垃圾焚烧厂一次风预热系统设计优化及分析

郭孝武

（上海康恒环境股份有限公司，上海 201703）

1 引言

随着我国经济的持续增长，人们生产生活产生的垃圾量不断增多，垃圾围城的现象日益突出，城市生活垃圾焚烧技术因其良好的减量化、资源化和无害化效果，在我国得到较快的发展［1］。针对我国生活垃圾的低热值、高水分特点，通常需增设空气预热器把一次风加热，以促进垃圾的干燥和燃烧。垃圾焚烧发电厂焚烧用一次风普遍采用蒸汽加热空气的方法，大部分垃圾焚烧电厂采用二段式蒸汽空气预热器［2］；此外，考虑到北方地区或其他冬季寒冷时段，通常在蒸汽预热器后端设有直接式预热器，即通过设置燃烧柴油、天然气进一步加热一次风，即使垃圾含水率特别高，也能有效保证垃圾的充分干燥和完全燃烧。

常规的蒸汽空气预热器中蒸汽加热空气冷凝后经疏水系统进入除氧器。随着垃圾处理规模及锅炉主蒸汽参数的提高，高品质蒸汽的抽汽量较大，除氧器的内压力增加，汽水能量损失也加大，因此针对不同规模炉排炉及余热锅炉，需要合理的设计一次风预热系统以提高焚烧发电的经济性。

本研究通过对常规的一次风预热系统进行优化改进，提出了一种三段式蒸汽预热器及沼气式热风炉模式。基于数值计算，分别就二段式及三段式预热器作技术分析，通过对比不同垃圾处理量及余热锅炉参数下预热器消耗的抽汽量，为垃圾焚烧发电项目的预热器选型及设计提供理论依据。同时对直接式预热器进行工艺优化设计，即回收渗滤液池产生的沼气，利用沼气式热风炉对一次风进一步加热，节约了一次风加热的能源消耗，提高了焚烧厂运行的经济性。

2 一次风预热系统

完整的一次风系统包括从吸风口开始，经过风机、预热器后到达炉排渣斗的所有风管及其附件。一次风风机从垃圾坑吸入空气，并将其作为燃烧空气从炉排下的渣斗向各炉排提供空气。设计优化后的一次风预热系统工艺流程如图1 所示：①采用三段式蒸汽空气预热器先对一次风加热；②采用沼气式热风炉对一次风进行再次加热；③为预热器设置旁路及电动风门来调节控制一次风温。

图1 一次风预热系统工艺流程

2.1 蒸汽空气预热器

垃圾焚烧厂多采用蒸汽空气预热器，普遍为二段式：低压段和高压段，其抽汽热源分别来自汽轮机抽汽及锅炉汽包饱和蒸汽。即来自垃圾坑的冷空气通常首先在低压段被加热到140 ℃，然后在高压段进一步被加热至220 ℃，蒸汽换热冷凝后产生的饱和疏水分别经过疏水管道进入除氧器，如图2 所示。

图2 二段式蒸汽空气预热器示意

针对大型炉排炉，且为高参数的余热锅炉，可对原有二段式预热器进行技术改造，如图3 所示，在预热器低压段前再设置过冷段，形成三段式，同时预热器旁设置闪蒸罐。来自高压段的高压过冷疏水进入闪蒸罐进行降压处理，闪蒸罐产生的低压蒸汽与低压段抽汽混合进入低压段进一步换热，低压段换热后产生的饱和水与闪蒸罐产生的饱和水混合后再同时进入过冷段，在过冷段与一次风进一步换热降低至低压过冷状态，最后疏水再全部进入除氧器。相对比二段式预热器，三段式可有效利用汽水余热，经济性得以提高，同时预热器产生的都是低压过冷水，可有效保证在不同负荷下除氧器的热平衡，避免除氧器出现自身沸腾现象。

图3 三段式蒸汽空气预热器示意

2.2 烟气空气预热器

针对某些寒冷地区或垃圾热值较低的区域，当仅采用蒸汽空气预热器时，一次风依然不能达到合适温度时，可在蒸汽空气预热器后方再设置1 套烟气空气预热器，可对一次风进一步加热至300 ℃，烟气空气预热器型式如图4 所示。由于锅炉管束设置在锅炉烟道内，利用余热锅炉高温烟气对一次风进行加热，无需其他高品质热源加热，经济性较高，但由于其布置在锅炉烟道中，安装布置较为复杂，同时生活垃圾在焚烧炉中会产生大量的HCl、HF、SO2，通常会遇到高温腐蚀或低温腐蚀的问题。另外，垃圾焚烧锅炉运行时，烟气中带有大量的灰分，它会对烟气空气预热器管子产生磨损，缩短使用寿命，如图5 所示。

图4 烟气空气预热器型式

图5 烟气空气预热器管子腐蚀磨损情况

2.3 热风炉

目前在工程应用中，为进一步提高一次风温度，通常也会设计1 套热风炉来取代烟气空气预热器，即利用燃烧天然气、柴油或沼气产生的高温烟气在热风炉中混合加热一次风。但采用燃油式或天然气式热风炉需要燃烧大量的柴油或天然气，造成焚烧厂运行成本加大。

垃圾在垃圾池内储存时会析出大量的渗滤液，厂内渗滤液处理站的厌氧反应器会产生大量的沼气，沼气经脱硫净化后主要由甲烷、二氧化碳气体组成。根据运行项目的现场实测数据，沼气中甲烷含量一般占55%～75%、二氧化碳含量占25%～40%、其他气体占5%～10%。沼气的热值为20 800～23 600 kJ/m3，是一种高质量的清洁燃料，但在目前的垃圾焚烧厂中普遍会通过火炬燃烧来处置产生的沼气，造成了能源的浪费。

本研究在原始火炬燃烧的基础之上，进一步优化沼气利用工艺，如图6 所示。厌氧池产生的沼气经过汽水分离器干燥后，通过罗茨风机输送至沼气罐中储存，通过压力控制仪检测沼气罐内气压，当压力到达设定值时，打开进气阀、启动沼气热风炉，沼气通过阻火器至沼气燃烧装置，与空气混合后燃烧，当沼气罐内气压低于设定值时，增加风机转速，调节沼气的供应量。通过设置沼气罐及优化逻辑控制，可克服沼气供应的不稳定性缺陷，有效保证了一次风加热的连续性及稳定性，提高了焚烧厂的发电效率。

图6 沼气热风炉工艺流程

3 预热器设计计算

3.1 基础条件

以机械往复式焚烧炉为例，入炉垃圾热值7 113 kJ/kg，单炉垃圾处理规模400～800 t/d，选取3种余热锅炉主蒸汽参数：①4.0 MPa（g）、400 ℃，②5.4 MPa（g）、450 ℃，③6.4 MPa（g）、485 ℃；低压段汽轮机抽汽参数：1.0 MPa（g）、300 ℃，垃圾元素分析见表1。

表1 生活垃圾元素分析

3.2 数值计算方法

由热平衡计算每段预热器蒸汽抽汽量，其表达式为：

式中，D 为每段预热器抽汽量，kg/h；hci、hce分别为每段预热器入口前、后蒸汽焓值，kJ/kg；Q 为每段预热器空气吸热量，kJ/h，其表达式为：

式中，hki、hke分别为每段预热器入口前、后一次风空气的比热，kJ/kg；L0为炉排炉一次风量，m3/h；其表达式［3］为：

式中，λ 为一次风过量空气系数，λ=1.3；C、H、O、S 分别为碳、氢、氧、硫质量比率，%；R为垃圾处理量，kg/h。

本研究中所描述的三段式预热器方案中闪蒸罐工作压力设为1.0 MPa（高于除氧器工作压力0.26 MPa），闪蒸罐中二次蒸发量及产生的饱和水量可由以下质热平衡式计算［4］：

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式中：D0为闪蒸罐中产生的二次蒸发量，kg/h；Dgy为预热器高压段排出的进入闪蒸罐中的冷凝水量，kg/h；i 为预热器高压段排出的进入闪蒸罐中的冷凝水焓值，kJ/kg；D1为闪蒸罐闪蒸后排出的冷凝水量，kg/h；i1为闪蒸罐闪蒸后排出的冷凝水焓值，kJ/kg；i2为闪蒸罐产生的二次蒸汽焓值，kJ/kg。η 为闪蒸罐热损失，一般取0.98；x 为二次蒸汽的干度，一般为0.97。

预热器低压段抽出的汽轮机蒸汽所具有的发电能力可由下式计算［5］：

式中：N0为汽轮机组发电功率，MW；Ddy为预热器低压段汽机抽汽量，kg/h；ηj为汽轮机机械效率，一般取0.98；ηd为发电机发电效率，一般取0.97；hn取汽机末级排汽参数0.007 5 MPa、41 ℃时的蒸汽焓值2 576.2 kJ/kg。

本研究中渗滤液厌氧处理的沼气发生量可由下式计算：

式中：Qa为厌氧沼气量，m3/d；Q为渗滤液产生量，m3/d；C0为厌氧反应进水COD 浓度，宜取65 kg/m3；Ce为厌氧反应出水COD 浓度，宜取8.0 kg/m3；ηz为每千克COD 的沼气产率，宜取0.4 m3/kg。

4 计算结果与分析

在数值计算中，设定入炉垃圾热值7 113 kJ/kg，汽轮机抽汽参数为1.0 MPa（g）、300 ℃，通过选取常规的3 种不同类型余热锅炉压力参数4.0、5.4、6.4 MPa，其汽包压力分别对应为4.7、6.0、7.0 MPa。

4.1 低压段汽轮机抽汽量对比分析

蒸汽空气预热器中低压段抽汽通常来源于在汽轮机中做过部分功的过热蒸汽（1.0 MPa（g）、300℃），以抽汽方式进入预热器加热一次风。这部分抽汽由于尚未完全膨胀做功，其压力和温度相对较高，但与汽包饱和蒸汽相比，其蒸汽品质较低。因此，在实际项目运行中，无论对于二段式还是三段式预热器，在保证正常焚烧炉所需供风温度情况下，应优先采用低品质的汽轮机抽汽加热一次风。

与二段式预热器相比，为确定采用三段式预热器所能节约的汽机抽汽量，图7 给出了在3 种锅炉参数下，汽机抽汽节约量随垃圾处理量的变化规律。由图7 可看出，对同种余热锅炉参数，垃圾处理规模越大，三段式预热器所能节省的汽机抽汽量越大。即：在垃圾焚烧厂一次风预热器设计选型中，焚烧炉处理规模越大，三段式预热器的优势越为明显。

图7 不同处理规模下三段式预热器汽机抽汽节约量

4.2 高压段汽包抽汽量对比分析

三段式预热器高压段汽包抽汽全部换热至180℃高压冷凝水，然后通过闪蒸罐、低压段和过冷段进一步冷凝至90 ℃，最后引出至除氧器。与常规的二段式预热器相比，通过降低疏水温度，较大程度回收了汽水余热，同时可避免因锅炉及汽机负荷波动而引起的除氧器自身沸腾现象，设备使用安全性较高。

由图8 可看出，对同种参数余热锅炉，随着垃圾处理规模的增加，三段式预热器的汽包抽汽节省量成线性逐渐增加；相应的，对相同垃圾处理规模，锅炉参数越高，三段式预热器抽汽量节约也越明显。即垃圾焚烧处理规模越大，锅炉参数越高，该种三段式预热器经济效果越明显。

图8 不同处理规模下三段式预热器汽包抽汽节约量

4.3 经济效益分析

以750 t/d，7 113 kJ/kg，余热锅炉参数6.4 MPa、485 ℃为例，按0.65 元/kWh、每台预热器每年运行8 000 h 计算，一次风预热器收益分析结果如表2 所示。使用每台三段式预热器发电功率增加547.4 kW，每年折合人民币284.65 万元。根据工程投资经验，三段式预热器增加的折旧费1.0万元/a，则采用三段式预热器可增加收益283.65 万元/a。

同样以750 t/d 入炉量为例，取渗滤液析出率20%，产生量188 m3/d，根据式（7） 计算沼气量为178.6 m3/h，按照沼气热值20 000 kJ/m3，折算沼气热量为992.2 kW，以全厂热效率23%计算，发电功率约228.2 kW，每炉每年多增加发电费用118.7 万元。根据工程投资经验，一次性设备费约为45 万元，按照10 a 折旧期，则可增加收益114.2万元/a。

表2 一次风预热器收益分析

5 结论及建议

1） 与二段式预热器相比，采用三段式预热器可进一步回收汽水余热，进一步提高垃圾焚烧厂经济性；通过降低疏水温度，可有效保证疏水回收系统的运行连续性及稳定性。

2） 针对部分垃圾焚烧厂，处理规模越大，锅炉参数越高，三段式预热器的节能效果越好，应用优势越明显。

3） 相对于烟气空气预热器及其他热风炉，沼气式热风炉可有效利用厌氧池产生的沼气，具有明显的安全性、稳定性；且通过设置沼气储气装置及优化逻辑控制，可进一步保证沼气燃烧的连续性及稳定性。

4） 以单炉750 t/d，7 113 kJ/kg，余热锅炉参数6.4 MPa、485 ℃为例，三段式预热器每年单台炉可增加收益283.65 万元，沼气热风炉可每年多增加收益114.2 万元，共计397.85 万元。

5） 蒸汽空气预热器设有旁路系统，针对不同燃烧工况，可通过调节旁路调门来控制一次风温度，尽量避免采用抽汽管道来调节。当调节门关小时，由节流降压导致的管道中疏水闪蒸为蒸汽，若管道中产生汽液两相流动，易导致管道颤动，影响设备安全运行。

6） 在实际运行中根据焚烧炉燃烧工况变化调节一次风温度，可优先采用低品质的汽轮机抽汽来进行一次风的首次加热，其次采用沼气式热风炉加热，在满足焚烧炉燃烧需求情况下，可少采用锅炉汽包抽汽。