垃圾焚烧发电厂废热利用及经济性研究

翁斌杰，安 非

（上海康恒环境股份有限公司，上海 202103）

1 项目概况

本文以山西省某市垃圾焚烧发电厂为例，分析供热系统节能降耗措施及经济性规模。

该电厂设计日焚烧处理生活垃圾3 000 t/d，年处理能力109.5 万t/a。设4 条日处理能力为750 t/d的焚烧烟气净化线及2 台40 MW 抽汽式汽轮发电机组。

4 台蒸汽锅炉与两台汽轮机的额定参数见表1，汽轮机采用空冷机组。

表1 蒸汽锅炉与汽轮机额定参数

2 厂区废热统计

该电厂在正常运行时，很多低品位的热量无法利用，导致热量的浪费，包括除氧器排汽、定连排排汽、汽轮机乏汽、烟气四种。现对这些废热的参数进行统计。

2.1 除氧器排汽

除氧器是利用汽轮机的抽气加热给水至饱和温度，除去锅炉给水中的氧气和其它不凝结气体，不凝结的气体通过除氧器排氧门排出，以保证给水的品质。除氧器为旋膜热力除氧器，去氧效果通过除氧器塔头排汽实现。

除氧器的排汽量在1%以内，文献[1]中介绍卧式除氧器的排汽量为0.3%，本文按照0.3%计算除氧器排汽量。

每月平均给水量变化较大，研究给水量与垃圾量的关系，通过垃圾量来预估给水量，进而估计除氧器排汽量。

图1 为2021 年5—7 月之间，每天锅炉日给水量与垃圾量的散点图。

图1 日入炉垃圾量与给水量散点图

采用线性方程拟合拟合，规定截距为0（垃圾量为0 时，给水量为0），得到公式（1）：

式中：x 为垃圾量，t/d；y 为给水量，t/d。

若取排汽量为0.3%，则除氧器排汽量p（t/d）可近似采用公式（2）计算：

从2020 年7 月到2021 年7 月，该电厂日均垃圾入炉量为2 156.4 t/d，根据公式（2）预测，除氧器排汽量为12.55 t/d，即0.52 t/h。

2.2 定连排

为保证锅炉水质，需进行连续排污与定期排污，连续排污属于表面排污，排出水表面盐浓度较大的炉水，使炉水含盐量维持在允许范围内；定期排污主要是排出加药后使水中的硬度盐生成的沉渣，根据水质化验情况进行。锅炉的排污水量占锅炉蒸发量的百分率，称为锅炉排污率，在保证蒸汽品质合格的前提下，应尽量减少锅炉排污率。对于中压和高压锅炉，排污量不能大于1%，同时，为了避免锅炉内出现水渣积聚现象，那么对于排污率，不能小于0.3%。取该电厂锅炉排污率为1%。

锅炉蒸发量与入炉垃圾量有关，绘制2020 年7月到2021 年7 月间二者的散点图见图2。

图2 锅炉蒸发量与垃圾量散点图

同样设置截距为零，绘制线性趋势线，得到锅炉蒸发量的公式（3）：

排污率取1%，可得到排污量的公式（4）：

由公式（4）计算得到排污量为41.59 t/d，既1.73 t/h，温度为245 ℃，压力为6.5 MPa 左右。

2.3 乏汽

蒸汽进入汽轮机做功之后，大量的乏汽进入排汽装置汽液分离，蒸汽进入空冷机组中，冷凝后回到排汽装置。由空冷机组带走大量的热量，既浪费了大量的热量，又消耗了驱动空冷机组运行的电能，此过程是汽轮机循环中浪费热量最大的部分。

汽轮机进气量减去抽汽量为乏汽的量，汽轮机日均进汽量与垃圾量散点图见图3。

图3 汽轮机进汽量与入炉垃圾量散点图

由上散点图并绘制线性趋势线，设置截距为0，得到方程（5）：

根据本文第二章所得结论，对外供热量采用额定值15 t/h，即360 t/d 计算，得到乏汽量的方程（6）：

炉垃圾量为2 156.4 t/d，计算乏汽量为3 762.2 t/d，即156.8 t/h，温度为55 ℃，压力为0.015 MPa。

2.4 烟气

乏汽是汽轮机发电热量损耗最大的，而烟气是垃圾焚烧锅炉热量损失最大的部分，该电厂烟气温度在140 ℃左右，带走大量的热量到大气中。

日均烟气排放量在600～900 万m3左右，受到入炉垃圾量的直接影响。

日均垃圾量与日均入炉垃圾量散点图见图4。

图4 烟气排放量与垃圾量散点图

规定截距为0，绘制去趋势线，得到公式（7）：

同样按照日均入炉垃圾量为2 156.4 t/d 计算，日均烟气量为673.88 万m3/d，温度为140 ℃左右。

2.5 小结

本节统计了厂区内的废热情况，详见表2。

表2 废热统计表

根据表2 可知，各类废热温度、压力、介质都不相同；除氧器排汽与定连排中废热远小于乏汽和烟气中携带的废热。

3 废热利用

3.1 除氧器与定连排

3.1.1 除氧器排汽

除氧器排汽温度为130 ℃，压力为0.277 MPa，对应的蒸汽焓值为2 721 kJ/kg，直接排向大气浪费了蒸汽中的热能。此外，除氧器排汽的凝结水品质较高，将现有除氧器排汽中所携带的热能和工质进行合理回收利用，这不仅符合国家现行相关政策，而且可以提高电厂运行经济性，减少水资源消耗，降低运行成本。

按照入炉垃圾量2 156.4 t/d 计算，除氧器排汽量12.55 t/d，总热量达到34.1 GJ/d，全年热量12 446.5 GJ/a，可回收的凝结水量为4 580.7 t。可采用汽轮机凝结水作为除氧器排汽的低温水源，凝结除氧器排汽，凝结后进入疏水箱中回用，即提高了汽轮机乏汽凝结水进入除氧器的温度，减少了抽汽量，也回收了除盐水，降低除盐水的消耗量。

3.1.2 定连排

连排的水为高温高压的炉水，温度为245 ℃，压力为6.5 MPa。连排水先进入连排扩容器进行降压，压力从6.5 MPa 下降到0.277 MPa，产生130 ℃的蒸汽与水混合物，蒸汽进入除氧器中回收，水进入定排扩容器中，进一步降压蒸发，蒸汽直接排入大气，水通过管道排出。

连排扩容器的工作压力为0.277 MPa，定排扩容器的工作压力为0.15 MPa。采用热力学热量平衡原理[2]，计算连排水进入连排扩容器后，汽水分离关系如下所述。

式中：Y 为炉水焓值，1 061 kJ/kg；x 为蒸汽所占比例；h1为0.277 MPa 蒸汽焓值，2 721.35 kJ/kg；h2为水焓值，546.4 kJ/kg。

求解得x=0.236，可见23.6%的连排水汽化进入除氧器中回收利用，76.4%的连排水排入定排扩容器。进入定排扩容器后，进一步降压，用同样的方法计算蒸汽量，得到蒸汽量为3.5%，直接排入大气中。

3.2 汽轮机乏汽与烟气

大部分的废热在汽轮机乏汽与烟气中，若能采用汽轮机乏汽与烟气作为热源，在供暖季向外供暖，回收废热，能够减少空冷岛的耗能的同时，提高热能利用率，带来巨大的经济效益。

3.2.1 供热能力估算

根据现在该电厂的运行现状，对乏汽与烟气的供热能力进行分析。

1）乏汽。该电厂乏汽的压力为0.015 MPa，对应的饱和蒸汽温度为55℃，经过换热后，变为55 ℃的饱和水。0.015 MPa 时，饱和水的焓值为225.95 kJ/kg，饱和蒸汽的焓值为2 598.21 kJ/kg，汽化潜热为2 372.3 kJ/kg。根据垃圾量计算乏汽量，得到乏汽热量与垃圾量的关系式，即公式（9）。

计算得到热量Q1为8 914.5 GJ/d，即371.4 GJ/h。

2）烟气。烟气热量包括烟气温度下降的显热，和水蒸气凝结的潜热。

烟气的主要成分包括O2，CO2，N2，H2O，各组份的含量按下表3 计算。

表3 烟气成分及比例

各成分在不同温度时所对应的焓值不相等，具体见表4。

表4 烟气成分焓值 kJ/Nm3

可见，在140 ℃到70 ℃，放热量下降缓慢，从60 ℃开始，烟气中的水蒸汽开始凝结放出汽化潜热，放热量开始快速增加。到30 ℃时，总放热量为536.68 kJ/m3。由此可得烟气总热量Q2与垃圾量的关系式：

按照日均入炉垃圾量为2 156.4 t/d 计算，日均烟气量为673.875 万m3/d，热量为3 616.3 GJ/d，即150.7 GJ/h。

3.2.2 总热量

由前文计算，可得总热量Q 与入炉垃圾量的关系式：

按照日均入炉垃圾量2 156.4 t/d 计算，日均供热量为12 530.77 GJ。若供暖天数为151 d，则供暖季的总供热量为189.2×104GJ。

4 收益分析

前文通过该电厂的运行现状分析，得到乏汽热量、烟气热量等与入炉垃圾量的关系式，本章对该电厂供热系统改造进行经济性分析。

4.1 热量

根据公式（11）的计算，乏汽的供热能力为8 914.5 GJ/d，考虑换热器的效率达不到100%，参考管壳式换热器，效率取95%（需通过实验验证），则日供热量为8 468.78 GJ。烟气的供热能力为3 613.3 GJ/d，由于烟气换热过程复杂，换热效率需通过实验确定，假设换热效率为70%，则日供热量为2 529.3 GJ。总日均供热量为10 998 GJ/d，全年供热量166.1 万GJ。

4.2 热价

该地区供热价格参考如表5 所示。

表5 该地区城市供热价格表

按照40 W/m2采暖热负荷进行换算，居民热价为4.8 元/（m2·月），换算为43.4 元/GJ，非居民热价7.5 元/（m2·月），换算为87.8 元/GJ。

4.3 总收益

通过下式计算收益：

式中：W 为年收益，万元；Q 为总热量，166.1 万GJ；a为居民用户面积比例。

若a 为1，则收益为5 767 万元；若a 为0.5，则收益为8 715 万元。

在供热天数151 d，入炉垃圾量2 156.4 t/d，抽汽量15 t/h，乏汽换热效率95%，烟气换热效率70%的前提下计算出的全年收益在5 767 万元到8 715 万元之间。

5 结论

本文根据对该电厂运行现状，对供热系统进行分析得到以下结论：

1）该电厂厂区废热包括除氧器排汽、定连排排汽、乏汽、烟气，主要为乏汽和烟气。

2）乏汽与烟气供热量与入炉垃圾量有直接关系，若按该电厂日均入炉垃圾量2 156.4 t/d 计算，年供热量为166.1×104GJ。

3）供热全年收益在5 767 万元到8 715 万元之间，取决于居民用户面积占供热面积的比例。