垃圾焚燒發電廠沼氣入爐摻燒的成本收益優化研究

余端民，胡洪瑞，王乾維

（四川能投節能環保投資有限公司，成都 610000）

生活垃圾在垃圾坑熟化發酵過程中會產生大量的滲濾液[1-2]，其產生量約占生活垃圾總量的20%，滲濾液屬高濃度有機廢水，化學需氧量（COD）可達40 000～60 000 mg/L。目前，垃圾焚燒發電廠常用的滲濾液處理工藝為“內外循環厭氧反應器（IOC）+膜生物反應器（MBR）+管式超濾膜（TUF）+反滲透膜（RO）”，厭氧發酵過程會產生大量沼氣，傳統處理方式通常采用火炬直燃排放，但存在能源浪費、環境污染等問題。垃圾滲濾液沼氣含有硫化氫（H2S）等有害物質，如果不進行適當處理，會對生態環境和人體健康造成危害。直接排放廢氣可能導致垃圾焚燒發電廠周邊居民的投訴，影響企業形象。為了解決這一問題，我國垃圾焚燒發電廠正在大力推廣沼氣入爐摻燒，其原理是滲濾液厭氧發酵產生的沼氣經沼氣燃燒系統燃燒處理，燃燒后的熱煙氣送入生活垃圾焚燒爐，沼氣燃燒的熱量作為額外能量進入生活垃圾焚燒發電系統，燃燒產生的廢氣利用煙氣處理系統處理[3-5]，從而實現能源的有效利用，減少污染排放。沼氣入爐摻燒有多種工藝路線，在生活垃圾焚燒發電“運營為王”的時代，如何選擇低成本、高收益的工藝路線一直困擾著各廠的經營人員。某生活垃圾焚燒發電試點項目沼氣入爐摻燒存在一定正收益，本研究結合具體案例，對比幾種垃圾滲濾液沼氣入爐摻燒的資源化工藝路線，最終得出經濟效益最優的工藝路線，為后續項目推廣提供借鑒。

1 試點項目基本情況

試點項目建設2 臺生活垃圾焚燒爐排爐（單臺設計處理規模300 t/d），配置1 臺15 MW 凝汽式汽輪發電機組，滲濾液的設計處理規模為200 t/d，采用“預處理+內外循環厭氧反應器（IOC）+厭氧好氧（AO）+膜處理”的組合工藝。項目設計參數如表1所示，余熱鍋爐型式為中溫次高壓單汽包立式循環鍋爐。

表1 項目設計參數

2 發電收益核算及運營成本

2.1 發電收益核算

試點項目厭氧沼氣母管安裝流量計，統計連續50 d 產氣量，日均沼氣產量為2 308 Nm3。取樣化驗，明確沼氣成分指標，其中甲烷（CH4）、二氧化碳（CO2）、氮氣（N2）的含量分別為69.17%、20.43%、7.90%，低位發熱量為20.9 MJ/Nm3。沼氣燃燒產生的熱量作為外部熱源送入生活垃圾焚燒發電系統，產生的直接收益是發電量的增加。增量電量常用的計算方法有兩種，即全廠熱效率法和入爐垃圾折算法。

一是全廠熱效率法。試點項目鍋爐效率為83%，汽輪機組絕對電效率為33.5%，考慮管道效率、機械效率，全廠熱效率約為27%，經計算，單位沼氣發電量為1.56 kW·h。二是入爐垃圾折算法。沼氣低位發熱量為20.9 MJ/Nm3，試點項目入爐垃圾低位發熱量變化范圍為4 500～8 792 MJ/t，取均值6 646 MJ/t，每噸入爐垃圾發電量為500 kW·h，單位沼氣發電量為1.57 kW·h。兩種計算方法獲得的單位沼氣發電量相差0.64%，幾乎一致。本研究采用全廠熱效率法，沼氣入爐摻燒系統每年運行300 d，上網電價采用試點項目當地標桿電價0.401 2 元/（kW·h），經計算，全年沼氣入爐收益為43.33 萬元。

2.2 運營成本

沼氣入爐摻燒屬于廠內技改項目，因此不新增人員，不考慮人工成本，只考慮設備運行所耗的電費和備品備件費。增壓風機為沼氣入爐摻燒的必備設備，一般配備兩臺7.5 kW 風機，一用一備，由于厭氧發酵的沼氣產量存在波動，風機運行頻率低，按50%負荷計算，年耗電量為2.7 萬kW·h，電費為1.08 萬元。沼氣入爐摻燒系統整體比較簡單，備品備件需求量少，年備品備件費用為0.3 萬元。因此，總的年經營成本為1.38 萬元。

3 不同沼氣入爐摻燒工藝的經濟效益分析

經設計，沼氣入爐摻燒共有4 種工藝方案。基本設計思路是來自厭氧罐的沼氣經汽水分離后由增壓系統增壓，然后送入沼氣燃燒系統，燃燒產生的熱煙氣送入鍋爐進行資源利用。同時，增加干法脫硫對沼氣進行凈化，沼氣流經脫硫塔，使其與氧化鐵脫硫劑床層接觸，吸收沼氣中的H2S，或者增加沼氣儲柜，把沼氣作為啟停爐輔助燃料。方案一是汽水分離器+沼氣增壓風機+沼氣燃燒器；方案二是汽水分離器+沼氣增壓風機+干法脫硫凈化+沼氣燃燒器；方案三是汽水分離器+儲氣柜+沼氣增壓風機+沼氣燃燒器；方案四是汽水分離器+儲氣柜+沼氣增壓風機+干法脫硫凈化+沼氣燃燒器。

3.1 投資運營成本比較

方案一是沼氣入爐摻燒的基礎工藝路線，其余工藝是在其上進行完善。最大沼氣流量為300 Nm3/h，整套工藝的建設成本為85 萬元。汽水分離器配備1 臺，設計處理規模為300 Nm3/h；沼氣增壓風機配備2 臺，單臺設計處理規模為300 Nm3/h；沼氣燃燒器配備1 臺，設計處理規模為30～300 Nm3/h。另外，其他方案需要增配部分裝置。沼氣脫硫凈化裝置配備2 臺，單臺設計處理規模為300 Nm3/h，增加投資10 萬元，干法脫硫運營成本增加0.03 元/Nm3，無裝機功率。儲氣柜配備1 臺，設計容量為1 000 Nm3，增加投資25 萬元，增加0.75 kW 裝機功率。每年運行300 d，則4 種工藝投資運營成本比較如表2所示。

表2 4 種工藝投資運營成本比較

3.2 經濟效益對比

采用凈現值、內部回報率和投資回收期等指標，評估經濟效益。凈現值是現金流入和現金流出的差額，反映投資項目的絕對收益；內部回報率則是使項目的凈現值為零的折現率，反映投資項目預期的相對收益；投資回收期則是指資本投資回收的時間長度。計算前，要合理選擇基礎數據。計算期取15年，參照項目現有特許經營期。設備折舊采用線性折舊法，殘值率為5%，綜合折舊率為6.67%。增值稅稅率為13%，按照垃圾發電項目政策，100%即征即退；銷售稅金附加包括城市維護建設稅和教育費附加，以增值稅稅額為基礎征收，稅率分別為1%和5%；所得稅稅率為25%。沼氣柜增量投資收益以節約的啟爐天然氣費用計算，項目當地天然氣價格為3 元/Nm3，年平均啟停爐6 次，年增量收益為1.8 萬元。基準收益率為8%。基于以上基礎數據，對4 種沼氣入爐摻燒工藝的經濟效益進行測算，如表3所示。從財務評價的角度來看，4 種工藝的項目投資財務內部收益率均大于基準收益率，稅后財務凈現值均大于0 萬元，4 種工藝在財務上是可行的，其財務評價指標是可以接受的。

表3 4 種工藝經濟效益對比

增設沼氣柜存儲的沼氣作為啟停爐輔助燃料，其增量收益較小，不能彌補成本增加的影響。同時，沼氣柜作為危險源，按照相關規范要求，周邊需要加設安全防護措施，因此不推薦。收益一定時，投資成本是影響項目經濟效益的主要因素，投資成本越大，內部收益率、財務凈現值越小，項目投資回收期越長。方案一財務內部收益率、財務凈現值最大，投資回收期最短，它是最優方案。

4 結語

經財務評價，垃圾焚燒發電廠沼氣入爐摻燒具有一定經濟效益，但其增量收益較小，投資成本越小，內部收益率、財務凈現值越大，投資回收期越短。方案一是汽水分離器+沼氣增壓風機+沼氣燃燒器，也是最優方案，可以推廣應用。