垃圾焚燒發電趨勢分析及余熱鍋爐技術進展

于 超,郝玉剛,劉 瑤

（中國恩菲工程技術有限公司,北京 100038）

0 引言

垃圾焚燒是一種處理生活垃圾的方式,將生活垃圾置于高溫下燃燒,利用高溫氧化作用使其中的可燃廢物轉變為二氧化碳和水等,焚燒后的灰、渣僅為生活垃圾原體積的20%以下,從而大大減少固體廢物量[1]。垃圾焚燒發電作為發達國家廣泛采用的城市生活垃圾處理方式,符合“減量化、無害化、資源化”三原則,其土地資源消耗少、處理速度快、二次污染少且能夠資源再利用,成為世界主流的垃圾處理方式[2]。我國從20世紀80年代中后期才開始采用焚燒處理生活垃圾[3]。隨著我國“垃圾圍城”現象日趨嚴重,生活垃圾焚燒發電既是環境保護的需要,又是資源再利用的重要方式,近年來得到快速發展[4]。“十二五”和“十三五”期間(2011-2020年),我國垃圾焚燒廠的數量增加了303%,焚燒處理量增加了577%[5]。展望未來,2020年發布的《關于促進非水可再生能源發電健康發展的若干意見》及其補充通知等最新政策,對行業政策進行重要調整,將推動垃圾焚燒發電行業在技術、核心裝備、商業模式、經營策略等方面不斷升級創新。

1 垃圾焚燒發電行業發展趨勢分析

1.1 垃圾焚燒發電行業政策分析

我國生活垃圾焚燒發展政策歷程,如表1所示[6-8]。

表1 我國生活垃圾焚燒發展政策歷程

我國在2023年基本實現原生生活垃圾“零填埋”等政策約束下,焚燒方式將長期占主導地位[9],是破解垃圾圍城的絕對主要手段[10],中國積極推進垃圾分類與焚燒相結合的主基調會持續幾十年,不會有大調整,垃圾焚燒發電將成為未來主要的垃圾無害化處理方式[11]。另一方面,最新公布的國家補貼退坡、垃圾分類等政策,將對垃圾焚燒發電行業產生重要而深遠的影響。新政策將倒逼市場在技術和管理等方面做出優化改革[12],通過技術進步、完善垃圾處理收費政策、提高企業運維水平等方式,提升垃圾發電企業盈利能力[9、13]。

1.2 垃圾焚燒發電行業市場分析

2010年至2020年出現了投資垃圾發電產業的熱潮。2010年我國在運行焚燒廠104座,城市生活垃圾焚燒處理量約2 300萬t/a；到了2019年增長到401座,處理量達1.2億t/a。10年間,城市生活垃圾中焚燒處理占比由18.8%上升至51.2%。截至2020年6月1日,我國在運行的垃圾焚燒廠總計455座,過去5年間垃圾焚燒廠數量的年均復合增長率為15.6%[5]。

除了國家對環保產業特別是固廢處理行業的政策支持、城鎮化不斷推進帶來的垃圾處理客觀需求,形成投資熱潮的重要原因還包括明確穩定的盈利預期。根據2012年《國家發展改革委關于完善垃圾焚燒發電價格政策的通知》,“全額上網收購電量、噸垃圾上網電量280kW·h以內執行0.65元/kW·h電價、超發部分執行地方脫硫燃煤機組標桿上網電價”基本政策所建立的財務模型和投資收益測算,基本上能做到“資本金內部收益率不小于8%”的預期[14]。

在垃圾發電產業投資熱潮期,研究人員對垃圾焚燒行業的發展預測較為樂觀[15]。《關于促進非水可再生能源發電健康發展的若干意見》以及補充通知的發布,將使垃圾焚燒發電將進入“新國補”時代,讓垃圾焚燒發電項目的盈利空間進一步縮小[16],對垃圾焚燒發電的市場預期有所調整。專家認為,“十四五”期間預計垃圾焚燒新增規模需求為51.8萬噸/日,但考慮到政策推進程度、焚燒補貼調整、資源化水平提高及成本制約等因素影響,預計可釋放空間為22.4萬噸/日,綜合我國對垃圾焚燒補貼政策的調整,以及各地垃圾焚燒項目的規劃,垃圾焚燒發電行業可能會進入一個緩慢增長的階段[9]。

1.3 垃圾焚燒發電重點技術及裝備分析

垃圾焚燒發電系統主要由垃圾接受系統、焚燒系統、余熱鍋爐系統、燃燒空氣系統、汽輪發電系統、煙氣凈化系統、灰渣、滲濾液處理系統、蒸汽機冷凝水系統、廢金屬回收、自動控制和儀表系統等組成[17]。焚燒爐對整體工藝路線、燃燒效率、工程造價、運營穩定性起到關鍵作用,而余熱鍋爐及其產生的過熱蒸汽的參數對發電企業的經濟效益有重要影響。圖1為某機械爐排垃圾焚燒發電項目工藝路線圖。

圖1 某機械爐排垃圾焚燒發電項目工藝路線圖

垃圾焚燒發電行業新增市場規模有限,除了獲取新增項目和對其他項目公司收購外,對于行業內公司,通過積極進行技術方案優化和加強運營管理,提高發電效率、降低噸投資成本和運營成本,成為行業內公司的重要突破方向之一[8]。研究人員梳理了重點技術及設備研發對垃圾焚燒發電行業走高質量發展之路的重要意義[8、9、12、13、18]。

提升垃圾焚燒發電企業盈利能力的重要方向之一是通過技術進步,提高垃圾噸發電量及噸上網電量。深圳市生活垃圾處理監管中心的數據顯示,2011至2018年間,我國生活垃圾焚燒發電企業的噸垃圾上網電量均值提升了42 kW·h。對于企業而言,垃圾焚燒發電收入可拆解為總上網電量及上網電價。因上網電價變動彈性不大,噸上網電量的提升成為改善垃圾焚燒廠經濟效益的重要途徑。在行業噸發電量及噸上網電量整體水平提升的影響下,垃圾焚燒廠發電收入規模有所擴大,項目運營毛利率也有所改善[13]。

垃圾噸發電量的提升主要通過焚燒爐及余熱鍋爐的技術優化來實現:(1)爐排爐技術的運用:目前垃圾焚燒廠使用的焚燒技術主要包含爐排爐技術以及循環流化床焚燒爐技術。相較于流化床技術,爐排爐技術因垃圾瀝水量較多、鍋爐效率較高等原因,具有更高的噸上網量。2020年,全國已運行垃圾焚燒廠492座,涉及1 202臺焚燒爐,其中,機械爐排爐臺數占比超過86%,循環流化床臺數占比不到14%[13]；(2)中溫次高壓技術的運用:目前我國多采用中溫中壓工況的機械爐排爐運營,隨著技術的更新換代,已有采用中溫次高壓/高壓工況的機械爐排爐逐步投入使用,優化的工藝可以適應更高的熱值區間,同時可以有效提高能量轉換效率,進而提升噸垃圾發電量[13,18]。

2 垃圾焚燒余熱鍋爐研發進展

2.1 垃圾焚燒余熱鍋爐定義及類型

垃圾焚燒余熱鍋爐是指利用垃圾焚燒釋放的熱能進行有效換熱并產生蒸汽或熱水的熱力設備,由膜式水冷壁、對流管束、汽包、振打裝置等組成[3]。

垃圾焚燒余熱鍋爐有立式布置、臥式布置、∏式布置3種主要布置方式。曾紀進等[19]對垃圾焚燒發電廠余熱鍋爐的布置方式進行研究,針對3種布置方式對鍋爐燃燒效率、投資成本等的影響分析和比較了3種爐型布置方式的性能及優缺點,建議小于500 t的鍋爐采用立式布置,大于500 t的鍋爐,采用臥式布置或∏式布置。

立式鍋爐為垂直頂支吊型式,燃燒爐膛位于爐排上方。鍋爐的第一煙道四周敷設耐火層加以保護,有些鍋爐的耐火層會敷設至煙溫較低的第二煙道以避免腐蝕。裸露的水冷壁增加吸熱使煙氣到達過熱器前溫度已降低。鍋爐爐膛的尺寸能夠使到達過熱器進口的煙溫不超過600℃,以保證過熱器壽命較長。煙道中的換熱部件(過熱器、蒸發管束和省煤器)為順列布置,并保證足夠的空間以防止堵塞,使鍋爐在污染狀況下也能正常運行。立式鍋爐占地面積小,順氣流方向容易布置,煙氣穿過換熱器比較均勻,但過熱器上容易積灰,影響換熱效果,嚴重的積灰會影響鍋爐的效率和壽命。隨著單臺爐垃圾處理量的增加,用鋼量增加比較明顯,造價明顯增加。

臥式鍋爐氣流要轉為水平方向進出第四煙道,煙氣平均分布不如立式鍋爐。臥式鍋爐的蒸發器、低溫過熱器、中溫過熱器、高溫過熱器、省煤器都集中橫向布置在第四水平煙道內,因此,其維護比較方便,能容易地從頂棚上部吊出更換。用臥式布置的好處還有換熱器不易積灰,清灰也比較容易,鍋爐灰被振打或吹灰后直接掉到灰斗中,從下部排出。但臥式布置占地面積大,投資成本較大。臥式鍋爐布置非常適合占地面積較大的垃圾焚燒發電廠。隨著單臺爐垃圾處理量的增加,用鋼量增加比較明顯,造價明顯增加。

∏式鍋爐為懸掛式鍋爐,這種設計更具優勢,便于安裝和維護,易于從水平煙道頂棚上方更換過熱器,整個過熱器可以一次性更換。鍋爐包括三段垂直輻射煙道和一段水平對流煙道以及一段垂直省煤器。第一煙道裝有耐火材料保護層,鍋爐垂直膨脹向下自由伸縮,壓力部件墻壁溫度均勻分布,熱應力最小。水平通道包含了低、中、高溫過熱器以及蒸發器,管道垂直布置,所以不易積灰、清灰也容易,這點性能與臥式鍋爐相近。但是,∏式爐布置的省煤器是在尾部豎井內,如果省煤器更換,更多的辦法是從偏側面抽出。∏式布置占地面積大,僅次于臥式,投資與臥式相近。

2.2 垃圾焚燒余熱鍋爐工作過程

2.2.1 化學反應及傳熱傳質過程

垃圾在焚燒爐及余熱鍋爐內的物質運動與能量傳遞與轉化的基本過程如表2所示[3]。

表2 垃圾焚燒爐及余熱鍋爐內的物質運動與能量傳遞與轉化的基本過程[3]

2.2.2 余熱鍋爐受熱面布置[3]針對垃圾特性不穩定的特點,采用蓄熱能力大的自然循環余熱鍋爐。自然循環是利用不受熱的下降管內的水與單面受熱的上升管(即水冷壁)內的汽水混合物之間的密度差所產生的不平衡力推動汽水混合物向上流動形成的循環。自然循環余熱鍋爐的回路包括汽包、下降管、多組并列的上升管即水冷壁和對流蒸發器、多級過熱器及噴水減溫器、省煤器等,見圖2。汽包內的水經不受熱的下降管、下分配聯箱進入水冷壁,水冷壁內被加熱成的汽水混合物向上流動,經過上聯箱返回汽包,汽水混合物在汽包內進行汽水分離；飽和水與省煤器來的鍋爐給水混合,再經下降管、水冷壁自然循環；飽和水與省煤器來的鍋爐給水混合,再經下降管、水冷壁自然循環；飽和蒸汽順序通過對流蒸發器、多級過熱器及兩級過熱器之間的減溫器達到所需要品質的過熱蒸汽,最終通過蒸汽主管送出。

圖2 垃圾焚燒余熱鍋爐汽水循環原理圖[3]

2.3 垃圾焚燒余熱鍋爐部件組成

典型垃圾焚燒余熱鍋爐主要由循環系統、吸熱系統、燃燒系統和其他輔助系統構成。

2.3.1 水冷壁

水冷壁是在爐膛頂部或側面布置的用以吸收爐內輻射熱、增加鍋爐換熱面積并降低爐壁溫度的水管群,其上端和下端分別與汽包和下部集箱相連。敷設水冷壁可以大大降低爐墻耐火材料的溫度,這樣就可以適當減小爐墻的厚度以簡化鍋爐結構。此外,爐內溫度的降低還能有效防止結焦。隨著垃圾熱值和余熱鍋爐工質參數的不斷提高,水冷壁已成為大型城市生活垃圾焚燒鍋爐不可缺少的主要受熱面。圖3(a)是水冷壁及集箱實物,圖3(b)是現場安裝水冷壁及上集箱。

圖3 垃圾焚燒余熱鍋爐水冷壁

2.3.2 對流管束

在鍋爐內除水冷壁外,還需布置大量對流蒸發受熱面,即鍋爐管束。大型生活垃圾焚燒爐配套的余熱鍋爐系統中,鍋爐管束一般包括汽包、水包或下集箱和蒸發管群,主要作用是產生飽和蒸汽。

汽包是產生飽和蒸汽、實現汽水分離的場所。現代鍋爐的汽包都用吊箍懸吊在爐頂大梁上,利于自由膨脹,垃圾焚燒余熱鍋爐多采用不受煙氣直接沖刷的外置單汽包。圖4(a)為汽包成品,圖4(b)為汽包現場安裝施工。

圖4 垃圾焚燒余熱鍋爐汽包

汽包是由鋼板制成的長圓筒形壓力容器,由筒身和兩端的封頭組成。汽包內部主要構造為汽水分離裝置,利用機械方式或離心力去除蒸汽中所含的水分,此外還設置給水、加藥、排污、取樣等裝置；汽包外部需裝設蒸汽引出管和閥門、水位計、壓力計、溫度計及安裝裝置等。

蒸發管群包括上升管和下降管,其上端連接汽包,下端連接水包或下集箱,維持爐水循環。考慮到飛灰在蒸發管群上積聚造成的影響,必須在蒸發管群中設置清灰裝置以減少飛灰的積聚。

2.3.3 過熱器

蒸汽進入汽輪發電機組發電。鍋爐設置過熱器能提高蒸汽焓值,從而增加汽輪發電機組的效率。在電廠鍋爐中,過熱器一般布置在高溫輻射區,吸收高溫煙氣的熱量。但在城市生活垃圾焚燒鍋爐中,由于煙氣中含有大量的腐蝕性成分,在高溫環境中會對管材造成嚴重的腐蝕,因此,一般將過熱器設置在對流區中。

圖5(a)為過熱器管成品,圖5(b)為現場安裝蛇形管式過熱器及其集箱。

圖5 垃圾焚燒余熱鍋爐過熱器

2.3.4 省煤器

省煤器是汽水系統中的承壓部件,其設置目的是利用鍋爐尾部煙氣的熱量加熱鍋爐給水,一般安裝在鍋爐煙氣通道的末端,利用煙氣余熱加熱鍋爐給水以增加回收余熱,提高鍋爐熱效率,同時加熱鍋爐給水還可降低給水與汽包飽和水之間的溫度差,降低對汽包產生的熱應力。由于垃圾熱值不穩定,為保證進入對流受熱面時有足夠高的、穩定的煙氣溫度,要允許部分工質在省煤器內氣化的可能,因此目前大型城市生活垃圾焚燒鍋爐基本采用鋼管式省煤器,也稱沸騰式省煤器。圖6(a)是蛇形管式省煤器成品,圖6(b)是直管式省煤器。

圖6 生活垃圾焚燒余熱鍋爐省煤器

2.4 高參數余熱鍋爐研發及應用情況

在國內已運行的垃圾焚燒發電廠中,垃圾焚燒鍋爐的蒸汽參數主要選用中參數。國內第一個采用高參數的廣州李坑垃圾焚燒發電一廠(6.5 MPa、450℃)2005年10月點火試運行,至今已運行十余年。近年來,國內垃圾焚燒領域的投建方在投建項目中開始逐步采用高參數,設備廠家的高參數設備供貨業績也逐步增加,且已有多個項目在正常穩定運行。

張曉斌等[20]統計了2015—2017年國內主要垃圾焚燒發電項目投建方的高參數項目業績。截至2017年12月,國內已投運和在建的高參數垃圾焚燒發電項目約有30個,參數等級集中在6.4 MPa、450℃/485℃和5.3 MPa、485℃,各參數系列占比如圖7所示。

圖7 國內已投運及在建高參數垃圾焚燒發電項目參數統計（截至2018年）

余熱鍋爐設備廠家的高參數垃圾焚燒余熱鍋爐的供貨業績也日益增加。圖8為2013～2017年某余熱鍋爐設備廠家高參數產品供貨情況。由圖中可知,2013—2017年的垃圾焚燒余熱鍋爐供貨業績中,高參數余熱鍋爐占比逐步上升為30%左右。

圖8 某余熱鍋爐設備廠家高參數產品供貨情況

近幾年隨著行業發展,國內投資企業及余熱鍋爐廠家普遍投入高參數生活垃圾焚燒發電系統及余熱鍋爐裝備研發,已逐漸形成多規模系列化產品。表3為國內垃圾焚燒龍頭企業高參數發電系統性能,表4為某余熱鍋爐制造企業垃圾焚燒余熱鍋爐研發進度。

表3 龍頭企業高參數垃圾焚燒余熱發電系統性能

表4 某余熱鍋爐制造企業垃圾焚燒余熱鍋爐研發進度

2.5 高溫腐蝕及其解決方案

垃圾焚燒鍋爐的腐蝕主要有爐排的腐蝕、受熱面的高溫腐蝕及低溫腐蝕。據報道,有垃圾焚燒爐的過熱器投運100天即遭到嚴重腐蝕,也有垃圾焚燒廠運行5 000 h后發現水冷壁管子腐蝕[21]。在余熱鍋爐所有受熱面中,承受最高溫度的末端過熱器的管子發生煙氣腐蝕的危險最大。受熱面的腐蝕速率與溫度的關系如圖9所示。

圖9 受熱面的腐蝕速率與溫度的關系

針對余熱鍋爐蒸汽參數提高后的高溫腐蝕問題,可采取以下應對措施:

(1)增強密封:減少內外管穿墻,減小開孔,合理設計鍋爐整體密封,減少爐膛無組織風漏入,有助于降低爐內過量空氣系數,并更利于燃燒的組織及爐內空氣動力場的優化,使爐膛內的溫度場分布更合理,從而有效降低高溫腐蝕的發生風險。

(2)合理清灰:考慮受熱面積灰為造成高溫腐蝕的主要影響因素,如爐內二三煙道受熱面積灰造成的傳熱惡化,將導致水平煙道入口處煙溫過高,從而造成過熱器處的煙溫高于設計值,導致過熱器的高溫腐蝕；在爐內1、2、3煙道的適當位置設置彈簧振打清灰裝置,并預留噴淋清灰接口,必要時增設噴淋清灰系統；在過熱器上同時設置彈簧振打清灰和蒸汽吹灰裝置,以達到理想的清灰效果,由此降低因積灰導致高溫腐蝕的風險；

(3)防腐堆焊:相關分析研究表明,垃圾焚燒余熱爐的高溫腐蝕,主要是由垃圾成分中的Cl引起的高溫氯化腐蝕,在高溫煙氣區域采用INCONEL625鎳基堆焊可有效抑制或緩解高溫氯化腐蝕。

2.6 垃圾焚燒余熱鍋爐技術進展

2.6.1 鍋爐部件設計采用新工藝

(1)提高過熱蒸汽參數的屏式過熱器:文獻[22]提出一種用于高溫高壓(9.8 MPa、540℃)垃圾焚燒爐的屏式過熱器,主體由受熱管屏和特殊高導熱可塑料構成。屏式過熱器位于垃圾焚燒爐第2煙道上部,工作時,來自鍋筒的飽和蒸汽依次經過低溫過熱器、中溫過熱器、高溫過熱器,然后通過連接管進入屏式過熱器。每兩級過熱器之間設置1個噴水減溫器,可靈活調整進入下級過熱器的蒸汽溫度及保證主蒸汽出口溫度在要求范圍內,減溫水來自鍋爐給水母管。煙氣熱量主要以輻射方式傳遞到屏式過熱器,然后依次通過特殊高導熱可塑料及管子加熱管內蒸汽至540℃。

(2)增加循環水量及循環力的角管式鍋爐:常規的自然循環鍋爐汽水混合物通過汽包循環,角管式鍋爐則在上部集合管內進行汽水分離,所以也從再循環管循環,本設計可以在減輕汽包內汽水分離負擔的同時,增加余熱鍋爐的循環水量及循環力；圖10為角管式鍋爐和常規水管鍋爐水循環的比較。

圖10 角管式鍋爐和一般水管鍋爐水循環的比較

2.6.2 利用數字化設計手段提高設計及施工效率

據報道[23],國內某設計研究院利用數字孿生模型,改擴建垃圾焚燒技改項目,設計周期從兩個月縮短到45天,為設計院節省了31%的人力成本,施工現場圖紙會審問題減少90%,大大提高了準確性。三維數字化設計正逐漸成為垃圾焚燒電系統及余熱鍋爐的重要設計手段。圖11為國內某高參數垃圾焚燒項目余熱鍋爐三維設計圖。

圖11 垃圾焚燒余熱鍋爐三維設計圖

2.6.3 中國恩菲生活垃圾焚燒鍋爐研發應用簡介

中國恩菲是國內頂尖的有色行業余熱鍋爐設計單位,對多種爐型、多種金屬冶煉過程產生的各類復雜煙氣成分均有工程設計成功案例。中國恩菲還是我國最早進入垃圾焚燒發電行業的咨詢設計、技術研究及工程實施的單位之一,現已成為國內唯一一家集垃圾焚燒發電項目投資、咨詢設計、設備成套工程承包、建設和運營于一體的具備綜合甲級資質的能源環境領域服務商。國內生活垃圾焚燒發電廠環保排放標準日趨嚴格、提高噸垃圾發電量的必要性顯著增強,都對垃圾焚燒發電系統及余熱鍋爐提出更高的設計要求。因此,中國恩菲探索將有色行業余熱鍋爐工程設計積累的豐富經驗及技術專利,應用在垃圾焚燒行業[24-25]。

中國恩菲自主研發的垃圾焚燒余熱鍋爐具有處理能力大、熱效率高、參數得到提升等優點。目前已實現4.0 MPa、450℃參數鍋爐的安全運行；處理能力提高20%以上；蒸汽發電效率提高2%～4%。

3 結語

本文從宏觀政策、市場預期、重點技術及裝備發展三方面梳理了生活垃圾焚燒發電行業發展趨勢,對影響垃圾焚燒發電企業經濟效益的高參數余熱發電技術及余熱鍋爐裝備的研究情況進行了綜述,得到如下結論:

(1)中國積極推進垃圾分類與焚燒相結合的主基調會持續幾十年,不會有大調整,垃圾焚燒發電將成為未來主要的垃圾無害化處理方式,同時最新公布的國家補貼退坡、垃圾分類等政策,將對垃圾焚燒發電行業產生重要而深遠的影響。

(2)新政策將倒逼市場在技術和管理等方面做出優化改革,通過技術進步、完善垃圾處理收費政策、提高企業運維水平等方式,提升垃圾發電企業盈利能力。

(3)提升垃圾焚燒發電企業盈利能力的重要方向之一是通過技術進步,提高垃圾噸發電量及噸上網電量。中溫次高壓、中溫超高壓、蒸汽再熱等技術及相應的余熱鍋爐已經逐漸在垃圾焚燒工程中得到應用,提高發電蒸汽參數是重要的發展方向,同時,采用數字孿生等數字化手段提高系統及裝備的設計及施工水平也是未來的行業發展趨勢。