提高垃圾焚燒鍋爐蒸汽參數(shù)的可行性研究

岳優(yōu)敏，彭小軍

1.上海環(huán)境工程建設項目管理有限公司，上海 200336

2.上海環(huán)境衛(wèi)生工程設計院有限公司，上海 200232

發(fā)電廠機組在生產過程中，總會有相當大的一部分能量會損失掉，主要包括鍋爐熱損失、管道熱損失、汽輪機和發(fā)電機能量損失和冷源損失。為提高機組熱效率，將更多燃料熱能轉換為電能，目前燃煤火電廠通常都采用提高鍋爐蒸汽參數(shù)和再熱技術等手段。通過采用高參數(shù)（通常為9.8MPa、540℃及以上），一般燃煤火電廠機組熱效率可達到30%以上。

然而由于垃圾熱值低（通常為煤炭的1/4左右），并且垃圾焚燒后煙氣含水率高、腐蝕性強的特點，蒸汽參數(shù)的提升會使得余熱鍋爐各受熱面壁溫升高，這樣將進一步加劇鍋爐受熱面的高溫腐蝕，縮短設備的使用壽命，影響焚燒廠運行的安全性。因此，目前國內垃圾焚燒電廠大部分都采用中溫中壓（4.0MPa、400℃）蒸汽參數(shù)，發(fā)電機組的熱效率通常在20%～23%，具有一定的提升空間。

1 垃圾焚燒鍋爐選用蒸汽參數(shù)的現(xiàn)狀

在國際上，垃圾焚燒電廠的主蒸汽參數(shù)主要有兩種，一種是中溫中壓參數(shù)（簡稱中參數(shù)），即4.0MPa、400℃；一種是中溫次高壓參數(shù)（簡稱高參數(shù)），即6.4MPa、450℃。美國在20世紀90年代之前多數(shù)采用中溫中壓參數(shù)，此后則偏重于采用中溫次高壓參數(shù)，主要是為了滿足某些工業(yè)用戶對較高蒸汽參數(shù)的需求。日本、歐洲和東南亞的垃圾焚燒發(fā)電廠則大部分都采用中溫中壓參數(shù)。

國內早期已建成的采用爐排爐的垃圾焚燒發(fā)電廠基本都采用中溫中壓參數(shù)，采用中溫次高壓參數(shù)的則相對很少。近年來隨著垃圾處理補貼費的降低，國內新建焚燒廠采用高參數(shù)（6.4MPa、450℃）蒸汽的項目增長加快，個別項目甚至開始嘗試將蒸汽溫度提高到485℃。國內外部分采用高參數(shù)焚燒廠的情況如表1所示。

表1 國內外部分采用高參數(shù)焚燒項目

垃圾焚燒發(fā)電廠鍋爐采用的主蒸汽參數(shù)越高，汽輪發(fā)電機組的效率越高。隨著國內垃圾焚燒發(fā)電廠的數(shù)量增加以及國內垃圾熱值的提高，在保證焚燒廠運營穩(wěn)定性和安全性的基礎上，焚燒廠運營方都希望通過技術提升來增加發(fā)電量和發(fā)電收入，從而提高焚燒廠的經濟效益。為了進一步提高發(fā)電效率，考慮將蒸汽溫度提升到500℃，對垃圾焚燒鍋爐參數(shù)分別采用4.0MPa、400℃、6.4MPa、450℃和6.4MPa、500℃這三種情況，從投資、發(fā)電效率和運營維護等方面進行比較、分析，以期為國內垃圾焚燒發(fā)電廠在蒸汽參數(shù)的選擇上提供參考。

2 垃圾焚燒鍋爐蒸汽參數(shù)的比較

為了更好地對上述三種蒸汽參數(shù)進行比較，需要對焚燒廠的基礎條件進行統(tǒng)一。以日處理垃圾1000t規(guī)模的焚燒廠為例，其基礎條件如下。（1）焚燒廠規(guī)模：1000t/d；（2）垃圾設計熱值：2000kcal/kg；（3）鍋爐配置：2×500t/d；（4）汽輪發(fā)電機配置：1×25MW；（5）年運行時間：8000h；（6）年處理垃圾量：33.3萬t；（7）焚燒廠運營期：20年；（8）電價：0.42元/kW·h。

2.1 設備投資比較

垃圾焚燒過程中所產生的煙氣中含有大量的腐蝕性氣體和水分，會對鍋爐各換熱面產生嚴重的腐蝕，而腐蝕速度與換熱面的管壁溫度有很大關系。腐蝕與溫度關系圖如圖1所示。

由圖1可知，在高溫腐蝕區(qū)，當管壁溫度超過300℃后，腐蝕速度將加快，而當管壁溫度超過480℃后，腐蝕速度將迅速提高。根據(jù)垃圾焚燒發(fā)電廠運行的經驗顯示，垃圾焚燒鍋爐容易發(fā)生腐蝕的區(qū)域有以下4處：（1）鍋爐一通道水冷壁耐火墻磚與光管過渡區(qū)域；（2）一通道至二通道水冷壁轉彎處；（3）高溫過熱器區(qū)域；（4）省煤器的末端。由于省煤器末端屬于低溫腐蝕，與高參數(shù)所導致的高溫腐蝕無關，可不予考慮。不同蒸汽參數(shù)鍋爐易發(fā)生腐蝕區(qū)域的管壁溫度如表2所示。

圖1 管壁溫度與腐蝕速度的關系

表2 不同蒸汽參數(shù)鍋爐換熱面壁溫

由表2可知，蒸汽參數(shù)的提高會導致鍋爐換熱面管壁溫度提高，也會加劇換熱面的高溫腐蝕。為了確保鍋爐的安全運行，需要對換熱面采取一定的防腐措施。目前針對高參數(shù)鍋爐的水冷壁高溫區(qū)域，國內通常是采用高鎳基合金焊絲在換熱管向火面堆焊方式來延長其使用壽命，這也會增加鍋爐設備的投資。另外，當主蒸汽溫度不超過450℃時，鍋爐高溫過熱器一般都采用低合金鋼管（如15CrMoG），而如果主蒸汽溫度提高到500℃，過熱器的高溫腐蝕會加劇，為保證高溫段過熱器（450～500℃）的使用壽命，則該區(qū)域過熱器建議采用奧氏體耐熱不銹鋼（如TP310H）。這種鋼材的使用溫度可超過700℃，但其價格昂貴，一般為低合金鋼的5～7倍。同時奧氏體不銹鋼可焊性稍差，加工難度加大，制造成本也會提高。

3種蒸汽參數(shù)下鍋爐和汽輪機設備的投資比較如表3所示。根據(jù)表3可知，采用后面兩種高參數(shù)分別比中參數(shù)在鍋爐和汽輪機設備上投資增加了1375萬和1958萬元。

表3 鍋爐和汽輪機投資比較表 單位：萬元

2.2 運行和維護比較

鍋爐提高蒸汽參數(shù)會增加檢修維護的工作量，但具體費用受焚燒廠的運營水平、垃圾狀況等因素的影響，因此很難估算。由于后兩種高參數(shù)鍋爐易腐蝕區(qū)域的水冷壁都采用了堆焊防腐措施，并且省煤器工作環(huán)境也基本相同，因此可以考慮3種蒸汽參數(shù)下鍋爐水冷壁和省煤器的檢修費用相同，僅需要考慮過熱器增加的維護費用。現(xiàn)考慮過熱器的使用壽命為5年，則具體的數(shù)據(jù)如表4所示。

表4 不同蒸汽參數(shù)鍋爐維護費比較

2.3 綜合經濟性比較

汽輪機熱效率與進汽參數(shù)成正比，垃圾焚燒發(fā)電廠鍋爐采用的主蒸汽參數(shù)越高，發(fā)電效率越高。在垃圾熱值為2000kcal/kg時，3種蒸汽參數(shù)下汽輪發(fā)電機組的效率情況如表5所示。

由表5可知，在垃圾熱值為2000kcal/kg時，蒸汽采用上述3種參數(shù)的情況下噸垃圾發(fā)電量分別為505kW·h、536kW·h和552kW·h。相比中參數(shù)而言，后面兩種高參數(shù)噸垃圾可多發(fā)電31kW·h和47kW·h。由于整個焚燒廠全年可焚燒處理33.3萬t垃圾，則可初步推算全廠每年新增發(fā)電量，按上網(wǎng)電價0.42元/kW·h考慮，則可計算出全廠新增的售電收入。3種蒸汽參數(shù)下的焚燒廠綜合經濟效益比較如表6所示。

表5 不同蒸汽參數(shù)時汽輪發(fā)電機組的效率比較

表6 焚燒廠綜合經濟效益比較（對比4.0MPa、400℃）

從表6中可以看出，采用后面兩種高參數(shù)，靜態(tài)分析看基本在4年左右可收回投資成本。以目前普遍采用的6.4MPa、450℃的高參數(shù)為基準，考慮將主蒸汽溫度提高到500℃的經濟性分析如表7所示。

從表7中可以看出，將主蒸汽溫度提高到500℃，靜態(tài)分析看基本在5年內也可收回投資成本。

表7 焚燒廠綜合經濟效益比較（對比6.4MPa、450℃）

3 結束語

近年來，隨著垃圾補貼費用的降低，國內各焚燒廠越來越重視新技術的采用來提高發(fā)電收益。隨著鍋爐防腐技術的發(fā)展和應用，國內焚燒廠采用高參數(shù)蒸汽也呈增長態(tài)勢。目前國內焚燒廠采用的高參數(shù)蒸汽還是以6.4MPa、450℃為主，然而通過比較分析發(fā)現(xiàn)，盡管繼續(xù)提高蒸汽的溫度會提高項目的投資，增加運營維護費用，但是結合收益來看，項目的經濟效益還是很可觀，因此在垃圾焚燒行業(yè)，繼續(xù)適當提高鍋爐蒸汽參數(shù)仍具有較高的可行性。