垃圾焚烧发电厂一次风预热方式的比较分析

李 军，严圣军，陈 竹，王占磊

（江苏天楹环保能源股份有限公司，江苏 南通 226600）

1 一次风预热系统介绍

生活垃圾焚烧发电是垃圾资源化的最有效处理方式［1-2］。为了保证低热值垃圾的顺利着火、充分燃烧和保证燃烧室温度，燃烧空气须经加热后，再送入焚烧炉。

如图1所示，一次风从垃圾坑上方抽取，经2段一次风空气预热器（I段采用汽机抽汽、II段采用过热蒸汽/汽包饱和抽汽）加热到合适的温度，同时汇合被空冷墙加热过的炉墙冷却风提高温度，形成一次风燃烧热空气，从各炉排底部以足够的压力供给焚烧炉炉膛内。

保证垃圾焚烧效果的重要环节是一次风的温度、流量的实时控制，针对不同的进炉垃圾性质、垃圾热值、燃烧状况的变化，由自动燃烧控制软件（ACC）计算后，通过调节加热蒸汽的流量及风量实时保证［3-5］。

2 一次风分段预热的设置

2.1 预热器分段

一次风预热器普遍采用蒸汽-空气热交换方式。从能级上考虑，预热器I段加热普遍采用汽机抽汽加热，利用汽轮发电机组的一级抽汽（约300℃，1.0 MPa）将一次风由20℃加热至140℃。II段加热介质利用锅炉出口过热蒸汽（400℃，4.0 MPa）或汽包饱和蒸汽（256℃，4.4 MPa）将一次风由140℃加热至220℃，空气出口温度设定值需根据垃圾热值和燃烧状况由自动燃烧设备进行控制。预热后的蒸汽变成饱和水，排至除氧器进行回收利用。

2.2 II段抽汽方式的介绍

II段抽汽的目的是将一次风由140℃加热到220℃。表1示出了II段分别采用过热蒸汽和饱和蒸汽加热时热力学参数的比较。仅从热力学角度来看，采用过热蒸汽时抽汽释放热量为2 125 kJ/kg，比饱和蒸汽抽汽释放热量1 683 kJ/kg多442 kJ/kg。

表1 2种抽汽方式的比较

2.3 热力学原理

图2示出了水和水蒸气热力性质。从图2可以明显看出，过热蒸汽（h过降至h′）比饱和蒸汽（h饱下降至h′）多释放442 kJ/kg的热量。

3 2种抽汽方式的计算案例

3.1 初始条件

垃圾坑臭气已通过预热器I段加热至140℃，热源来自汽机抽汽。一次风量为8 500 m3/h。

3.2 抽汽量的计算

过热蒸汽抽汽量=风量×（出口比热×出口温度－入口比热×入口温度）/（抽汽焓值－饱和水焓值）=8 500×（1.309×220－1.303×140）/（3 213－1 087）=422（kg/h）。

饱和蒸汽抽汽量=风量×（出口比热×出口温度－入口比热×入口温度）/汽化潜热=8 500×（1.309×220－1.303×140）/1 683=533（kg/h）。

由以上结果可看出，预热器II段由过热蒸汽抽汽改为汽包饱和蒸汽抽汽后，蒸汽消耗量较过热蒸汽抽汽量增加了27%，经过计算预热器的II段换热面积须增加20%左右，每台预热器的造价相应提高10%～15%。同时由于预热器II段蒸汽出口侧饱和水排往除氧器，相应增加了除氧器的负荷量。

3.3 进汽轮机过热蒸汽量的计算

由过热器过热蒸汽抽汽时：锅炉蒸发量为19.988 t/h，扣除422 kg/h的过热器抽汽量，进汽机用于汽机做功的蒸汽量为19.566 t/h。

由汽包饱和蒸汽抽汽时：将省煤器的给水（4.85 MPa，130℃，焓值549 kJ/kg）加热到汽包抽汽的条件，需要烟气的换热量=饱和蒸汽抽汽量×（汽包抽汽焓－给水焓）=533×（2 798－549）=1 198 717（kJ/h）。在计算锅炉过热器出口蒸发量时，需要在锅炉利用热量中将此热量扣除，经过重新计算得到此方式锅炉过热器出口蒸发量为19.536 t/h，该部分蒸汽量全部进入汽机。

由以上结果可看出，采用汽包抽汽方式后，锅炉的蒸发量较过热蒸汽抽汽方式减少了452 kg/h，进汽轮机的蒸汽量也相应减少了30 kg/h，汽机发电量也会相应减少。

3.4 2种抽汽方式所用蒸汽热量的计算

由过热器过热蒸汽抽汽的抽汽热量Q1=抽汽量×焓值=422×3 213 （kJ/kg）=1.36 （GJ/h）。

由汽包饱和蒸汽抽汽热量Q2=抽汽量×焓值=533×2 798 （kJ/kg）=1.49 （GJ/h）。

由以上结果可看出，由汽包抽汽消耗的蒸汽热量Q2较过热蒸汽抽汽的热量Q1增加了9.6%。被一次风预热吸收的热量是相同的，但是多消耗的热量增加了疏水的热量，排入了除氧器，白白的浪费了。

4 2种抽汽形式的综合比较和分析

从表2可见，过热蒸汽的预热器抽汽形式具有投资成本小、蒸汽耗量小、热量有效利用率高、技术成熟的优点。

5 其他预热形式

因各地的垃圾特性均不同，同时随不同季节发生变化，因此可针对不同的垃圾性质、焚烧规模、控制特点等，针对性地采用一次风预热方式。表3示出了一次风预热方式比较，提供了通过锅炉给水预热一次风、优化的空气预热方式的一次风预热思路。

6 结论

保证垃圾焚烧效果的重要环节是一次风的温度、流量的实时控制。本研究通过对一次风加热器II段加热形式的详细比较，说明加热器II段的加热介质采用过热蒸汽的抽汽形式较汽包饱和蒸汽抽汽形式有投资成本小、蒸汽耗量小、热量有效利用率高的优点，因此一般情况下推荐在建的垃圾焚烧发电厂采用过热蒸汽抽汽。同时，根据项目特点也可以采用锅炉给水预热一次风、优化的空气预热方式达到一次风预热效果最优。

表2 2种抽汽形式性能比较

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［1］张益，赵由才.城市生活垃圾焚烧技术［M］.北京：化学工业出版社，2000.

［2］关莹.城市生活垃圾焚烧技术概述［J］.电站系统工程，2010（2）：74-75.

［3］孙向军，龙吉生.满足EU2000标准的垃圾焚烧厂烟气处理工艺探讨［J］.环境卫生工程，2007，15 （5）：1-3.

［4］张益，赵静.生活垃圾焚烧技术现状与发展趋势［J］.建设科技，2009（1）：52-54.

［5］刘乃宝，孙倩.城市生活垃圾焚烧锅炉的开发与应用［J］.工业锅炉，2010（3）：22-25.