热泵技术回收垃圾焚烧电厂炉渣余热的研究

黄鸿满

摘要：为了充分利用垃圾焚烧热量，实现电厂节能降耗的目标，可以借助热泵技术回收炉渣中的低品位热量。通过热泵逆循环方式迫使热量从炉渣冷却水传递给空气，再将被加热的高温空气接入一次风机入口回喷至炉膛，提高垃圾焚烧炉炉膛温度，并实现回收炉渣余热的目标。经过初步计算，一座2000吨/天的垃圾焚烧厂每天浪费炉渣余热约60，470，367 kcal，加以利用可以节省8.6吨标准煤，具有可观的开发利用价值。

关键词：热泵技术;垃圾焚烧;炉渣余热;余热利用;低品位热源

Abstract：To make full use of waste incineration heat and achieve the goal of energy-saving and consumption reduction in power plants，heat pump technology can be used to recover low-grade heat in the slag. The heat pump reverse circulation method is used to force the heat to be transferred from the slag cooling water to the air，and then the heated high-temperature air is connected to the inlet of the primary fan to blowback into the furnace，so as to increase the temperature of the waste incinerator furnace and achieve the goal of recovering the slag waste heat. After preliminary calculations，a 2，000-ton waste incineration plant wastes about 60，470，367 kcal of slag waste heat every day. After recycling，it can save 8.6 tons of standard coal，which has considerable development and utilization prospects.

Key words：Heat pump technology;Waste incineration;Slag waste heat;Waste heat utilization;Low-grade heat

引言

随着节能环保意识不断深化，各行各业开始重视低品位热能的回收利用，然而在垃圾焚烧电厂中却忽略了炉渣余热的回收。垃圾焚烧电厂的炉渣经冷却水冷却后直接排出，炉渣余热被全部废弃;在冷却过程中，冷却水蒸发还会携带出很多的灰尘，污染生产现场的环境，威胁工作人员的身体健康;同时高温水汽对电厂设备会造成极大的腐蚀作用，也造成厂房内环境温度高的问题。在这种情况下，既造成了能量的浪费，也不利于现场环境的管理。

1 垃圾焚烧电厂排渣现状

垃圾焚烧电厂运行遵循“减量化”、“资源化”、“无害化”的原则[1]，是当下主流的一种垃圾处理方式，解决了“垃圾围城”的困扰，减少了垃圾填埋占用的土地面积，对环境保护起到重要的作用。然而，在当前炉排炉垃圾焚烧电厂中，垃圾在炉排上焚烧后产生炉渣如图1，产生的炉渣温度达到600℃的高温，通过炉排的运动将炉渣推进除渣机竖井落入出渣及中，在除渣机内通过冷却水冷却后推至振动输送机上，通过振动及重力的作用将炉渣排入渣坑[2]。在整个过程中，炉渣余热得不到回收利用，而且冷却炉渣需要补充大量的冷却水，冷却水被加热蒸发，带走炉渣的热量，同时蒸汽中携带有大量的粉尘，出渣机冷却水敞开在环境空气中，增加环境空气的粉尘含量异味，同时，高温的水蒸气对电厂设备产生强大腐蚀作用[3]。

在当前垃圾焚烧电厂排渣工艺中，既不能有效地回收利用热量，同时还产生严重的环境问题。若高效回收炉渣的余热，既能节约能源，节约用水量，同时还可以改善垃圾焚烧电厂的现场环境。

2 热泵技术的利用

2.1 热泵技术的原理

热泵是一种充分利用低品位热能的高效节能装置。热量可以自发地从高温物体传递到低温物体中去，但不能自发地沿相反方向进行。热泵的工作原理就是以逆循环方式迫使热量从低温物体流向高温物体的机械装置，如图2，它僅消耗少量的逆循环净功，就可以得到较大的供热量，可以有效地把难以应用的低品位热能利用起来达到节能目的[4]。

2.2 热泵技术的应用

当今社会，环境污染和能源危机已成为威胁人类生存的头等大事，如何解决这一问题，已成为全人类的课题。在这种背景下，以节能和环保为主要特征的绿色建筑及相应的空调系统应运而生，北方多个地区已经实行了煤改电的政策，将以前的燃煤小锅炉改成了空气能热泵，大大减少了污染物的排放，同时也能满足人们日常取暖的需要。在地热能较为发达的地区，人们通过地源热泵的技术将品质低的地热能收集，用于发电或者热水供应，开发新能源，同时还研究水源热泵等技术，在低品质能源的利用的过程中热泵技术发挥重要的作用，。

2.3 空气能热泵

空气能热泵是按照“逆卡诺”原理工作的，逆卡诺循环原理[5]。通过压缩机系统运转工作，吸收空气中热量制造热水。具体过程是：压缩机将冷媒压缩，压缩后温度升高地冷媒，经过水箱中的冷凝器制造热水，热交换后的冷媒回到压缩机进行下一循环，在这一过程中，空气热量通过蒸发器被吸收导入冷媒中，冷媒再导入水中，产生热水。通过压缩机空气制热的新一代热水器，即空气能热泵热水器。形象地说，就是“室外机”像打气筒一样压缩空气，使空气温度升高，然后通过一种-17℃就会沸腾的液体传导热量到室内的储水箱内，再将热量释放传导到水中[6]。

运用热泵工作原理制热，与空调制冷相反—国家制冷标准是1000瓦，电制冷2800瓦。根据热平衡的原理，同时最少产生2800瓦的热量，加上输入的1000瓦电，实际产生的热量在3000—4000瓦，把这些热量输送到保温水箱，其耗电量只是电热水器的四分之一（电热水器即使热效率100%，输入1000电也只有1000瓦的热）。

2.4 水源热泵

水源热泵是利用地球表面浅层的水源，如地下水、河流和湖泊中吸收的太阳能和地热能而形成的低品位热能资源，采用热泵原理，通过少量的高位电能输入，实现低位热能向高位热能转移的一种技术。

水源热泵机组工作原理就是在夏季将建筑物中的热量转移到水源中;在冬季，则从相对恒定温度的水源中提取能量，利用热泵原理通过空气或水作为载冷剂提升温度后送到建筑物中。通常水源热泵消耗1kW的能量，用户可以得到4kW以上的热量或者冷量。水源热泵克服了空气源热泵冬季室外换热器结霜的不足，而且运行可靠性和制热效率又高，近年来国内应用广泛[7].

2.5 地源热泵

地源热泵是指通过输入少量的能量实现将地表浅层的低品位能量向高品位能量转移，通常地源热泵用于建筑采暖、低能发电站等领域的应用。地源热泵属经济有效的节能技术。其地源热泵的COP值达到了4以上，也就是说消耗1KWh的能量，用户可得到4KWh以上的热量或冷量[8]。地表浅层是一个巨大的太阳能集热器，收集了47%的太阳能量，比人类每年利用能量的500倍还多。它不受地域、资源等限制，真正是量大面广、无处不在。这种储存于地表浅层近乎无限的可再生能源，使得地能也成为清洁的可再生能源一种形式。

2.6 热泵技术的优点

第一，节能，有利于能源的综合利用，热泵是通过输入少量的能量把低温热能吸收进来，经过压缩机压缩后转化为高温热能，其节能效果相当显著;

第二，有利于环境保护;

第三，冷热结合，设备应用率高，节省出投资，第四，因为它是电驱动，调控比较方便。相比电锅炉，可以节约50%以上的电力消耗[9]。

第四，应用领域广，在低品位热能较低的地区，可以通过热泵技术将其转化为高品位热能，满足生产生活需要。

3 利用热泵技术回收炉渣余热

在垃圾焚烧电厂中，炉渣温度可以达到600℃，由于炉渣成分、含量及形状等较为复杂，不利于将其收集并回收使用[10]。在实际生产运行中，垃圾在炉排上燃尽后，将其推进出渣机内，通过向出渣机补水将炉渣冷却到100℃以下，如图3，然后利用液压技术将其输送至渣坑内。在整个输渣的过程中，不仅炉渣余热得不到充分利用，对机组的经济性造成不良的影响。根据能量守恒，炉渣通过冷却水冷却后，冷却水蒸发至厂房中，造成厂房温度升高，如图4，图5（出渣间地面温度达到40℃，出渣机间厂房钢架温度达到44℃），对厂房内的运行人员造成影响，高温水蒸气对金属设备腐蚀严重，影响设备安全稳定运行，如图6。蒸发的水汽中携带有大量的粉尘及异味，污染厂房内环境卫生，如图7。对垃圾电厂生产卫生造成许多不利的影响，如图8。

据调查，某垃圾焚烧电厂炉渣产生率为焚烧量20%，根据一天垃圾焚烧量为2000吨，每天炉渣生产量为400吨，需要消耗的冷却水为120吨/天。根据经验，炉渣的比热容为1.0-1.26 kJ/（kg·K）[11]，取中间值，炉渣的比热容为1.13 kJ/（kg·K），炉渣由600 ℃下降到40 ℃，由公式（1）计算得2000吨垃圾焚烧厂一天炉渣的热量为：

由以上计算可以看出，一座2000吨的垃圾焚烧厂每天炉渣余热有60，470，367 kcal的余热，相当于8.6吨标准煤。据统计，截止至2020年底，我国垃圾焚烧厂的数量为455座，垃圾焚烧日处理量为38.5万吨，炉渣余热相当于1655.5吨标准煤，若能将其温度降到40℃并加以利用，每年可节省60.4万吨标准煤。

利用热泵技术可以将炉渣余热高效回收利用，将出渣机作为热泵的热源，通过电能驱动，利用压缩机做功和虚幻系统不断从出渣机中吸收热量并释放到风机的入口，将锅炉间的环境空气收集并加热输送到炉膛内作为垃圾干燥及助燃风，既能提高垃圾焚烧的效率，节省能源，同时通过降低出渣机的温度降低出渣机冷却水蒸发量，如图9;还能将锅炉间的粉尘，异味等抽到锅炉内燃烧，有效地改善锅炉间的工作环境。

4 总结

在节能环保意识不断深化的趋势下，垃圾焚烧电厂遵循减量化、资源化、无害化的原则为解决垃圾围城的困扰做出来巨大的贡献，然而当前的出渣工艺在炉渣余热回收，扬尘控制，异味控制等方面有待改善，通过热泵技术将炉渣余热高效回收，既可以提高电厂的经济性，同时在环境卫生方面也得到很好的治理，具有广阔的应用前景。

参考文献：

[1]全国人大常委会法工委经济法室，国务院法制局农林城建司. 中华人民共和國固体废物污染环境防治法释义[M]. 中国环境科学出版社，1997.

[2]周磊. 炉排炉垃圾焚烧工艺说明[J]. 中文科技期刊数据库（全文版）工程技术：00276-00276.

[3]不公告发明人. 一种炉渣处理及余热回收系统：，CN107955847B[P]. 2019.

[4]张昌. 热泵技术与应用[M]. 机械工业出版社，2008.

[5]李红霞，温建军，邬燕妮. 浅谈热泵技术的应用和发展[J]. 内蒙古科技与经济，2008（19）：109-112.

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[7]贺平，孙刚. 供热工程（新一版）[M]. 中国建筑工业出版社，1993.

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[11]邢昭泉，徐志红，陈立新. 关于煤灰热容（比热）的研究[J]. 煤质技术，1995（3）：21-24.