垃圾焚燒鍋爐主蒸汽參數(shù)選擇分析

劉 超

(上海黎明資源再利用有限公司， 上海 201209)

隨著我國城市化進程的加快，城市垃圾快速增長與土地資源緊缺的矛盾日益明顯，垃圾焚燒作為集中處理生活垃圾的有效途徑之一，已成為大城市垃圾無害化、資源化、減量化處理最佳的選擇。近年來，垃圾焚燒市場熱度持續(xù)，根據(jù)國家統(tǒng)計局統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，全國已運行的垃圾焚燒電廠數(shù)量已經(jīng)突破400座，預(yù)計2020年底有約600座垃圾焚燒電廠處于運行狀態(tài)。目前國內(nèi)垃圾焚燒電廠焚燒鍋爐主蒸汽參數(shù)主要有2種：大部分項目采用中溫中壓參數(shù)(即中參數(shù)，400 ℃、4 MPa)，而采用中溫次高壓參數(shù)(即高參數(shù)，450 ℃、6.4 MPa)的項目數(shù)量較少[1-2]。但是，隨著垃圾焚燒電廠的高速發(fā)展，其競爭日漸激烈，以及可再生能源電價補助政策的變化等迫使在保證環(huán)保效果的前提下，進一步提高發(fā)電收益。

為了進一步提高全廠發(fā)電熱效率，滿足節(jié)能減排的需求，除了提高焚燒爐蒸汽參數(shù)外[3]，還可以考慮采用中間再熱系統(tǒng)。通過再熱器將汽輪機高壓缸的排汽加熱到與過熱蒸汽溫度相等或相近的再熱溫度，然后再送入低壓缸中膨脹做功，從而提高電站經(jīng)濟效益[1]。筆者以1臺高參數(shù)再熱垃圾焚燒鍋爐(簡稱高參數(shù)鍋爐)為例，對比同等規(guī)模中參數(shù)垃圾焚燒鍋爐(簡稱中參數(shù)鍋爐)，在鍋爐結(jié)構(gòu)、前期投資成本、運行維護成本、發(fā)電收益、運行安全性等方面進行比較分析。

1 鍋爐設(shè)計對比

1.1 高參數(shù)鍋爐結(jié)構(gòu)

圖1為1臺垃圾處理量為600 t/d、垃圾設(shè)計熱值為8 374 kJ/kg的高參數(shù)垃圾焚燒鍋爐設(shè)計方案，該鍋爐為單鍋筒，自然循環(huán)中溫次高壓再熱鍋爐，П形布置，前吊后支，爐排采用逆推和順推復(fù)合爐排。

1—二段式往復(fù)爐排；2—垃圾料斗；3—鍋筒；4—爐膛；5—燃燼室；6—三煙道；7—水平煙道8—尾部煙道；9—水冷屏；10—隔墻水冷壁；11—高溫再熱器；12—高溫過熱器；13—低溫再熱器14—中溫過熱器Ⅰ；15—中溫過熱器Ⅱ；16—低溫過熱器Ⅰ；17—低溫過熱器Ⅱ；18—省煤器；19—梁和柱；20—護板；21—頂板；22—落灰裝置；23—平臺扶梯；24—連接煙道。

構(gòu)架采用鋼結(jié)構(gòu)，按7度地震設(shè)防，爐膛、燃燼室、三煙道、水平煙道均為膜式水冷壁結(jié)構(gòu)。爐膛上部設(shè)置有5片水冷屏；燃燼室內(nèi)設(shè)置有3片隔墻水冷壁；三煙道內(nèi)自下而上依次布置高溫再熱器、高溫過熱器、低溫再熱器、中溫過熱器Ⅰ；水平煙道中布置中溫過熱器Ⅱ、低溫過熱器Ⅰ、低溫過熱器Ⅱ；尾部煙道自上而下依次布置三段省煤器；集中下降管，平臺為鍍鋅柵格平臺。

通常立式垃圾焚燒鍋爐是把過熱器都布置在三煙道，而臥式垃圾焚燒鍋爐是把過熱器都布置在水平煙道內(nèi)。該鍋爐方案采用П形布置，相對立式鍋爐，通過水冷屏、隔墻水冷壁的設(shè)置，并將3組過熱器放置在水平煙道，從而大大降低了鍋爐高度；相對臥式鍋爐，將2組再熱器、2組過熱器放置在第三煙道，縮短了水平煙道，省煤器采用立式布置，從而大大縮短了鍋爐深度，縮小占地面積，有效降低土建工程投資成本。

隨著主蒸汽參數(shù)進一步提高，為了防止汽輪機末級葉片排汽濕度過大，高參數(shù)鍋爐需設(shè)置再熱器，從而降低末級葉片侵蝕指數(shù)，避免水蝕風(fēng)險[4]。再熱蒸汽可采用噴水減溫或蒸汽旁路，依次經(jīng)過低溫再熱器、高溫再熱器后，再將合格的再熱蒸汽引回汽輪機。

高參數(shù)鍋爐主要參數(shù)見表1。

表1 高參數(shù)鍋爐主要參數(shù)

由表1可以看出：鍋爐主蒸汽壓力為6.4 MPa，主蒸汽溫度為450 ℃，再熱蒸汽溫度與過熱蒸汽溫度相近，再熱蒸汽壓力約為過熱蒸汽壓力的1/5。由于再熱器進口蒸汽壓力較低，通常規(guī)定系統(tǒng)總阻力不大于再熱器進口壓力的10%[4]。

兩級噴水減溫器布置在高溫、中溫、低溫過熱器之間，用來調(diào)節(jié)過熱器出口蒸汽溫度；而對于再熱器系統(tǒng)，低溫再熱器進口集箱與出口集箱之間設(shè)有旁路，通過旁路調(diào)節(jié)蒸汽溫度。設(shè)計工況下，低溫再熱器進口再熱蒸汽質(zhì)量流量占再熱蒸汽質(zhì)量流量的70%，旁路再熱蒸汽質(zhì)量流量占再熱蒸汽質(zhì)量流量的30%。

1.2 中參數(shù)鍋爐結(jié)構(gòu)

圖2為同等處理規(guī)模、相同設(shè)計熱值的中參數(shù)鍋爐設(shè)計方案。

1—二段式往復(fù)爐排;2—垃圾料斗;3—鍋筒;4—爐膛;5—燃燼室;6—三煙道;7—水平煙道8—尾部煙道;9—水冷屏;10—隔墻水冷壁;11—蒸發(fā)器;12—高溫過熱器;13—中溫過熱器；14—低溫過熱器Ⅰ;15—低溫過熱器Ⅱ;16—省煤器;17—梁和柱;18—護板；19—頂板;20—落灰裝置;21—平臺扶梯;22—連接煙道。

該鍋爐為單鍋筒，自然循環(huán)中溫中壓鍋爐，鍋爐主體結(jié)構(gòu)、支撐方式、爐排類型與上述高參數(shù)鍋爐設(shè)計方案大致相同。爐膛上部設(shè)置有5片水冷屏；燃燼室內(nèi)設(shè)置有4片隔墻水冷壁；三煙道內(nèi)自下而上依次布置蒸發(fā)器、高溫過熱器、中溫過熱器；水平煙道中布置低溫過熱器Ⅰ、低溫過熱器Ⅱ；尾部煙道自上而下依次布置三段省煤器。

中參數(shù)鍋爐主要參數(shù)見表2，相比高參數(shù)鍋爐，由于主蒸汽參數(shù)較低，中參數(shù)鍋爐額定蒸發(fā)量相對較大。

表2 中參數(shù)鍋爐主要參數(shù)

1.3 結(jié)構(gòu)尺寸對比

中參數(shù)和高參數(shù)鍋爐結(jié)構(gòu)形式、基本尺寸參數(shù)對比情況見表3。

表3 中參數(shù)和高參數(shù)鍋爐結(jié)構(gòu)、基本尺寸對比

從表3可以看出：在垃圾處理量、垃圾設(shè)計熱值相同的情況下，高參數(shù)鍋爐主蒸汽參數(shù)較高，需要布置更多的換熱面積，鍋爐高度、寬度、深度方向尺寸都大于中參數(shù)鍋爐尺寸。

1.4 熱力計算結(jié)果對比

表4、表5分別列出了采用中參數(shù)和高參數(shù)鍋爐的熱力計算匯總，主要涉及各受熱面換熱面積、煙氣溫度、工質(zhì)溫度、工質(zhì)平均速度等數(shù)據(jù)。

表4 600 t/d中參數(shù)鍋爐熱力計算匯總

表5 600 t/d高參數(shù)鍋爐熱力計算匯總

由表4、表5可以看出：高參數(shù)鍋爐主蒸汽參數(shù)較高，所需水冷壁、過熱器換熱面積更大，還需要額外布置2組再熱器。由于再熱蒸汽壓力較低，比熱容小，對熱偏差較敏感，又受到阻力限制，所以再熱器工作條件比過熱器更差，再熱器蒸汽流速遠大于過熱器蒸汽流速。因此，再熱器需要采用較大管徑、多管圈結(jié)構(gòu)。

2 高參數(shù)與中參數(shù)鍋爐經(jīng)濟性分析

垃圾焚燒項目特許經(jīng)營期一般為30 a，通常按28 a運營期進行投資經(jīng)濟性分析。垃圾焚燒鍋爐參數(shù)的選擇，對生活垃圾焚燒項目的設(shè)備選型、項目建設(shè)、運行維護等方面都有很大影響。

2.1 前期投資成本

2.1.1 鍋爐本體

相較于中參數(shù)鍋爐，高參數(shù)鍋爐在結(jié)構(gòu)形式、基本尺寸參數(shù)、換熱面積等方面均有所增加。單臺中參數(shù)鍋爐結(jié)構(gòu)件(含梁和柱、護板、頂板、平臺扶梯、爐墻金屬件、落灰裝置、連接煙道等部件)質(zhì)量約為590 t，而單臺高參數(shù)鍋爐結(jié)構(gòu)件質(zhì)量約為680 t。因此，高參數(shù)鍋爐結(jié)構(gòu)件成本額外增加63萬元。

對于鍋爐受壓元件而言，垃圾焚燒鍋爐受熱面管壁溫度是影響其高溫腐蝕速度的關(guān)鍵因素。根據(jù)GB/T 16507.2—2013 《水管鍋爐 第2部分：材料》規(guī)定，受熱面管子材質(zhì)20G的使用溫度不得超過460 ℃，受熱面管子材質(zhì)12Cr1MoVG 的使用溫度不得超過580 ℃。對于中參數(shù)鍋爐，僅高溫過熱器、中溫過熱器采用12Cr1MoVG，質(zhì)量約為38 t，其余受壓件質(zhì)量約為472 t；而對于高參數(shù)鍋爐，高溫再熱器、高溫過熱器、低溫再熱器、中溫過熱器都采用12Cr1MoVG，質(zhì)量約為86 t，其余受壓件質(zhì)量約為812 t。因此， 由于主蒸汽參數(shù)的提高、受熱面的增加，高參數(shù)鍋爐受壓件成本需要額外增加366萬元。

2.1.2 防腐措施

部分高溫腐蝕嚴重區(qū)域(如爐膛內(nèi)未敷衛(wèi)燃帶的水冷壁區(qū)域)管壁外還需要采用額外的防腐措施[5]， 以下是幾種預(yù)防高溫腐蝕的措施：

(1) 超音速噴涂：費用約為2 000 元/m2，噴涂層與母材機械結(jié)合，母材變形小，但涂層較易脫落，使用壽命為2～3 a。

(2) 低溫微熔焊：費用約為5 000 元/m2，熔焊層與母材冶金結(jié)合，不易脫落，使用壽命為5～6 a，但母材變形量較大，需要考慮管子收縮余量，并且在管排單獨成片后需要校正尺寸，保證最終尺寸、形位公差、平整度等。

(3) 堆焊：費用約為8 000 元/m2，堆焊層與母材冶金結(jié)合，使用壽命長達8～9 a，但投資成本相對較高。

目前，垃圾焚燒項目預(yù)防高溫腐蝕措施多采用堆焊工藝。綜合考慮實用性、投資成本及后期維護等方面后，筆者以堆焊工藝作為防腐措施進行比較。對于中參數(shù)鍋爐，爐膛上部未敷衛(wèi)燃帶的水冷壁區(qū)域、水冷屏需要采用堆焊工藝，防腐面積共計358 m2；而高參數(shù)鍋爐除了爐膛上部、燃燼室上部、隔墻水冷壁上部區(qū)域及水冷屏外，高溫再熱器、高溫過熱器都需要采用堆焊工藝，防腐面積共計1 457 m2，其中高溫再熱器與高溫過熱器防腐面積約占總面積的65%。因此，高參數(shù)鍋爐堆焊成本需要額外增加880萬元。

2.1.3 其他輔機管道設(shè)備

高參數(shù)項目由于主蒸汽參數(shù)升高，需要對部分輔機、管道等設(shè)備進行相應(yīng)調(diào)整。

(1) 安全閥：高參數(shù)鍋爐除鍋筒、過熱器安全閥外，再熱蒸汽進口集箱與出口集箱需要額外增設(shè)安全閥；由于鍋爐額定工作壓力大于5.9 MPa，安全閥整定壓力應(yīng)按照更高要求進行調(diào)整和校驗(最低值應(yīng)按1.05倍工作壓力，最高值應(yīng)按1.08倍工作壓力)。

(2) 吹灰器：中參數(shù)鍋爐蒸發(fā)器、高溫過熱器、中溫過熱器布置8組蒸汽吹灰器，低溫過熱器及省煤器布置27組激波吹灰器；高參數(shù)鍋爐再熱器、過熱器布置16組蒸汽吹灰器，省煤器布置19組激波吹灰器。

(3) 其他：鍋爐管道、水位計、消音器、加藥裝置、儀器儀表等設(shè)備選型應(yīng)按工作壓力要求進行相應(yīng)調(diào)整。

2.1.4 鍋爐投資成本

綜合上述鍋爐成本對比情況形成中、高參數(shù)鍋爐投資成本匯總(見表6)。由于鍋爐參數(shù)的提高，使得鍋爐本體質(zhì)量顯著增加，同時受熱面材質(zhì)等級的提高及防腐措施的應(yīng)用，進一步增加了鍋爐投資成本。

表6 中、高參數(shù)鍋爐投資成本匯總

由表6可以看出：單臺600 t/d高參數(shù)鍋爐投資成本相較于中參數(shù)鍋爐差價高達1 379萬元，其中64%為堆焊成本，防腐措施的應(yīng)用對前期投資成本有較大影響。

2.1.5 前期投資成本匯總

項目規(guī)模直接影響項目經(jīng)濟性，對于垃圾焚燒項目常見的系統(tǒng)配置有：一爐一機(即一臺焚燒爐配置一臺汽輪發(fā)電機)；兩爐一機(即兩臺焚燒爐配置一臺汽輪發(fā)電機)；三爐兩機(即三臺焚燒爐配置兩臺汽輪發(fā)電機)。主蒸汽參數(shù)直接影響焚燒系統(tǒng)、汽輪機系統(tǒng)，對煙氣系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、水處理系統(tǒng)、公用系統(tǒng)影響較小，筆者僅對鍋爐、汽輪機投資成本進行匯總分析。

中參數(shù)和高參數(shù)垃圾焚燒項目在不同規(guī)模不同配置的情況下前期投資成本差額匯總見表7。

表7 中、高參數(shù)垃圾焚燒項目前期投資成本差額匯總

由表7可以看出：前期投資成本差額按運營期28 a均攤到每年，年折舊差額隨項目規(guī)模的擴大同時增長。

2.2 運行維護成本

就以往國內(nèi)垃圾焚燒項目運行情況，水冷壁、過熱器、再熱器管系一般5～6 a更換省煤器管系10 a更換一次，其余部件(包括鍋筒、大部分結(jié)構(gòu)件等)使用壽命一般皆為30 a。其中，原高溫腐蝕嚴重區(qū)域的受熱面管系仍需要采取防腐措施。此外，蒸汽吹灰器所需蒸汽由低溫過熱器出口集箱引出，單臺蒸汽吹灰器耗蒸汽質(zhì)量流量約為85 kg/min(1.3 MPa)，每次吹灰時間1～3 min，每班(8 h)吹灰2次，假定年運行時間8 000 h，則單臺蒸汽吹灰器年平均耗汽質(zhì)量約為34 t。同時，蒸汽吹灰器吹灰桿長期受熱容易變形卡死，作為易耗品需要經(jīng)常更換傳動部件和噴管。因此，每臺高參數(shù)鍋爐每年額外增加蒸汽消耗費用約40萬元，每臺鍋爐每年增加維護成本約20萬元。中、高參數(shù)鍋爐單爐運行維護總成本均攤到每年差額約為178萬元。

2.3 發(fā)電收益

2.3.1 發(fā)電量

通常垃圾焚燒項目以噸垃圾發(fā)電量、噸垃圾上網(wǎng)電量作為重要指標，體現(xiàn)電廠余熱利用水平，直接影響發(fā)電收益情況。不同規(guī)模的中、高參數(shù)垃圾焚燒項目發(fā)電量見表8。

表8 中、高參數(shù)項目規(guī)模對發(fā)電量的影響

由表8可以看出：對于項目規(guī)模較大的垃圾焚燒項目，主蒸汽參數(shù)越高，汽輪機汽耗率越低，噸垃圾發(fā)電量、噸垃圾上網(wǎng)電量越高，主蒸汽參數(shù)直接影響發(fā)電效率。而對于較小規(guī)模的垃圾焚燒項目，雖然汽輪機汽耗率也隨著主蒸汽參數(shù)的上升而降低，但由于高參數(shù)鍋爐額定蒸發(fā)量較少，中參數(shù)鍋爐發(fā)電量反而超過高參數(shù)鍋爐發(fā)電量。

2.3.2 發(fā)電收益對比

由于各地上網(wǎng)電價補貼標準存在差異，假設(shè)上網(wǎng)電價按全國上網(wǎng)電價平均標準(發(fā)電量為280 kW·h以內(nèi)為0.65元/(kW·h)、發(fā)電量為280 kW·h以上為0.45元/(kW·h))計算，比較分析中、高參數(shù)項目規(guī)模對發(fā)電收益的影響情況，結(jié)果見表9。

表9 中、高參數(shù)項目規(guī)模對發(fā)電收益的影響

由表9可以看出：垃圾焚燒項目采用高參數(shù)模式，項目規(guī)模越大，凈收益差額將進一步增大，經(jīng)濟效益越明顯。對于小規(guī)模垃圾焚燒項目，更適合采用傳統(tǒng)的中參數(shù)模式。對于中等規(guī)模垃圾焚燒項目，采用高參數(shù)模式的項目發(fā)電收入相比中參數(shù)模式的項目發(fā)電收入已逐漸增加，但由于高額的運行維護成本，年平均凈收益仍然為負數(shù)。因此，中等規(guī)模垃圾焚燒項目仍然推薦采用中參數(shù)模式，但也可以考慮采用中溫次高壓不帶再熱器的模式，減少前期投資成本及運行維護成本，從而保證項目經(jīng)濟性。

3 運行安全性分析

在垃圾焚燒領(lǐng)域，中溫中壓技術(shù)已成熟穩(wěn)定運行多年，在設(shè)計制造、運行安全方面早已總結(jié)出一套完整的知識體系，安全運行經(jīng)驗豐富。而中溫次高壓再熱技術(shù)雖然在火力發(fā)電領(lǐng)域也屬于成熟技術(shù)，但區(qū)別于垃圾焚燒項目，垃圾成分復(fù)雜，燃燒情況、煙氣特性差異巨大。雖然高參數(shù)項目經(jīng)濟效益明顯優(yōu)于中參數(shù)項目，但是對于電廠安全運行仍然是一個巨大挑戰(zhàn)。2006年1月某生活垃圾焚燒項目作為國內(nèi)較早采用高參數(shù)模式的垃圾焚燒電廠正式投產(chǎn)運行，但是在運行4 a后，1號垃圾焚燒爐爐膛頂部水冷壁發(fā)生爆炸，造成多人受傷。事故發(fā)生后，該電廠只能降參數(shù)運行，進行技術(shù)整改，直接影響垃圾焚燒行業(yè)高參數(shù)化的推進與發(fā)展。

如果為了降低前期投資成本，刻意減少防腐面積，將嚴重影響運行安全性，增加受熱面管系爆管風(fēng)險，一旦發(fā)生緊急停爐事故甚至是人身傷害事故，必將影響垃圾焚燒電廠運行情況及項目投資收益情況。因此，絕不可為了經(jīng)濟收益，忽視電廠安全運行。

綜上所述，對于高參數(shù)項目，仍需要不斷總結(jié)探索，確保垃圾焚燒廠安全、穩(wěn)定、環(huán)保的運行，并且建立更加規(guī)范的高參數(shù)運營管理制度。

4 結(jié)語

近年來，垃圾焚燒項目的高參數(shù)化已成為未來發(fā)展的方向，越來越多的高參數(shù)項目相繼投運，運行維護經(jīng)驗更加豐富；并且隨著新材料、新防腐技術(shù)的不斷突破，使得受熱面抗高溫腐蝕能力進一步提高，高參數(shù)模式經(jīng)濟性優(yōu)勢日趨顯著。但是，并非所有項目都適合高參數(shù)模式，不能盲目推崇高參數(shù)化，對于中小型垃圾焚燒項目更適合采用傳統(tǒng)的中參數(shù)模式。