kg/kWh。在對垃圾焚燒鍋爐進行技術改造，加裝過熱器后，出口蒸汽參數提高到1.4Mpa /350℃，配備一臺國產3000kW汽輪發電機組，汽耗率降至6.7kg/kWh，在鍋爐熱出力不變的前提下，單爐發電能力從原來的500kW提高到 1500kW，僅上網發電一項，二臺焚燒鍋爐年創收益超過500萬元。
3.1.2充分利用鍋爐排污水熱量，降低散熱損失。垃圾焚燒鍋爐在正常運行過程中，需將爐水表面含鹽分較高的爐水排出，一般在上鍋筒設連續排污系統，排污率為3%左右；此外鍋爐還在底部設定期排污系統，將爐水底部渣、垢排出。鍋爐運行中因排污帶走熱量可設置集中排污擴容熱能利用設備，將這部分熱能有效利用，一般可分離0.2－0.4MPa飽和蒸汽用于熱用戶。按目前較為成熟技術，一臺中參數蒸發量為15t/h余熱鍋爐，其排污余熱利用設備可提供 0.2－0.4MPa飽和蒸汽0.2t／h。有三臺同樣蒸發量鍋爐的垃圾電廠排污余熱每小時可提供0.6－0.7t低參數蒸汽，目前深圳地區外供蒸汽價格大約為200元/t，如按垃圾焚燒廠發電平均價格0.52元／度計，對這部分蒸汽進行有效利用相當于每小時多發230－270度電，經濟效益可觀。
3.2提高鍋爐出口蒸汽參數
垃圾發電廠屬于小型熱力發電廠，發電工質提高壓力需提高熱力設備承壓等級；過高溫度需采用價格昂貴的耐高溫腐蝕金屬材料制造過熱器，其整體經濟效益不一定經濟。因而，一定要測算出設備投入—產出效能比較并與汽輪發電機組相匹配，優選最佳方案。目前國內外大中型垃圾發電廠常選用發電工質參數為 4.OMPa／400℃過熱蒸汽，發電汽耗率小于6.Okg／kWh,2003年建成的溫州第二座垃圾發電廠，采用國產垃圾焚燒鍋爐，其蒸汽參數為 3.9Mpa／45090，發電汽耗率已接近5.Okg／kWh,已達到當代垃圾電廠國際先進水平。
3.3優化、完善熱力系統，采用回熱循環等措施增加熱能利用率
3.3.1減少全廠熱力系統損失，除考慮對外供熱用戶供汽能力外，要求機組發電能力與全部運行鍋爐最大供汽量相適應。在正常運行工況下，垃圾鍋爐產生的蒸汽全部用于供熱和供汽輪發電機組發電，不允許出現熱力系統蒸汽直接旁路冷卻工況，以盡可能利用垃圾焚燒鍋爐提供熱能。
3.3.2選擇抽汽機組，采用回熱循環增加熱能利用率。垃圾電廠熱力系統的除氧器、蒸汽式空氣預熱器和低壓給水加熱器是用汽量基本恒定的熱用戶。選用抽汽機組將汽輪機高壓段作過功部分蒸汽抽出供熱力系統混合式加熱器（熱力除氧器）表面式加熱器（低壓給水加熱器、蒸汽式空氣預熱器等）用于給水除氧、加熱鍋爐給水和助燃空氣，可充分利用這部分蒸汽中所蘊涵的較低品質熱能，提高了系統的整體效率。一般發電工質采用次中參數以上，單機容量在30O0kW以上的垃圾電廠應選用抽汽—凝汽式汽輪機組，對本廠熱力系統蒸汽式空氣預熱器、除氧器和低壓給水加熱器采取多級抽汽供系統回熱循環。其中一段抽汽參數較高，供蒸汽式助燃空氣預熱器，做功后背壓進除氧器；二段和三段抽汽供除氧器和低壓給水加熱器。從熱力發電廠意義來看，垃圾電廠仍屬于小型火力發電廠，抽汽級數不宜過多，以免造成垃圾電廠熱力系統過于復雜，反而不利于系統管理和運行。
3.4對入爐垃圾前進行適度堆酵，提高鍋爐燃燒效率
對入爐垃圾進行堆酵，可實現部分滲瀝液瀝除，同時在攪拌過程中，一部分無機質材料沉入存貯池底，垃圾實現脫水、減重，可有效提高單位質量入爐垃圾低位熱值，促進垃圾在爐內的完全燃燒，提高焚燒垃圾燃燒效率。深圳市政環衛綜合處理廠的經驗，對含水率在60%以上的低熱值生活垃圾在焚燒前進行2－3天的堆酵，可瀝除12%左右的滲瀝液，整體減重約20%，實際入爐垃圾低位熱值增加836kJ／kg.提高入爐垃圾熱值，亦是提高系統整體熱效率的一種有效方法。
4.結論
由于垃圾焚燒爐產生的煙氣具有腐蝕性大、易產生高溫腐蝕和低溫腐蝕的特點，制約了鍋爐蒸汽參數的提升，其整體熱效率低于一般的電站鍋爐。但可通過適當選型、降低焚燒鍋爐散熱損失、對進廠垃圾進行堆酵以瀝出其中水分、提高入爐垃圾低位熱值等方法和手段提高鍋爐熱效率；通過適當提高發電工質參數、選用熱效率較高的汽輪機發電機組、采用回熱循環等措施提高系統發電效率，從而提高垃圾焚燒發電廠整體的熱能利用效率。
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