垃圾焚燒發(fā)電系統(tǒng)優(yōu)化及綜合利用技術(shù)

王利軍

（中國電建集團(tuán)山東電力建設(shè)有限公司，山東省 濟(jì)南市250000）

0 引言

截至2018年年底，全國已投運(yùn)垃圾焚燒項(xiàng)目處理能力合計(jì)37.8 萬t/d，垃圾發(fā)電增速呈指數(shù)級(jí)增長，根據(jù)國家“十三五”規(guī)劃，預(yù)計(jì)到2020年，我國將會(huì)有超過600 座垃圾焚燒發(fā)電廠，處理規(guī)模達(dá)59.14 萬t/d[1-3]。

財(cái)政部聯(lián)合各部委下發(fā)《關(guān)于政府參與的污水、垃圾處理項(xiàng)目全面實(shí)施PPP 模式的通知》中要求，政府參與的新建污水、垃圾處理項(xiàng)目全面實(shí)施PPP 模式。垃圾發(fā)電行業(yè)集中度較高，項(xiàng)目一般由地方政府與專業(yè)運(yùn)營商簽訂特許經(jīng)營權(quán)，授權(quán)運(yùn)營商進(jìn)行項(xiàng)目投資、建設(shè)、運(yùn)營、管理及移交工作，政府對(duì)項(xiàng)目進(jìn)行監(jiān)管，對(duì)項(xiàng)目質(zhì)量和服務(wù)狀況進(jìn)行定期評(píng)估，以此作為政府支付運(yùn)營補(bǔ)貼的依據(jù)[4]。因此，對(duì)項(xiàng)目配置、建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)、排放指標(biāo)、運(yùn)營維護(hù)要求較高。

垃圾發(fā)電先按其垃圾處理量折算成上網(wǎng)電量進(jìn)行結(jié)算，每噸生活垃圾折算上網(wǎng)電量暫定為280 kW·h，并執(zhí)行全國統(tǒng)一垃圾發(fā)電標(biāo)桿電價(jià)0.65 元/(kW·h)(含稅)，其余上網(wǎng)電量執(zhí)行當(dāng)?shù)赝惾济喊l(fā)電機(jī)組上網(wǎng)電價(jià)。

近幾年新中標(biāo)項(xiàng)目垃圾處理費(fèi)逐年降低，平均在60～80 元/t，項(xiàng)目利潤空間進(jìn)一步縮減。

基于以上原因，垃圾發(fā)電項(xiàng)目競爭日益激烈，在低工程總價(jià)、低垃圾補(bǔ)貼、高建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)、高融資風(fēng)險(xiǎn)等多重壓力下，要想保證項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)收益，做好工程優(yōu)化、提升項(xiàng)目競爭力尤為重要[5-6]。由于當(dāng)前垃圾發(fā)電項(xiàng)目優(yōu)化研究領(lǐng)域缺乏全面性和系統(tǒng)性，因此本文對(duì)垃圾發(fā)電全流程進(jìn)行深入分析，從參數(shù)計(jì)算、設(shè)備選型、系統(tǒng)配置等方面逐一優(yōu)化，利用電力行業(yè)一流技術(shù)，結(jié)合運(yùn)營經(jīng)驗(yàn)反饋，解決了項(xiàng)目建設(shè)成本、運(yùn)營維護(hù)費(fèi)用高[7-8]等問題，為提升項(xiàng)目競爭力和經(jīng)濟(jì)性提供了依據(jù)。

1 工藝技術(shù)簡介

垃圾發(fā)電流程主要分為垃圾收集及處理系統(tǒng)、焚燒、余熱發(fā)電及供熱系統(tǒng)、煙氣凈化處理系統(tǒng)、爐渣、飛灰及滲濾液處理系統(tǒng)[9]，垃圾發(fā)電工藝流程如圖1所示。

圖1 垃圾發(fā)電工藝流程圖Fig.1 Waste power generation process flow chart

2 系統(tǒng)優(yōu)化

2.1 垃圾前處理系統(tǒng)優(yōu)化

垃圾前處理系統(tǒng)包括垃圾稱重、垃圾卸料、垃圾貯坑、吊車及抓斗。主要是由環(huán)衛(wèi)部門垃圾車將生活垃圾運(yùn)輸至垃圾發(fā)電廠，在進(jìn)廠地磅房稱重后，經(jīng)垃圾運(yùn)輸坡道進(jìn)入主廠房卸料大廳。汽車通過垃圾卸料門，將垃圾卸至貯坑內(nèi)，貯坑上方設(shè)有吊車及抓斗，可以將垃圾送至焚燒爐內(nèi)燃燒。

2.1.1 垃圾稱重系統(tǒng)

垃圾稱重系統(tǒng)由汽車衡及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)組成，這部分配置往往與垃圾發(fā)電廠的規(guī)模密切相關(guān)，整理如表1所示。

表1 汽車衡配置Tab.1 Truck scale configuration

汽車衡規(guī)格按照規(guī)范最低要求選取，即按照垃圾車最大滿載質(zhì)量的1.3 倍選擇，經(jīng)查閱相關(guān)技術(shù)規(guī)程，我國垃圾車額定荷載通常為24 t，考慮車輛自重等其他因素，總質(zhì)量約為30 t。因此汽車衡規(guī)格可以選擇40 t，考慮汽車衡同時(shí)要給大型運(yùn)渣車和石灰車稱重，大型焚燒廠設(shè)置的2臺(tái)汽車衡可以為一大一小配置，相比正常配置可節(jié)約設(shè)備投資5%～10%。

2.1.2 垃圾貯坑

垃圾貯坑的作用不僅是對(duì)進(jìn)廠垃圾進(jìn)行儲(chǔ)存和緩沖，更重要的作用是垃圾能在坑內(nèi)經(jīng)過幾天的自然壓縮、發(fā)酵等過程，排出部分滲濾液，提高入爐垃圾熱值，穩(wěn)定焚燒工況。因此，通常垃圾貯坑容積為5～7 d 額定垃圾焚燒量。通常垃圾密度設(shè)計(jì)值為0.3～0.4 t/m3，但是由于垃圾自然堆積和起重機(jī)抓斗機(jī)械攪拌作用，垃圾密度可按0.5t/m3考慮，在同等規(guī)模垃圾處理量下，貯坑容積可以減少20%～40%，既減少了土建造價(jià)，又可以縮短廠房跨距，降低起重機(jī)投資。

2.2 垃圾焚燒系統(tǒng)優(yōu)化

2.2.1 一次風(fēng)系統(tǒng)

燃燒用一次風(fēng)從垃圾貯坑上方抽取，首先可以保持垃圾倉負(fù)壓，防止臭氣外溢；其次由于垃圾自然發(fā)酵過程產(chǎn)生部分可燃?xì)怏w，這部分氣體送至爐內(nèi)燃燒，有助于提高熱值。同時(shí)，可以將吸熱后的爐膛冷卻風(fēng)引入一次風(fēng)，提高一次風(fēng)溫。

設(shè)計(jì)過程中，一次風(fēng)機(jī)選型往往與煙風(fēng)系統(tǒng)匹配度較差，因此風(fēng)機(jī)的風(fēng)量、壓頭選擇要盡量與鍋爐實(shí)際需要接近，選用合適的裕量?！缎⌒突鹆Πl(fā)電廠設(shè)計(jì)規(guī)范》指出，風(fēng)機(jī)風(fēng)量壓頭裕量為20%～30%，根據(jù)實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)，裕量取20%即可滿足要求。另外，設(shè)計(jì)時(shí)選用冷風(fēng)風(fēng)機(jī)，即一次風(fēng)預(yù)熱器放在風(fēng)機(jī)下游，可以降低風(fēng)機(jī)造價(jià)。

2.2.2 二次風(fēng)系統(tǒng)

二次風(fēng)取風(fēng)口可以設(shè)置在出渣機(jī)上方，此處空氣溫度較高，既可以提高二次風(fēng)溫度，又能有效降低環(huán)境溫度。由于垃圾成分、熱值相對(duì)穩(wěn)定，垃圾揮發(fā)分物質(zhì)較少，因此二次燃燒占比較小，結(jié)合工程實(shí)際情況，二次風(fēng)預(yù)熱器可以取消。

2.2.3 煙氣系統(tǒng)

采用煙氣再循環(huán)技術(shù)，從布袋除塵器出口引出少量煙氣，送回焚燒爐二次風(fēng)入口附近，采用燃燒控制系統(tǒng)對(duì)再循環(huán)煙氣和二次風(fēng)進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)，保證爐內(nèi)煙氣溫度和氧含量穩(wěn)定。煙氣再循環(huán)流量保持10%～20%，這樣在不增加二噁英的基礎(chǔ)上，既可減少引風(fēng)機(jī)容量和功率約10%，又能抑制部分NOx的生成，降低尿素消耗量，同時(shí)帶來經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)保效益。

2.2.4 啟動(dòng)類設(shè)備

所有啟動(dòng)類設(shè)備，例如輔助燃燒器風(fēng)機(jī)、吹灰器吹掃風(fēng)機(jī)均不設(shè)備用，且采用工頻電機(jī)，以降低設(shè)備造價(jià)。

2.3 余熱利用及汽輪發(fā)電機(jī)組系統(tǒng)優(yōu)化

2.3.1 主蒸汽參數(shù)

1）優(yōu)化的可行性。

鑒于我國垃圾分類管理不完善，垃圾中包含大量餐廚垃圾、橡膠、塑料等物質(zhì)，這些物質(zhì)中富含硫、氯和堿金屬，在超過400 ℃的高溫作用下會(huì)對(duì)鍋爐受熱面產(chǎn)生嚴(yán)重的腐蝕[10-11]，因此我國垃圾發(fā)電通常選用中溫中壓參數(shù)(4.0 MPa，400 ℃)。隨著國內(nèi)堆焊技術(shù)的發(fā)展，在不改變受熱面管道材質(zhì)的基礎(chǔ)上，對(duì)受熱面管道表面進(jìn)行合金堆焊，堆焊層厚度保證2 mm 以上，按照堆焊層0.2 mm/a 的減薄速度，受熱面壽命可保持10 a 以上。再加上國外垃圾發(fā)電有運(yùn)用中溫次高壓參數(shù)成功的案例，因此具備將主蒸汽參數(shù)提高的技術(shù)條件。

2）優(yōu)化的必要性。

垃圾處理費(fèi)逐年降低，熱電聯(lián)產(chǎn)中的熱又受到地區(qū)熱用戶限制，垃圾電廠經(jīng)濟(jì)效益急需拓展新的增長空間，提高發(fā)電量是必然選擇。

基于以上分析，可以將鍋爐參數(shù)提高至6.0 MPa，450 ℃。以垃圾低位發(fā)熱量7000kJ/kg，垃圾焚燒量600 t/d，排汽背壓7 kPa 為基礎(chǔ)條件進(jìn)行計(jì)算，中溫次高壓與中溫中壓參數(shù)經(jīng)濟(jì)效益對(duì)比如表2所示。

表2 發(fā)電經(jīng)濟(jì)效益對(duì)比Tab.2 Comparison for power generation economic benefit

經(jīng)計(jì)算得出，中溫次高壓機(jī)組比中溫中壓機(jī)組年上網(wǎng)發(fā)電量多25.4×106kW·h，按照當(dāng)?shù)厝济簷C(jī)組上網(wǎng)電價(jià)0.37 元/(kW·h)計(jì)算，年收入增加約940 萬元。

2.3.2 汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速

受垃圾處理量的限制，垃圾發(fā)電機(jī)組均為中小型汽輪機(jī)，進(jìn)汽量較少，因此為提高汽輪機(jī)效率，可以采用高轉(zhuǎn)速汽輪機(jī)，經(jīng)咨詢杭汽、東汽等汽輪機(jī)廠，結(jié)合原有工程設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，高轉(zhuǎn)速汽輪機(jī)可以比常規(guī)轉(zhuǎn)速汽輪機(jī)提高內(nèi)效率約4%～5%，可進(jìn)一步提高發(fā)電量。因此，在項(xiàng)目實(shí)施中，可以采用技術(shù)成熟的5 500 r/min 或6 000 r/min 轉(zhuǎn)速的汽輪機(jī)。

2.3.3 蒸汽再熱系統(tǒng)

為提高機(jī)組循環(huán)效率，保證汽輪機(jī)末級(jí)葉片干度，可以借鑒大型發(fā)電機(jī)組中間再熱系統(tǒng)。國內(nèi)第一臺(tái)再熱式垃圾發(fā)電機(jī)組已于2018年投產(chǎn)運(yùn)行，標(biāo)志著此項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)成熟，為今后項(xiàng)目實(shí)施優(yōu)化設(shè)計(jì)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

2.3.4 汽輪機(jī)大旁路系統(tǒng)

垃圾發(fā)電廠全年以焚燒垃圾為主，汽輪發(fā)電機(jī)組存在停機(jī)檢修情況，為保證停機(jī)不停爐，并且不浪費(fèi)蒸汽，設(shè)置汽輪機(jī)大旁路，機(jī)組檢修期間，將鍋爐主蒸汽通過二級(jí)減溫減壓后送至凝汽器，凝結(jié)水經(jīng)過除氧器和鍋爐給水泵后，再次送往余熱鍋爐[12]。

2.4 輔機(jī)部分的優(yōu)化

1）由于垃圾發(fā)電裝機(jī)容量有限，輔機(jī)功率也較小，鍋爐給水泵、凝結(jié)水泵等均可采用工頻電機(jī)。對(duì)于鍋爐給水泵，在出口母管設(shè)置電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，與汽包水位、蒸汽流量實(shí)現(xiàn)三沖量水位調(diào)節(jié)。對(duì)于凝結(jié)水泵，可以通過設(shè)置在再循環(huán)管道上的調(diào)節(jié)閥來調(diào)節(jié)水量。

2）余熱鍋爐汽水取樣裝置可以采用全人工取樣分析，即取消在線分析儀表。經(jīng)過大量運(yùn)行情況反饋，在線分析儀表不僅一次投資高，而且對(duì)環(huán)境要求較為苛刻，容易出現(xiàn)損壞或者測量數(shù)據(jù)偏差，最終數(shù)據(jù)還是通過人工分析得出。因此在設(shè)計(jì)中，取樣裝置僅保留高溫架，通水冷卻后，由人工定期取樣進(jìn)行化驗(yàn)分析。

3）取消鍋爐連續(xù)排污擴(kuò)容器，將鍋爐連排水通過單獨(dú)的管道送至定排擴(kuò)容器中。

4）凝汽器采用一次投資少、運(yùn)行穩(wěn)定可靠的射水抽氣器及射水泵系統(tǒng)，代替常規(guī)的水環(huán)真空泵組。對(duì)于夏季射水箱置換的熱水，可通過管道泵輸送至冷卻塔水池循環(huán)使用，保證工業(yè)新水不浪費(fèi)。

5）取消凝汽器膠球清洗裝置。通過分析大量現(xiàn)場運(yùn)行反饋情況，膠球清洗裝置效果不佳，很多清洗裝置都處于閑置狀態(tài)，因此可采用人工清洗方式。

6）取消沼氣入爐系統(tǒng)。該配置投資與對(duì)焚燒爐燃燒的貢獻(xiàn)不成正比，可以將沼氣直接引至儲(chǔ)氣罐，采用火炬點(diǎn)燃，由于沼氣量較少，幾乎不會(huì)對(duì)周邊環(huán)境產(chǎn)生污染。

7）垃圾發(fā)電廠配置的空壓機(jī)容量較小，單臺(tái)排氣量基本都在40 m3/min 以下，因此可以采用空冷式機(jī)組，減少外部冷卻水供應(yīng)系統(tǒng)。

2.5 煙氣處理系統(tǒng)優(yōu)化

系統(tǒng)配置應(yīng)結(jié)合建設(shè)地的大氣污染排放地方標(biāo)準(zhǔn)與國家標(biāo)準(zhǔn)，綜合判斷確定。例如《山東省區(qū)域性大氣污染物綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》中規(guī)定NOx排放指標(biāo)為100 mg/m3，而《生活垃圾焚燒污染控制標(biāo)準(zhǔn)》中規(guī)定NOx排放指標(biāo)為250 mg/m3，地方標(biāo)準(zhǔn)高于國家標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)于山東省內(nèi)項(xiàng)目，由于選擇性非催化還原法(selective non-catalytic reduction，SNCR)脫硝效率較低，NOx排放達(dá)不到100mg/m3的標(biāo)準(zhǔn)[13]，因此需要增加SCR 系統(tǒng)。對(duì)于其他省的項(xiàng)目，如果地方標(biāo)準(zhǔn)與國家標(biāo)準(zhǔn)一致，脫硝系統(tǒng)僅設(shè)置SNCR 即可，大大減少設(shè)備造價(jià)。

3 資源高效綜合利用

3.1 垃圾發(fā)電與附近燃煤、燃?xì)鈾C(jī)組耦合

垃圾發(fā)電產(chǎn)生的蒸汽參數(shù)較低，如果項(xiàng)目建設(shè)地點(diǎn)附近有高溫高壓以上參數(shù)的燃煤或者燃?xì)鈾C(jī)組，可以將這部分蒸汽引入高參數(shù)鍋爐內(nèi)進(jìn)行過熱，以提高蒸汽品質(zhì)，然后送回垃圾發(fā)電機(jī)組發(fā)電；也可以將這部分蒸汽作為高參數(shù)熱力系統(tǒng)的一部分[14]。

3.2 飛灰固化利用

垃圾焚燒后產(chǎn)生灰渣和飛灰，飛灰中含有堿金屬及二噁英等有害物質(zhì)，直接排放必然會(huì)污染環(huán)境，因此需要進(jìn)行固化處理[15]。焚燒過程中產(chǎn)生的飛灰通過斗提機(jī)輸送至飛灰倉，散裝水泥罐車通過氣力輸送將散裝水泥吹送至水泥料倉；飛灰穩(wěn)定化站設(shè)有螯合劑制備槽和螯合劑存儲(chǔ)槽；各倉下設(shè)電子計(jì)量秤，飛灰和水泥按設(shè)定比例稱量后送至混合攪拌機(jī)；混合攪拌機(jī)對(duì)物料攪拌混合，并按比例均勻加入螯合劑溶液和水。水泥、螯合劑和加濕水的添加比例分別接近飛灰質(zhì)量的10%、2%和30%，穩(wěn)定化產(chǎn)物滿足GB16889—2008《生活垃圾填埋場污染控制標(biāo)準(zhǔn)》要求后，由運(yùn)輸車輛運(yùn)至填埋場進(jìn)行填埋處置。

3.3 爐渣回收利用

生活垃圾焚燒爐產(chǎn)生的爐渣主要由熔渣、玻璃、陶瓷、金屬、可燃物等不均勻混合物組成，爐渣的主要成分為Si、Al、Ca，可運(yùn)出廠外回收金屬、制磚等綜合利用。

3.4 排污水梯級(jí)回收利用

循環(huán)水冷卻系統(tǒng)的排污水，僅含鹽量及懸浮物增加，無其他污染物，可用于廠內(nèi)對(duì)水質(zhì)要求不高的用水點(diǎn)，例如卸車平臺(tái)沖洗用水、爐渣冷卻、鍋爐排污冷卻水、凈化系統(tǒng)消耗水、廠區(qū)綠化、道路澆灑及車輛沖洗等處。循環(huán)系統(tǒng)排污水的再次利用可有效減少工業(yè)新水的用量，還可減少廠區(qū)外排污水量，是既節(jié)水又環(huán)保的有效措施。

餐廚垃圾處理廢水和污泥處理廢水均排至滲濾液處理站。滲濾液處理后出水達(dá)到敞開式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)補(bǔ)充水標(biāo)準(zhǔn)，回送至冷卻塔補(bǔ)水。滲濾液濃水可以回噴至焚燒爐內(nèi)進(jìn)行燃燒，避免污染環(huán)境。

4 結(jié)論

設(shè)計(jì)優(yōu)化是提高垃圾發(fā)電項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)效益、降低工程投資的有利措施，參照其他實(shí)際運(yùn)行項(xiàng)目，鑒于設(shè)計(jì)優(yōu)化的局限性和項(xiàng)目業(yè)主特殊要求，從系統(tǒng)到局部，從全面到分項(xiàng)，根據(jù)實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)，展示出每個(gè)環(huán)節(jié)的優(yōu)化空間。同時(shí)，結(jié)合垃圾發(fā)電技術(shù)的更新，總結(jié)出垃圾相關(guān)資源的綜合利用技術(shù)。未來隨著人們生活水平提高，城市化進(jìn)程不斷深入，垃圾發(fā)電項(xiàng)目將會(huì)呈井噴式發(fā)展，如何變廢為寶，最大程度利用垃圾這一充足資源，需要以技術(shù)創(chuàng)新為驅(qū)動(dòng)力，不斷推動(dòng)垃圾發(fā)電行業(yè)長遠(yuǎn)健康發(fā)展。隨著建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)的逐步提高、技術(shù)革新的不斷推進(jìn)，設(shè)計(jì)優(yōu)化前景和空間巨大，今后在焚燒爐型改進(jìn)、飛灰固化處理、滲濾液處理和煙氣凈化方面，仍然有許多研究成果會(huì)不斷推出，并廣泛應(yīng)用于固廢處理行業(yè)。