垃圾焚燒發電廠廢熱利用及經濟性研究

翁斌杰，安 非

（上海康恒環境股份有限公司，上海 202103）

1 項目概況

本文以山西省某市垃圾焚燒發電廠為例，分析供熱系統節能降耗措施及經濟性規模。

該電廠設計日焚燒處理生活垃圾3 000 t/d，年處理能力109.5 萬t/a。設4 條日處理能力為750 t/d的焚燒煙氣凈化線及2 臺40 MW 抽汽式汽輪發電機組。

4 臺蒸汽鍋爐與兩臺汽輪機的額定參數見表1，汽輪機采用空冷機組。

表1 蒸汽鍋爐與汽輪機額定參數

2 廠區廢熱統計

該電廠在正常運行時，很多低品位的熱量無法利用，導致熱量的浪費，包括除氧器排汽、定連排排汽、汽輪機乏汽、煙氣四種。現對這些廢熱的參數進行統計。

2.1 除氧器排汽

除氧器是利用汽輪機的抽氣加熱給水至飽和溫度，除去鍋爐給水中的氧氣和其它不凝結氣體，不凝結的氣體通過除氧器排氧門排出，以保證給水的品質。除氧器為旋膜熱力除氧器，去氧效果通過除氧器塔頭排汽實現。

除氧器的排汽量在1%以內，文獻[1]中介紹臥式除氧器的排汽量為0.3%，本文按照0.3%計算除氧器排汽量。

每月平均給水量變化較大，研究給水量與垃圾量的關系，通過垃圾量來預估給水量，進而估計除氧器排汽量。

圖1 為2021 年5—7 月之間，每天鍋爐日給水量與垃圾量的散點圖。

圖1 日入爐垃圾量與給水量散點圖

采用線性方程擬合擬合，規定截距為0（垃圾量為0 時，給水量為0），得到公式（1）：

式中：x 為垃圾量，t/d；y 為給水量，t/d。

若取排汽量為0.3%，則除氧器排汽量p（t/d）可近似采用公式（2）計算：

從2020 年7 月到2021 年7 月，該電廠日均垃圾入爐量為2 156.4 t/d，根據公式（2）預測，除氧器排汽量為12.55 t/d，即0.52 t/h。

2.2 定連排

為保證鍋爐水質，需進行連續排污與定期排污，連續排污屬于表面排污，排出水表面鹽濃度較大的爐水，使爐水含鹽量維持在允許范圍內；定期排污主要是排出加藥后使水中的硬度鹽生成的沉渣，根據水質化驗情況進行。鍋爐的排污水量占鍋爐蒸發量的百分率，稱為鍋爐排污率，在保證蒸汽品質合格的前提下，應盡量減少鍋爐排污率。對于中壓和高壓鍋爐，排污量不能大于1%，同時，為了避免鍋爐內出現水渣積聚現象，那么對于排污率，不能小于0.3%。取該電廠鍋爐排污率為1%。

鍋爐蒸發量與入爐垃圾量有關，繪制2020 年7月到2021 年7 月間二者的散點圖見圖2。

圖2 鍋爐蒸發量與垃圾量散點圖

同樣設置截距為零，繪制線性趨勢線，得到鍋爐蒸發量的公式（3）：

排污率取1%，可得到排污量的公式（4）：

由公式（4）計算得到排污量為41.59 t/d，既1.73 t/h，溫度為245 ℃，壓力為6.5 MPa 左右。

2.3 乏汽

蒸汽進入汽輪機做功之后，大量的乏汽進入排汽裝置汽液分離，蒸汽進入空冷機組中，冷凝后回到排汽裝置。由空冷機組帶走大量的熱量，既浪費了大量的熱量，又消耗了驅動空冷機組運行的電能，此過程是汽輪機循環中浪費熱量最大的部分。

汽輪機進氣量減去抽汽量為乏汽的量，汽輪機日均進汽量與垃圾量散點圖見圖3。

圖3 汽輪機進汽量與入爐垃圾量散點圖

由上散點圖并繪制線性趨勢線，設置截距為0，得到方程（5）：

根據本文第二章所得結論，對外供熱量采用額定值15 t/h，即360 t/d 計算，得到乏汽量的方程（6）：

爐垃圾量為2 156.4 t/d，計算乏汽量為3 762.2 t/d，即156.8 t/h，溫度為55 ℃，壓力為0.015 MPa。

2.4 煙氣

乏汽是汽輪機發電熱量損耗最大的，而煙氣是垃圾焚燒鍋爐熱量損失最大的部分，該電廠煙氣溫度在140 ℃左右，帶走大量的熱量到大氣中。

日均煙氣排放量在600～900 萬m3左右，受到入爐垃圾量的直接影響。

日均垃圾量與日均入爐垃圾量散點圖見圖4。

圖4 煙氣排放量與垃圾量散點圖

規定截距為0，繪制去趨勢線，得到公式（7）：

同樣按照日均入爐垃圾量為2 156.4 t/d 計算，日均煙氣量為673.88 萬m3/d，溫度為140 ℃左右。

2.5 小結

本節統計了廠區內的廢熱情況，詳見表2。

表2 廢熱統計表

根據表2 可知，各類廢熱溫度、壓力、介質都不相同；除氧器排汽與定連排中廢熱遠小于乏汽和煙氣中攜帶的廢熱。

3 廢熱利用

3.1 除氧器與定連排

3.1.1 除氧器排汽

除氧器排汽溫度為130 ℃，壓力為0.277 MPa，對應的蒸汽焓值為2 721 kJ/kg，直接排向大氣浪費了蒸汽中的熱能。此外，除氧器排汽的凝結水品質較高，將現有除氧器排汽中所攜帶的熱能和工質進行合理回收利用，這不僅符合國家現行相關政策，而且可以提高電廠運行經濟性，減少水資源消耗，降低運行成本。

按照入爐垃圾量2 156.4 t/d 計算，除氧器排汽量12.55 t/d，總熱量達到34.1 GJ/d，全年熱量12 446.5 GJ/a，可回收的凝結水量為4 580.7 t。可采用汽輪機凝結水作為除氧器排汽的低溫水源，凝結除氧器排汽，凝結后進入疏水箱中回用，即提高了汽輪機乏汽凝結水進入除氧器的溫度，減少了抽汽量，也回收了除鹽水，降低除鹽水的消耗量。

3.1.2 定連排

連排的水為高溫高壓的爐水，溫度為245 ℃，壓力為6.5 MPa。連排水先進入連排擴容器進行降壓，壓力從6.5 MPa 下降到0.277 MPa，產生130 ℃的蒸汽與水混合物，蒸汽進入除氧器中回收，水進入定排擴容器中，進一步降壓蒸發，蒸汽直接排入大氣，水通過管道排出。

連排擴容器的工作壓力為0.277 MPa，定排擴容器的工作壓力為0.15 MPa。采用熱力學熱量平衡原理[2]，計算連排水進入連排擴容器后，汽水分離關系如下所述。

式中：Y 為爐水焓值，1 061 kJ/kg；x 為蒸汽所占比例；h1為0.277 MPa 蒸汽焓值，2 721.35 kJ/kg；h2為水焓值，546.4 kJ/kg。

求解得x=0.236，可見23.6%的連排水汽化進入除氧器中回收利用，76.4%的連排水排入定排擴容器。進入定排擴容器后，進一步降壓，用同樣的方法計算蒸汽量，得到蒸汽量為3.5%，直接排入大氣中。

3.2 汽輪機乏汽與煙氣

大部分的廢熱在汽輪機乏汽與煙氣中，若能采用汽輪機乏汽與煙氣作為熱源，在供暖季向外供暖，回收廢熱，能夠減少空冷島的耗能的同時，提高熱能利用率，帶來巨大的經濟效益。

3.2.1 供熱能力估算

根據現在該電廠的運行現狀，對乏汽與煙氣的供熱能力進行分析。

1）乏汽。該電廠乏汽的壓力為0.015 MPa，對應的飽和蒸汽溫度為55℃，經過換熱后，變為55 ℃的飽和水。0.015 MPa 時，飽和水的焓值為225.95 kJ/kg，飽和蒸汽的焓值為2 598.21 kJ/kg，汽化潛熱為2 372.3 kJ/kg。根據垃圾量計算乏汽量，得到乏汽熱量與垃圾量的關系式，即公式（9）。

計算得到熱量Q1為8 914.5 GJ/d，即371.4 GJ/h。

2）煙氣。煙氣熱量包括煙氣溫度下降的顯熱，和水蒸氣凝結的潛熱。

煙氣的主要成分包括O2，CO2，N2，H2O，各組份的含量按下表3 計算。

表3 煙氣成分及比例

各成分在不同溫度時所對應的焓值不相等，具體見表4。

表4 煙氣成分焓值 kJ/Nm3

可見，在140 ℃到70 ℃，放熱量下降緩慢，從60 ℃開始，煙氣中的水蒸汽開始凝結放出汽化潛熱，放熱量開始快速增加。到30 ℃時，總放熱量為536.68 kJ/m3。由此可得煙氣總熱量Q2與垃圾量的關系式：

按照日均入爐垃圾量為2 156.4 t/d 計算，日均煙氣量為673.875 萬m3/d，熱量為3 616.3 GJ/d，即150.7 GJ/h。

3.2.2 總熱量

由前文計算，可得總熱量Q 與入爐垃圾量的關系式：

按照日均入爐垃圾量2 156.4 t/d 計算，日均供熱量為12 530.77 GJ。若供暖天數為151 d，則供暖季的總供熱量為189.2×104GJ。

4 收益分析

前文通過該電廠的運行現狀分析，得到乏汽熱量、煙氣熱量等與入爐垃圾量的關系式，本章對該電廠供熱系統改造進行經濟性分析。

4.1 熱量

根據公式（11）的計算，乏汽的供熱能力為8 914.5 GJ/d，考慮換熱器的效率達不到100%，參考管殼式換熱器，效率取95%（需通過實驗驗證），則日供熱量為8 468.78 GJ。煙氣的供熱能力為3 613.3 GJ/d，由于煙氣換熱過程復雜，換熱效率需通過實驗確定，假設換熱效率為70%，則日供熱量為2 529.3 GJ。總日均供熱量為10 998 GJ/d，全年供熱量166.1 萬GJ。

4.2 熱價

該地區供熱價格參考如表5 所示。

表5 該地區城市供熱價格表

按照40 W/m2采暖熱負荷進行換算，居民熱價為4.8 元/（m2·月），換算為43.4 元/GJ，非居民熱價7.5 元/（m2·月），換算為87.8 元/GJ。

4.3 總收益

通過下式計算收益：

式中：W 為年收益，萬元；Q 為總熱量，166.1 萬GJ；a為居民用戶面積比例。

若a 為1，則收益為5 767 萬元；若a 為0.5，則收益為8 715 萬元。

在供熱天數151 d，入爐垃圾量2 156.4 t/d，抽汽量15 t/h，乏汽換熱效率95%，煙氣換熱效率70%的前提下計算出的全年收益在5 767 萬元到8 715 萬元之間。

5 結論

本文根據對該電廠運行現狀，對供熱系統進行分析得到以下結論：

1）該電廠廠區廢熱包括除氧器排汽、定連排排汽、乏汽、煙氣，主要為乏汽和煙氣。

2）乏汽與煙氣供熱量與入爐垃圾量有直接關系，若按該電廠日均入爐垃圾量2 156.4 t/d 計算，年供熱量為166.1×104GJ。

3）供熱全年收益在5 767 萬元到8 715 萬元之間，取決于居民用戶面積占供熱面積的比例。