劉 超
(上海黎明資源再利用有限公司, 上海 201209)
隨著我國(guó)城市化進(jìn)程的加快,城市垃圾快速增長(zhǎng)與土地資源緊缺的矛盾日益明顯,垃圾焚燒作為集中處理生活垃圾的有效途徑之一,已成為大城市垃圾無(wú)害化、資源化、減量化處理最佳的選擇。近年來(lái),垃圾焚燒市場(chǎng)熱度持續(xù),根據(jù)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示,全國(guó)已運(yùn)行的垃圾焚燒電廠數(shù)量已經(jīng)突破400座,預(yù)計(jì)2020年底有約600座垃圾焚燒電廠處于運(yùn)行狀態(tài)。目前國(guó)內(nèi)垃圾焚燒電廠焚燒鍋爐主蒸汽參數(shù)主要有2種:大部分項(xiàng)目采用中溫中壓參數(shù)(即中參數(shù),400 ℃、4 MPa),而采用中溫次高壓參數(shù)(即高參數(shù),450 ℃、6.4 MPa)的項(xiàng)目數(shù)量較少[1-2]。但是,隨著垃圾焚燒電廠的高速發(fā)展,其競(jìng)爭(zhēng)日漸激烈,以及可再生能源電價(jià)補(bǔ)助政策的變化等迫使在保證環(huán)保效果的前提下,進(jìn)一步提高發(fā)電收益。
為了進(jìn)一步提高全廠發(fā)電熱效率,滿(mǎn)足節(jié)能減排的需求,除了提高焚燒爐蒸汽參數(shù)外[3],還可以考慮采用中間再熱系統(tǒng)。通過(guò)再熱器將汽輪機(jī)高壓缸的排汽加熱到與過(guò)熱蒸汽溫度相等或相近的再熱溫度,然后再送入低壓缸中膨脹做功,從而提高電站經(jīng)濟(jì)效益[1]。筆者以1臺(tái)高參數(shù)再熱垃圾焚燒鍋爐(簡(jiǎn)稱(chēng)高參數(shù)鍋爐)為例,對(duì)比同等規(guī)模中參數(shù)垃圾焚燒鍋爐(簡(jiǎn)稱(chēng)中參數(shù)鍋爐),在鍋爐結(jié)構(gòu)、前期投資成本、運(yùn)行維護(hù)成本、發(fā)電收益、運(yùn)行安全性等方面進(jìn)行比較分析。
圖1為1臺(tái)垃圾處理量為600 t/d、垃圾設(shè)計(jì)熱值為8 374 kJ/kg的高參數(shù)垃圾焚燒鍋爐設(shè)計(jì)方案,該鍋爐為單鍋筒,自然循環(huán)中溫次高壓再熱鍋爐,П形布置,前吊后支,爐排采用逆推和順推復(fù)合爐排。
1—二段式往復(fù)爐排;2—垃圾料斗;3—鍋筒;4—爐膛;5—燃燼室;6—三煙道;7—水平煙道8—尾部煙道;9—水冷屏;10—隔墻水冷壁;11—高溫再熱器;12—高溫過(guò)熱器;13—低溫再熱器14—中溫過(guò)熱器Ⅰ;15—中溫過(guò)熱器Ⅱ;16—低溫過(guò)熱器Ⅰ;17—低溫過(guò)熱器Ⅱ;18—省煤器;19—梁和柱;20—護(hù)板;21—頂板;22—落灰裝置;23—平臺(tái)扶梯;24—連接煙道。
構(gòu)架采用鋼結(jié)構(gòu),按7度地震設(shè)防,爐膛、燃燼室、三煙道、水平煙道均為膜式水冷壁結(jié)構(gòu)。爐膛上部設(shè)置有5片水冷屏;燃燼室內(nèi)設(shè)置有3片隔墻水冷壁;三煙道內(nèi)自下而上依次布置高溫再熱器、高溫過(guò)熱器、低溫再熱器、中溫過(guò)熱器Ⅰ;水平煙道中布置中溫過(guò)熱器Ⅱ、低溫過(guò)熱器Ⅰ、低溫過(guò)熱器Ⅱ;尾部煙道自上而下依次布置三段省煤器;集中下降管,平臺(tái)為鍍鋅柵格平臺(tái)。
通常立式垃圾焚燒鍋爐是把過(guò)熱器都布置在三煙道,而臥式垃圾焚燒鍋爐是把過(guò)熱器都布置在水平煙道內(nèi)。該鍋爐方案采用П形布置,相對(duì)立式鍋爐,通過(guò)水冷屏、隔墻水冷壁的設(shè)置,并將3組過(guò)熱器放置在水平煙道,從而大大降低了鍋爐高度;相對(duì)臥式鍋爐,將2組再熱器、2組過(guò)熱器放置在第三煙道,縮短了水平煙道,省煤器采用立式布置,從而大大縮短了鍋爐深度,縮小占地面積,有效降低土建工程投資成本。
隨著主蒸汽參數(shù)進(jìn)一步提高,為了防止汽輪機(jī)末級(jí)葉片排汽濕度過(guò)大,高參數(shù)鍋爐需設(shè)置再熱器,從而降低末級(jí)葉片侵蝕指數(shù),避免水蝕風(fēng)險(xiǎn)[4]。再熱蒸汽可采用噴水減溫或蒸汽旁路,依次經(jīng)過(guò)低溫再熱器、高溫再熱器后,再將合格的再熱蒸汽引回汽輪機(jī)。
高參數(shù)鍋爐主要參數(shù)見(jiàn)表1。
表1 高參數(shù)鍋爐主要參數(shù)
由表1可以看出:鍋爐主蒸汽壓力為6.4 MPa,主蒸汽溫度為450 ℃,再熱蒸汽溫度與過(guò)熱蒸汽溫度相近,再熱蒸汽壓力約為過(guò)熱蒸汽壓力的1/5。由于再熱器進(jìn)口蒸汽壓力較低,通常規(guī)定系統(tǒng)總阻力不大于再熱器進(jìn)口壓力的10%[4]。
兩級(jí)噴水減溫器布置在高溫、中溫、低溫過(guò)熱器之間,用來(lái)調(diào)節(jié)過(guò)熱器出口蒸汽溫度;而對(duì)于再熱器系統(tǒng),低溫再熱器進(jìn)口集箱與出口集箱之間設(shè)有旁路,通過(guò)旁路調(diào)節(jié)蒸汽溫度。設(shè)計(jì)工況下,低溫再熱器進(jìn)口再熱蒸汽質(zhì)量流量占再熱蒸汽質(zhì)量流量的70%,旁路再熱蒸汽質(zhì)量流量占再熱蒸汽質(zhì)量流量的30%。
圖2為同等處理規(guī)模、相同設(shè)計(jì)熱值的中參數(shù)鍋爐設(shè)計(jì)方案。
1—二段式往復(fù)爐排;2—垃圾料斗;3—鍋筒;4—爐膛;5—燃燼室;6—三煙道;7—水平煙道8—尾部煙道;9—水冷屏;10—隔墻水冷壁;11—蒸發(fā)器;12—高溫過(guò)熱器;13—中溫過(guò)熱器;14—低溫過(guò)熱器Ⅰ;15—低溫過(guò)熱器Ⅱ;16—省煤器;17—梁和柱;18—護(hù)板;19—頂板;20—落灰裝置;21—平臺(tái)扶梯;22—連接煙道。
該鍋爐為單鍋筒,自然循環(huán)中溫中壓鍋爐,鍋爐主體結(jié)構(gòu)、支撐方式、爐排類(lèi)型與上述高參數(shù)鍋爐設(shè)計(jì)方案大致相同。爐膛上部設(shè)置有5片水冷屏;燃燼室內(nèi)設(shè)置有4片隔墻水冷壁;三煙道內(nèi)自下而上依次布置蒸發(fā)器、高溫過(guò)熱器、中溫過(guò)熱器;水平煙道中布置低溫過(guò)熱器Ⅰ、低溫過(guò)熱器Ⅱ;尾部煙道自上而下依次布置三段省煤器。
中參數(shù)鍋爐主要參數(shù)見(jiàn)表2,相比高參數(shù)鍋爐,由于主蒸汽參數(shù)較低,中參數(shù)鍋爐額定蒸發(fā)量相對(duì)較大。
表2 中參數(shù)鍋爐主要參數(shù)
中參數(shù)和高參數(shù)鍋爐結(jié)構(gòu)形式、基本尺寸參數(shù)對(duì)比情況見(jiàn)表3。
表3 中參數(shù)和高參數(shù)鍋爐結(jié)構(gòu)、基本尺寸對(duì)比
從表3可以看出:在垃圾處理量、垃圾設(shè)計(jì)熱值相同的情況下,高參數(shù)鍋爐主蒸汽參數(shù)較高,需要布置更多的換熱面積,鍋爐高度、寬度、深度方向尺寸都大于中參數(shù)鍋爐尺寸。
表4、表5分別列出了采用中參數(shù)和高參數(shù)鍋爐的熱力計(jì)算匯總,主要涉及各受熱面換熱面積、煙氣溫度、工質(zhì)溫度、工質(zhì)平均速度等數(shù)據(jù)。
表4 600 t/d中參數(shù)鍋爐熱力計(jì)算匯總
表5 600 t/d高參數(shù)鍋爐熱力計(jì)算匯總
由表4、表5可以看出:高參數(shù)鍋爐主蒸汽參數(shù)較高,所需水冷壁、過(guò)熱器換熱面積更大,還需要額外布置2組再熱器。由于再熱蒸汽壓力較低,比熱容小,對(duì)熱偏差較敏感,又受到阻力限制,所以再熱器工作條件比過(guò)熱器更差,再熱器蒸汽流速遠(yuǎn)大于過(guò)熱器蒸汽流速。因此,再熱器需要采用較大管徑、多管圈結(jié)構(gòu)。
垃圾焚燒項(xiàng)目特許經(jīng)營(yíng)期一般為30 a,通常按28 a運(yùn)營(yíng)期進(jìn)行投資經(jīng)濟(jì)性分析。垃圾焚燒鍋爐參數(shù)的選擇,對(duì)生活垃圾焚燒項(xiàng)目的設(shè)備選型、項(xiàng)目建設(shè)、運(yùn)行維護(hù)等方面都有很大影響。
2.1.1 鍋爐本體
相較于中參數(shù)鍋爐,高參數(shù)鍋爐在結(jié)構(gòu)形式、基本尺寸參數(shù)、換熱面積等方面均有所增加。單臺(tái)中參數(shù)鍋爐結(jié)構(gòu)件(含梁和柱、護(hù)板、頂板、平臺(tái)扶梯、爐墻金屬件、落灰裝置、連接煙道等部件)質(zhì)量約為590 t,而單臺(tái)高參數(shù)鍋爐結(jié)構(gòu)件質(zhì)量約為680 t。因此,高參數(shù)鍋爐結(jié)構(gòu)件成本額外增加63萬(wàn)元。
對(duì)于鍋爐受壓元件而言,垃圾焚燒鍋爐受熱面管壁溫度是影響其高溫腐蝕速度的關(guān)鍵因素。根據(jù)GB/T 16507.2—2013 《水管鍋爐 第2部分:材料》規(guī)定,受熱面管子材質(zhì)20G的使用溫度不得超過(guò)460 ℃,受熱面管子材質(zhì)12Cr1MoVG 的使用溫度不得超過(guò)580 ℃。對(duì)于中參數(shù)鍋爐,僅高溫過(guò)熱器、中溫過(guò)熱器采用12Cr1MoVG,質(zhì)量約為38 t,其余受壓件質(zhì)量約為472 t;而對(duì)于高參數(shù)鍋爐,高溫再熱器、高溫過(guò)熱器、低溫再熱器、中溫過(guò)熱器都采用12Cr1MoVG,質(zhì)量約為86 t,其余受壓件質(zhì)量約為812 t。因此, 由于主蒸汽參數(shù)的提高、受熱面的增加,高參數(shù)鍋爐受壓件成本需要額外增加366萬(wàn)元。
2.1.2 防腐措施
部分高溫腐蝕嚴(yán)重區(qū)域(如爐膛內(nèi)未敷衛(wèi)燃帶的水冷壁區(qū)域)管壁外還需要采用額外的防腐措施[5], 以下是幾種預(yù)防高溫腐蝕的措施:
(1) 超音速?lài)娡浚嘿M(fèi)用約為2 000 元/m2,噴涂層與母材機(jī)械結(jié)合,母材變形小,但涂層較易脫落,使用壽命為2~3 a。
(2) 低溫微熔焊:費(fèi)用約為5 000 元/m2,熔焊層與母材冶金結(jié)合,不易脫落,使用壽命為5~6 a,但母材變形量較大,需要考慮管子收縮余量,并且在管排單獨(dú)成片后需要校正尺寸,保證最終尺寸、形位公差、平整度等。
(3) 堆焊:費(fèi)用約為8 000 元/m2,堆焊層與母材冶金結(jié)合,使用壽命長(zhǎng)達(dá)8~9 a,但投資成本相對(duì)較高。
目前,垃圾焚燒項(xiàng)目預(yù)防高溫腐蝕措施多采用堆焊工藝。綜合考慮實(shí)用性、投資成本及后期維護(hù)等方面后,筆者以堆焊工藝作為防腐措施進(jìn)行比較。對(duì)于中參數(shù)鍋爐,爐膛上部未敷衛(wèi)燃帶的水冷壁區(qū)域、水冷屏需要采用堆焊工藝,防腐面積共計(jì)358 m2;而高參數(shù)鍋爐除了爐膛上部、燃燼室上部、隔墻水冷壁上部區(qū)域及水冷屏外,高溫再熱器、高溫過(guò)熱器都需要采用堆焊工藝,防腐面積共計(jì)1 457 m2,其中高溫再熱器與高溫過(guò)熱器防腐面積約占總面積的65%。因此,高參數(shù)鍋爐堆焊成本需要額外增加880萬(wàn)元。
2.1.3 其他輔機(jī)管道設(shè)備
高參數(shù)項(xiàng)目由于主蒸汽參數(shù)升高,需要對(duì)部分輔機(jī)、管道等設(shè)備進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整。
(1) 安全閥:高參數(shù)鍋爐除鍋筒、過(guò)熱器安全閥外,再熱蒸汽進(jìn)口集箱與出口集箱需要額外增設(shè)安全閥;由于鍋爐額定工作壓力大于5.9 MPa,安全閥整定壓力應(yīng)按照更高要求進(jìn)行調(diào)整和校驗(yàn)(最低值應(yīng)按1.05倍工作壓力,最高值應(yīng)按1.08倍工作壓力)。
(2) 吹灰器:中參數(shù)鍋爐蒸發(fā)器、高溫過(guò)熱器、中溫過(guò)熱器布置8組蒸汽吹灰器,低溫過(guò)熱器及省煤器布置27組激波吹灰器;高參數(shù)鍋爐再熱器、過(guò)熱器布置16組蒸汽吹灰器,省煤器布置19組激波吹灰器。
(3) 其他:鍋爐管道、水位計(jì)、消音器、加藥裝置、儀器儀表等設(shè)備選型應(yīng)按工作壓力要求進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整。
2.1.4 鍋爐投資成本
綜合上述鍋爐成本對(duì)比情況形成中、高參數(shù)鍋爐投資成本匯總(見(jiàn)表6)。由于鍋爐參數(shù)的提高,使得鍋爐本體質(zhì)量顯著增加,同時(shí)受熱面材質(zhì)等級(jí)的提高及防腐措施的應(yīng)用,進(jìn)一步增加了鍋爐投資成本。
表6 中、高參數(shù)鍋爐投資成本匯總
由表6可以看出:?jiǎn)闻_(tái)600 t/d高參數(shù)鍋爐投資成本相較于中參數(shù)鍋爐差價(jià)高達(dá)1 379萬(wàn)元,其中64%為堆焊成本,防腐措施的應(yīng)用對(duì)前期投資成本有較大影響。
2.1.5 前期投資成本匯總
項(xiàng)目規(guī)模直接影響項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)性,對(duì)于垃圾焚燒項(xiàng)目常見(jiàn)的系統(tǒng)配置有:一爐一機(jī)(即一臺(tái)焚燒爐配置一臺(tái)汽輪發(fā)電機(jī));兩爐一機(jī)(即兩臺(tái)焚燒爐配置一臺(tái)汽輪發(fā)電機(jī));三爐兩機(jī)(即三臺(tái)焚燒爐配置兩臺(tái)汽輪發(fā)電機(jī))。主蒸汽參數(shù)直接影響焚燒系統(tǒng)、汽輪機(jī)系統(tǒng),對(duì)煙氣系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、水處理系統(tǒng)、公用系統(tǒng)影響較小,筆者僅對(duì)鍋爐、汽輪機(jī)投資成本進(jìn)行匯總分析。
中參數(shù)和高參數(shù)垃圾焚燒項(xiàng)目在不同規(guī)模不同配置的情況下前期投資成本差額匯總見(jiàn)表7。
表7 中、高參數(shù)垃圾焚燒項(xiàng)目前期投資成本差額匯總
由表7可以看出:前期投資成本差額按運(yùn)營(yíng)期28 a均攤到每年,年折舊差額隨項(xiàng)目規(guī)模的擴(kuò)大同時(shí)增長(zhǎng)。
就以往國(guó)內(nèi)垃圾焚燒項(xiàng)目運(yùn)行情況,水冷壁、過(guò)熱器、再熱器管系一般5~6 a更換省煤器管系10 a更換一次,其余部件(包括鍋筒、大部分結(jié)構(gòu)件等)使用壽命一般皆為30 a。其中,原高溫腐蝕嚴(yán)重區(qū)域的受熱面管系仍需要采取防腐措施。此外,蒸汽吹灰器所需蒸汽由低溫過(guò)熱器出口集箱引出,單臺(tái)蒸汽吹灰器耗蒸汽質(zhì)量流量約為85 kg/min(1.3 MPa),每次吹灰時(shí)間1~3 min,每班(8 h)吹灰2次,假定年運(yùn)行時(shí)間8 000 h,則單臺(tái)蒸汽吹灰器年平均耗汽質(zhì)量約為34 t。同時(shí),蒸汽吹灰器吹灰桿長(zhǎng)期受熱容易變形卡死,作為易耗品需要經(jīng)常更換傳動(dòng)部件和噴管。因此,每臺(tái)高參數(shù)鍋爐每年額外增加蒸汽消耗費(fèi)用約40萬(wàn)元,每臺(tái)鍋爐每年增加維護(hù)成本約20萬(wàn)元。中、高參數(shù)鍋爐單爐運(yùn)行維護(hù)總成本均攤到每年差額約為178萬(wàn)元。
2.3.1 發(fā)電量
通常垃圾焚燒項(xiàng)目以噸垃圾發(fā)電量、噸垃圾上網(wǎng)電量作為重要指標(biāo),體現(xiàn)電廠余熱利用水平,直接影響發(fā)電收益情況。不同規(guī)模的中、高參數(shù)垃圾焚燒項(xiàng)目發(fā)電量見(jiàn)表8。
表8 中、高參數(shù)項(xiàng)目規(guī)模對(duì)發(fā)電量的影響
由表8可以看出:對(duì)于項(xiàng)目規(guī)模較大的垃圾焚燒項(xiàng)目,主蒸汽參數(shù)越高,汽輪機(jī)汽耗率越低,噸垃圾發(fā)電量、噸垃圾上網(wǎng)電量越高,主蒸汽參數(shù)直接影響發(fā)電效率。而對(duì)于較小規(guī)模的垃圾焚燒項(xiàng)目,雖然汽輪機(jī)汽耗率也隨著主蒸汽參數(shù)的上升而降低,但由于高參數(shù)鍋爐額定蒸發(fā)量較少,中參數(shù)鍋爐發(fā)電量反而超過(guò)高參數(shù)鍋爐發(fā)電量。
2.3.2 發(fā)電收益對(duì)比
由于各地上網(wǎng)電價(jià)補(bǔ)貼標(biāo)準(zhǔn)存在差異,假設(shè)上網(wǎng)電價(jià)按全國(guó)上網(wǎng)電價(jià)平均標(biāo)準(zhǔn)(發(fā)電量為280 kW·h以?xún)?nèi)為0.65元/(kW·h)、發(fā)電量為280 kW·h以上為0.45元/(kW·h))計(jì)算,比較分析中、高參數(shù)項(xiàng)目規(guī)模對(duì)發(fā)電收益的影響情況,結(jié)果見(jiàn)表9。
表9 中、高參數(shù)項(xiàng)目規(guī)模對(duì)發(fā)電收益的影響
由表9可以看出:垃圾焚燒項(xiàng)目采用高參數(shù)模式,項(xiàng)目規(guī)模越大,凈收益差額將進(jìn)一步增大,經(jīng)濟(jì)效益越明顯。對(duì)于小規(guī)模垃圾焚燒項(xiàng)目,更適合采用傳統(tǒng)的中參數(shù)模式。對(duì)于中等規(guī)模垃圾焚燒項(xiàng)目,采用高參數(shù)模式的項(xiàng)目發(fā)電收入相比中參數(shù)模式的項(xiàng)目發(fā)電收入已逐漸增加,但由于高額的運(yùn)行維護(hù)成本,年平均凈收益仍然為負(fù)數(shù)。因此,中等規(guī)模垃圾焚燒項(xiàng)目仍然推薦采用中參數(shù)模式,但也可以考慮采用中溫次高壓不帶再熱器的模式,減少前期投資成本及運(yùn)行維護(hù)成本,從而保證項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)性。
在垃圾焚燒領(lǐng)域,中溫中壓技術(shù)已成熟穩(wěn)定運(yùn)行多年,在設(shè)計(jì)制造、運(yùn)行安全方面早已總結(jié)出一套完整的知識(shí)體系,安全運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)豐富。而中溫次高壓再熱技術(shù)雖然在火力發(fā)電領(lǐng)域也屬于成熟技術(shù),但區(qū)別于垃圾焚燒項(xiàng)目,垃圾成分復(fù)雜,燃燒情況、煙氣特性差異巨大。雖然高參數(shù)項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)效益明顯優(yōu)于中參數(shù)項(xiàng)目,但是對(duì)于電廠安全運(yùn)行仍然是一個(gè)巨大挑戰(zhàn)。2006年1月某生活垃圾焚燒項(xiàng)目作為國(guó)內(nèi)較早采用高參數(shù)模式的垃圾焚燒電廠正式投產(chǎn)運(yùn)行,但是在運(yùn)行4 a后,1號(hào)垃圾焚燒爐爐膛頂部水冷壁發(fā)生爆炸,造成多人受傷。事故發(fā)生后,該電廠只能降參數(shù)運(yùn)行,進(jìn)行技術(shù)整改,直接影響垃圾焚燒行業(yè)高參數(shù)化的推進(jìn)與發(fā)展。
如果為了降低前期投資成本,刻意減少防腐面積,將嚴(yán)重影響運(yùn)行安全性,增加受熱面管系爆管風(fēng)險(xiǎn),一旦發(fā)生緊急停爐事故甚至是人身傷害事故,必將影響垃圾焚燒電廠運(yùn)行情況及項(xiàng)目投資收益情況。因此,絕不可為了經(jīng)濟(jì)收益,忽視電廠安全運(yùn)行。
綜上所述,對(duì)于高參數(shù)項(xiàng)目,仍需要不斷總結(jié)探索,確保垃圾焚燒廠安全、穩(wěn)定、環(huán)保的運(yùn)行,并且建立更加規(guī)范的高參數(shù)運(yùn)營(yíng)管理制度。
近年來(lái),垃圾焚燒項(xiàng)目的高參數(shù)化已成為未來(lái)發(fā)展的方向,越來(lái)越多的高參數(shù)項(xiàng)目相繼投運(yùn),運(yùn)行維護(hù)經(jīng)驗(yàn)更加豐富;并且隨著新材料、新防腐技術(shù)的不斷突破,使得受熱面抗高溫腐蝕能力進(jìn)一步提高,高參數(shù)模式經(jīng)濟(jì)性?xún)?yōu)勢(shì)日趨顯著。但是,并非所有項(xiàng)目都適合高參數(shù)模式,不能盲目推崇高參數(shù)化,對(duì)于中小型垃圾焚燒項(xiàng)目更適合采用傳統(tǒng)的中參數(shù)模式。