垃圾焚燒發(fā)電廠沼氣入爐摻燒的成本收益優(yōu)化研究

余端民，胡洪瑞，王乾維

（四川能投節(jié)能環(huán)保投資有限公司，成都 610000）

生活垃圾在垃圾坑熟化發(fā)酵過程中會(huì)產(chǎn)生大量的滲濾液[1-2]，其產(chǎn)生量約占生活垃圾總量的20%，滲濾液屬高濃度有機(jī)廢水，化學(xué)需氧量（COD）可達(dá)40 000～60 000 mg/L。目前，垃圾焚燒發(fā)電廠常用的滲濾液處理工藝為“內(nèi)外循環(huán)厭氧反應(yīng)器（IOC）+膜生物反應(yīng)器（MBR）+管式超濾膜（TUF）+反滲透膜（RO）”，厭氧發(fā)酵過程會(huì)產(chǎn)生大量沼氣，傳統(tǒng)處理方式通常采用火炬直燃排放，但存在能源浪費(fèi)、環(huán)境污染等問題。垃圾滲濾液沼氣含有硫化氫（H2S）等有害物質(zhì)，如果不進(jìn)行適當(dāng)處理，會(huì)對(duì)生態(tài)環(huán)境和人體健康造成危害。直接排放廢氣可能導(dǎo)致垃圾焚燒發(fā)電廠周邊居民的投訴，影響企業(yè)形象。為了解決這一問題，我國垃圾焚燒發(fā)電廠正在大力推廣沼氣入爐摻燒，其原理是滲濾液厭氧發(fā)酵產(chǎn)生的沼氣經(jīng)沼氣燃燒系統(tǒng)燃燒處理，燃燒后的熱煙氣送入生活垃圾焚燒爐，沼氣燃燒的熱量作為額外能量進(jìn)入生活垃圾焚燒發(fā)電系統(tǒng)，燃燒產(chǎn)生的廢氣利用煙氣處理系統(tǒng)處理[3-5]，從而實(shí)現(xiàn)能源的有效利用，減少污染排放。沼氣入爐摻燒有多種工藝路線，在生活垃圾焚燒發(fā)電“運(yùn)營為王”的時(shí)代，如何選擇低成本、高收益的工藝路線一直困擾著各廠的經(jīng)營人員。某生活垃圾焚燒發(fā)電試點(diǎn)項(xiàng)目沼氣入爐摻燒存在一定正收益，本研究結(jié)合具體案例，對(duì)比幾種垃圾滲濾液沼氣入爐摻燒的資源化工藝路線，最終得出經(jīng)濟(jì)效益最優(yōu)的工藝路線，為后續(xù)項(xiàng)目推廣提供借鑒。

1 試點(diǎn)項(xiàng)目基本情況

試點(diǎn)項(xiàng)目建設(shè)2 臺(tái)生活垃圾焚燒爐排爐（單臺(tái)設(shè)計(jì)處理規(guī)模300 t/d），配置1 臺(tái)15 MW 凝汽式汽輪發(fā)電機(jī)組，滲濾液的設(shè)計(jì)處理規(guī)模為200 t/d，采用“預(yù)處理+內(nèi)外循環(huán)厭氧反應(yīng)器（IOC）+厭氧好氧（AO）+膜處理”的組合工藝。項(xiàng)目設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示，余熱鍋爐型式為中溫次高壓?jiǎn)纹⑹窖h(huán)鍋爐。

表1 項(xiàng)目設(shè)計(jì)參數(shù)

2 發(fā)電收益核算及運(yùn)營成本

2.1 發(fā)電收益核算

試點(diǎn)項(xiàng)目厭氧沼氣母管安裝流量計(jì)，統(tǒng)計(jì)連續(xù)50 d 產(chǎn)氣量，日均沼氣產(chǎn)量為2 308 Nm3。取樣化驗(yàn)，明確沼氣成分指標(biāo)，其中甲烷（CH4）、二氧化碳（CO2）、氮?dú)猓∟2）的含量分別為69.17%、20.43%、7.90%，低位發(fā)熱量為20.9 MJ/Nm3。沼氣燃燒產(chǎn)生的熱量作為外部熱源送入生活垃圾焚燒發(fā)電系統(tǒng)，產(chǎn)生的直接收益是發(fā)電量的增加。增量電量常用的計(jì)算方法有兩種，即全廠熱效率法和入爐垃圾折算法。

一是全廠熱效率法。試點(diǎn)項(xiàng)目鍋爐效率為83%，汽輪機(jī)組絕對(duì)電效率為33.5%，考慮管道效率、機(jī)械效率，全廠熱效率約為27%，經(jīng)計(jì)算，單位沼氣發(fā)電量為1.56 kW·h。二是入爐垃圾折算法。沼氣低位發(fā)熱量為20.9 MJ/Nm3，試點(diǎn)項(xiàng)目入爐垃圾低位發(fā)熱量變化范圍為4 500～8 792 MJ/t，取均值6 646 MJ/t，每噸入爐垃圾發(fā)電量為500 kW·h，單位沼氣發(fā)電量為1.57 kW·h。兩種計(jì)算方法獲得的單位沼氣發(fā)電量相差0.64%，幾乎一致。本研究采用全廠熱效率法，沼氣入爐摻燒系統(tǒng)每年運(yùn)行300 d，上網(wǎng)電價(jià)采用試點(diǎn)項(xiàng)目當(dāng)?shù)貥?biāo)桿電價(jià)0.401 2 元/（kW·h），經(jīng)計(jì)算，全年沼氣入爐收益為43.33 萬元。

2.2 運(yùn)營成本

沼氣入爐摻燒屬于廠內(nèi)技改項(xiàng)目，因此不新增人員，不考慮人工成本，只考慮設(shè)備運(yùn)行所耗的電費(fèi)和備品備件費(fèi)。增壓風(fēng)機(jī)為沼氣入爐摻燒的必備設(shè)備，一般配備兩臺(tái)7.5 kW 風(fēng)機(jī)，一用一備，由于厭氧發(fā)酵的沼氣產(chǎn)量存在波動(dòng)，風(fēng)機(jī)運(yùn)行頻率低，按50%負(fù)荷計(jì)算，年耗電量為2.7 萬kW·h，電費(fèi)為1.08 萬元。沼氣入爐摻燒系統(tǒng)整體比較簡(jiǎn)單，備品備件需求量少，年備品備件費(fèi)用為0.3 萬元。因此，總的年經(jīng)營成本為1.38 萬元。

3 不同沼氣入爐摻燒工藝的經(jīng)濟(jì)效益分析

經(jīng)設(shè)計(jì)，沼氣入爐摻燒共有4 種工藝方案?；驹O(shè)計(jì)思路是來自厭氧罐的沼氣經(jīng)汽水分離后由增壓系統(tǒng)增壓，然后送入沼氣燃燒系統(tǒng)，燃燒產(chǎn)生的熱煙氣送入鍋爐進(jìn)行資源利用。同時(shí)，增加干法脫硫?qū)φ託膺M(jìn)行凈化，沼氣流經(jīng)脫硫塔，使其與氧化鐵脫硫劑床層接觸，吸收沼氣中的H2S，或者增加沼氣儲(chǔ)柜，把沼氣作為啟停爐輔助燃料。方案一是汽水分離器+沼氣增壓風(fēng)機(jī)+沼氣燃燒器；方案二是汽水分離器+沼氣增壓風(fēng)機(jī)+干法脫硫凈化+沼氣燃燒器；方案三是汽水分離器+儲(chǔ)氣柜+沼氣增壓風(fēng)機(jī)+沼氣燃燒器；方案四是汽水分離器+儲(chǔ)氣柜+沼氣增壓風(fēng)機(jī)+干法脫硫凈化+沼氣燃燒器。

3.1 投資運(yùn)營成本比較

方案一是沼氣入爐摻燒的基礎(chǔ)工藝路線，其余工藝是在其上進(jìn)行完善。最大沼氣流量為300 Nm3/h，整套工藝的建設(shè)成本為85 萬元。汽水分離器配備1 臺(tái)，設(shè)計(jì)處理規(guī)模為300 Nm3/h；沼氣增壓風(fēng)機(jī)配備2 臺(tái)，單臺(tái)設(shè)計(jì)處理規(guī)模為300 Nm3/h；沼氣燃燒器配備1 臺(tái)，設(shè)計(jì)處理規(guī)模為30～300 Nm3/h。另外，其他方案需要增配部分裝置。沼氣脫硫凈化裝置配備2 臺(tái)，單臺(tái)設(shè)計(jì)處理規(guī)模為300 Nm3/h，增加投資10 萬元，干法脫硫運(yùn)營成本增加0.03 元/Nm3，無裝機(jī)功率。儲(chǔ)氣柜配備1 臺(tái)，設(shè)計(jì)容量為1 000 Nm3，增加投資25 萬元，增加0.75 kW 裝機(jī)功率。每年運(yùn)行300 d，則4 種工藝投資運(yùn)營成本比較如表2所示。

表2 4 種工藝投資運(yùn)營成本比較

3.2 經(jīng)濟(jì)效益對(duì)比

采用凈現(xiàn)值、內(nèi)部回報(bào)率和投資回收期等指標(biāo)，評(píng)估經(jīng)濟(jì)效益。凈現(xiàn)值是現(xiàn)金流入和現(xiàn)金流出的差額，反映投資項(xiàng)目的絕對(duì)收益；內(nèi)部回報(bào)率則是使項(xiàng)目的凈現(xiàn)值為零的折現(xiàn)率，反映投資項(xiàng)目預(yù)期的相對(duì)收益；投資回收期則是指資本投資回收的時(shí)間長(zhǎng)度。計(jì)算前，要合理選擇基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。計(jì)算期取15年，參照項(xiàng)目現(xiàn)有特許經(jīng)營期。設(shè)備折舊采用線性折舊法，殘值率為5%，綜合折舊率為6.67%。增值稅稅率為13%，按照垃圾發(fā)電項(xiàng)目政策，100%即征即退；銷售稅金附加包括城市維護(hù)建設(shè)稅和教育費(fèi)附加，以增值稅稅額為基礎(chǔ)征收，稅率分別為1%和5%；所得稅稅率為25%。沼氣柜增量投資收益以節(jié)約的啟爐天然氣費(fèi)用計(jì)算，項(xiàng)目當(dāng)?shù)靥烊粴鈨r(jià)格為3 元/Nm3，年平均啟停爐6 次，年增量收益為1.8 萬元?；鶞?zhǔn)收益率為8%?；谝陨匣A(chǔ)數(shù)據(jù)，對(duì)4 種沼氣入爐摻燒工藝的經(jīng)濟(jì)效益進(jìn)行測(cè)算，如表3所示。從財(cái)務(wù)評(píng)價(jià)的角度來看，4 種工藝的項(xiàng)目投資財(cái)務(wù)內(nèi)部收益率均大于基準(zhǔn)收益率，稅后財(cái)務(wù)凈現(xiàn)值均大于0 萬元，4 種工藝在財(cái)務(wù)上是可行的，其財(cái)務(wù)評(píng)價(jià)指標(biāo)是可以接受的。

表3 4 種工藝經(jīng)濟(jì)效益對(duì)比

增設(shè)沼氣柜存儲(chǔ)的沼氣作為啟停爐輔助燃料，其增量收益較小，不能彌補(bǔ)成本增加的影響。同時(shí)，沼氣柜作為危險(xiǎn)源，按照相關(guān)規(guī)范要求，周邊需要加設(shè)安全防護(hù)措施，因此不推薦。收益一定時(shí)，投資成本是影響項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)效益的主要因素，投資成本越大，內(nèi)部收益率、財(cái)務(wù)凈現(xiàn)值越小，項(xiàng)目投資回收期越長(zhǎng)。方案一財(cái)務(wù)內(nèi)部收益率、財(cái)務(wù)凈現(xiàn)值最大，投資回收期最短，它是最優(yōu)方案。

4 結(jié)語

經(jīng)財(cái)務(wù)評(píng)價(jià)，垃圾焚燒發(fā)電廠沼氣入爐摻燒具有一定經(jīng)濟(jì)效益，但其增量收益較小，投資成本越小，內(nèi)部收益率、財(cái)務(wù)凈現(xiàn)值越大，投資回收期越短。方案一是汽水分離器+沼氣增壓風(fēng)機(jī)+沼氣燃燒器，也是最優(yōu)方案，可以推廣應(yīng)用。