垃圾焚燒電廠熱電聯產的經濟性分析

張宇飛，趙娜娜，黃 杰，卜光峰

（光大生態環境設計研究院有限公司，江蘇 南京 210000）

近年來，經濟的快速發展給社會能源的消費帶來較大壓力。與此同時，人類活動的頻繁加劇了生活垃圾對環境的壓力。前瞻產業研究院發布的《中國生活垃圾處理行業發展前景與投資預測分析報告》數據顯示：2016 年，我國城鎮垃圾產生量超過2.9 億t，再加上農村大量的生活垃圾沒有進入處理的行列，我國生活垃圾狀況非常嚴峻，很多省市已經出現了垃圾圍城的情況［1］。由于我國垃圾清運量遠低于垃圾產生量，而且目前的差距有逐漸增大的趨勢，雖然垃圾的無害化處理率逐年增加，但仍顯不足。此外，“十二五”期間，我國生活垃圾焚燒處理量進一步增加，以堆肥處理為主的各類綜合處理設施處于萎縮狀態，衛生填埋場和垃圾焚燒處理數量和處理能力略有增長?！丁笆濉比珖擎偵罾鵁o害化建設規劃》目標要求：到2020 年底，全國城市生活垃圾焚燒處理能力占無害化處理［2-3］總能力的50%以上，其中東部地區達到60%以上。由此可知，未來幾年，我國垃圾焚燒處理比例將迅速增長。

但目前，我國的生活垃圾焚燒發電項目能源利用水平較低，純發電的項目能效平均值僅為0.51，而在歐盟垃圾焚燒發電廠的調查中發現，314 家垃圾焚燒發電廠中實現熱電聯產的達184家，能源回收利用因子最高，平均約為0.76［4］?？梢姡贌姀S實現熱電聯產可有效提高能源利用效率。與此同時，熱電聯產也可實現較高的經濟效益。2018 年，紹興市垃圾焚燒熱電聯產項目，以國內最低的18 元·t-1的垃圾處理服務費中標，這也得益于熱電聯產的高效益［5］。日本的垃圾焚燒電廠起步較早，在發電的同時，也為工業、居民提供蒸汽、熱水服務［6］。

綜上，利用垃圾為能源實施熱電聯產，可實現廢棄物的資源化利用，是響應國家可再生能源高效利用的有力手段。熱電聯產是指發電廠既產生電能，又利用汽輪發電機做過功的蒸汽對用戶供熱的生產方式，是世界公認的節能方式，它是根據能源梯級利用的原理，同時生產人們所需要的電能和熱能，能夠有效地節約能源、改善環境質量，并使能源利用率大大提高［7］。結合垃圾焚燒發電項目實現熱電聯產、集中供熱的主要優點有：①以大型設備代替小型分散設備，實現繁重勞動機械化，節約了勞動力，改善了勞動條件和供汽品質，更為本地區的投資環境創造了條件；②各用汽部門無需要建設單獨的鍋爐房、儲煤場、堆灰場地，減少了建筑占地面積，節約了土地資源；③改善區域的生態環境，大大減少對環境的污染，實現清潔生產，與城市總體形象相協調統一；④以垃圾焚燒實現熱電聯產代替燃煤供熱，既實現了生活垃圾的處理，又減少了燃煤消耗，是節能減排、改善環境的有力措施［8］；⑤通過對城市及工業區進行合理的規劃，供熱設備的金屬消耗量和總投資比分散供熱低。

本文旨在研究垃圾焚燒電廠實現熱電聯產的優勢，比較熱電聯產和其他熱電生產形式的排放效益，促進垃圾焚燒電廠實現熱電聯產，結合垃圾焚燒發電行業的發展及整個熱電聯產的廣闊市場，提出一套合理的、適合垃圾焚燒項目的熱電聯產推薦方案，提高垃圾焚燒電廠的熱效率及經濟效益，為其推廣奠定基礎。

1 系統模型

1.1 垃圾焚燒電廠系統

選取某2 × 750 t·d-1垃圾焚燒電廠為例，鍋爐（蒸汽參數6.1 MPa，溫度440 ℃）效率為80%。蒸汽用戶參數取輕工業生產用汽常用蒸汽參數：1.2 MPa/220 ℃，蒸汽價格以200 元·t-1計，蒸汽管輸費用為15 元·t-1，化學除鹽水制備成本為4 元·t-1。分別計算該系統在熱電聯產及熱電分產下的熱效率及經濟效益，其中，熱電聯產可采用主汽雙減供熱、一抽蒸汽供熱兩種方式（汽輪機一抽抽汽供熱參數為1.35 MPa/330 ℃）。垃圾焚燒電廠熱電聯產示意圖如圖1 所示，汽機選型根據實際機組容量確定。

圖 1 垃圾焚燒電廠熱電聯產示意圖Fig. 1 Schematic diagram of CHP in the waste incineration power plant

根據國家相關要求，每噸入廠生活垃圾折算上網電量暫定為280 kW·h，執行全國統一垃圾發電標桿電價為0.65 元·（kW·h）-1，其余上網電量執行當地同類燃煤發電機組上網電價［9］。機組年運行時長為8 000 h，供熱時長為7 200 h，垃圾焚燒電廠的廠用電率以17%計。

1.2 熱電聯產指標

在熱電廠中，總熱效率和熱電比是常用于衡量節能效益和能源綜合利用率的量化指標，也是重要的技術經濟性能指標，用來區分和考核熱電聯產企業的運行水平和檢驗熱電聯產的經濟效益。投資回收期是以項目的凈收益抵償全部投資所需的時間，是考察項目的重要靜態指標。因此，本文選取總熱效率η、熱電比βb、經濟效益C、投資回收期Pt作為衡量垃圾焚燒電廠熱電聯產的經濟性指標。

式中：Pa為垃圾焚燒電廠全年發電量，HL為垃圾的低位熱值，Qa為垃圾焚燒電廠全年供熱量，Ba為垃圾年處理量；CP為發電收入；CQ為供熱收入；T為各年累計凈現金流量首次為正值或0 的年份；CI為現金流入量；CO為現金流出量。

2 結果討論

2.1 供熱方式的影響

本節主要研究相同供熱量下，主汽雙減供熱與一抽蒸汽供熱的經濟效益。以熱值為7 325.2 kJ·kg-1的垃圾、供熱量為30 t·h-1計算垃圾焚燒電廠的總熱效率和經濟效益投資分析。以純凝工況下建設電廠費用為基準，分析熱電聯產與熱電分產的經濟效益。

由表1 中可知，純凝工況下，供電功率為26.41 MW，在現行電價基礎上，經濟效益為11 877.24 萬元·a-1。

表 1 熱電聯產與熱電分產的指標對比Tab. 1 Comparison between CHP and the separate generation of power and heat

純凝機組發電，利用主汽雙減供熱，供熱量為30 t·h-1時，供電功率為18.08 MW，供熱投資約為360 萬元，在現行電價基礎上，熱電聯產經濟效益為13 451.77 萬元·a-1，比熱電分產經濟效益高1 574.53 萬元·a-1，回收期（稅后）為2.25 a。

改造純凝機組，利用一抽蒸汽供熱，供熱投資約為720 萬元，供熱量為30 t·h-1時，供電功率為19.36 MW，在現行電價基礎上，熱電聯產經濟效益為13 812.12 萬元·a-1，比熱電分產經濟效益高1 934.88 萬元·a-1，比主汽雙減供熱的熱電聯產經濟效益高360.35 萬元·a-1，回收期（稅后）為2.40 a。這是因為純凝機組改造供熱初期投資大，導致投資回收期相對較長。

由此可見，對于垃圾焚燒電廠，在供熱量為30 t·h-1前提下，熱電聯產可以減少電廠的冷源損失，提高電廠熱效率；采用一抽蒸汽供熱可實現蒸汽品質的梯級利用，為電廠帶來較高的經濟效益。

采用主汽雙減供熱，其蒸汽品質較高，對熱用戶的適應性較高，供熱投資較低，但會犧牲較多的發電量，年經濟效益有所降低，且對機組的運行會產生不利的影響。對于已建垃圾焚燒電廠，若機組改造較為困難，可采用該方式供熱。新建或具備改造條件的垃圾焚燒電廠，可采用一抽蒸汽供熱，在保證機組穩定運行的情況下，實現較高的經濟效益［10］。

2.2 垃圾熱值的影響

本節分別研究了純凝工況下、主汽雙減供熱量為30 t·h-1時，垃圾熱值（4 185.9～8 371.7 kJ·kg-1）對總熱效率和經濟效益的影響，因垃圾熱值對電廠總熱效率和經濟效益的影響與供熱方式無關，本節以主汽雙減供熱作為研究對象。

圖2 為垃圾熱值對電廠總熱效率、經濟效益的影響。由圖2 中可知，當垃圾熱值為4 185.9 kJ·kg-1時，純凝工況下供電功率為15.03 MW，電廠總熱效率為24.91%，熱電分產經濟效益為7 816.28 萬元·a-1；供熱量為30 t·h-1時，供電功率為6.69 MW，電廠總熱效率為48.38%，熱電聯產經濟效益為7 822.76 萬元·a-1，熱電聯產比熱電分產年經濟效益高6.48 萬元·a-1。

圖 2 垃圾熱值對電廠總熱效率、經濟效益的影響Fig. 2 Effect of the heating value of the wastes on the thermal efficiency and the economic benefits of power plant

垃圾熱值為6 278.8 kJ·kg-1時，純凝工況下供電效率為22.60 MW，總熱效率為24.97%，熱電分產經濟效益為10 695.56 萬元·a-1；供熱量為30 t·h-1時，供電功率為14.27 MW，總熱效率為40.62%，熱電聯產經濟效益為11 657.94萬元·a-1，熱電聯產比熱電分產年經濟效益高962.38 萬元。

垃圾熱值為8 371.7 kJ·kg-1時，純凝工況下供電功率為30.20 MW，總熱效率為25.03%，年發電收益為13 073.72 萬元；供熱量為30 t·h-1時，供電功率為21.88 MW，總熱效率為36.78%，經濟效益為14 641.07 萬元·a-1，熱電聯產比熱電分產年收益高1 567.35 萬元。

可見，純凝工況下垃圾熱值對總熱效率的影響較小。供熱量為30 t·h-1時，熱電聯產總熱效率隨著垃圾熱值的升高而有所降低，這是因為垃圾熱值越高，而供熱熱量一定的情況下，供熱所減少的冷源損失越少，整體而言，熱電聯產的總熱效率遠高于熱電分產，可大大提高垃圾焚燒電廠的總熱效率，其他研究者也得到了相同的結論［11］；供熱量相同時，垃圾熱值越高，發電量越多，供熱能力越強，熱電聯產、熱電分產的經濟效益相差越來越大。

2.3 供熱量的影響

研究垃圾熱值為8 371.7 kJ·kg-1、主汽雙減供熱時，供熱量（0～60 t）對電廠總熱效率及經濟效益的影響。

圖3 為供熱量對電廠總熱效率、經濟效益的影響。由圖中可知，垃圾熱值為8 371.7 kJ·kg-1時，純凝工況下，供電功率為30.2 MW，總熱效率為25.03%，經濟效益為13 073.72 萬元·a-1；供熱量為10 t·h-1時，供電功率為27.45 MW，總熱效率為28.96%，供熱投資為120 萬元，經濟效益為13 602.74 萬元·a-1，投資回收期為2.25 a；供熱量為30 t·h-1時，供電功率為21.88 MW，總熱效率為36.78%，供熱投資為360萬元，經濟效益為14 641.07 萬元·a-1，投資回收期為2.25 a；供熱量為60 t·h-1時，供電功率為13.52 MW，總熱效率為48.50%，供熱投資為720 萬元，經濟效益為15 455.66 萬元·a-1，投資回收期為2.32 a。

可見，隨著供熱量的增加，垃圾焚燒電廠總熱效率越高，經濟效益越來越高，但供熱量增加到一定量后，經濟效益增幅略有下降。這主要是因為垃圾上網的階梯電價對經濟效益有較大的影響。

圖 3 供熱量對電廠總熱效率、經濟效益的影響Fig. 3 Effect of the heat load on the thermal efficiency and the economic benefits of power plant

3 結 論

（1）合理利用垃圾資源進行熱電聯產，取代燃煤小鍋爐，這既實現了生活垃圾的處理，又減少了燃煤消耗，是節能減排、改善環境的有力措施。

（2）熱電聯產可減少電廠的冷源損失，提高電廠總熱效率。利用一抽蒸汽供熱可實現蒸汽品質的梯級利用，為電廠帶來較高的經濟效益；

（3）熱電聯產的熱效率隨著垃圾熱值的升高而有所降低；供熱量相同時，垃圾熱值越高，發電量越多，供熱能力越強，所產生的經濟效益越高。

（4）隨著供熱量的增加，垃圾焚燒電廠熱電聯產的熱效率越高，經濟效益越來越高，但供熱量增加到一定量后，經濟效益增幅略有下降。當該地區垃圾熱值較高、并具備供熱條件時，實現垃圾熱電聯產可帶來較高的收益。