生活垃圾焚燒發(fā)電項目再熱技術(shù)以及熱力系統(tǒng)的設(shè)計研究

夏積恩

(中國聯(lián)合工程有限公司，杭州 310052)

0 引 言

我國的生活垃圾清運(yùn)量將會持續(xù)擴(kuò)大在2023年預(yù)計將達(dá)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(fā)電技術(shù)由于無害化效果好、減量化程度高、資源化效率高等優(yōu)點(diǎn)，成為垃圾無害化處理技術(shù)的首選。我國目前已建成投運(yùn)的生活垃圾焚燒發(fā)電廠主要以機(jī)械式爐排技術(shù)為主，現(xiàn)有的發(fā)電蒸汽參數(shù)大多采用中溫中壓或中溫次高壓參數(shù)。現(xiàn)階段對于生活垃圾焚燒發(fā)電機(jī)組除了完成垃圾處理外， 其經(jīng)濟(jì)性的提升也越來越受到關(guān)注。提高蒸汽參數(shù)，特別是采用再熱方案可有效提高生活垃圾焚燒發(fā)電廠的發(fā)電效率。國內(nèi)各廠家紛紛開始研究設(shè)計制造機(jī)組效率更高的再熱機(jī)組，目前國內(nèi)外垃圾發(fā)電廠全廠熱效率從最開始的中溫中壓機(jī)組的23%提高到現(xiàn)在的中溫超高壓再熱機(jī)組的31%，經(jīng)濟(jì)效率明顯大幅提高。

1 國內(nèi)外再熱機(jī)組應(yīng)用現(xiàn)狀

國內(nèi)生活垃圾發(fā)電廠主蒸汽參數(shù)從最開始的中溫中壓(4.0 MPa，400 ℃)發(fā)展到中溫次高壓(6.4 MPa，450 ℃)等。為了進(jìn)一步提高經(jīng)濟(jì)效益，光大江陰項目在國內(nèi)首次采用(6.4 MPa，450 ℃)爐內(nèi)再熱技術(shù)。在此基礎(chǔ)上，光大蘇州項目采用國內(nèi)首臺中溫超高壓(13 MPa，430 ℃)爐內(nèi)再熱機(jī)組，并于2019年6月投產(chǎn)。廣環(huán)投從化項目采用次高溫超高壓(13 MPa，485 ℃)爐內(nèi)再熱機(jī)組，該項目正在施工建設(shè)過程中。康恒三河項目(13.5 MPa，450 ℃)，采用汽輪機(jī)高壓缸抽汽加熱高壓缸排汽的再熱技術(shù)，該項目正在調(diào)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(shù)。

目前國內(nèi)已經(jīng)投運(yùn)產(chǎn)的項目有：(1)光大江陰項目，(2)光大蘇州四期項目；國外已經(jīng)投運(yùn)產(chǎn)的項目有：(3)阿姆斯特丹AEB項目。

行業(yè)內(nèi)準(zhǔn)備采用中溫超高壓再熱技術(shù)的有：(1)廣環(huán)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(jī)組有三種技術(shù)方案：①目前在運(yùn)行的AEB項目，用汽包抽汽加熱汽輪機(jī)高壓缸排汽，換熱器布置在汽機(jī)側(cè)，通過高壓再熱疏水泵送至汽包內(nèi)繼續(xù)進(jìn)行換熱，工藝系統(tǒng)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(jī)高壓缸抽汽加熱高壓缸排汽，換熱器布置在汽機(jī)側(cè)，加熱蒸汽的疏水送至除氧器，工藝系統(tǒng)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(jī)高壓缸排汽，換熱器布置在汽包上部，實(shí)現(xiàn)自循環(huán)。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(nèi)繼續(xù)進(jìn)行換熱，系統(tǒng)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(nèi)很難找到合適疏水泵生產(chǎn)廠家，同時高溫疏水泵故障率高、密封不嚴(yán)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(shí)現(xiàn)疏水的自循環(huán)，同時再熱器出口溫度可通過汽包抽汽來調(diào)節(jié)，運(yùn)行穩(wěn)定，可實(shí)現(xiàn)程度高。

2 余熱鍋爐蒸汽參數(shù)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(chǎn)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(shù)對全廠發(fā)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(shù)(6.4 MPa，450 ℃)，相比10年前采用的中溫中壓參數(shù)(4.0 MPa，400 ℃)，以750 t/d、2 000 kcal/kg為例，28年營運(yùn)期增加發(fā)電收益約9 235萬元，且隨著堆焊技術(shù)的普遍使用，中溫次高壓參數(shù)運(yùn)行穩(wěn)定成熟。

2020年開始，電價補(bǔ)貼政策有了新的調(diào)整，企業(yè)的電價補(bǔ)貼盈利變得更為困難。另外隨著技術(shù)更新迭代，多個投資商先后在中溫超高壓參數(shù)(13.0 MPa，450 ℃)試水。光大蘇州四期的實(shí)際運(yùn)行表明，采用該參數(shù)后，可使發(fā)電量大幅提高，企業(yè)效益顯著增加。但高參數(shù)伴隨而來的是高溫腐蝕問題，非計劃停爐帶來企業(yè)運(yùn)行的不穩(wěn)定。采用高參數(shù)，以高收益為目標(biāo)，解決過程中帶來的技術(shù)問題，成為了生活垃圾焚燒行業(yè)的新課題。結(jié)合多年的設(shè)計經(jīng)驗及對當(dāng)下數(shù)個中溫超高壓參數(shù)項目在投資造價、維修費(fèi)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(shù)下的參數(shù)對照，見表1。

表1 過熱蒸汽參數(shù)比較表

續(xù)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(shù)壽命周期內(nèi)的總盈利情況最好。首推方案為類似方案4的參數(shù)配置。

3 回?zé)嵯到y(tǒng)帶高加

目前超高壓再熱技術(shù)的汽輪機(jī)回?zé)嵯到y(tǒng)按照是否帶高加設(shè)計區(qū)分為兩種類型。回?zé)嵯到y(tǒng)帶高加和不帶高加設(shè)計主要區(qū)別在于影響給水的溫度、鍋爐的蒸發(fā)量、機(jī)組的發(fā)電出力和機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性。以下舉例定量分析說明帶不帶高加對機(jī)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(jī)主蒸汽參數(shù)12.6 MPa，425 ℃，高溫再熱參數(shù)為2.527 MPa，405 ℃。帶高加和不帶高加兩種方案的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)見表2。

表2 技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)表

從技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)表可以看出，帶高加運(yùn)行對整個機(jī)組系統(tǒng)的熱經(jīng)濟(jì)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(fā)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(wǎng)電量增加了562萬kWh，按照0.5元/kWh的上網(wǎng)電價，全年增收約281萬元。但是帶高壓系統(tǒng)方案會帶來設(shè)備的投資增加，主要影響是汽輪機(jī)的抽汽口增加、高加設(shè)備以及附屬設(shè)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(fā)量的增加影響受熱面積。通過全年增收可以回收設(shè)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(shù)建議采用帶高加設(shè)計的方案，機(jī)組經(jīng)濟(jì)性提升明顯，投資回報期短。

4 除氧器的滑壓與定壓運(yùn)行

除氧器定壓運(yùn)行是指，在所有運(yùn)行工況下，除氧器加熱蒸汽壓力均保持不變的運(yùn)行方式。對于凝汽式電廠，除氧器的主要加熱蒸汽是汽輪機(jī)的非調(diào)節(jié)抽汽，為了保持所有運(yùn)行工況下除氧器的定壓運(yùn)行，供給除氧器的抽汽壓力應(yīng)高于除氧器的額定工作壓力，并用壓力調(diào)節(jié)閥進(jìn)行節(jié)流調(diào)節(jié)。當(dāng)汽輪機(jī)負(fù)荷低到該級抽汽壓力不能滿足除氧器定壓運(yùn)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(yùn)行方式，由于存在壓力調(diào)節(jié)閥的節(jié)流損失和低負(fù)荷時停用一級回?zé)岢槠詿o論機(jī)組在高、低負(fù)荷下運(yùn)行都是不經(jīng)濟(jì)的。

除氧器加熱蒸汽壓力隨機(jī)組負(fù)荷和抽汽壓力變化而變化的運(yùn)行方式，稱為除氧器滑壓運(yùn)行。即啟動時，除氧器保持最低恒定壓力，負(fù)荷增加到額定值時，除氧器達(dá)到最高工作壓力；機(jī)組負(fù)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(yùn)行時沒有壓力調(diào)節(jié)閥的節(jié)流損失，尤其在汽輪機(jī)負(fù)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(yùn)行比定壓運(yùn)行時的熱經(jīng)濟(jì)性更高。

建議超高壓再熱的汽輪機(jī)采用除氧器滑壓運(yùn)行方式，國內(nèi)的光大蘇州四期、博羅三期項目均采用該運(yùn)行方式。該方式無壓力調(diào)節(jié)閥的節(jié)流損失，提高了給水的溫度，有利于提高機(jī)組的熱經(jīng)濟(jì)性。