生活垃圾焚烧发电项目再热技术以及热力系统的设计研究

夏积恩

(中国联合工程有限公司，杭州 310052)

0 引 言

我国的生活垃圾清运量将会持续扩大在2023年预计将达到4亿t。对于垃圾处理的无害化减量化需求日益增长，生活垃圾焚烧发电技术由于无害化效果好、减量化程度高、资源化效率高等优点，成为垃圾无害化处理技术的首选。我国目前已建成投运的生活垃圾焚烧发电厂主要以机械式炉排技术为主，现有的发电蒸汽参数大多采用中温中压或中温次高压参数。现阶段对于生活垃圾焚烧发电机组除了完成垃圾处理外， 其经济性的提升也越来越受到关注。提高蒸汽参数，特别是采用再热方案可有效提高生活垃圾焚烧发电厂的发电效率。国内各厂家纷纷开始研究设计制造机组效率更高的再热机组，目前国内外垃圾发电厂全厂热效率从最开始的中温中压机组的23%提高到现在的中温超高压再热机组的31%，经济效率明显大幅提高。

1 国内外再热机组应用现状

国内生活垃圾发电厂主蒸汽参数从最开始的中温中压(4.0 MPa，400 ℃)发展到中温次高压(6.4 MPa，450 ℃)等。为了进一步提高经济效益，光大江阴项目在国内首次采用(6.4 MPa，450 ℃)炉内再热技术。在此基础上，光大苏州项目采用国内首台中温超高压(13 MPa，430 ℃)炉内再热机组，并于2019年6月投产。广环投从化项目采用次高温超高压(13 MPa，485 ℃)炉内再热机组，该项目正在施工建设过程中。康恒三河项目(13.5 MPa，450 ℃)，采用汽轮机高压缸抽汽加热高压缸排汽的再热技术，该项目正在调试过程中。国外有阿姆斯特丹AEB项目(13 MPa，440 ℃)采用利用汽包抽汽加热高压缸排汽的炉外再热技术。

目前国内已经投运产的项目有：(1)光大江阴项目，(2)光大苏州四期项目；国外已经投运产的项目有：(3)阿姆斯特丹AEB项目。

行业内准备采用中温超高压再热技术的有：(1)广环投的从化项目；(2)光大博罗三期工程；(3)康恒三河项目。

炉外再热机组有三种技术方案：①目前在运行的AEB项目，用汽包抽汽加热汽轮机高压缸排汽，换热器布置在汽机侧，通过高压再热疏水泵送至汽包内继续进行换热，工艺系统流程如图1所示。

图1 炉外再热方案一示意图

②康恒三河项目，汽轮机高压缸抽汽加热高压缸排汽，换热器布置在汽机侧，加热蒸汽的疏水送至除氧器，工艺系统流程如图2所示。

图2 炉外再热方案二示意图

③用汽包抽汽加热汽轮机高压缸排汽，换热器布置在汽包上部，实现自循环。将再热器放置于锅炉炉顶大板梁上，汽包抽汽与再热蒸汽换热后，疏水通过自流送至汽包内继续进行换热，系统如图3所示。

图3 炉外再热方案三示意图

以上三种方案中，方案一需配置高温高压的疏水泵，国内很难找到合适疏水泵生产厂家，同时高温疏水泵故障率高、密封不严容易泄露。方案二，高压缸抽汽对再热蒸汽的加热蒸汽能力有限。方案三，将再热器放置于汽包上部，可实现疏水的自循环，同时再热器出口温度可通过汽包抽汽来调节，运行稳定，可实现程度高。

2 余热锅炉蒸汽参数的比较

在生活垃圾焚烧热能回收过程中，由于垃圾所含盐分、塑料成分较高，燃烧气体产物中含有大量的氯化氢等腐蚀性气体和灰分，因此选择合适的过热蒸汽参数对全厂发电效率和过热器寿命都有着重要的意义。

目前，生活垃圾焚烧余热锅炉出口过热蒸汽普遍采用中温次高压参数(6.4 MPa，450 ℃)，相比10年前采用的中温中压参数(4.0 MPa，400 ℃)，以750 t/d、2 000 kcal/kg为例，28年营运期增加发电收益约9 235万元，且随着堆焊技术的普遍使用，中温次高压参数运行稳定成熟。

2020年开始，电价补贴政策有了新的调整，企业的电价补贴盈利变得更为困难。另外随着技术更新迭代，多个投资商先后在中温超高压参数(13.0 MPa，450 ℃)试水。光大苏州四期的实际运行表明，采用该参数后，可使发电量大幅提高，企业效益显著增加。但高参数伴随而来的是高温腐蚀问题，非计划停炉带来企业运行的不稳定。采用高参数，以高收益为目标，解决过程中带来的技术问题，成为了生活垃圾焚烧行业的新课题。结合多年的设计经验及对当下数个中温超高压参数项目在投资造价、维修费用、盈利能等方面的深入了解。以750 t/d垃圾处理量、入炉垃圾热值2 000 kcal/kg的焚烧炉为例，比较几个不同高参数下的参数对照，见表1。

表1 过热蒸汽参数比较表

续表

从上表可以看出，13.0 MPa、450 ℃主蒸汽+2.54 MPa，420 ℃再热蒸汽参数寿命周期内的总盈利情况最好。首推方案为类似方案4的参数配置。

3 回热系统带高加

目前超高压再热技术的汽轮机回热系统按照是否带高加设计区分为两种类型。回热系统带高加和不带高加设计主要区别在于影响给水的温度、锅炉的蒸发量、机组的发电出力和机组的经济性。以下举例定量分析说明带不带高加对机组的影响。

以某一个生活垃圾焚烧处理厂为例计算，日处理垃圾量为1 000 t/d，垃圾单位热值为2 000 Kcal/kg(8 372 kJ/kg)，余热锅炉效率暂定83%。汽轮机主蒸汽参数12.6 MPa，425 ℃，高温再热参数为2.527 MPa，405 ℃。带高加和不带高加两种方案的技术经济指标见表2。

表2 技术经济指标表

从技术经济指标表可以看出，带高加运行对整个机组系统的热经济性有提升，全厂热效率大约能够提升1%，因此处理同样的垃圾量的前提下，锅炉的主蒸发量大约提高了15%(从101.5 t/h增加到117 t/h)，通过初步计算，全年的上网电量增加了562万kWh，按照0.5元/kWh的上网电价，全年增收约281万元。但是带高压系统方案会带来设备的投资增加，主要影响是汽轮机的抽汽口增加、高加设备以及附属设施的增加、给水温度增加对余热锅炉的影响、锅炉给水量和蒸发量的增加影响受热面积。通过全年增收可以回收设备投资的增加，估计约2年左右能够回收投资成本，效益还是可观的。因此，目前超高压再热技术建议采用带高加设计的方案，机组经济性提升明显，投资回报期短。

4 除氧器的滑压与定压运行

除氧器定压运行是指，在所有运行工况下，除氧器加热蒸汽压力均保持不变的运行方式。对于凝汽式电厂，除氧器的主要加热蒸汽是汽轮机的非调节抽汽，为了保持所有运行工况下除氧器的定压运行，供给除氧器的抽汽压力应高于除氧器的额定工作压力，并用压力调节阀进行节流调节。当汽轮机负荷低到该级抽汽压力不能满足除氧器定压运行的要求时，需要切换到高一级抽汽，同时停用原级抽汽。 除氧器的定压运行方式，由于存在压力调节阀的节流损失和低负荷时停用一级回热抽汽，所以无论机组在高、低负荷下运行都是不经济的。

除氧器加热蒸汽压力随机组负荷和抽汽压力变化而变化的运行方式，称为除氧器滑压运行。即启动时，除氧器保持最低恒定压力，负荷增加到额定值时，除氧器达到最高工作压力；机组负荷变化时，除氧器的工作压力随抽汽压力而变。由于除氧器滑压运行时没有压力调节阀的节流损失，尤其在汽轮机负荷降低时不用切换到高一级抽汽和停用本级抽汽，所以除氧器采用滑压运行比定压运行时的热经济性更高。

建议超高压再热的汽轮机采用除氧器滑压运行方式，国内的光大苏州四期、博罗三期项目均采用该运行方式。该方式无压力调节阀的节流损失，提高了给水的温度，有利于提高机组的热经济性。