提高垃圾焚烧电厂热能利用效率的几个途径
1.引言
在我国，城市活垃圾焚烧发电技术是1980代末期开始出现的，以焚烧生活垃圾为目的，实现垃圾减容、灭菌和无害化处理并实现焚烧余热利用的一种新兴生活垃圾处理方式。垃圾焚烧余热利用主要方式是设置余热锅炉，利用余热锅炉产生的蒸汽供热、发电。有效实现生活垃圾在焚烧炉内充分燃烧，在炉内完成灭菌、减容、实现无害化处理并最终实现生活垃圾化学能向热能——电能高效转换，是建设垃圾发电设施的基本要求，深圳在1988年率先建成国内第一座生活垃圾焚烧厂—— 深圳市市政环卫综合处理厂，并在此基础上成功对引进的二台150t／d生活垃圾焚烧锅炉进行提高发电工质参数的改造，使单炉发电能力从500kW提高至 1500kW；与杭州锅炉厂共同研制炉排型150t／d生活垃圾焚烧锅炉，在国内首次实现大型垃圾焚烧锅炉国产化。该厂目前已形成处理垃圾 450t／d，4000kw发电能力，是国内第一家投入运行的垃圾焚烧发电厂，开创了国内垃圾焚烧余热发电先例。以此为开端，深圳、上海、广州、宁波、温州和佛山市的南海区等沿海地区经济较为发达城市已建成一批生活垃圾焚烧处理设施，杭州、北京、天津、郑州等城市亦开始建设垃圾焚烧发电厂。目前，国内已建成焚烧设施的城市生活垃圾低位热值大致在4600kJ／吨上下，含水率约为60%左右，与发达国家城市相比，其特征是热值低、含水率高、组分成分变化大，垃圾焚烧有一定难度。早期引进建设的垃圾焚烧设施，主要解决生活垃圾减容和无害化处理，垃圾焚烧热能一电能转换效率较低，如深圳市市政环卫综合处理厂引进的垃圾焚烧锅炉焚烧－吨生活垃圾发电不到75kWh，热能－电能转换效率远低于国外垃圾发电厂，因而垃圾发电效率仍有潜力可挖。
国内目前已建成的生活垃圾发电设施大都采用引进国外垃圾焚烧设备，与国产中小型汽轮发电机组配套。垃圾焚烧厂热用户主要由三部分构成；汽轮发电机组—实现热能向电能转换基本设备，也是垃圾发电厂最重要热力设备；外供热用户；由热力除氧器、蒸汽式空气预热器、锅炉给水加热器等热力系统配置的热力设备。经近百年开发、完善，当今各国生产的汽轮发电机组已相当成熟，内效率相当高。进入汽轮机发电工质的大部分可用能可转化为电能并已形成系列产品；对外供热量则受热用户用汽量制约，允许在一定范围内波动，难以保证稳定负荷。因而，提高垃圾焚烧热能－电能转换效率主要途径是提高垃圾锅炉热效率；选择适当的发电工质参数：完善本厂热力系统。
2.垃圾焚烧发电厂热能利用效率低下的原因
2.1早期垃圾焚烧锅炉自身热效率较低
早期引进焚烧设备主要解决低热值生活垃圾能够燃烧、减容和无害化处理。限于当时技术条件与客观因素，即年代国内首次引进的垃圾焚烧锅炉热效率为65%，远低于同年代普通工业锅炉（80%以上）；电站锅炉（90%以上）。因垃圾燃烧烟气中主要由含氯成分构成腐蚀性气体，对余热锅炉受热面产生高温腐蚀和低温腐蚀。余热锅炉设计难以选择较高蒸汽参数。为避免低温腐蚀，垃圾锅炉排烟温度又不能过低，一般在控制在200℃以上。因而，提高垃圾焚烧锅炉热效率亦受到一定限制。
2.2发电工质参数偏低，进入汽机的可用能偏小
对于选定型号的汽轮发电机组，其发电能力主要由进入汽机的工质数量、工质参数以及排汽参数决定。垃圾焚烧锅炉提供的工质数量和工质参数对于系统的发电能力具有决定性的影响。发电工质参数越高，进入汽机的可用能就越大，可产生的有效做功能力也越大。垃圾焚烧锅炉提供发电工质应选择较高温度和压力参数的过热蒸汽。但与普通余热锅炉不同，生活垃圾焚烧的是日常生活产生的不同固体废弃物构成的混合体，燃烧过程中产生HCL,SOx、NOx、CO2等酸性腐蚀性气体，其特有燃烧工况极易在锅炉金属受热面产生高温腐蚀。为避免采用价格昂贵的耐高温腐蚀所需特殊钢材（目前主要选用镍基合金材料，用于垃圾锅炉过热器部件制造），控制焚烧锅炉造价，在当前条件下，垃圾锅炉蒸汽参数不宜过高。新加坡TUASⅡ垃圾焚烧厂是目前世界规模最大的炉排炉型垃圾发电厂，首期安装 4x720t／d垃圾焚烧锅炉，其发电工质参数为3.2MPa／370℃。大多数发达国家垃圾焚烧锅炉蒸汽参数在4MPa／400℃以下，均低于常规小型热力发电厂发电工质参数，因而垃圾电厂热效率低于小型热力发电厂。
2.3机组排汽热能无法充分利用
受天气因素影响，排汽参数不可能低于对应的饱和温度，一般排汽压力为0.005－0.009MPa，对应饱和温度为32.5－43.4℃。蒸汽在汽轮机内膨胀做工降压至排汽压力后即进入凝汽器中凝结放热，这部分蒸汽能量难以直接利用，在热力学上称之为不可利用热能，一般占全厂热能损失60%左右。垃圾焚烧锅炉热力系统采用的压力式热力除氧器（亦作为一级给水加热器，提高给水温度，避免锅炉省煤器发生低温腐蚀）和锅炉给水加热器是极为稳定、理想的热用户，而早期引进的垃圾电厂的蒸汽式空气预热器、除氧器、锅炉给水加热器直接由锅炉减压供汽，未利用其压差发电，直接造成了蒸汽可用能的损失。
2.4汽轮发电机组与锅炉出力不匹配
一些垃圾焚烧设施选用进口焚烧锅炉，配置国产的汽轮发电机组只能选择系列产品，设计项目虽不考虑扩建，汽轮机组功率往往大于锅炉最大出力，而电站辅机仍需按汽轮发电机组额定功率配置。某厂三台锅炉总蒸发量为30t／h，配置6MW汽轮机，发电汽耗量略大于30t／h。其中除氧器、蒸汽式空气预热器由本厂热力系统直接减压供汽，用汽量近l0t／h，可供汽轮发电机组做功汽量不足20t／ha其发电出力在3MW上下，机组长时期工作在低负荷运行状态，热力系统长期出现小马拉大车状况，导致厂用电极大浪费，既不经济，又不安全。亦有个别垃圾焚烧厂配置发电机组功率远小于锅炉平均出力，热力系统多余蒸汽需直接冷却，产生不必要热能损失。
2.5热力系统设计不完善，一些可利用热能未充分利用
一些垃圾发电厂热力系统设计蒸汽直接冷凝器，用于在紧急状态下（如汽机因突发事故停运）直接冷却锅炉蒸汽。为避免直接冷凝器和供汽管道在投用时发生水击，要求在焚烧设备运行情况下，冷凝器处于热备用状态，因而必须保证系统直接冷凝设备有少量蒸汽流动，实际运行中其流量调节阀开度往往大于实际需要。一些垃圾电厂选择机组功率偏小，在设备正常运行时，将热力系统多余蒸汽直接冷却。供直接冷凝器蒸汽非但不做功，反而需耗能冷却，产生电能损失和热能直接冷凝损失。
2.6锅炉排污的热能损失
垃圾锅炉在运行中，为使炉水含盐量控制在允许范围内，在运行中采用排除一部分炉水，以放走一部分盐分和炉水中渣、垢，代之以较清洁给水，这种方式称之为锅炉排污。锅炉排污水是压力较高的饱和水，可以进行减压，分离一些参数较低的蒸汽予以利用。
3.提高垃圾焚烧发电厂热能利用效率途径
3.1提高锅炉热效率，降低散热损失
3.1.1 根据各地生活垃圾不同特性，选择合适的生活垃圾焚烧锅炉炉型，其基本要求是，入炉垃圾实现完全焚烧，在焚烧炉床上完成失水，燃烧，燃烬全部过程；锅炉燃烧温度850－950℃；不投助燃用油能实现稳定燃烧；炉渣热灼减率＜4.5%；新建垃圾焚烧锅炉热效率应大于70%。对于热效率低的旧设备可考虑进行技术改造，提高热能利用率，例如深圳市市政环卫综合处理厂早期引进的二台垃圾焚烧锅炉，出口蒸汽为1.6Mpa的饱和蒸汽，仅供一台背压式双列速度级汽轮机组发电，背压0.13Mpa且不利用，汽耗率高达17kg/kWh。在对垃圾焚烧锅炉进行技术改造，加装过热器后，出口蒸汽参数提高到1.4Mpa /350℃，配备一台国产3000kW汽轮发电机组，汽耗率降至6.7kg/kWh，在锅炉热出力不变的前提下，单炉发电能力从原来的500kW提高到 1500kW，仅上网发电一项，二台焚烧锅炉年创收益超过500万元。
3.1.2充分利用锅炉排污水热量，降低散热损失。垃圾焚烧锅炉在正常运行过程中，需将炉水表面含盐分较高的炉水排出，一般在上锅筒设连续排污系统，排污率为3%左右；此外锅炉还在底部设定期排污系统，将炉水底部渣、垢排出。锅炉运行中因排污带走热量可设置集中排污扩容热能利用设备，将这部分热能有效利用，一般可分离0.2－0.4MPa饱和蒸汽用于热用户。按目前较为成熟技术，一台中参数蒸发量为15t/h余热锅炉，其排污余热利用设备可提供 0.2－0.4MPa饱和蒸汽0.2t／h。有三台同样蒸发量锅炉的垃圾电厂排污余热每小时可提供0.6－0.7t低参数蒸汽，目前深圳地区外供蒸汽价格大约为200元/t，如按垃圾焚烧厂发电平均价格0.52元／度计，对这部分蒸汽进行有效利用相当于每小时多发230－270度电，经济效益可观。
3.2提高锅炉出口蒸汽参数
垃圾发电厂属于小型热力发电厂，发电工质提高压力需提高热力设备承压等级；过高温度需采用价格昂贵的耐高温腐蚀金属材料制造过热器，其整体经济效益不一定经济。因而，一定要测算出设备投入—产出效能比较并与汽轮发电机组相匹配，优选最佳方案。目前国内外大中型垃圾发电厂常选用发电工质参数为 4.OMPa／400℃过热蒸汽，发电汽耗率小于6.Okg／kWh,2003年建成的温州第二座垃圾发电厂，采用国产垃圾焚烧锅炉，其蒸汽参数为 3.9Mpa／45090，发电汽耗率已接近5.Okg／kWh,已达到当代垃圾电厂国际先进水平。
3.3优化、完善热力系统，采用回热循环等措施增加热能利用率
3.3.1减少全厂热力系统损失，除考虑对外供热用户供汽能力外，要求机组发电能力与全部运行锅炉最大供汽量相适应。在正常运行工况下，垃圾锅炉产生的蒸汽全部用于供热和供汽轮发电机组发电，不允许出现热力系统蒸汽直接旁路冷却工况，以尽可能利用垃圾焚烧锅炉提供热能。
3.3.2选择抽汽机组，采用回热循环增加热能利用率。垃圾电厂热力系统的除氧器、蒸汽式空气预热器和低压给水加热器是用汽量基本恒定的热用户。选用抽汽机组将汽轮机高压段作过功部分蒸汽抽出供热力系统混合式加热器（热力除氧器）表面式加热器（低压给水加热器、蒸汽式空气预热器等）用于给水除氧、加热锅炉给水和助燃空气，可充分利用这部分蒸汽中所蕴涵的较低品质热能，提高了系统的整体效率。一般发电工质采用次中参数以上，单机容量在30O0kW以上的垃圾电厂应选用抽汽—凝汽式汽轮机组，对本厂热力系统蒸汽式空气预热器、除氧器和低压给水加热器采取多级抽汽供系统回热循环。其中一段抽汽参数较高，供蒸汽式助燃空气预热器，做功后背压进除氧器；二段和三段抽汽供除氧器和低压给水加热器。从热力发电厂意义来看，垃圾电厂仍属于小型火力发电厂，抽汽级数不宜过多，以免造成垃圾电厂热力系统过于复杂，反而不利于系统管理和运行。
3.4对入炉垃圾前进行适度堆酵，提高锅炉燃烧效率
对入炉垃圾进行堆酵，可实现部分渗沥液沥除，同时在搅拌过程中，一部分无机质材料沉入存贮池底，垃圾实现脱水、减重，可有效提高单位质量入炉垃圾低位热值，促进垃圾在炉内的完全燃烧，提高焚烧垃圾燃烧效率。深圳市政环卫综合处理厂的经验，对含水率在60%以上的低热值生活垃圾在焚烧前进行2－3天的堆酵，可沥除12%左右的渗沥液，整体减重约20%，实际入炉垃圾低位热值增加836kJ／kg.提高入炉垃圾热值，亦是提高系统整体热效率的一种有效方法。
4.结论
由于垃圾焚烧炉产生的烟气具有腐蚀性大、易产生高温腐蚀和低温腐蚀的特点，制约了锅炉蒸汽参数的提升，其整体热效率低于一般的电站锅炉。但可通过适当选型、降低焚烧锅炉散热损失、对进厂垃圾进行堆酵以沥出其中水分、提高入炉垃圾低位热值等方法和手段提高锅炉热效率；通过适当提高发电工质参数、选用热效率较高的汽轮机发电机组、采用回热循环等措施提高系统发电效率，从而提高垃圾焚烧发电厂整体的热能利用效率。
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