生活垃圾焚燒發電項目再熱技術以及熱力系統的設計研究

夏積恩

(中國聯合工程有限公司，杭州 310052)

0 引 言

我國的生活垃圾清運量將會持續擴大在2023年預計將達到4億t。對于垃圾處理的無害化減量化需求日益增長，生活垃圾焚燒發電技術由于無害化效果好、減量化程度高、資源化效率高等優點，成為垃圾無害化處理技術的首選。我國目前已建成投運的生活垃圾焚燒發電廠主要以機械式爐排技術為主，現有的發電蒸汽參數大多采用中溫中壓或中溫次高壓參數。現階段對于生活垃圾焚燒發電機組除了完成垃圾處理外， 其經濟性的提升也越來越受到關注。提高蒸汽參數，特別是采用再熱方案可有效提高生活垃圾焚燒發電廠的發電效率。國內各廠家紛紛開始研究設計制造機組效率更高的再熱機組，目前國內外垃圾發電廠全廠熱效率從最開始的中溫中壓機組的23%提高到現在的中溫超高壓再熱機組的31%，經濟效率明顯大幅提高。

1 國內外再熱機組應用現狀

國內生活垃圾發電廠主蒸汽參數從最開始的中溫中壓(4.0 MPa，400 ℃)發展到中溫次高壓(6.4 MPa，450 ℃)等。為了進一步提高經濟效益，光大江陰項目在國內首次采用(6.4 MPa，450 ℃)爐內再熱技術。在此基礎上，光大蘇州項目采用國內首臺中溫超高壓(13 MPa，430 ℃)爐內再熱機組，并于2019年6月投產。廣環投從化項目采用次高溫超高壓(13 MPa，485 ℃)爐內再熱機組，該項目正在施工建設過程中。康恒三河項目(13.5 MPa，450 ℃)，采用汽輪機高壓缸抽汽加熱高壓缸排汽的再熱技術，該項目正在調試過程中。國外有阿姆斯特丹AEB項目(13 MPa，440 ℃)采用利用汽包抽汽加熱高壓缸排汽的爐外再熱技術。

目前國內已經投運產的項目有：(1)光大江陰項目，(2)光大蘇州四期項目；國外已經投運產的項目有：(3)阿姆斯特丹AEB項目。

行業內準備采用中溫超高壓再熱技術的有：(1)廣環投的從化項目；(2)光大博羅三期工程；(3)康恒三河項目。

爐外再熱機組有三種技術方案：①目前在運行的AEB項目，用汽包抽汽加熱汽輪機高壓缸排汽，換熱器布置在汽機側，通過高壓再熱疏水泵送至汽包內繼續進行換熱，工藝系統流程如圖1所示。

圖1 爐外再熱方案一示意圖

②康恒三河項目，汽輪機高壓缸抽汽加熱高壓缸排汽，換熱器布置在汽機側，加熱蒸汽的疏水送至除氧器，工藝系統流程如圖2所示。

圖2 爐外再熱方案二示意圖

③用汽包抽汽加熱汽輪機高壓缸排汽，換熱器布置在汽包上部，實現自循環。將再熱器放置于鍋爐爐頂大板梁上，汽包抽汽與再熱蒸汽換熱后，疏水通過自流送至汽包內繼續進行換熱，系統如圖3所示。

圖3 爐外再熱方案三示意圖

以上三種方案中，方案一需配置高溫高壓的疏水泵，國內很難找到合適疏水泵生產廠家，同時高溫疏水泵故障率高、密封不嚴容易泄露。方案二，高壓缸抽汽對再熱蒸汽的加熱蒸汽能力有限。方案三，將再熱器放置于汽包上部，可實現疏水的自循環，同時再熱器出口溫度可通過汽包抽汽來調節，運行穩定，可實現程度高。

2 余熱鍋爐蒸汽參數的比較

在生活垃圾焚燒熱能回收過程中，由于垃圾所含鹽分、塑料成分較高，燃燒氣體產物中含有大量的氯化氫等腐蝕性氣體和灰分，因此選擇合適的過熱蒸汽參數對全廠發電效率和過熱器壽命都有著重要的意義。

目前，生活垃圾焚燒余熱鍋爐出口過熱蒸汽普遍采用中溫次高壓參數(6.4 MPa，450 ℃)，相比10年前采用的中溫中壓參數(4.0 MPa，400 ℃)，以750 t/d、2 000 kcal/kg為例，28年營運期增加發電收益約9 235萬元，且隨著堆焊技術的普遍使用，中溫次高壓參數運行穩定成熟。

2020年開始，電價補貼政策有了新的調整，企業的電價補貼盈利變得更為困難。另外隨著技術更新迭代，多個投資商先后在中溫超高壓參數(13.0 MPa，450 ℃)試水。光大蘇州四期的實際運行表明，采用該參數后，可使發電量大幅提高，企業效益顯著增加。但高參數伴隨而來的是高溫腐蝕問題，非計劃停爐帶來企業運行的不穩定。采用高參數，以高收益為目標，解決過程中帶來的技術問題，成為了生活垃圾焚燒行業的新課題。結合多年的設計經驗及對當下數個中溫超高壓參數項目在投資造價、維修費用、盈利能等方面的深入了解。以750 t/d垃圾處理量、入爐垃圾熱值2 000 kcal/kg的焚燒爐為例，比較幾個不同高參數下的參數對照，見表1。

表1 過熱蒸汽參數比較表

續表

從上表可以看出，13.0 MPa、450 ℃主蒸汽+2.54 MPa，420 ℃再熱蒸汽參數壽命周期內的總盈利情況最好。首推方案為類似方案4的參數配置。

3 回熱系統帶高加

目前超高壓再熱技術的汽輪機回熱系統按照是否帶高加設計區分為兩種類型。回熱系統帶高加和不帶高加設計主要區別在于影響給水的溫度、鍋爐的蒸發量、機組的發電出力和機組的經濟性。以下舉例定量分析說明帶不帶高加對機組的影響。

以某一個生活垃圾焚燒處理廠為例計算，日處理垃圾量為1 000 t/d，垃圾單位熱值為2 000 Kcal/kg(8 372 kJ/kg)，余熱鍋爐效率暫定83%。汽輪機主蒸汽參數12.6 MPa，425 ℃，高溫再熱參數為2.527 MPa，405 ℃。帶高加和不帶高加兩種方案的技術經濟指標見表2。

表2 技術經濟指標表

從技術經濟指標表可以看出，帶高加運行對整個機組系統的熱經濟性有提升，全廠熱效率大約能夠提升1%，因此處理同樣的垃圾量的前提下，鍋爐的主蒸發量大約提高了15%(從101.5 t/h增加到117 t/h)，通過初步計算，全年的上網電量增加了562萬kWh，按照0.5元/kWh的上網電價，全年增收約281萬元。但是帶高壓系統方案會帶來設備的投資增加，主要影響是汽輪機的抽汽口增加、高加設備以及附屬設施的增加、給水溫度增加對余熱鍋爐的影響、鍋爐給水量和蒸發量的增加影響受熱面積。通過全年增收可以回收設備投資的增加，估計約2年左右能夠回收投資成本，效益還是可觀的。因此，目前超高壓再熱技術建議采用帶高加設計的方案，機組經濟性提升明顯，投資回報期短。

4 除氧器的滑壓與定壓運行

除氧器定壓運行是指，在所有運行工況下，除氧器加熱蒸汽壓力均保持不變的運行方式。對于凝汽式電廠，除氧器的主要加熱蒸汽是汽輪機的非調節抽汽，為了保持所有運行工況下除氧器的定壓運行，供給除氧器的抽汽壓力應高于除氧器的額定工作壓力，并用壓力調節閥進行節流調節。當汽輪機負荷低到該級抽汽壓力不能滿足除氧器定壓運行的要求時，需要切換到高一級抽汽，同時停用原級抽汽。 除氧器的定壓運行方式，由于存在壓力調節閥的節流損失和低負荷時停用一級回熱抽汽，所以無論機組在高、低負荷下運行都是不經濟的。

除氧器加熱蒸汽壓力隨機組負荷和抽汽壓力變化而變化的運行方式，稱為除氧器滑壓運行。即啟動時，除氧器保持最低恒定壓力，負荷增加到額定值時，除氧器達到最高工作壓力；機組負荷變化時，除氧器的工作壓力隨抽汽壓力而變。由于除氧器滑壓運行時沒有壓力調節閥的節流損失，尤其在汽輪機負荷降低時不用切換到高一級抽汽和停用本級抽汽，所以除氧器采用滑壓運行比定壓運行時的熱經濟性更高。

建議超高壓再熱的汽輪機采用除氧器滑壓運行方式，國內的光大蘇州四期、博羅三期項目均采用該運行方式。該方式無壓力調節閥的節流損失，提高了給水的溫度，有利于提高機組的熱經濟性。