垃圾焚燒廠一次風預熱系統設計優化及分析

郭孝武

（上海康恒環境股份有限公司，上海 201703）

1 引言

隨著我國經濟的持續增長，人們生產生活產生的垃圾量不斷增多，垃圾圍城的現象日益突出，城市生活垃圾焚燒技術因其良好的減量化、資源化和無害化效果，在我國得到較快的發展［1］。針對我國生活垃圾的低熱值、高水分特點，通常需增設空氣預熱器把一次風加熱，以促進垃圾的干燥和燃燒。垃圾焚燒發電廠焚燒用一次風普遍采用蒸汽加熱空氣的方法，大部分垃圾焚燒電廠采用二段式蒸汽空氣預熱器［2］；此外，考慮到北方地區或其他冬季寒冷時段，通常在蒸汽預熱器后端設有直接式預熱器，即通過設置燃燒柴油、天然氣進一步加熱一次風，即使垃圾含水率特別高，也能有效保證垃圾的充分干燥和完全燃燒。

常規的蒸汽空氣預熱器中蒸汽加熱空氣冷凝后經疏水系統進入除氧器。隨著垃圾處理規模及鍋爐主蒸汽參數的提高，高品質蒸汽的抽汽量較大，除氧器的內壓力增加，汽水能量損失也加大，因此針對不同規模爐排爐及余熱鍋爐，需要合理的設計一次風預熱系統以提高焚燒發電的經濟性。

本研究通過對常規的一次風預熱系統進行優化改進，提出了一種三段式蒸汽預熱器及沼氣式熱風爐模式。基于數值計算，分別就二段式及三段式預熱器作技術分析，通過對比不同垃圾處理量及余熱鍋爐參數下預熱器消耗的抽汽量，為垃圾焚燒發電項目的預熱器選型及設計提供理論依據。同時對直接式預熱器進行工藝優化設計，即回收滲濾液池產生的沼氣，利用沼氣式熱風爐對一次風進一步加熱，節約了一次風加熱的能源消耗，提高了焚燒廠運行的經濟性。

2 一次風預熱系統

完整的一次風系統包括從吸風口開始，經過風機、預熱器后到達爐排渣斗的所有風管及其附件。一次風風機從垃圾坑吸入空氣，并將其作為燃燒空氣從爐排下的渣斗向各爐排提供空氣。設計優化后的一次風預熱系統工藝流程如圖1 所示：①采用三段式蒸汽空氣預熱器先對一次風加熱；②采用沼氣式熱風爐對一次風進行再次加熱；③為預熱器設置旁路及電動風門來調節控制一次風溫。

圖1 一次風預熱系統工藝流程

2.1 蒸汽空氣預熱器

垃圾焚燒廠多采用蒸汽空氣預熱器，普遍為二段式：低壓段和高壓段，其抽汽熱源分別來自汽輪機抽汽及鍋爐汽包飽和蒸汽。即來自垃圾坑的冷空氣通常首先在低壓段被加熱到140 ℃，然后在高壓段進一步被加熱至220 ℃，蒸汽換熱冷凝后產生的飽和疏水分別經過疏水管道進入除氧器，如圖2 所示。

圖2 二段式蒸汽空氣預熱器示意

針對大型爐排爐，且為高參數的余熱鍋爐，可對原有二段式預熱器進行技術改造，如圖3 所示，在預熱器低壓段前再設置過冷段，形成三段式，同時預熱器旁設置閃蒸罐。來自高壓段的高壓過冷疏水進入閃蒸罐進行降壓處理，閃蒸罐產生的低壓蒸汽與低壓段抽汽混合進入低壓段進一步換熱，低壓段換熱后產生的飽和水與閃蒸罐產生的飽和水混合后再同時進入過冷段，在過冷段與一次風進一步換熱降低至低壓過冷狀態，最后疏水再全部進入除氧器。相對比二段式預熱器，三段式可有效利用汽水余熱，經濟性得以提高，同時預熱器產生的都是低壓過冷水，可有效保證在不同負荷下除氧器的熱平衡，避免除氧器出現自身沸騰現象。

圖3 三段式蒸汽空氣預熱器示意

2.2 煙氣空氣預熱器

針對某些寒冷地區或垃圾熱值較低的區域，當僅采用蒸汽空氣預熱器時，一次風依然不能達到合適溫度時，可在蒸汽空氣預熱器后方再設置1 套煙氣空氣預熱器，可對一次風進一步加熱至300 ℃，煙氣空氣預熱器型式如圖4 所示。由于鍋爐管束設置在鍋爐煙道內，利用余熱鍋爐高溫煙氣對一次風進行加熱，無需其他高品質熱源加熱，經濟性較高，但由于其布置在鍋爐煙道中，安裝布置較為復雜，同時生活垃圾在焚燒爐中會產生大量的HCl、HF、SO2，通常會遇到高溫腐蝕或低溫腐蝕的問題。另外，垃圾焚燒鍋爐運行時，煙氣中帶有大量的灰分，它會對煙氣空氣預熱器管子產生磨損，縮短使用壽命，如圖5 所示。

圖4 煙氣空氣預熱器型式

圖5 煙氣空氣預熱器管子腐蝕磨損情況

2.3 熱風爐

目前在工程應用中，為進一步提高一次風溫度，通常也會設計1 套熱風爐來取代煙氣空氣預熱器，即利用燃燒天然氣、柴油或沼氣產生的高溫煙氣在熱風爐中混合加熱一次風。但采用燃油式或天然氣式熱風爐需要燃燒大量的柴油或天然氣，造成焚燒廠運行成本加大。

垃圾在垃圾池內儲存時會析出大量的滲濾液，廠內滲濾液處理站的厭氧反應器會產生大量的沼氣，沼氣經脫硫凈化后主要由甲烷、二氧化碳氣體組成。根據運行項目的現場實測數據，沼氣中甲烷含量一般占55%～75%、二氧化碳含量占25%～40%、其他氣體占5%～10%。沼氣的熱值為20 800～23 600 kJ/m3，是一種高質量的清潔燃料，但在目前的垃圾焚燒廠中普遍會通過火炬燃燒來處置產生的沼氣，造成了能源的浪費。

本研究在原始火炬燃燒的基礎之上，進一步優化沼氣利用工藝，如圖6 所示。厭氧池產生的沼氣經過汽水分離器干燥后，通過羅茨風機輸送至沼氣罐中儲存，通過壓力控制儀檢測沼氣罐內氣壓，當壓力到達設定值時，打開進氣閥、啟動沼氣熱風爐，沼氣通過阻火器至沼氣燃燒裝置，與空氣混合后燃燒，當沼氣罐內氣壓低于設定值時，增加風機轉速，調節沼氣的供應量。通過設置沼氣罐及優化邏輯控制，可克服沼氣供應的不穩定性缺陷，有效保證了一次風加熱的連續性及穩定性，提高了焚燒廠的發電效率。

圖6 沼氣熱風爐工藝流程

3 預熱器設計計算

3.1 基礎條件

以機械往復式焚燒爐為例，入爐垃圾熱值7 113 kJ/kg，單爐垃圾處理規模400～800 t/d，選取3種余熱鍋爐主蒸汽參數：①4.0 MPa（g）、400 ℃，②5.4 MPa（g）、450 ℃，③6.4 MPa（g）、485 ℃；低壓段汽輪機抽汽參數：1.0 MPa（g）、300 ℃，垃圾元素分析見表1。

表1 生活垃圾元素分析

3.2 數值計算方法

由熱平衡計算每段預熱器蒸汽抽汽量，其表達式為：

式中，D 為每段預熱器抽汽量，kg/h；hci、hce分別為每段預熱器入口前、后蒸汽焓值，kJ/kg；Q 為每段預熱器空氣吸熱量，kJ/h，其表達式為：

式中，hki、hke分別為每段預熱器入口前、后一次風空氣的比熱，kJ/kg；L0為爐排爐一次風量，m3/h；其表達式［3］為：

式中，λ 為一次風過量空氣系數，λ=1.3；C、H、O、S 分別為碳、氫、氧、硫質量比率，%；R為垃圾處理量，kg/h。

本研究中所描述的三段式預熱器方案中閃蒸罐工作壓力設為1.0 MPa（高于除氧器工作壓力0.26 MPa），閃蒸罐中二次蒸發量及產生的飽和水量可由以下質熱平衡式計算［4］：

初中美術的情感教育是初中美術課程教學過程的重要組成部分，主要是以美術課堂的使用和教學內容為載體。課堂上貫穿著跨學科、計劃和系統的思想，以及政治、美術、勞動和道德教育的滲透。通過充分尊重和培養學生的情感素質，學生將形成良好的道德觀，為周圍創造正面和積極的社會價值。初中美術課程中情感教育的目的是將情感教育與美術知識的學習相結合，達到提高學生美術學習效率，以及明確學習目標的目的，為學生的健康成長提供保障。

式中：D0為閃蒸罐中產生的二次蒸發量，kg/h；Dgy為預熱器高壓段排出的進入閃蒸罐中的冷凝水量，kg/h；i 為預熱器高壓段排出的進入閃蒸罐中的冷凝水焓值，kJ/kg；D1為閃蒸罐閃蒸后排出的冷凝水量，kg/h；i1為閃蒸罐閃蒸后排出的冷凝水焓值，kJ/kg；i2為閃蒸罐產生的二次蒸汽焓值，kJ/kg。η 為閃蒸罐熱損失，一般取0.98；x 為二次蒸汽的干度，一般為0.97。

預熱器低壓段抽出的汽輪機蒸汽所具有的發電能力可由下式計算［5］：

式中：N0為汽輪機組發電功率，MW；Ddy為預熱器低壓段汽機抽汽量，kg/h；ηj為汽輪機機械效率，一般取0.98；ηd為發電機發電效率，一般取0.97；hn取汽機末級排汽參數0.007 5 MPa、41 ℃時的蒸汽焓值2 576.2 kJ/kg。

本研究中滲濾液厭氧處理的沼氣發生量可由下式計算：

式中：Qa為厭氧沼氣量，m3/d；Q為滲濾液產生量，m3/d；C0為厭氧反應進水COD 濃度，宜取65 kg/m3；Ce為厭氧反應出水COD 濃度，宜取8.0 kg/m3；ηz為每千克COD 的沼氣產率，宜取0.4 m3/kg。

4 計算結果與分析

在數值計算中，設定入爐垃圾熱值7 113 kJ/kg，汽輪機抽汽參數為1.0 MPa（g）、300 ℃，通過選取常規的3 種不同類型余熱鍋爐壓力參數4.0、5.4、6.4 MPa，其汽包壓力分別對應為4.7、6.0、7.0 MPa。

4.1 低壓段汽輪機抽汽量對比分析

蒸汽空氣預熱器中低壓段抽汽通常來源于在汽輪機中做過部分功的過熱蒸汽（1.0 MPa（g）、300℃），以抽汽方式進入預熱器加熱一次風。這部分抽汽由于尚未完全膨脹做功，其壓力和溫度相對較高，但與汽包飽和蒸汽相比，其蒸汽品質較低。因此，在實際項目運行中，無論對于二段式還是三段式預熱器，在保證正常焚燒爐所需供風溫度情況下，應優先采用低品質的汽輪機抽汽加熱一次風。

與二段式預熱器相比，為確定采用三段式預熱器所能節約的汽機抽汽量，圖7 給出了在3 種鍋爐參數下，汽機抽汽節約量隨垃圾處理量的變化規律。由圖7 可看出，對同種余熱鍋爐參數，垃圾處理規模越大，三段式預熱器所能節省的汽機抽汽量越大。即：在垃圾焚燒廠一次風預熱器設計選型中，焚燒爐處理規模越大，三段式預熱器的優勢越為明顯。

圖7 不同處理規模下三段式預熱器汽機抽汽節約量

4.2 高壓段汽包抽汽量對比分析

三段式預熱器高壓段汽包抽汽全部換熱至180℃高壓冷凝水，然后通過閃蒸罐、低壓段和過冷段進一步冷凝至90 ℃，最后引出至除氧器。與常規的二段式預熱器相比，通過降低疏水溫度，較大程度回收了汽水余熱，同時可避免因鍋爐及汽機負荷波動而引起的除氧器自身沸騰現象，設備使用安全性較高。

由圖8 可看出，對同種參數余熱鍋爐，隨著垃圾處理規模的增加，三段式預熱器的汽包抽汽節省量成線性逐漸增加；相應的，對相同垃圾處理規模，鍋爐參數越高，三段式預熱器抽汽量節約也越明顯。即垃圾焚燒處理規模越大，鍋爐參數越高，該種三段式預熱器經濟效果越明顯。

圖8 不同處理規模下三段式預熱器汽包抽汽節約量

4.3 經濟效益分析

以750 t/d，7 113 kJ/kg，余熱鍋爐參數6.4 MPa、485 ℃為例，按0.65 元/kWh、每臺預熱器每年運行8 000 h 計算，一次風預熱器收益分析結果如表2 所示。使用每臺三段式預熱器發電功率增加547.4 kW，每年折合人民幣284.65 萬元。根據工程投資經驗，三段式預熱器增加的折舊費1.0萬元/a，則采用三段式預熱器可增加收益283.65 萬元/a。

同樣以750 t/d 入爐量為例，取滲濾液析出率20%，產生量188 m3/d，根據式（7） 計算沼氣量為178.6 m3/h，按照沼氣熱值20 000 kJ/m3，折算沼氣熱量為992.2 kW，以全廠熱效率23%計算，發電功率約228.2 kW，每爐每年多增加發電費用118.7 萬元。根據工程投資經驗，一次性設備費約為45 萬元，按照10 a 折舊期，則可增加收益114.2萬元/a。

表2 一次風預熱器收益分析

5 結論及建議

1） 與二段式預熱器相比，采用三段式預熱器可進一步回收汽水余熱，進一步提高垃圾焚燒廠經濟性；通過降低疏水溫度，可有效保證疏水回收系統的運行連續性及穩定性。

2） 針對部分垃圾焚燒廠，處理規模越大，鍋爐參數越高，三段式預熱器的節能效果越好，應用優勢越明顯。

3） 相對于煙氣空氣預熱器及其他熱風爐，沼氣式熱風爐可有效利用厭氧池產生的沼氣，具有明顯的安全性、穩定性；且通過設置沼氣儲氣裝置及優化邏輯控制，可進一步保證沼氣燃燒的連續性及穩定性。

4） 以單爐750 t/d，7 113 kJ/kg，余熱鍋爐參數6.4 MPa、485 ℃為例，三段式預熱器每年單臺爐可增加收益283.65 萬元，沼氣熱風爐可每年多增加收益114.2 萬元，共計397.85 萬元。

5） 蒸汽空氣預熱器設有旁路系統，針對不同燃燒工況，可通過調節旁路調門來控制一次風溫度，盡量避免采用抽汽管道來調節。當調節門關小時，由節流降壓導致的管道中疏水閃蒸為蒸汽，若管道中產生汽液兩相流動，易導致管道顫動，影響設備安全運行。

6） 在實際運行中根據焚燒爐燃燒工況變化調節一次風溫度，可優先采用低品質的汽輪機抽汽來進行一次風的首次加熱，其次采用沼氣式熱風爐加熱，在滿足焚燒爐燃燒需求情況下，可少采用鍋爐汽包抽汽。