垃圾焚燒發電廠中空氣預熱器的設計

汪明浩，黃 寧

（1.光大環保能源有限公司，江蘇 江陰214400；2.太倉協鑫垃圾焚燒發電有限公司，江蘇 太倉215400）

1 引言

空氣預熱器是利用蒸汽或者煙氣余熱來提高空氣溫度，以利于燃料的著火和燃燒的設備。它主要起以下幾個方面作用：提高燃料的理論燃燒溫度；保證必須的爐溫；節約燃料；提高燃燒效率并降低鋼材燒損；減少煙氣排放量，有利環境保護；可用于空氣溫度的調節和烘干作用。空氣預熱器被廣泛用于電力、石化、化工、冶金、食品等行業。

2 垃圾發電廠中空氣預熱器的選擇

垃圾焚燒發電廠中空氣預熱器一般都采用蒸汽式預熱器，主要是因為垃圾焚燒電廠煙氣中酸性氣體較多，在低溫時極易造成低溫腐蝕，因此空氣預熱器采用蒸汽加熱。

空氣預熱器風溫對垃圾穩定燃燒意義重大，不同的加熱溫度其投資和運行效果不同，因此，如何選擇適宜的空氣預熱器風溫是垃圾焚燒工程的技術難題之一。本文以上海環境集團洛陽項目的工況（3條日處理500t/d焚燒線，低位熱值設計點為1600kCal/kg）為例，對此進行分析，以供類似工程參考。

3 空氣預熱器出口風溫的選擇

一次風預熱器分兩段加熱：一級為低壓加熱段，采用汽輪機抽汽加熱燃燒空氣；二級為高壓加熱段，采用鍋爐出口過熱蒸汽或汽包飽和蒸汽加熱燃燒空氣。再循環煙氣預熱器采用鍋爐出口過熱蒸汽或汽包飽和蒸汽加熱再循環煙氣。

3.1 空預器一級出口風溫的選擇

一級出口風溫越高，高壓段需要的加熱蒸汽越少，但汽輪機抽汽量則越大。高壓加熱段需要的蒸汽減少意味著汽輪機進汽量和發電量的增加，但汽輪機抽汽量越大也會降低汽輪機的發電量，另外一級出口風溫也不能無限制地提高，為保證良好的換熱效果和較小的設備外形尺寸，一般情況下，加熱蒸汽進口壓力下的飽和水溫度應高于出口風溫15℃以上為宜。

為便于運行組織，空預器一級出口風溫最好靠近一個比較典型的一次風入爐溫度。由此，對一級出口風溫分別為140℃和178℃進行了經濟技術比較：一級出口風溫采用178℃方案可多發電264.5kW·h/h，按1kW·h0.59元計算，可增加效益156元/h。綜合考慮焚燒廠用熱情況，最終確定空氣預熱器一級出口風溫為170℃。

3.2 空氣預熱器出口風溫的選擇

在通常垃圾熱值在1000kCal/kg～2000kCal/kg的范圍內所采用的溫度情況，對空氣預熱器（包括再循環煙氣預熱器）出口風溫分別為240℃和250℃進行了經濟技術比較，比較內容（按單臺爐計算）見表1。

經計算得出與空氣預熱器出口溫度采用240℃相比，采用250℃使3條焚燒線每年少售電42.5萬元。在實際運行過程中，考慮到投資和運營成本，在低質垃圾情況下，可通過短時間投輔燃來實現穩定燃燒，所以如果高壓段加熱蒸汽采用鍋爐出口過熱蒸汽時，確定空氣預熱器出口風（煙）溫采用240℃。

4 高壓加熱段加熱蒸汽的選擇

空氣預熱器通常采用管殼式換熱器，運行過程中，必須有足夠的熱量和傳熱溫差才能把空氣加熱至需要的溫度，熱量來自蒸汽變成凝結水過程中釋放的熱量，傳熱溫差為蒸汽（或凝結水）與空氣的溫差。

鍋爐出口的過熱蒸汽和鍋爐汽包內的飽和蒸汽均可作為空氣預熱器高壓的段加熱蒸汽。鍋爐出口主蒸汽參數為4.0MPa（g）/400℃，汽包工作參數4.6MPa（g）/260℃，這兩種蒸汽用做換熱器加熱蒸汽時的特性見表2。

表2 工質焓熵表

從上表可以看出：每kg過熱蒸汽比飽和蒸汽多釋放熱量453kJ的熱量；每kg過熱蒸汽變為飽和蒸汽僅釋放熱量402.1kJ，占總釋放熱量的19%，溫度下降了150℃；從飽和蒸汽變為凝結水的過程中，溫度不變，釋放的熱量卻占總釋放熱量的81%；采用飽和蒸汽使空預器出口換熱溫差比采用過熱蒸汽高12.7℃；過熱蒸汽釋放的熱量多，但是為得到過熱蒸汽付出的投資也比較多，飽和蒸汽經過熱器加熱后才能得到過熱蒸汽，垃圾焚燒廠余熱鍋爐的常規設置3級過熱器和2級減溫器。2、3級過熱器管材需要采用耐熱合金鋼。

目前設計的鍋爐出口主蒸汽傾向于采用材質為15CrMoG/GB5310的無縫鋼管輸送，汽包飽和蒸汽僅需要采用材質為20G/GB5310的無縫鋼管輸送。

過熱蒸汽釋放熱量的過程為：過熱蒸汽→飽和蒸汽→飽和凝結水，使用過熱蒸汽的換熱面的溫度梯度大，從過熱蒸汽到飽和蒸汽的過程中蒸汽溫度下降了150℃，各傳熱截面的溫差不同，對換熱面的要求比較高。

從過熱蒸汽變為飽和蒸汽時，蒸汽比容雖在減小，但變化比例不大，所以在換熱器內過熱蒸汽加熱段過熱蒸汽向換熱表面移動的速度很慢，相當于蒸汽滑過換熱表面；而飽和蒸汽通過換熱面時，發生了相變，從蒸汽變為凝結水，使加熱介質的體積迅速減小，蒸汽迅速向換熱面移動并與換熱面接觸放出汽化潛熱，因此飽和蒸汽的換熱系數大于過熱蒸汽的換熱系數。根據經驗數值，管殼換熱器運行過程中過熱蒸汽的換熱系數只有飽和蒸汽換熱系數的1/5左右。考慮換熱溫差等因素的影響，為獲得相同的熱量，換熱器采用過熱蒸汽加熱時的換熱面積約為采用相同壓力下飽和蒸汽加熱時的換熱器面積的1.6倍，換熱面積大意味著鋼材消耗量多，設備投資及土建投資都比較大。

采用汽包飽和蒸汽作為加熱蒸汽時，空預器出口冷熱介質溫差較大，僅通過增加換熱面積不需改變換熱面布置方式，還存在將空氣加熱到245～250℃的可行性。

空氣預熱器一般為管殼式換熱器，而使用過熱蒸汽的管殼式換熱器的管板附近容易形成干墻，干墻區會很快結垢，影響換熱效果。

通過對各焚燒廠的調查，一般歐洲的焚燒爐采用汽包飽和蒸汽加熱燃燒空氣，日本的焚燒爐采用過熱蒸汽加熱燃燒空氣。

5 結語

垃圾發電廠中空氣預熱器建議采用蒸汽加熱；一級空氣預熱器出口風溫為170℃左右，二級空氣預熱器出口風溫為240℃左右；加熱蒸汽采用飽和蒸汽和過熱蒸汽各有特點。如果采用日本焚燒爐技術，可按照日方設計方案采用過熱蒸汽作為空氣預熱器高壓段的加熱蒸汽；若按照歐洲焚燒技術，空氣預熱器設計可采用飽和蒸汽加熱方案。

［1］中國城市建設研究院有限公司.上海環境有限公司洛陽項目設計書［R］.北京：中國城市建設研究院有限公司，2014.

［2］廣州輕工業設計院.光大環保能源（江陰）有限公司項目設計書［R］.廣州：廣州輕工業設計院，2007.

［3］于臨秸.鍋爐運行［M］.北京：中國電力出版社，2006.

［4］四川電力建設二公司.垃圾焚燒發電廠安裝與運行技術［R］.北京：中國電力出版社，2009.