垃圾焚燒鍋爐設(shè)置再熱器的可行性分析

文_彭小軍 戴曉云 宦曉鵬 上海環(huán)境衛(wèi)生工程設(shè)計(jì)院有限公司

由于垃圾熱值低、腐蝕性強(qiáng)和易結(jié)焦的特性，目前我國垃圾焚燒電廠基本都采用中溫中壓（4．0MPa、400℃）的蒸汽參數(shù)，發(fā)電機(jī)組的熱效率一般在20%～22%，遠(yuǎn)低于燃煤電廠。目前國內(nèi)生活垃圾焚燒電廠的收益主要來源于售電收入和垃圾處理貼費(fèi)收入，由于近幾年垃圾處理貼費(fèi)的持續(xù)降低，為提高發(fā)電量增加售電收入，國內(nèi)的一些大型焚燒發(fā)電項(xiàng)目都紛紛提高了鍋爐蒸汽參數(shù)，采用中溫次高壓（6．4MPa、450℃）參數(shù)，極個(gè)別項(xiàng)目甚至開始嘗試在鍋爐內(nèi)設(shè)置再熱器。

1 垃圾焚燒鍋爐采用再熱技術(shù)的現(xiàn)狀

蒸汽再熱就是把主蒸汽（Po、to）經(jīng)過汽輪機(jī)高壓缸做功后的蒸汽(P1、飽和溫度)返回鍋爐，經(jīng)過再熱器重新加熱，再熱到與主蒸汽相同的溫度后（P1、t1），再送至汽輪機(jī)的中、低壓缸做功（詳見圖1）。由于再熱的結(jié)果，不僅可以降低排汽濕度，減輕濕蒸汽對(duì)末級(jí)葉片的沖蝕，并且還可以提高蒸汽的做功能力，大約相當(dāng)于主蒸汽溫度提高了80℃，機(jī)組熱效率可提高約4%～5%。

圖1 再熱蒸汽工作h-s 圖

近年來，我國垃圾焚燒行業(yè)發(fā)展迅猛。截至2019 年，國內(nèi)已經(jīng)運(yùn)行的垃圾焚燒電廠超過400 座。然而，這其中鍋爐設(shè)置了再熱器的僅有光大江陰和蘇州兩座焚燒廠。即使從世界范圍看，也只有荷蘭阿姆斯特丹AEB 項(xiàng)目設(shè)置了再熱器。從使用情況可以看出，盡管鍋爐設(shè)置再熱器可大幅提高發(fā)電機(jī)組的熱效率，而且在燃煤電廠已經(jīng)是較為成熟的技術(shù)，但在垃圾焚燒發(fā)電行業(yè)，再熱技術(shù)的應(yīng)用還存在一定的難度，還沒有成為垃圾行業(yè)的主流技術(shù)。

2 垃圾焚燒鍋爐設(shè)置再熱器的可行性分析

2.1 技術(shù)可行性分析

再熱器內(nèi)介質(zhì)和過熱器相同都是過熱蒸汽，通常運(yùn)行壓力為過熱蒸汽的1/5，相當(dāng)于在鍋爐內(nèi)增設(shè)了一個(gè)低壓的過熱器。由于鍋爐主要通過高溫?zé)煔鈱崃總鹘o換熱管內(nèi)的低溫介質(zhì)，這就需要鍋爐具有足夠的高溫?zé)煔鈪^(qū)間來加熱過熱蒸汽。而由于垃圾的熱值偏低，因此其燃燒后的煙氣溫度也低于燃煤。表1 為常規(guī)燃煤中壓鍋爐和垃圾焚燒鍋爐的熱力計(jì)算匯總表。

表1 燃煤和垃圾焚燒鍋爐熱力計(jì)算匯總表

從表1 看垃圾焚燒鍋爐的煙氣溫度遠(yuǎn)低于燃煤鍋爐，尤其是燃煤鍋爐進(jìn)入過熱器煙氣溫度高達(dá)871℃，遠(yuǎn)高于垃圾焚燒鍋爐的585℃。由于兩種鍋爐的過熱蒸汽溫度都為450℃，因此燃煤鍋爐過熱器的溫壓更大，還有足夠的煙氣加熱溫度區(qū)間用來設(shè)置再熱器，系統(tǒng)也更容易調(diào)節(jié)。

由于垃圾中堿金屬成分偏高，導(dǎo)致燃燒后易結(jié)焦且腐蝕性強(qiáng)。通常垃圾焚燒鍋爐過熱器的入口煙氣溫度都需要控制在600℃以下，而過熱蒸汽溫度又在飽和溫度（220℃）以上，因此可用于加熱過熱蒸汽的煙氣溫度僅在300 ～600℃之間。此時(shí)考慮增加再熱器，即將高壓缸排汽（1．3MPa，220℃）再加熱到450℃，從傳熱學(xué)的角度看顯然很難布置，即使勉強(qiáng)布置也會(huì)因?yàn)闇貕哼^低（甚至低于50℃）導(dǎo)致再熱器換熱面積過大，并且系統(tǒng)難以調(diào)節(jié)。

另外，受季節(jié)、垃圾發(fā)酵時(shí)間等因素影響，垃圾熱值變化較大，因此和燃煤鍋爐相比，垃圾焚燒鍋爐的負(fù)荷波動(dòng)也較大。通常鍋爐運(yùn)行時(shí)，由于過熱器入口的介質(zhì)溫度是對(duì)應(yīng)鍋筒工作壓力下的飽和溫度，而飽和溫度只會(huì)隨鍋筒壓力的變化而變化。當(dāng)發(fā)電機(jī)組負(fù)荷降低時(shí)，過熱器會(huì)因?yàn)檎羝髁繙p少而壓力略有下降，使得進(jìn)入過熱器的飽和蒸汽溫度下降，但下降的幅度很小。例如，超高壓或亞臨界壓力鍋爐，當(dāng)飽和汽壓下降0．4MPa時(shí)，飽和溫度僅下降2℃。因此，只要控制好鍋爐的運(yùn)行壓力，即使負(fù)荷降低，過熱器的蒸汽溫度仍然可以進(jìn)行很好的維持，基本可達(dá)到設(shè)計(jì)值。然而對(duì)于再熱器來說，當(dāng)鍋爐負(fù)荷降低時(shí)，即進(jìn)入汽輪機(jī)的主蒸汽量會(huì)減少，高壓缸排汽的溫度（即再熱器入口介質(zhì)溫度）也會(huì)隨之降低。通常當(dāng)額定負(fù)荷降至70%時(shí)，高壓缸排汽溫度會(huì)下降20 ～30℃。并且由于垃圾焚燒鍋爐再熱器溫壓本身就很低，因此當(dāng)鍋爐負(fù)荷變化時(shí)，要維持再熱器的蒸汽溫度也會(huì)更加困難，也會(huì)影響機(jī)組熱效率提升的效果。

2.2 運(yùn)行維護(hù)分析

鍋爐運(yùn)行的安全穩(wěn)定性往往是垃圾焚燒廠運(yùn)營穩(wěn)定的關(guān)鍵，這其中因鍋爐換熱面高溫腐蝕和結(jié)焦積灰而導(dǎo)致的煙道堵塞是電廠非計(jì)劃停爐的主要原因。垃圾焚燒發(fā)電廠鍋爐換熱面的腐蝕速度與換熱面管子壁溫有很大的關(guān)系，如圖2 所示，在高溫腐蝕區(qū)，當(dāng)管壁溫度超過480℃后，腐蝕速度增加很快。在鍋爐的所有換熱面中，換熱面的管壁溫度主要取決于管內(nèi)介質(zhì)的溫度和冷卻能力。而鍋爐中過熱器和再熱器中的介質(zhì)均為過熱蒸汽，介質(zhì)溫度最高且冷卻效果差，其換熱管的壁溫是鍋爐中最高的，腐蝕的速度也最快。

與過熱器相比，再熱器中介質(zhì)壓力更低，密度小，流速低，使得再熱器蒸汽側(cè)的放熱系數(shù)僅為過熱器蒸汽側(cè)放熱系數(shù)的五分之一，即再熱蒸汽冷卻效果比過熱蒸汽更差。同時(shí)，再熱器蒸汽壓力低，比熱小，對(duì)熱偏差也更敏感。并且由于受到再熱器壓降的限制，再熱器無法像過熱器那樣采用過多的混合交叉布置，熱偏差也更容易導(dǎo)致某些再熱器換熱管超溫。盡管再熱器布置在過熱器之后的對(duì)流煙道內(nèi)，但其管壁溫度仍然比過熱器管壁溫度高，再熱器管子的高溫腐蝕也更嚴(yán)重。因此，垃圾焚燒鍋爐設(shè)置再熱器，就是在鍋爐內(nèi)增設(shè)最容易腐蝕的換熱面。

根據(jù)技術(shù)分析可知，垃圾焚燒鍋爐設(shè)置再熱器由于溫壓過低會(huì)導(dǎo)致再熱器換熱面積過大，加上再熱器又是鍋爐中腐蝕速度最快的部件，使得鍋爐換熱面腐蝕甚至爆管停爐的風(fēng)險(xiǎn)大大增加。另外，由于再熱器換熱面積過大，換熱面積灰結(jié)焦問題也會(huì)加劇，焚燒廠清灰和檢修的工作也會(huì)加大，直接影響到焚燒廠安全穩(wěn)定的運(yùn)行。

圖2 管壁溫度與腐蝕速度的關(guān)系

2.3 經(jīng)濟(jì)可行性分析

為了更好的對(duì)垃圾焚燒鍋爐設(shè)置再熱器進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性比較，需要對(duì)焚燒廠的基礎(chǔ)條件進(jìn)行統(tǒng)一。以日處理垃圾1500t 規(guī)模的焚燒廠為例，對(duì)采用中溫次高壓（6．4MPa、450℃）和中溫次高壓并再熱（6．4MPa、450℃/再熱參數(shù)1．28MPa、450℃）兩種情況進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性分析。

2.3.1 經(jīng)濟(jì)性比較的基礎(chǔ)條件

垃圾焚燒廠經(jīng)濟(jì)比較分析的基礎(chǔ)條件為：焚燒廠規(guī)模1500t/d、垃圾設(shè)計(jì)熱值2000kcal/kg、鍋爐配置2×750t/d、汽輪發(fā)電機(jī)配置1×50MW，年運(yùn)行時(shí)間8000h，年處理垃圾量50 萬t，焚燒廠運(yùn)營期20a、電價(jià)0．4155 元/kWh。

2.3.2 投資比較

鍋爐設(shè)置再熱器，不僅增加設(shè)備投資，系統(tǒng)管道閥門也會(huì)更復(fù)雜，鍋爐等設(shè)備尺寸也會(huì)變大，廠房面積也會(huì)加大，導(dǎo)致項(xiàng)目投資增加。表2 為再熱和非再熱條件下項(xiàng)目投資比較表，根據(jù)比較可知，采用再熱技術(shù)的鍋爐和汽輪機(jī)設(shè)備初期投資會(huì)提高1232 萬元，再熱管道和閥門費(fèi)用增加約50 萬元，廠房面積增加費(fèi)用約200 萬元，項(xiàng)目總投資需增加1482 萬元左右。

表2 鍋爐和汽輪機(jī)設(shè)備投資比較表（萬元）

2.3.3 運(yùn)行和維護(hù)費(fèi)用分析

鍋爐設(shè)置再熱器會(huì)增加鍋爐清灰和檢修維護(hù)的工作量，但具體費(fèi)用受焚燒廠的運(yùn)營水平、垃圾狀況等因素影響，很難估算。由于此次設(shè)定的兩種情況所選取的蒸汽初參數(shù)相同，均為6．4MPa、450℃，則可以簡單的考慮兩種條件下鍋爐水冷壁、省煤器和過熱器的檢修費(fèi)用相同，僅需考慮再熱器增加的維護(hù)費(fèi)用?，F(xiàn)在如果再熱器的使用壽命為5a，則設(shè)置再熱器后兩臺(tái)鍋爐每年維護(hù)費(fèi)用需增加125 萬元左右。

2.3.4 綜合經(jīng)濟(jì)效益分析

設(shè)置再熱器對(duì)焚燒廠的綜合經(jīng)濟(jì)效益影響分析見表3。根據(jù)理論計(jì)算可知，在垃圾熱值2000kcal/kg 時(shí)采用中溫次高壓蒸汽參數(shù)噸垃圾發(fā)電可達(dá)到510 ～560 kWh （按530kWh 計(jì)算），設(shè)置再熱器后機(jī)組效率提升了4%，即噸垃圾發(fā)電量提高了約21kWh。由于整個(gè)焚燒廠全年可焚燒處理50 萬t 垃圾，粗步推算全廠每年可多發(fā)電1050 萬kWh，按上網(wǎng)電價(jià)0．4155 元/kWh 計(jì)算，全廠每年可增加售電收入約436 萬元。

表3 垃圾焚燒鍋爐設(shè)置再熱器的綜合經(jīng)濟(jì)效益

根據(jù)粗步推算，設(shè)置再熱器后焚燒廠每年全廠可提高經(jīng)濟(jì)效益約237 萬元，靜態(tài)分析看七年內(nèi)可收回投資成本。然而上述計(jì)算只是考慮了較為理想的運(yùn)行情況，畢竟設(shè)置再熱器會(huì)加大鍋爐的運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)，停爐檢修次數(shù)的增多不僅會(huì)增加設(shè)備的維修費(fèi)用，也會(huì)導(dǎo)致焚燒廠發(fā)電和垃圾處理費(fèi)等收入的降低，但這部分費(fèi)用更是難以預(yù)測，所以也無法計(jì)入到經(jīng)濟(jì)效益中，因此實(shí)際運(yùn)行中投資回收年限肯定會(huì)加長。

3 結(jié)論

鍋爐設(shè)置再熱器，因?yàn)殄仩t換熱面積和系統(tǒng)管道閥門的增多，設(shè)備的投資會(huì)加大，再熱系統(tǒng)也會(huì)增加運(yùn)行的難度。因此從規(guī)模效益上考慮，國內(nèi)一般容量大于400t/h（裝機(jī)125MW以上）的超高壓電站才予以采用。而因?yàn)槔鵁嶂灯?，目前世界上垃圾焚燒鍋爐蒸發(fā)量基本都在100t/h 以下，所以單純從規(guī)模上考慮，垃圾焚燒鍋爐不宜設(shè)置再熱器。

垃圾焚燒鍋爐設(shè)置再熱器可以提高機(jī)組熱效率，增加焚燒廠收益。然而由于垃圾熱值偏低、腐蝕性強(qiáng)易結(jié)焦的特性，垃圾焚燒鍋爐設(shè)置再熱器會(huì)大幅度增加鍋爐對(duì)流換熱面積，加大鍋爐堵灰和換熱管腐蝕爆管的風(fēng)險(xiǎn)，從而影響焚燒廠安全穩(wěn)定的運(yùn)行。另外，垃圾熱值的不穩(wěn)定性使得鍋爐負(fù)荷波動(dòng)變大，再熱器的蒸汽溫度也會(huì)出現(xiàn)波動(dòng)，會(huì)降低設(shè)置再熱器的效果。因此，結(jié)合垃圾的燃料特性，從技術(shù)、運(yùn)行和經(jīng)濟(jì)分析的情況來看垃圾焚燒鍋爐設(shè)置再熱器可行性不高，從現(xiàn)狀看也很難在垃圾焚燒行業(yè)大范圍應(yīng)用。