生活垃圾與生物質(zhì)焚燒耦合發(fā)電系統(tǒng)分析與思考

李磊 周航 魏禮信 陳菁 豆文舉 何勇

（浙江億揚能源科技有限公司 浙江杭州 310013）

0 引言

隨著城市的規(guī)模不斷擴大、城市人口數(shù)量暴增，城市生活垃圾大量產(chǎn)生，據(jù)統(tǒng)計生活垃圾年增長率在8%～10%［1］。垃圾焚燒發(fā)電技術(shù)是一種比較有優(yōu)勢的垃圾處理方法［2］。根據(jù)國家“十四五”規(guī)劃要求，城鎮(zhèn)生活垃圾清運量達300 t/d 的城鎮(zhèn)要建設(shè)生活垃圾焚燒發(fā)電廠，但小規(guī)模垃圾焚燒發(fā)電廠經(jīng)濟效益較差，制約了城鎮(zhèn)小規(guī)模垃圾焚燒發(fā)電的發(fā)展。當(dāng)前，鄉(xiāng)村的農(nóng)林廢棄物（果木桿、秸稈以及模板等）焚燒發(fā)電已有成熟的產(chǎn)業(yè)鏈，對于縣城來講，一般生活垃圾清運量＜500 t/d，但同時其擁有充足的生物質(zhì)資源，這給生活垃圾焚燒及生物質(zhì)焚燒發(fā)電一體化建設(shè)提供了條件［3］。

1 生活垃圾焚燒發(fā)電技術(shù)

我國現(xiàn)階段生活垃圾處理和利用主要有填埋、焚燒以及堆肥等方式。相較于焚燒發(fā)電技術(shù)，填埋會占用大量土地資源，同時會產(chǎn)生大量的滲濾液和甲烷等溫室氣體，對環(huán)境造成嚴重污染。堆肥同樣會占用大量土地資源，同時需要長時間的自然發(fā)酵過程，生產(chǎn)成本較高，生產(chǎn)環(huán)境也較差。因此，生活垃圾焚燒發(fā)電技術(shù)是對生活垃圾“無害化、減量化、資源化”處置的最有效手段。

生活垃圾焚燒技術(shù)可分為流化床鍋爐及爐排爐技術(shù)。國內(nèi)經(jīng)過幾十年的發(fā)展，目前機械爐排爐已經(jīng)成為絕對的市場主流爐型［4］。由于生活垃圾焚燒發(fā)電技術(shù)在國內(nèi)起步較晚，同時我國國內(nèi)生活垃圾成分又比較復(fù)雜，為保證垃圾焚燒發(fā)電廠運行的安全穩(wěn)定性，初期的垃圾焚燒發(fā)電廠采用中溫中壓（4.0 MPa/400 ℃）蒸汽參數(shù)，全廠熱效率約為21%。2006 年，廣州李坑垃圾焚燒發(fā)電廠率先采用中溫次高壓（6.4 MPa/450 ℃）蒸汽參數(shù)，全廠熱效率約為24%，為國內(nèi)垃圾焚燒發(fā)電系統(tǒng)試用更高參數(shù)提供了有力依據(jù)。近些年也有垃圾焚燒發(fā)電項目嘗試更高的蒸汽參數(shù)，如光大蘇州四期垃圾焚燒發(fā)電廠采用了13.0 MPa/430 ℃/410 ℃，進一步提高了全廠熱效率。

隨著國內(nèi)居民生活水平的不斷提升，以及生活垃圾分類的實施，入爐垃圾熱值不斷提升，對于蒸汽參數(shù)較高的鍋爐，頂棚輻射受熱面及過熱器易出現(xiàn)高溫腐蝕爆管的情況［5］。因此，為降低余熱鍋爐爆管風(fēng)險，生活垃圾焚燒發(fā)電余熱鍋爐嘗試采用噴涂或堆焊等技術(shù)方法對易爆管位置進行保護，如一煙道頂棚及二煙道處。其中，高溫堆焊（inclonel 625）技術(shù)應(yīng)用較多，其價格也相對較高約為10 000～20 000 元/m2，這導(dǎo)致余熱鍋爐成本的增加。垃圾余熱鍋爐受熱面堆焊技術(shù)處理表面情況見圖1。

圖1 垃圾余熱鍋爐受熱面堆焊技術(shù)處理表面

2 生物質(zhì)（農(nóng)林廢棄物）發(fā)電技術(shù)

生物質(zhì)發(fā)電技術(shù)主要分為生物質(zhì)熱解氣化與直燃等方式。生物質(zhì)氣化屬于熱化學(xué)反應(yīng)，生物質(zhì)一般受氧氣、水蒸氣或二氧化碳等氣化劑的作用在高溫環(huán)境中分解為氫氣、一氧化碳、甲烷等可燃氣體［6］。生物質(zhì)氣化產(chǎn)生的氣體在燃燒過程中不會產(chǎn)生污染或有毒氣體，可以通過直接燃燒氣化氣進行發(fā)電。常見的生物質(zhì)氣化可分為固定床和流化床2 大類。根據(jù)爐內(nèi)氣體流動方向，固定床又可以分為上吸式、下吸式及橫吸式3 種類型［7］。但生物質(zhì)氣化氣中焦油含量高成為制約生物質(zhì)氣化技術(shù)商業(yè)化發(fā)展的決定性因素之一［8］。

目前，國內(nèi)生物質(zhì)發(fā)電項目多采用直燃方式，通過配置余熱鍋爐及汽輪發(fā)電機組，對生物質(zhì)能進行資源化利用。由于生物質(zhì)熱值普遍較高，普通空冷式層燃爐不適用生物質(zhì)焚燒，生物質(zhì)直燃爐多采用流化床鍋爐及水冷振動爐排。而通常水冷振動爐排在年運行小時數(shù)、綜合廠用電率及飛灰率等方面均優(yōu)于流化床鍋爐。由于農(nóng)林廢棄物成分較穩(wěn)定，同時腐蝕性元素Cl 含量較低，生物質(zhì)焚燒系統(tǒng)可采用高溫高壓（9.8 MPa/540 ℃）蒸汽參數(shù)，全廠熱效率能夠達到30%及以上。若進一步提高蒸汽參數(shù)及采用中間再熱等技術(shù)，全廠熱效率將可進一步提升。

3 生活垃圾焚燒及生物質(zhì)發(fā)電一體化研究

3.1 生活垃圾焚燒及生物質(zhì)發(fā)電一體化方法

燃煤發(fā)電與生物質(zhì)耦合發(fā)電包含：直接耦合、間接耦合和并聯(lián)耦合［9-10］。直接耦合是將預(yù)處理后的生物質(zhì)與煤一同送入燃煤鍋爐混合燃燒；間接耦合是將生物質(zhì)氣化產(chǎn)生的生物質(zhì)燃氣輸送至鍋爐混合燃燒；而并聯(lián)耦合則是生物質(zhì)在獨立的鍋爐內(nèi)燃燒，并將產(chǎn)生的蒸汽并入煤粉爐的蒸器管網(wǎng)，然后共同進入汽輪發(fā)電機耦合發(fā)電。李昱喆等［11］通過研究得出，將50 MW 等級生物質(zhì)鍋爐與600 MW 等級燃煤鍋爐蒸汽集成組成的耦合發(fā)電系統(tǒng)，生物質(zhì)發(fā)電效率可達41.41%，比獨立運行時的生物質(zhì)發(fā)電系統(tǒng)高出8.24%。

對于生活垃圾與生物質(zhì)耦合發(fā)電同樣可以借鑒以上3 種方式。其中混合燃燒可以解決城市（城鎮(zhèn)）生活垃圾熱值低、灰份高、水分高和產(chǎn)生量不足的問題，同時也可解決城市周邊農(nóng)村稻、麥、高梁等秸稈問題［12］，增加了縣級以下地區(qū)建設(shè)垃圾焚燒廠的可行性。張世鑫等［13］通過理論分析及工業(yè)應(yīng)用，開發(fā)了多個燃煤耦合生物質(zhì)固廢發(fā)電應(yīng)用工藝及關(guān)鍵設(shè)備，驗證了利用300 MW 循環(huán)流化床鍋爐同時處理生物質(zhì)200 t/d、固廢400 t/d、污泥200 t/d、垃圾衍生燃料（RDF）50 t/d 的可行性。

生活垃圾焚燒會產(chǎn)生含飛灰。爐排爐飛灰產(chǎn)生量約為垃圾焚燒量的2%～5%，而流化床由于運行方式等原因，飛灰產(chǎn)生量更大。飛灰中含有重金屬等污染物，其中Pb、Cd、Hg 和Zn 是飛灰中的主要重金屬污染元素。按我國危險廢物浸出毒性鑒別標(biāo)準(zhǔn)，生活垃圾焚燒所產(chǎn)生的飛灰屬危險廢棄物（HW18）；而生物質(zhì)（農(nóng)林廢棄物）發(fā)電所產(chǎn)飛灰并不屬于危險廢棄物。若將生活垃圾與生物質(zhì)摻混后一同焚燒，所產(chǎn)生的飛灰有較大的不確定性。因此，從環(huán)保角度來講，為減低運營成本及規(guī)避環(huán)保風(fēng)險，不建議采用將生物質(zhì)與生活垃圾直接耦合混燒的方式。生活垃圾氣化技術(shù)與生物質(zhì)氣化技術(shù)基本相同，所面臨的技術(shù)難點也基本類似。目前國內(nèi)運行業(yè)績較少（固定床單臺處理規(guī)模一般較小），因此，采用氣化后間接耦合在當(dāng)前并不適合用于生活垃圾與生物質(zhì)耦合發(fā)電。

而將生活垃圾焚燒發(fā)電系統(tǒng)所產(chǎn)蒸汽并入生物質(zhì)汽水系統(tǒng)蒸汽管網(wǎng)，不僅能延續(xù)利用目前較為成熟的焚燒技術(shù)，同時可以規(guī)避直接耦合所帶來飛灰是否屬于危險廢棄物的風(fēng)險。因此，并聯(lián)耦合技術(shù)是當(dāng)前最適合生活垃圾焚燒與生物質(zhì)發(fā)電一體化的技術(shù)。

3.2 生活垃圾焚燒及生物質(zhì)發(fā)電一體化系統(tǒng)分析

生活垃圾焚燒與生物質(zhì)電廠并聯(lián)耦合系統(tǒng)，如圖2 所示。系統(tǒng)中生活垃圾焚燒余熱鍋爐參數(shù)選用高壓飽和或微過熱蒸汽鍋爐（9.8 MPa），生活垃圾焚燒爐僅作為飽和或微過熱蒸汽鍋爐，將產(chǎn)生的蒸汽并入生物質(zhì)鍋爐汽包中，2 股蒸汽混合后共同進入生物質(zhì)鍋爐過熱器吸熱最終變成高溫高壓蒸汽（9.8 MPa/540 ℃）。

圖2 生活垃圾焚燒與生物質(zhì)發(fā)電并聯(lián)耦合系統(tǒng)簡圖

（1）鍋爐熱效率的提升。將垃圾焚燒爐由4.0 MPa（或6.4 MPa）提升為9.8 MPa，鍋爐給水飽和溫度也隨著壓力的提升而提升，4.0 MPa 水的飽和溫度約為250 ℃，9.8 MPa 水的飽和溫度約為310 ℃。由于鍋爐內(nèi)工質(zhì)平均吸熱溫度升高（蒸汽蒸發(fā)階段吸熱溫度由250 ℃提升至310 ℃），如圖3 所示，因此，鍋爐熱效率隨之提高。

圖3 朗肯循環(huán)T-S 簡圖

（2）汽機發(fā)電效率的提升。垃圾爐飽和蒸汽進入生物質(zhì)爐進一步加熱，原本中溫中壓（或中溫次高壓）生活垃圾焚燒發(fā)電系統(tǒng)，變?yōu)楦邷馗邏赫羝l(fā)電系統(tǒng)。相較而言，4.0 MPa/400 ℃時蒸汽的焓值為3 215 kJ/kg，而9.8 MPa/540 ℃時蒸汽的焓值為3 477 kJ/kg。因此，在汽機排汽壓力不變的情況下，蒸汽在汽輪機內(nèi)焓降更大，如圖3 所示，同時大容量汽機的發(fā)電效率比小容量汽機效率高。

（3）簡單計算分析。以常規(guī)900 t/d 生物質(zhì)電廠及500 t/d垃圾焚燒發(fā)電廠為例，暫未考慮排污，對耦合后蒸發(fā)量及發(fā)電量進行簡單計算對比，結(jié)果見表1。

表1 計算工況

由表1 可知，常規(guī)900 t/d 生物質(zhì)發(fā)電系統(tǒng)和500 t/d 垃圾焚燒發(fā)電系統(tǒng)單獨運行時，其發(fā)電量之和（42.55 MW）小于生活垃圾焚燒及生物質(zhì)發(fā)電一體化系統(tǒng)的發(fā)電量（44.16 MW）。

4 結(jié)論

（1）生活垃圾與生物質(zhì)直接摻燒技術(shù)受制于垃圾飛灰限制。因此，蒸汽側(cè)耦合更適應(yīng)垃圾焚燒與生物質(zhì)直燃項目一體化建設(shè)。

（2）提升發(fā)電系統(tǒng)蒸汽參數(shù)，可以提高全廠熱效率，但同樣會增加余熱鍋爐初始投資及運行風(fēng)險。

（3）生活垃圾焚燒爐不設(shè)置過熱器或僅設(shè)置少量過熱器，避免了由于蒸汽參數(shù)的增加所導(dǎo)致過熱器高溫腐蝕情況。系統(tǒng)不僅提高了垃圾發(fā)電廠發(fā)電效率，同時也規(guī)避了由于直接耦合燃燒造成的環(huán)保風(fēng)險。

（4）對于農(nóng)林廢棄物資源豐富的縣城，將生活垃圾焚燒發(fā)電與生物質(zhì)采用并聯(lián)耦合發(fā)電技術(shù)一體化設(shè)計建設(shè)，可以增加全廠發(fā)電量，提升一體化電廠綜合收益，有利于擴大項目規(guī)模，提高經(jīng)濟能力。

（5）以900 t/d 生物質(zhì)焚燒發(fā)電廠及500 t/d 生活垃圾焚燒發(fā)電廠為例，單獨運行時，生物質(zhì)電廠發(fā)電量為34.5 MW，垃圾焚燒發(fā)電量為8.05 MW，合計42.55 MW。當(dāng)采用蒸汽側(cè)耦合時，總發(fā)電量可提升至44.16 MW。