郭孝武

（上海康恒環(huán)境股份有限公司，上海 201703）

1 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的持續(xù)增長(zhǎng)，人們生產(chǎn)生活產(chǎn)生的垃圾量不斷增多，垃圾圍城的現(xiàn)象日益突出，城市生活垃圾焚燒技術(shù)因其良好的減量化、資源化和無(wú)害化效果，在我國(guó)得到較快的發(fā)展［1］。針對(duì)我國(guó)生活垃圾的低熱值、高水分特點(diǎn)，通常需增設(shè)空氣預(yù)熱器把一次風(fēng)加熱，以促進(jìn)垃圾的干燥和燃燒。垃圾焚燒發(fā)電廠焚燒用一次風(fēng)普遍采用蒸汽加熱空氣的方法，大部分垃圾焚燒電廠采用二段式蒸汽空氣預(yù)熱器［2］；此外，考慮到北方地區(qū)或其他冬季寒冷時(shí)段，通常在蒸汽預(yù)熱器后端設(shè)有直接式預(yù)熱器，即通過設(shè)置燃燒柴油、天然氣進(jìn)一步加熱一次風(fēng)，即使垃圾含水率特別高，也能有效保證垃圾的充分干燥和完全燃燒。

常規(guī)的蒸汽空氣預(yù)熱器中蒸汽加熱空氣冷凝后經(jīng)疏水系統(tǒng)進(jìn)入除氧器。隨著垃圾處理規(guī)模及鍋爐主蒸汽參數(shù)的提高，高品質(zhì)蒸汽的抽汽量較大，除氧器的內(nèi)壓力增加，汽水能量損失也加大，因此針對(duì)不同規(guī)模爐排爐及余熱鍋爐，需要合理的設(shè)計(jì)一次風(fēng)預(yù)熱系統(tǒng)以提高焚燒發(fā)電的經(jīng)濟(jì)性。

本研究通過對(duì)常規(guī)的一次風(fēng)預(yù)熱系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，提出了一種三段式蒸汽預(yù)熱器及沼氣式熱風(fēng)爐模式。基于數(shù)值計(jì)算，分別就二段式及三段式預(yù)熱器作技術(shù)分析，通過對(duì)比不同垃圾處理量及余熱鍋爐參數(shù)下預(yù)熱器消耗的抽汽量，為垃圾焚燒發(fā)電項(xiàng)目的預(yù)熱器選型及設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。同時(shí)對(duì)直接式預(yù)熱器進(jìn)行工藝優(yōu)化設(shè)計(jì)，即回收滲濾液池產(chǎn)生的沼氣，利用沼氣式熱風(fēng)爐對(duì)一次風(fēng)進(jìn)一步加熱，節(jié)約了一次風(fēng)加熱的能源消耗，提高了焚燒廠運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。

2 一次風(fēng)預(yù)熱系統(tǒng)

完整的一次風(fēng)系統(tǒng)包括從吸風(fēng)口開始，經(jīng)過風(fēng)機(jī)、預(yù)熱器后到達(dá)爐排渣斗的所有風(fēng)管及其附件。一次風(fēng)風(fēng)機(jī)從垃圾坑吸入空氣，并將其作為燃燒空氣從爐排下的渣斗向各爐排提供空氣。設(shè)計(jì)優(yōu)化后的一次風(fēng)預(yù)熱系統(tǒng)工藝流程如圖1 所示：①采用三段式蒸汽空氣預(yù)熱器先對(duì)一次風(fēng)加熱；②采用沼氣式熱風(fēng)爐對(duì)一次風(fēng)進(jìn)行再次加熱；③為預(yù)熱器設(shè)置旁路及電動(dòng)風(fēng)門來(lái)調(diào)節(jié)控制一次風(fēng)溫。

圖1 一次風(fēng)預(yù)熱系統(tǒng)工藝流程

2.1 蒸汽空氣預(yù)熱器

垃圾焚燒廠多采用蒸汽空氣預(yù)熱器，普遍為二段式：低壓段和高壓段，其抽汽熱源分別來(lái)自汽輪機(jī)抽汽及鍋爐汽包飽和蒸汽。即來(lái)自垃圾坑的冷空氣通常首先在低壓段被加熱到140 ℃，然后在高壓段進(jìn)一步被加熱至220 ℃，蒸汽換熱冷凝后產(chǎn)生的飽和疏水分別經(jīng)過疏水管道進(jìn)入除氧器，如圖2 所示。

圖2 二段式蒸汽空氣預(yù)熱器示意

針對(duì)大型爐排爐，且為高參數(shù)的余熱鍋爐，可對(duì)原有二段式預(yù)熱器進(jìn)行技術(shù)改造，如圖3 所示，在預(yù)熱器低壓段前再設(shè)置過冷段，形成三段式，同時(shí)預(yù)熱器旁設(shè)置閃蒸罐。來(lái)自高壓段的高壓過冷疏水進(jìn)入閃蒸罐進(jìn)行降壓處理，閃蒸罐產(chǎn)生的低壓蒸汽與低壓段抽汽混合進(jìn)入低壓段進(jìn)一步換熱，低壓段換熱后產(chǎn)生的飽和水與閃蒸罐產(chǎn)生的飽和水混合后再同時(shí)進(jìn)入過冷段，在過冷段與一次風(fēng)進(jìn)一步換熱降低至低壓過冷狀態(tài)，最后疏水再全部進(jìn)入除氧器。相對(duì)比二段式預(yù)熱器，三段式可有效利用汽水余熱，經(jīng)濟(jì)性得以提高，同時(shí)預(yù)熱器產(chǎn)生的都是低壓過冷水，可有效保證在不同負(fù)荷下除氧器的熱平衡，避免除氧器出現(xiàn)自身沸騰現(xiàn)象。

圖3 三段式蒸汽空氣預(yù)熱器示意

2.2 煙氣空氣預(yù)熱器

針對(duì)某些寒冷地區(qū)或垃圾熱值較低的區(qū)域，當(dāng)僅采用蒸汽空氣預(yù)熱器時(shí)，一次風(fēng)依然不能達(dá)到合適溫度時(shí)，可在蒸汽空氣預(yù)熱器后方再設(shè)置1 套煙氣空氣預(yù)熱器，可對(duì)一次風(fēng)進(jìn)一步加熱至300 ℃，煙氣空氣預(yù)熱器型式如圖4 所示。由于鍋爐管束設(shè)置在鍋爐煙道內(nèi)，利用余熱鍋爐高溫?zé)煔鈱?duì)一次風(fēng)進(jìn)行加熱，無(wú)需其他高品質(zhì)熱源加熱，經(jīng)濟(jì)性較高，但由于其布置在鍋爐煙道中，安裝布置較為復(fù)雜，同時(shí)生活垃圾在焚燒爐中會(huì)產(chǎn)生大量的HCl、HF、SO2，通常會(huì)遇到高溫腐蝕或低溫腐蝕的問題。另外，垃圾焚燒鍋爐運(yùn)行時(shí)，煙氣中帶有大量的灰分，它會(huì)對(duì)煙氣空氣預(yù)熱器管子產(chǎn)生磨損，縮短使用壽命，如圖5 所示。

圖4 煙氣空氣預(yù)熱器型式

圖5 煙氣空氣預(yù)熱器管子腐蝕磨損情況

2.3 熱風(fēng)爐

目前在工程應(yīng)用中，為進(jìn)一步提高一次風(fēng)溫度，通常也會(huì)設(shè)計(jì)1 套熱風(fēng)爐來(lái)取代煙氣空氣預(yù)熱器，即利用燃燒天然氣、柴油或沼氣產(chǎn)生的高溫?zé)煔庠跓犸L(fēng)爐中混合加熱一次風(fēng)。但采用燃油式或天然氣式熱風(fēng)爐需要燃燒大量的柴油或天然氣，造成焚燒廠運(yùn)行成本加大。

垃圾在垃圾池內(nèi)儲(chǔ)存時(shí)會(huì)析出大量的滲濾液，廠內(nèi)滲濾液處理站的厭氧反應(yīng)器會(huì)產(chǎn)生大量的沼氣，沼氣經(jīng)脫硫凈化后主要由甲烷、二氧化碳?xì)怏w組成。根據(jù)運(yùn)行項(xiàng)目的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，沼氣中甲烷含量一般占55%～75%、二氧化碳含量占25%～40%、其他氣體占5%～10%。沼氣的熱值為20 800～23 600 kJ/m3，是一種高質(zhì)量的清潔燃料，但在目前的垃圾焚燒廠中普遍會(huì)通過火炬燃燒來(lái)處置產(chǎn)生的沼氣，造成了能源的浪費(fèi)。

本研究在原始火炬燃燒的基礎(chǔ)之上，進(jìn)一步優(yōu)化沼氣利用工藝，如圖6 所示。厭氧池產(chǎn)生的沼氣經(jīng)過汽水分離器干燥后，通過羅茨風(fēng)機(jī)輸送至沼氣罐中儲(chǔ)存，通過壓力控制儀檢測(cè)沼氣罐內(nèi)氣壓，當(dāng)壓力到達(dá)設(shè)定值時(shí)，打開進(jìn)氣閥、啟動(dòng)沼氣熱風(fēng)爐，沼氣通過阻火器至沼氣燃燒裝置，與空氣混合后燃燒，當(dāng)沼氣罐內(nèi)氣壓低于設(shè)定值時(shí)，增加風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，調(diào)節(jié)沼氣的供應(yīng)量。通過設(shè)置沼氣罐及優(yōu)化邏輯控制，可克服沼氣供應(yīng)的不穩(wěn)定性缺陷，有效保證了一次風(fēng)加熱的連續(xù)性及穩(wěn)定性，提高了焚燒廠的發(fā)電效率。

圖6 沼氣熱風(fēng)爐工藝流程

3 預(yù)熱器設(shè)計(jì)計(jì)算

3.1 基礎(chǔ)條件

以機(jī)械往復(fù)式焚燒爐為例，入爐垃圾熱值7 113 kJ/kg，單爐垃圾處理規(guī)模400～800 t/d，選取3種余熱鍋爐主蒸汽參數(shù)：①4.0 MPa（g）、400 ℃，②5.4 MPa（g）、450 ℃，③6.4 MPa（g）、485 ℃；低壓段汽輪機(jī)抽汽參數(shù)：1.0 MPa（g）、300 ℃，垃圾元素分析見表1。

表1 生活垃圾元素分析

3.2 數(shù)值計(jì)算方法

由熱平衡計(jì)算每段預(yù)熱器蒸汽抽汽量，其表達(dá)式為：

式中，D 為每段預(yù)熱器抽汽量，kg/h；hci、hce分別為每段預(yù)熱器入口前、后蒸汽焓值，kJ/kg；Q 為每段預(yù)熱器空氣吸熱量，kJ/h，其表達(dá)式為：

式中，hki、hke分別為每段預(yù)熱器入口前、后一次風(fēng)空氣的比熱，kJ/kg；L0為爐排爐一次風(fēng)量，m3/h；其表達(dá)式［3］為：

式中，λ 為一次風(fēng)過量空氣系數(shù)，λ=1.3；C、H、O、S 分別為碳、氫、氧、硫質(zhì)量比率，%；R為垃圾處理量，kg/h。

本研究中所描述的三段式預(yù)熱器方案中閃蒸罐工作壓力設(shè)為1.0 MPa（高于除氧器工作壓力0.26 MPa），閃蒸罐中二次蒸發(fā)量及產(chǎn)生的飽和水量可由以下質(zhì)熱平衡式計(jì)算［4］：

初中美術(shù)的情感教育是初中美術(shù)課程教學(xué)過程的重要組成部分，主要是以美術(shù)課堂的使用和教學(xué)內(nèi)容為載體。課堂上貫穿著跨學(xué)科、計(jì)劃和系統(tǒng)的思想，以及政治、美術(shù)、勞動(dòng)和道德教育的滲透。通過充分尊重和培養(yǎng)學(xué)生的情感素質(zhì)，學(xué)生將形成良好的道德觀，為周圍創(chuàng)造正面和積極的社會(huì)價(jià)值。初中美術(shù)課程中情感教育的目的是將情感教育與美術(shù)知識(shí)的學(xué)習(xí)相結(jié)合，達(dá)到提高學(xué)生美術(shù)學(xué)習(xí)效率，以及明確學(xué)習(xí)目標(biāo)的目的，為學(xué)生的健康成長(zhǎng)提供保障。

式中：D0為閃蒸罐中產(chǎn)生的二次蒸發(fā)量，kg/h；Dgy為預(yù)熱器高壓段排出的進(jìn)入閃蒸罐中的冷凝水量，kg/h；i 為預(yù)熱器高壓段排出的進(jìn)入閃蒸罐中的冷凝水焓值，kJ/kg；D1為閃蒸罐閃蒸后排出的冷凝水量，kg/h；i1為閃蒸罐閃蒸后排出的冷凝水焓值，kJ/kg；i2為閃蒸罐產(chǎn)生的二次蒸汽焓值，kJ/kg。η 為閃蒸罐熱損失，一般取0.98；x 為二次蒸汽的干度，一般為0.97。

預(yù)熱器低壓段抽出的汽輪機(jī)蒸汽所具有的發(fā)電能力可由下式計(jì)算［5］：

式中：N0為汽輪機(jī)組發(fā)電功率，MW；Ddy為預(yù)熱器低壓段汽機(jī)抽汽量，kg/h；ηj為汽輪機(jī)機(jī)械效率，一般取0.98；ηd為發(fā)電機(jī)發(fā)電效率，一般取0.97；hn取汽機(jī)末級(jí)排汽參數(shù)0.007 5 MPa、41 ℃時(shí)的蒸汽焓值2 576.2 kJ/kg。

本研究中滲濾液厭氧處理的沼氣發(fā)生量可由下式計(jì)算：

式中：Qa為厭氧沼氣量，m3/d；Q為滲濾液產(chǎn)生量，m3/d；C0為厭氧反應(yīng)進(jìn)水COD 濃度，宜取65 kg/m3；Ce為厭氧反應(yīng)出水COD 濃度，宜取8.0 kg/m3；ηz為每千克COD 的沼氣產(chǎn)率，宜取0.4 m3/kg。

4 計(jì)算結(jié)果與分析

在數(shù)值計(jì)算中，設(shè)定入爐垃圾熱值7 113 kJ/kg，汽輪機(jī)抽汽參數(shù)為1.0 MPa（g）、300 ℃，通過選取常規(guī)的3 種不同類型余熱鍋爐壓力參數(shù)4.0、5.4、6.4 MPa，其汽包壓力分別對(duì)應(yīng)為4.7、6.0、7.0 MPa。

4.1 低壓段汽輪機(jī)抽汽量對(duì)比分析

蒸汽空氣預(yù)熱器中低壓段抽汽通常來(lái)源于在汽輪機(jī)中做過部分功的過熱蒸汽（1.0 MPa（g）、300℃），以抽汽方式進(jìn)入預(yù)熱器加熱一次風(fēng)。這部分抽汽由于尚未完全膨脹做功，其壓力和溫度相對(duì)較高，但與汽包飽和蒸汽相比，其蒸汽品質(zhì)較低。因此，在實(shí)際項(xiàng)目運(yùn)行中，無(wú)論對(duì)于二段式還是三段式預(yù)熱器，在保證正常焚燒爐所需供風(fēng)溫度情況下，應(yīng)優(yōu)先采用低品質(zhì)的汽輪機(jī)抽汽加熱一次風(fēng)。

與二段式預(yù)熱器相比，為確定采用三段式預(yù)熱器所能節(jié)約的汽機(jī)抽汽量，圖7 給出了在3 種鍋爐參數(shù)下，汽機(jī)抽汽節(jié)約量隨垃圾處理量的變化規(guī)律。由圖7 可看出，對(duì)同種余熱鍋爐參數(shù)，垃圾處理規(guī)模越大，三段式預(yù)熱器所能節(jié)省的汽機(jī)抽汽量越大。即：在垃圾焚燒廠一次風(fēng)預(yù)熱器設(shè)計(jì)選型中，焚燒爐處理規(guī)模越大，三段式預(yù)熱器的優(yōu)勢(shì)越為明顯。

圖7 不同處理規(guī)模下三段式預(yù)熱器汽機(jī)抽汽節(jié)約量

4.2 高壓段汽包抽汽量對(duì)比分析

三段式預(yù)熱器高壓段汽包抽汽全部換熱至180℃高壓冷凝水，然后通過閃蒸罐、低壓段和過冷段進(jìn)一步冷凝至90 ℃，最后引出至除氧器。與常規(guī)的二段式預(yù)熱器相比，通過降低疏水溫度，較大程度回收了汽水余熱，同時(shí)可避免因鍋爐及汽機(jī)負(fù)荷波動(dòng)而引起的除氧器自身沸騰現(xiàn)象，設(shè)備使用安全性較高。

由圖8 可看出，對(duì)同種參數(shù)余熱鍋爐，隨著垃圾處理規(guī)模的增加，三段式預(yù)熱器的汽包抽汽節(jié)省量成線性逐漸增加；相應(yīng)的，對(duì)相同垃圾處理規(guī)模，鍋爐參數(shù)越高，三段式預(yù)熱器抽汽量節(jié)約也越明顯。即垃圾焚燒處理規(guī)模越大，鍋爐參數(shù)越高，該種三段式預(yù)熱器經(jīng)濟(jì)效果越明顯。

圖8 不同處理規(guī)模下三段式預(yù)熱器汽包抽汽節(jié)約量

4.3 經(jīng)濟(jì)效益分析

以750 t/d，7 113 kJ/kg，余熱鍋爐參數(shù)6.4 MPa、485 ℃為例，按0.65 元/kWh、每臺(tái)預(yù)熱器每年運(yùn)行8 000 h 計(jì)算，一次風(fēng)預(yù)熱器收益分析結(jié)果如表2 所示。使用每臺(tái)三段式預(yù)熱器發(fā)電功率增加547.4 kW，每年折合人民幣284.65 萬(wàn)元。根據(jù)工程投資經(jīng)驗(yàn)，三段式預(yù)熱器增加的折舊費(fèi)1.0萬(wàn)元/a，則采用三段式預(yù)熱器可增加收益283.65 萬(wàn)元/a。

同樣以750 t/d 入爐量為例，取滲濾液析出率20%，產(chǎn)生量188 m3/d，根據(jù)式（7） 計(jì)算沼氣量為178.6 m3/h，按照沼氣熱值20 000 kJ/m3，折算沼氣熱量為992.2 kW，以全廠熱效率23%計(jì)算，發(fā)電功率約228.2 kW，每爐每年多增加發(fā)電費(fèi)用118.7 萬(wàn)元。根據(jù)工程投資經(jīng)驗(yàn)，一次性設(shè)備費(fèi)約為45 萬(wàn)元，按照10 a 折舊期，則可增加收益114.2萬(wàn)元/a。

表2 一次風(fēng)預(yù)熱器收益分析

5 結(jié)論及建議

1） 與二段式預(yù)熱器相比，采用三段式預(yù)熱器可進(jìn)一步回收汽水余熱，進(jìn)一步提高垃圾焚燒廠經(jīng)濟(jì)性；通過降低疏水溫度，可有效保證疏水回收系統(tǒng)的運(yùn)行連續(xù)性及穩(wěn)定性。

2） 針對(duì)部分垃圾焚燒廠，處理規(guī)模越大，鍋爐參數(shù)越高，三段式預(yù)熱器的節(jié)能效果越好，應(yīng)用優(yōu)勢(shì)越明顯。

3） 相對(duì)于煙氣空氣預(yù)熱器及其他熱風(fēng)爐，沼氣式熱風(fēng)爐可有效利用厭氧池產(chǎn)生的沼氣，具有明顯的安全性、穩(wěn)定性；且通過設(shè)置沼氣儲(chǔ)氣裝置及優(yōu)化邏輯控制，可進(jìn)一步保證沼氣燃燒的連續(xù)性及穩(wěn)定性。

4） 以單爐750 t/d，7 113 kJ/kg，余熱鍋爐參數(shù)6.4 MPa、485 ℃為例，三段式預(yù)熱器每年單臺(tái)爐可增加收益283.65 萬(wàn)元，沼氣熱風(fēng)爐可每年多增加收益114.2 萬(wàn)元，共計(jì)397.85 萬(wàn)元。

5） 蒸汽空氣預(yù)熱器設(shè)有旁路系統(tǒng)，針對(duì)不同燃燒工況，可通過調(diào)節(jié)旁路調(diào)門來(lái)控制一次風(fēng)溫度，盡量避免采用抽汽管道來(lái)調(diào)節(jié)。當(dāng)調(diào)節(jié)門關(guān)小時(shí)，由節(jié)流降壓導(dǎo)致的管道中疏水閃蒸為蒸汽，若管道中產(chǎn)生汽液兩相流動(dòng)，易導(dǎo)致管道顫動(dòng)，影響設(shè)備安全運(yùn)行。

6） 在實(shí)際運(yùn)行中根據(jù)焚燒爐燃燒工況變化調(diào)節(jié)一次風(fēng)溫度，可優(yōu)先采用低品質(zhì)的汽輪機(jī)抽汽來(lái)進(jìn)行一次風(fēng)的首次加熱，其次采用沼氣式熱風(fēng)爐加熱，在滿足焚燒爐燃燒需求情況下，可少采用鍋爐汽包抽汽。