垃圾发电企业提高运营效益的关键技术措施

乔志青 潘树军

广西平南县北控水务环保有限公司

0 引言

垃圾发电企业投资大、规模小、投入高、负荷率低、人员新、技术力量不足，在设备选型与热力系统参数已定的情况下，是否还有改善空间是垃圾发电企业经营管理者思考的重大问题。同样参数的设备企业，运营管控好与差，年利润相差几百万元至上几千万元都是可能的。

提高运营利润的主要思路是从整个生产系统考虑每个环节中的影响因素，核算影响利润数额大的项目，管控好影响利润最大的几项关键技术因素是获得最大利润的来源。

目前垃圾发电企业对于内部的节能挖潜工作，仅见于零星论述，未见系统全面研究和探讨，更没有量化的经济效益核算。本文系统阐述并具体计算五项技术因素对经济效益的突出影响。

1 降低入炉垃圾的含水率，提高入炉垃圾的低位发热量

提高入炉垃圾的低位发热量，相当于烧高热值的燃料，相应地会大幅度提高吨入炉垃圾的发电量，从而提高经济效益。

降低入炉垃圾的含水率是提高入炉垃圾低位发热量的主要措施之一。

1.1 入炉垃圾含水率高对经济效益的影响

入炉垃圾中含有的水分，经过焚烧后，吸收了大量热量由常温变成排烟温度的水蒸气，排入大气中。中温中压机组入炉垃圾中每吨水可以造成至少105元的经济损失［1］。

按照常规设计，渗沥液浓水进炉焚化处理。按照设计入炉600 t/h的焚烧量、入厂垃圾渗沥液产率年均15%来计算，渗沥液处理系统浓水的产率在25%～50%之间，取低值35%来计算，那么按照渗沥液浓水入炉焚化来计算一年（运行天数333天）的经济损失为：

上述经济影响仅考虑了垃圾中水分带走热量的影响。锅炉焚化渗沥液浓水，不仅影响经济效益，还会造成局部炉膛温度骤冷，从而形成严重的结焦。

如果入炉垃圾中含有大量的水分时，需要更长时间和更多的热量在炉排上进行烘干，因而需要根据情况提高一次风温，消耗更多的饱和蒸汽和汽轮机抽汽，从而降低系统热效率。

1.2 控制入炉垃圾含水率的措施

对于将渗沥液浓水进焚烧炉内焚化的设计方案，应将渗沥液浓水移出炉膛。渗沥液浓水的处置，可用改进工艺流程的方式解决：将浓水用于炉渣冷却，或者用于消石灰制浆；若总量在全年的部分时间段内还是比较多，特别是南方地区雨季期间渗沥液的产率最高可达40%左右，造成渗沥液过多无处消化，可在渗沥液处理站增加设计浓水反渗透装置，常用DTRO 工艺实现渗沥液浓水减量化，可降低总量50%的渗沥液浓水，使用中根据需要不定时运行。

要控制入炉垃圾的含水率，主要保证垃圾发酵的时间、避免进生料、垃圾仓料进行翻料、做好分区堆放和分区上料、保持垃圾仓排水通畅、降低垃圾仓底水位、新上料区域上层新料要揭盖移位、混合好不同品质的垃圾料，特别是不能将垃圾仓底含水高的垃圾或者水位以下的垃圾料直接送入进料口；对排水不畅的垃圾仓排水橱窗进行定期清理和改造等。

另外，寻找高发热值没有渗沥液的一般工业固废，如纺织服装废料、塑料加工废料、建筑丝网废料、保温泡沫废料等产生发热值较高但不会产生危险废物，这些一般工业固废基本没有渗沥液产生。但是需要注意做好焚烧的调控，防止偏烧、超温、烟气排放超标等问题出现。

2 降低锅炉的排污率

2.1 锅炉排污率高对经济性的影响

锅炉排污率的大小，对锅炉效率和企业效益有较明显的影响。以中温中压系统为例计算排污率造成的实际经济损失：

中温中压锅炉汽包压力4.5 MPa，对应的饱和温度为258.8 ℃，饱和水比焓为1 128.79 kJ/kg，当600 t/天的焚烧炉的余热锅炉额定蒸发量为58 t/h，排污率增加量为1%，每年运行8 000 h，造成的热量损失为：

按照汽轮机的汽耗率为4.7 kg/kWh、中温中压蒸汽比焓3 190.64 kJ/kg、电价0.65 元/kWh 计算，上述年度排污增量的热量折合蒸汽量造成的电价损失为：

可见，在设定的锅炉条件下，排污率增加1%，每年可以造成大约22.70万元的经济损失。

2.2 控制锅炉排污率的方法

控制排污率的关键是要统计锅炉的排污率大小。锅炉排污率的统计方法较多采用化学盐平衡法，给水、排污水及饱和蒸汽中盐分含量计算排污率。

化学盐平衡法锅炉排污率计算有多种方式，各有优缺点。常用的有如下两种［2］：

1）传统的硅酸盐平衡计算法

式中：P——锅炉排污率；

SGE——给水中SiO2含量（mg/L）；

SB——饱和蒸汽中SiO2含量（mg/L）；

SG——炉水中SiO2含量（mg/L）。

2）改进后的磷酸盐平衡计算法

计算公式为：

式中：P——锅炉排污率；

C1——炉水中起始测量磷酸根浓度（mg/L）；

C2——炉水中终点测量磷酸根浓度（mg/L）；

t2——炉水终点取样时间（h）；

t1——炉水起始取样时间（h）；

D——锅炉蒸发量（t/h）；

W——锅炉运行水的重量（t）。

降低锅炉排污率的方法主要有：

（1）控制锅炉进水的水质，降低进入锅炉污染物的总量。主要是控制好除盐水制水的水质、回收凝结水的水质、回收蒸汽疏水的水质。

（2）根据炉水和蒸汽的品质情况和排污率大小，及时调整定排和连排的大小。

（3）严格按照相关技术规范标准要求制定排污率技术指标，并严格控制。《TSG 91-2021 锅炉节能环保技术规程》要求：以除盐水补水的工业锅炉排污率不高于2%。国内更高的标准有广州市地方标准《DB4401/T 120—2021 生活垃圾焚烧发电锅炉节能降耗技术规范》，其中对锅炉排污率规定：以除盐水补水的凝汽式系统的锅炉小于等于1%，以除盐水补水的供热式系统的锅炉小于等于2%。

（4）做好定排连排阀门的维护和维修，消除阀板卡涩、污堵、内漏等原因造成的泄漏。

3 控制锅炉排烟温度

锅炉排烟温度高，必然带走更多热量，降低锅炉的效率；排烟带走的热量巨大，排烟温度的升降，对企业的整体经济效益有较大影响。控制好排烟温度，是锅炉提高经济效益的最常见的方式。

3.1 排烟温度高的危害

（1）较高的排烟温度，造成了锅炉烟气热量的流失，造成锅炉热效率下降。据分析计算，锅炉排烟温度每提高10 ℃，锅炉热效率下降约1%［3］。

如果按照1%锅炉效率来计算年效益变化，那么600 t/天焚烧炉的中温中压锅炉额定蒸发量为58 t/h、汽轮机汽耗率为4.7 kg/kWh、电价0.65元/kWh来计算，每年（8 000 h/年）对经济效益的影响为：

上述计算结果的含义是：锅炉排烟温度每降低10 ℃，每年可以产生64.17万元的经济效益。应高度重视降低排烟温度的工作。

（2）较高的排烟温度，如果是因为烟气在高温过热器前温度过高造成的，那么对高温过热器容易造成局部超过金属的使用温度，容易造成高温过热器寿命严重缩短，并且造成减温水量大幅度上升。

（3）较高的排烟温度，容易造成脱硫塔出口烟气温度偏高，影响布袋除尘器的安全运行；同时降低烟温的喷水措施，还会造成烟气中水蒸气含量偏高，影响在线烟气监测中其他气体污染物的计算值偏高。

3.2 生活垃圾焚烧锅炉设计排烟温度较高的原因

生活垃圾焚烧锅炉的排烟温度设计值一般在190～220 ℃，此温度的设置原因是因生活垃圾焚烧后，烟气中含有高浓度的酸性气体：二氧化硫、氯化氢、氮氧化物（NOx），甚至有氟化氢，这些高浓度的酸性气体必然会将烟气的露点温度提高到较高的温度，露点温度可以达到150 ℃左右。另外给半干法脱酸塔预留部分烟气温度降低空间，使半干法脱酸塔出口的烟气温度达到145 ℃左右的最佳脱酸反应温度，并适应后续布袋除尘器的布袋适用温度和露点要求。

由此可见，设计值预留的安全裕量是比较大的，给出的变化范围也较大。

3.3 运行中排烟温度高的原因

生活垃圾焚烧过程中产生大量的粉尘，粉尘中有大量的低熔点无机盐，高温烟气携带的这些粉尘在运行中很容易遇到烟气通道的温度较低的各个换热管壁后黏结，形成结焦，或者形成不容易脱落的黏灰，即使锅炉设置并使用了蒸汽吹灰或者激波吹灰并坚持使用，也有部分灰或者焦难以从管壁上面脱落。管壁面的沾污、结渣、积灰现象严重将严重影响各换热面的热量交换，最终形成排烟温度升高。

国内也常见因为工程前期降低采购成本或者余热锅炉厂家设计经验不足，造成各烟道的受热面积偏小，排烟温度偏高。

3.4 降低排烟温度的技术措施

从上述3.2和3.3分析中可见，生活垃圾焚烧炉排烟温度偏高，是运行中经常发生的问题，应特别关注并解决。

降低排烟温度过高的主要措施如下：

（1）保持锅炉尾部烟道吹灰装置的完好性，做好定期和临时性吹灰工作。

（2）做好锅炉的检修工作，停炉后人工彻底清灰清焦。

（3）做好入炉垃圾的分选工作，降低可能结焦的成分进入锅炉。

（4）对于高温过热器部位容易结焦的锅炉，应做好技术改造进行根除。

（5）降低运行中除氧器的压力和温度，除氧水最低温度可以降至102～104 ℃，在确保省煤器不结露的前提下，降低除氧水的温度到最低温度。

（6）根据当地垃圾焚烧后烟气中酸性气体的含量情况，计算烟气的露点温度，锅炉尾部排烟温度应留有至少30 ℃以上的安全温度裕量，在此前提下，可以适当降低排烟温度到190 ℃以下，以充分挖掘节能潜力。若排烟温度由220 ℃能够降低到180 ℃, 根据式（7）计算，每年可产生经济效益为：

（7）如果因炉膛和烟道的受热面面积设计过小造成的烟道相关部位超温，运行中需要降低燃烧负荷；根治措施是对锅炉进行受热面技改，通常采用增加高温过热器前蒸发器面积。

（8）如果垃圾热值过高、热负荷过高造成烟道相关部位超温，则需要考虑降低锅炉负荷来适应温度控制的安全和经济性需要。

4 防止汽轮机凝汽器结垢

4.1 凝汽器容易结垢的原因

生活垃圾发电的循环水系统特别容易产生凝汽器结垢的问题，最主要原因是循环水系统的水容量相对较小，循环水热负荷高，蒸发量大，分析化验的项目少，频率低，补充水中含钙离子浓度较高，管理上的疏忽和漏洞等。这些综合性的原因，导致垃圾焚烧发电厂经常发生凝汽器结垢问题。

凝汽器结垢发生时，在循环水系统的循环水中析出碳酸钙为主的结晶盐，整个循环水系统都会结垢，不仅在凝汽器内部。因此，发生凝汽器严重结垢时，一般有一个比较明显的现象，即循环水变白色或者乳白色，这是大量碳酸盐白色细微颗粒在循环水中浮动。

4.2 凝汽器结垢的危害

出现凝汽器结垢后，最大的影响是降低凝汽器的凝汽能力，造成严重的经济损失。如果结垢轻微，加之凝汽器富余面积较多，对凝汽器的运行没有明显影响。反之，则影响巨大，尤其是夏季运行影响更大。有一个实际案例，某企业12 MW汽轮机四年内两次出现凝汽器结垢问题，最严重的一次，凝汽器换热管束内结垢厚度达到1 mm左右，汽轮机的汽耗率由设计值5.2 kg/kWh提高到5.8 kg/kWh，个别时候达到6.0 kg/kWh。

如果按照上述指标进行计算，12 MW汽轮机汽耗率由5.2 kg/kWh提高到5.8 kg/kWh，电负荷由原来11 MW降低的电负荷数据来计算，一年产生的经济损失：

凝汽器结垢后一定会同时产生全系统性的结垢，会造成冷水塔填料结垢淤堵、阀门阀道阀板卡涩、循环水泵轴端密封破坏、叶轮内结垢造成效率下降、循环水管道间断性脱落片状硬垢淤堵凝汽器管束入口、增加凝汽器酸洗处理费用等。

4.3 消除凝汽器结垢的技术措施

（1）循环水的水质管理，可谓“三分技术，七分管理”，管理严谨是技术措施实施的前提。循环水的水质相关影响因素多、动态变化大，只有严谨的管理才能将技术措施和管理措施落实到位。

（2）针对本水场要编制适应本水场水质、气候环境和运营特点的水场运行技术方案，并严格实施，及时调整。

（3）容易结垢的水质都是碱性水质，所以根据水质碱度的大小，及时发现碱度和pH值升高，及时进行加酸处理或者排污处理。

（4）针对循环水浓缩倍数经常超上限造成的结垢问题，需要提高水质的分析频率，或者安装在线水质电导率仪，可以在线及时粗略判断浓缩倍数高低，及时排污。

（5）循环水结垢也常常不是浓缩倍数超过上限导致，而是在浓缩倍数不超标，但循环水指标“钙硬度+全碱度（以碳酸钙计）”超标所致，“钙硬度+全碱度（以碳酸钙计）”指标应不大于1 100 mg/L。为解决检测间隔长、人员配置少、指标变化快、节水要求高的实际情况，可以在循环水系统中设置在线pH检测仪，由于循环水中的钙硬度和全碱度都与pH有正相关性，所以pH 在线检测可以粗略判断水质的结垢倾向。由于循环水的补水水质比较单一，因此也可以根据补水的水质、电导率计算出来的浓缩倍数、在线检测的pH 值，来计算循环水的碱度、钙硬度［4-5］，从而给出合理的排污时间提示点，更准确反映水质情况，更有利于节水。

5 回收利用渗沥液系统沼气

垃圾发电系统产生的沼气，合理利用后有很大的经济效益，很多企业并不重视，甚至可能随意排放掉或者火炬焚烧。合理利用一般有两种方式：一是送入锅炉内焚烧进入发电循环，二是利用内燃机进行发电。

5.1 渗沥液系统沼气的产生量

生活垃圾在垃圾仓发酵时，产生的渗沥液有很高的COD浓度，一般浓度在3×104～5×104mg/L。渗沥液进入渗沥液处理站进行生化+膜工艺处理时，在厌氧发酵处理阶段会产生较多的沼气，其主要成分为甲烷。

理论计算1 kg COD 产生0.35 Nm3的甲烷，但实际上通常厌氧条件下降解1 kg COD 约产生0.42～0.5 Nm3左右的沼气，沼气中甲烷含量在60%左右［6］。按照厌氧段进口COD浓度为3×104mg/L，出口COD浓度为3×103mg/L进行计算，垃圾的渗沥液年均产率为15%，那么设计焚烧能力为600 t/天的系统，年（333天/年）产沼气量为：

5.2 渗沥液系统沼气在电厂中可能产生的经济效益

沼气的低位发热值为21.52 MJ/Nm3左右。中温中压参数垃圾发电系统的热效率一般为21%左右。用于发电的柴油机的热效率一般为42%左右。那么5.1 章节中年产生的沼气，进入垃圾焚烧发电系统中产生的发电效益为：

5.1章节中，年产生的沼气，如果进入内燃机发电系统中发电，产生的发电效益为：

可见经济效益是非常大的。

5.3 回收利用渗沥液沼气不同技术方案优劣比较

利用直接引入锅炉焚烧的方式，这是最普遍的利用方式。优点是投资低，直接利用现有设备即可使用，废气直接利用烟气净化装置处理，若在焚烧炉订购前在技术协议中确定炉内开口和燃烧器定制、炉外配套供风供气防爆相关技术条款。缺点是沼气热能的利用率比较低、每年锅炉的大小修期间不能利用瓦斯、有炉膛内爆炸的潜在危险。在沼气产量相对较小的企业，可将沼气引入一次风机进风管道的方式来引入锅炉。

利用内燃机进行发电的方式，优缺点与炉内直接燃烧恰好相反。优点是沼气热能的利用效率高、没有停炉不能利用时间、对锅炉本体没有爆炸威胁、可腾出余热锅炉和焚烧炉的容量空间。缺点是投资比较高、沼气需要单独预处理。

也有沼气产量少规模小的生活垃圾发电厂，将沼气直接引入垃圾仓，随锅炉送风机进入炉膛内燃烧，此方案有一定的安全隐患。

较大规模的垃圾焚烧发电厂建设单独的内燃机发电的沼气发电站相对更合理一些。

6 结论

垃圾焚烧发电厂的生产运行从技术管理上潜力挖掘点很多，以上是影响经济效益比较大的因素，每年可产生百万至千万元的经济效益。实际运营中还可优化不同机组效率组合，实现热电联供，维持锅炉压力温度参数上限运行，合理调整空气过剩系数，控制水电消耗，控制压缩风消耗，控制石灰、活性炭和尿素消耗，优化不同水质废水回用等技术措施。

如果运营中技术措施结合其他管理方面的激励措施，企业产生的综合经济效益会更加显著。