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          生活垃圾焚燒能源梯級利用探討與應用

          文章來源:【德軒環保科技】 發布日期:2019-12-20 14:39:56

              生物質能是可再生能源的重要組成部分,隨著生活垃圾熱值的提高,垃圾焚燒發電項目的建設逐年穩步增長,可再生能源發展“十三五”規劃提出到2020年城鎮生活垃圾焚燒發電裝機容量達到750萬kW。目前垃圾焚燒余熱利用形式較為單一,主要以發電為主,熱效率較低,提升空間較大。針對垃圾焚燒廠的特點,通過對熱能轉化過程中的熱損失分析探討余熱梯級利用的方案及應用案例,分析表明熱電聯產是提高全廠熱效率的最佳途徑,應因地制宜推進垃圾焚燒供熱的建設,煙氣余熱、循環冷卻水余熱等低品位熱能的回收潛力巨大,具有明顯的經濟效益,在技術經濟比較后可廣泛應用,通過提高蒸汽參數,節能產品的使用以及工藝系統的優化設計能提高能源轉化效率,降低廠用電率,從而提高能源綜合利用率,實現生態效益與經濟效益的可持續性發展。
          垃圾焚燒是實現生活垃圾資源化、減量化、無害化最有效的處理方式,根據“十三五”生態環境保護規劃,大中型城市重點發展生活垃圾焚燒發電技術,到2020年,全國垃圾焚燒處理率達到40%。垃圾焚燒資源化方式主要是利用焚燒過程產生的熱能,以發電為主。目前我國生活垃圾焚燒發電廠項目能源利用水平比較低,項目能源利用率平均約為21%[1]。能量在轉換與傳遞過程中有品位的差異,電能、機械能的品位比熱能高,溫度高壓力高的熱能品位高[2]。垃圾焚燒發電的過程是輸出能源品位提升,總能量降低的過程,優化能源加工轉化過程中的能源利用方式,按質用能,逐級利用,能有效提高垃圾焚燒能源綜合利用效率,達到節能減排目的。
          1 垃圾焚燒熱電聯產
          垃圾焚燒的熱能利用過程是垃圾中可燃物的化學能通過余熱鍋爐轉化為工質蒸汽的熱能,蒸汽在汽輪機中膨脹做功,將蒸汽熱能轉化為機械能,通過帶動發電機最終將機械能轉化為電能的過程。垃圾焚燒產生的能源在加工轉化過程中的損失約占80%,其中排煙熱損失約20%,凝汽式汽輪機冷源損失約40%。
          背壓式汽輪機組沒有冷源熱損失,汽輪機的排汽全部對外供熱,機組的熱效率較高,全廠熱效率能達到60%~70%,但背壓機組以熱負荷調整發電負荷,當排汽量變化時需要調整汽輪機進汽量,焚燒爐入爐垃圾量也需隨之調整,當供熱負荷波動較大時不利于焚燒爐的安全環保經濟運行。由于垃圾焚燒廠主要以處理生活垃圾為主,實際建設過程中很少采用背壓式汽輪機。   抽凝式汽輪機組可根據供熱負荷調整抽汽量,其余部分排入凝汽器冷凝后回到鍋爐,盡管仍有部分冷源損失,但運行方式靈活,垃圾焚燒處理不受供熱負荷波動的影響,是垃圾焚燒熱電聯產的主要形式。垃圾焚燒廠周邊有穩定供熱需求時,采用熱電聯產能取得較好經濟效益,紹興某生活垃圾熱電聯產項目,設計處理規模2250t/d,配置3臺750t/d的焚燒爐,3臺中溫中壓余熱鍋爐,2臺20MW抽凝式汽輪機組,最大供汽能力120t/h,發電機年發電量約1.88億kWh,年供蒸汽約96萬t,所供蒸汽在工業園區內能全部消納,該項目供熱市場化運行,供熱收入較高,供熱經濟性較高,極大緩解政府在垃圾處理成本的壓力。
          低真空供熱技術是通過對凝汽式汽輪機末級葉片及凝汽器的調整,使汽輪機能在較高背壓的情況下穩定運行,通過降低凝汽器真空提高排汽壓力,提高排汽溫度,使經過凝汽器換熱后的循環水溫度提升,可對外提供穩定的低溫熱水,在用熱負荷較高時利用汽輪機的抽汽換熱后作為補充熱源。低真空供熱在采暖期能實現汽輪機排汽余熱的全部回收,熱利用效率較高,接近采用背壓機組的熱電聯產的熱效率。
          提高汽輪機背壓會降低機組發電效率,運行時一般控制低于28kPa,此時發電機功率會減少7%。低真空供熱方式常應用于凝汽式機組的改造,部分新建項目也有應用,如山東某生活垃圾焚燒項目設計時采用低真空供熱方式,該項目配置2臺250t/d焚燒爐,單臺余熱鍋爐額定蒸發量23.5t/h,配置1臺10MW凝汽式汽輪機組,額定工況汽輪機乏汽35t/h,背壓25kPa,排汽溫度65℃,一次網設計供回水溫度為60℃和44℃,二次網采暖設計供回水溫度為45℃和35℃,供熱負荷約17MW,按55W/m2采暖指標,可供約30萬m2建筑面積采暖。
          垃圾焚燒熱電聯產能充分利用發電后熱能,實現熱量的梯級利用,經濟效益顯著,對有供熱需求的項目宜積極推廣,可再生能源發展“十三五”規劃提出要因地制宜推進城鎮生活垃圾焚燒熱電聯產項目建設,垃圾“焚燒發電+供熱”是今后垃圾焚燒處理的發展趨勢。
          2 低品位熱量回收
          垃圾焚燒過程中有大量低品位熱源產生,回收低品位熱量后可對外供熱或廠內自用,對降低運營成本,提高經濟效益起到積極作用。
          2.1 煙氣余熱回收
          生活垃圾中廚余垃圾含量較高,垃圾含水率較高,夏季垃圾含水率可高達60%,垃圾焚燒后產生的煙氣中濕度較大,經過半干法脫酸工藝后濕度進一步增加,排入大氣的煙氣中水分體積比約占20%~30%。為避免煙氣的低溫腐蝕、濾袋糊袋等現象,排放煙氣溫度控制在150℃左右,排出煙氣中仍有部分余熱,其中以煙氣中水蒸氣的凝結潛熱為主。以500t/d焚燒爐產生的煙氣,煙氣含水率26%,如果將煙氣溫度降至30℃,約15MW的余熱可被回收利用,其中水蒸氣液化潛熱占全部熱量的52%左右[3],煙氣回收的潛力巨大。
          山東德州某生活垃圾焚燒廠建設2臺500t/d焚燒爐,配置1臺18MW凝汽式汽輪發電機組,煙氣凈化采用“SNCR+半干法+干法+活性炭噴射+袋式除塵”處理工藝,設計工況煙氣量90000Nm3/h,煙氣排放溫度150℃,煙氣成分如下表:
          該項目1.5km有居民小區有供暖需求,因遠離城市集中供熱區,采用燃氣鍋爐供熱,采暖熱水供回水溫度為60℃和50℃。為降低小區采暖成本,該項目回收煙氣余熱對外供熱,設置1套煙氣余熱回收中試裝置,單臺爐設置2臺板式換熱器,換熱器面積815m2,一次換熱采用除鹽水作為熱媒,設計煙氣進出口溫度為150℃和55℃,設計熱媒供回水溫度為75℃和55℃;二次換熱供回水溫度為60℃和50℃,經過一個采暖季的試運行,運行結果如下:(1)煙氣經冷凝換熱后出口平均溫度110℃,與設計溫度相差大,單臺爐煙氣中平均凝結水量約3.5t/h。(2)熱媒除鹽水平均供回水溫度為56.5℃和50℃,流量390t/h,最高供回水溫度為76.5℃和69.4℃,換熱量約3MW,供暖面積約6萬m2。(3)煙氣凝結水呈弱酸性,濁度較高,對酸性氣體及煙塵起到了進一步去除的作用,換熱器無明顯腐蝕現象,煙囪無明顯腐蝕現象。
          實際運行結果可以看出,煙氣余熱仍未深度回收,加強換熱及設備防腐是煙氣余熱回收的推廣應用需要解決的技術問題。
          2.2 循環冷卻水余熱回收
          凝汽式汽輪機組大部分熱量被循環冷卻水帶走,熱損失較高,冷卻過程中也造成較大的水資源浪費。循環水設計出水溫度33℃,水量穩定,屬于穩定可靠的低品位熱源,回收潛力大。
          吸收式熱泵技術是利用汽輪機抽汽作為驅動熱源,從低品位熱源(循環冷卻水)中回收熱量,通過熱媒(如溴化鋰)的循環相變提高工質的溫度,達到使用要求后再利用。吸收式熱泵對系統的供熱量等于消耗的高品位熱源以及從低溫余熱吸收熱量之和,吸收式熱泵能效比(COP)一般在1.6~1.85,低溫余熱溫度超過15℃即可采用,具有較大的節能優勢。吸收式熱泵COP與運行工況有關,進水溫度越高,提供的熱水溫度也越高,熱水溫升越大COP越小,熱泵熱水溫度不宜超過85℃。利用熱泵技術提高熱水溫度后可為焚燒廠內提供熱源,降低高品位熱量的使用。
          東北地區垃圾焚燒廠冬季氣溫低,采暖負荷大,冬季運行時生活垃圾容易結冰帶雪,需要大量的熱量維持垃圾倉的溫度,融冰化雪,降低入爐垃圾的含水率,提高熱值,維持冬季焚燒爐的連續穩定運行。以吉林省某800t/d生活垃圾焚燒發電項目為例,全廠采暖、生活熱水、垃圾倉暖風系統、垃圾滲瀝液融冰加熱系統總負荷約4680kW,采用溴化鋰熱泵機組回收循環水余熱,可減少蒸汽用量2.5t/h,年增加發電效益約100萬元,經濟效益明顯。熱泵技術在東北地區垃圾焚燒廠有廣闊的應用前景。
          3 提高能源轉化效率
          在能源加工轉化過程中轉化效率也影響能源綜合利用效率,通過提高鍋爐效率,提高汽輪機發電效率,減少高品位熱量消耗,節能產品的使用以及工藝系統的設計優化等可提高發電量,降低廠用電率。   3.1 提高汽輪機發電效率
          垃圾焚燒廠余熱鍋爐蒸汽參數直接影響汽輪機的發電效率,汽輪機進汽參數越高,理想比焓降越高,機組熱效率越高。
          生活垃圾成分復雜,煙氣中HCl濃度較高,平均濃度在600mg/Nm3~1500mg/Nm3,為避免高溫腐蝕現象,鍋爐蒸汽參數一般選擇中溫中壓參數(400℃、4.0MPa)。近年來隨著垃圾熱值的逐漸升高,高溫耐腐蝕材料的價格降低,單臺焚燒爐規模提高,中溫次高壓參數(450℃、6.4MPa)在新建垃圾焚燒項目逐步得到推廣應用。2013年-2017年的垃圾焚燒余熱鍋爐供貨業績中,高參數余熱鍋爐占比逐步上升為30%左右,且大部分業績集中在2016年-2017年[4],采用中溫次高壓參數的焚燒項目經濟效益明顯,中溫次高壓鍋爐的發電效率比中溫中壓鍋爐的發電效率的發電量約差17%。中溫次高壓的發電收入比中溫中壓多約20%[5]。
          中小型汽輪機相比大功率汽輪機,單機內效率有相當的降幅,輸出功率越小,轉換效率越低。如何提高中小型汽輪機的效率,一直是汽輪機行業的重要課題之一。采用高轉速條件下優化汽輪機通流結構設計,作為提高小流量汽輪機的效率的重要手段,并取得了顯著的效果。在相同蒸汽參數的條件下,采用高轉速(5500r/min)汽輪機的機組效率比低轉速(3000r/min)機組的效率高約4%~6%,高轉速汽輪機在垃圾焚燒發電行業應用越來越多。
          3.2 減少高品位熱量消耗
          垃圾焚燒廠換熱設備較多,合理選擇熱源及參數,按質用能,減少高品位熱源消耗節能效果顯著。
          一次風空預器是垃圾焚燒廠重要的換熱設備,一次風風溫直接影響垃圾在爐排上的干燥效果和燃燒工況。對于機械式爐排爐一般采用蒸汽進行加熱,空氣溫度加熱到230℃后從爐排底部進入爐膛。蒸汽空氣預熱器采用兩段式結構,低壓段采用汽輪機一段抽汽,高壓段采用汽包飽和汽,部分焚燒爐廠家因設計理念及設計習慣,高壓段采用主蒸汽,實際運行過程中容易出現一次風溫不達標,換熱管道沖刷嚴重的現象。
          主蒸汽的焓值比汽包飽和蒸汽焓值略高,但蒸汽用于換熱主要是利用凝結釋放的潛熱,利用高品位的主蒸汽用于加熱空氣能源利用率較低。另外空氣與過熱蒸汽的換熱系數約15W/(m2·℃),空氣與飽和蒸汽的換熱系數約35W/(m2·℃),相同換熱量使用飽和蒸汽的所需的換熱面積小于過熱蒸汽。在部分一次風空預器技改中,在低壓段前設置高壓飽和蒸汽凝水段,降低高溫段凝結水溫度(可降低至85℃~90℃),進一步吸收凝結水的熱量,同時也可以延長疏水閥的使用壽命,避免氣液兩相流對管道的沖刷造成爆管,避免疏水不暢造成的蒸汽浪費。
          東北地區垃圾焚燒廠冬季運行時入爐垃圾熱值低,容易夾雜冰塊,為確保垃圾在干燥段充分干燥,一次風溫的設計溫度一般取300℃。單獨采用蒸汽預熱器難以滿足設計要求,需要使用其他熱源加熱空氣。利用煙氣預熱器可以直接利用高溫煙氣的熱量加熱空氣,減少直接式預熱器燃油或天然氣的消耗,達到節能降耗的目的。
          吉林某焚燒項目設計時采用蒸汽空氣預熱器與煙氣空氣預熱器的組合方式,空氣經蒸汽預熱器加熱達到220℃后進入煙氣預熱器,利用高溫煙氣的余熱使空氣再提高到300℃,夏季垃圾熱值較高時停用蒸汽預熱器高壓段即可滿足230℃一次風溫要求。煙氣預熱器設置在高溫過熱器前,煙氣入口溫度控制在650℃以內,避免高溫腐蝕,材料選0Cr25Ni20。實踐證明,冬季運行時采用煙氣預熱器單位垃圾輕柴油消耗量同比節省約50%。
          3.3 節能設計
          垃圾焚燒廠廠用電率較高,設備用電約占發電量的15%~22%,降低設備用電可提高上網電量,提高經濟效益。
          垃圾焚燒廠主要用電設備為風機、水泵、空壓機等,在節能設計時應優先選用節能設備。以空壓機為例,額定排氣壓力0.7Mpa,1級能效空壓機比功率5.6kW/(m3/min),2級能效空壓機比功率6.3kW/(m3/min),對于800t/d焚燒規模的項目,全廠壓縮空氣消耗量平均約45m3/min,選用1級能效的空壓機全年可節省用電約25萬kWh。
          工藝系統的優化設計也能起到節能效果。通過改進管路系統,減少系統阻力,如縮短管線長度,降低流速以減少沿程水頭損失,減少閘閥、底閥、彎頭、孔板等部件的數量以減少局部水頭損失。合理設備選型,降低水泵、風機的富裕量,避免采取關小閥門等節流方法來降壓,造成功率浪費。
          對于多級離心式給水泵,相同揚程條件下,給水泵額定流量越大,泵的效率越高,在給水系統設計時可以優化給水泵的配置達到節能的目的。以2臺750t/d焚燒爐為例,常規設計時按單臺鍋爐給水量10%余量,選用3臺額定流量110m3/h的給水泵,其中1臺備用,小流量給水泵效率約72%,若優化給水泵選型設計,改為按總給水量10%余量,選用1臺額定流量210m3/h的給水泵作為正常工況下使用,大流量給水泵效率可以提高到78%,同時配備2臺110m3/h的給水泵作為備用,按年運行8000h計算,1臺大流量給水泵運行比2臺小流量給水泵同時運行,年節省用電量56萬kWh。
          4 結論
          垃圾焚燒發電不僅能解決垃圾圍城現象,改善生活環境,也是可再生能源的重要補充,“十三五”規劃中垃圾焚燒裝機容量占生物質能總裝機容量的46%。從能源利用角度,垃圾焚燒應優先選擇熱電聯產,開發低品位余熱回收技術,提高能源轉化效率,從而提高能源綜合利用率,實現能源與環境的可持續性發展。
           

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