垃圾焚燒發電系統優化及綜合利用技術

王利軍

（中國電建集團山東電力建設有限公司，山東省 濟南市250000）

0 引言

截至2018年年底，全國已投運垃圾焚燒項目處理能力合計37.8 萬t/d，垃圾發電增速呈指數級增長，根據國家“十三五”規劃，預計到2020年，我國將會有超過600 座垃圾焚燒發電廠，處理規模達59.14 萬t/d[1-3]。

財政部聯合各部委下發《關于政府參與的污水、垃圾處理項目全面實施PPP 模式的通知》中要求，政府參與的新建污水、垃圾處理項目全面實施PPP 模式。垃圾發電行業集中度較高，項目一般由地方政府與專業運營商簽訂特許經營權，授權運營商進行項目投資、建設、運營、管理及移交工作，政府對項目進行監管，對項目質量和服務狀況進行定期評估，以此作為政府支付運營補貼的依據[4]。因此，對項目配置、建設標準、排放指標、運營維護要求較高。

垃圾發電先按其垃圾處理量折算成上網電量進行結算，每噸生活垃圾折算上網電量暫定為280 kW·h，并執行全國統一垃圾發電標桿電價0.65 元/(kW·h)(含稅)，其余上網電量執行當地同類燃煤發電機組上網電價。

近幾年新中標項目垃圾處理費逐年降低，平均在60～80 元/t，項目利潤空間進一步縮減。

基于以上原因，垃圾發電項目競爭日益激烈，在低工程總價、低垃圾補貼、高建設標準、高融資風險等多重壓力下，要想保證項目經濟收益，做好工程優化、提升項目競爭力尤為重要[5-6]。由于當前垃圾發電項目優化研究領域缺乏全面性和系統性，因此本文對垃圾發電全流程進行深入分析，從參數計算、設備選型、系統配置等方面逐一優化，利用電力行業一流技術，結合運營經驗反饋，解決了項目建設成本、運營維護費用高[7-8]等問題，為提升項目競爭力和經濟性提供了依據。

1 工藝技術簡介

垃圾發電流程主要分為垃圾收集及處理系統、焚燒、余熱發電及供熱系統、煙氣凈化處理系統、爐渣、飛灰及滲濾液處理系統[9]，垃圾發電工藝流程如圖1所示。

圖1 垃圾發電工藝流程圖Fig.1 Waste power generation process flow chart

2 系統優化

2.1 垃圾前處理系統優化

垃圾前處理系統包括垃圾稱重、垃圾卸料、垃圾貯坑、吊車及抓斗。主要是由環衛部門垃圾車將生活垃圾運輸至垃圾發電廠，在進廠地磅房稱重后，經垃圾運輸坡道進入主廠房卸料大廳。汽車通過垃圾卸料門，將垃圾卸至貯坑內，貯坑上方設有吊車及抓斗，可以將垃圾送至焚燒爐內燃燒。

2.1.1 垃圾稱重系統

垃圾稱重系統由汽車衡及數據處理系統組成，這部分配置往往與垃圾發電廠的規模密切相關，整理如表1所示。

表1 汽車衡配置Tab.1 Truck scale configuration

汽車衡規格按照規范最低要求選取，即按照垃圾車最大滿載質量的1.3 倍選擇，經查閱相關技術規程，我國垃圾車額定荷載通常為24 t，考慮車輛自重等其他因素，總質量約為30 t。因此汽車衡規格可以選擇40 t，考慮汽車衡同時要給大型運渣車和石灰車稱重，大型焚燒廠設置的2臺汽車衡可以為一大一小配置，相比正常配置可節約設備投資5%～10%。

2.1.2 垃圾貯坑

垃圾貯坑的作用不僅是對進廠垃圾進行儲存和緩沖，更重要的作用是垃圾能在坑內經過幾天的自然壓縮、發酵等過程，排出部分滲濾液，提高入爐垃圾熱值，穩定焚燒工況。因此，通常垃圾貯坑容積為5～7 d 額定垃圾焚燒量。通常垃圾密度設計值為0.3～0.4 t/m3，但是由于垃圾自然堆積和起重機抓斗機械攪拌作用，垃圾密度可按0.5t/m3考慮，在同等規模垃圾處理量下，貯坑容積可以減少20%～40%，既減少了土建造價，又可以縮短廠房跨距，降低起重機投資。

2.2 垃圾焚燒系統優化

2.2.1 一次風系統

燃燒用一次風從垃圾貯坑上方抽取，首先可以保持垃圾倉負壓，防止臭氣外溢；其次由于垃圾自然發酵過程產生部分可燃氣體，這部分氣體送至爐內燃燒，有助于提高熱值。同時，可以將吸熱后的爐膛冷卻風引入一次風，提高一次風溫。

設計過程中，一次風機選型往往與煙風系統匹配度較差，因此風機的風量、壓頭選擇要盡量與鍋爐實際需要接近，選用合適的裕量。《小型火力發電廠設計規范》指出，風機風量壓頭裕量為20%～30%，根據實際工程經驗，裕量取20%即可滿足要求。另外，設計時選用冷風風機，即一次風預熱器放在風機下游，可以降低風機造價。

2.2.2 二次風系統

二次風取風口可以設置在出渣機上方，此處空氣溫度較高，既可以提高二次風溫度，又能有效降低環境溫度。由于垃圾成分、熱值相對穩定，垃圾揮發分物質較少，因此二次燃燒占比較小，結合工程實際情況，二次風預熱器可以取消。

2.2.3 煙氣系統

采用煙氣再循環技術，從布袋除塵器出口引出少量煙氣，送回焚燒爐二次風入口附近，采用燃燒控制系統對再循環煙氣和二次風進行自動調節，保證爐內煙氣溫度和氧含量穩定。煙氣再循環流量保持10%～20%，這樣在不增加二噁英的基礎上，既可減少引風機容量和功率約10%，又能抑制部分NOx的生成，降低尿素消耗量，同時帶來經濟效益和環保效益。

2.2.4 啟動類設備

所有啟動類設備，例如輔助燃燒器風機、吹灰器吹掃風機均不設備用，且采用工頻電機，以降低設備造價。

2.3 余熱利用及汽輪發電機組系統優化

2.3.1 主蒸汽參數

1）優化的可行性。

鑒于我國垃圾分類管理不完善，垃圾中包含大量餐廚垃圾、橡膠、塑料等物質，這些物質中富含硫、氯和堿金屬，在超過400 ℃的高溫作用下會對鍋爐受熱面產生嚴重的腐蝕[10-11]，因此我國垃圾發電通常選用中溫中壓參數(4.0 MPa，400 ℃)。隨著國內堆焊技術的發展，在不改變受熱面管道材質的基礎上，對受熱面管道表面進行合金堆焊，堆焊層厚度保證2 mm 以上，按照堆焊層0.2 mm/a 的減薄速度，受熱面壽命可保持10 a 以上。再加上國外垃圾發電有運用中溫次高壓參數成功的案例，因此具備將主蒸汽參數提高的技術條件。

2）優化的必要性。

垃圾處理費逐年降低，熱電聯產中的熱又受到地區熱用戶限制，垃圾電廠經濟效益急需拓展新的增長空間，提高發電量是必然選擇。

基于以上分析，可以將鍋爐參數提高至6.0 MPa，450 ℃。以垃圾低位發熱量7000kJ/kg，垃圾焚燒量600 t/d，排汽背壓7 kPa 為基礎條件進行計算，中溫次高壓與中溫中壓參數經濟效益對比如表2所示。

表2 發電經濟效益對比Tab.2 Comparison for power generation economic benefit

經計算得出，中溫次高壓機組比中溫中壓機組年上網發電量多25.4×106kW·h，按照當地燃煤機組上網電價0.37 元/(kW·h)計算，年收入增加約940 萬元。

2.3.2 汽輪機轉速

受垃圾處理量的限制，垃圾發電機組均為中小型汽輪機，進汽量較少，因此為提高汽輪機效率，可以采用高轉速汽輪機，經咨詢杭汽、東汽等汽輪機廠，結合原有工程設計經驗，高轉速汽輪機可以比常規轉速汽輪機提高內效率約4%～5%，可進一步提高發電量。因此，在項目實施中，可以采用技術成熟的5 500 r/min 或6 000 r/min 轉速的汽輪機。

2.3.3 蒸汽再熱系統

為提高機組循環效率，保證汽輪機末級葉片干度，可以借鑒大型發電機組中間再熱系統。國內第一臺再熱式垃圾發電機組已于2018年投產運行，標志著此項技術已經成熟，為今后項目實施優化設計奠定了堅實的基礎。

2.3.4 汽輪機大旁路系統

垃圾發電廠全年以焚燒垃圾為主，汽輪發電機組存在停機檢修情況，為保證停機不停爐，并且不浪費蒸汽，設置汽輪機大旁路，機組檢修期間，將鍋爐主蒸汽通過二級減溫減壓后送至凝汽器，凝結水經過除氧器和鍋爐給水泵后，再次送往余熱鍋爐[12]。

2.4 輔機部分的優化

1）由于垃圾發電裝機容量有限，輔機功率也較小，鍋爐給水泵、凝結水泵等均可采用工頻電機。對于鍋爐給水泵，在出口母管設置電動調節閥，與汽包水位、蒸汽流量實現三沖量水位調節。對于凝結水泵，可以通過設置在再循環管道上的調節閥來調節水量。

2）余熱鍋爐汽水取樣裝置可以采用全人工取樣分析，即取消在線分析儀表。經過大量運行情況反饋，在線分析儀表不僅一次投資高，而且對環境要求較為苛刻，容易出現損壞或者測量數據偏差，最終數據還是通過人工分析得出。因此在設計中，取樣裝置僅保留高溫架，通水冷卻后，由人工定期取樣進行化驗分析。

3）取消鍋爐連續排污擴容器，將鍋爐連排水通過單獨的管道送至定排擴容器中。

4）凝汽器采用一次投資少、運行穩定可靠的射水抽氣器及射水泵系統，代替常規的水環真空泵組。對于夏季射水箱置換的熱水，可通過管道泵輸送至冷卻塔水池循環使用，保證工業新水不浪費。

5）取消凝汽器膠球清洗裝置。通過分析大量現場運行反饋情況，膠球清洗裝置效果不佳，很多清洗裝置都處于閑置狀態，因此可采用人工清洗方式。

6）取消沼氣入爐系統。該配置投資與對焚燒爐燃燒的貢獻不成正比，可以將沼氣直接引至儲氣罐，采用火炬點燃，由于沼氣量較少，幾乎不會對周邊環境產生污染。

7）垃圾發電廠配置的空壓機容量較小，單臺排氣量基本都在40 m3/min 以下，因此可以采用空冷式機組，減少外部冷卻水供應系統。

2.5 煙氣處理系統優化

系統配置應結合建設地的大氣污染排放地方標準與國家標準，綜合判斷確定。例如《山東省區域性大氣污染物綜合排放標準》中規定NOx排放指標為100 mg/m3，而《生活垃圾焚燒污染控制標準》中規定NOx排放指標為250 mg/m3，地方標準高于國家標準，對于山東省內項目，由于選擇性非催化還原法(selective non-catalytic reduction，SNCR)脫硝效率較低，NOx排放達不到100mg/m3的標準[13]，因此需要增加SCR 系統。對于其他省的項目，如果地方標準與國家標準一致，脫硝系統僅設置SNCR 即可，大大減少設備造價。

3 資源高效綜合利用

3.1 垃圾發電與附近燃煤、燃氣機組耦合

垃圾發電產生的蒸汽參數較低，如果項目建設地點附近有高溫高壓以上參數的燃煤或者燃氣機組，可以將這部分蒸汽引入高參數鍋爐內進行過熱，以提高蒸汽品質，然后送回垃圾發電機組發電；也可以將這部分蒸汽作為高參數熱力系統的一部分[14]。

3.2 飛灰固化利用

垃圾焚燒后產生灰渣和飛灰，飛灰中含有堿金屬及二噁英等有害物質，直接排放必然會污染環境，因此需要進行固化處理[15]。焚燒過程中產生的飛灰通過斗提機輸送至飛灰倉，散裝水泥罐車通過氣力輸送將散裝水泥吹送至水泥料倉；飛灰穩定化站設有螯合劑制備槽和螯合劑存儲槽；各倉下設電子計量秤，飛灰和水泥按設定比例稱量后送至混合攪拌機；混合攪拌機對物料攪拌混合，并按比例均勻加入螯合劑溶液和水。水泥、螯合劑和加濕水的添加比例分別接近飛灰質量的10%、2%和30%，穩定化產物滿足GB16889—2008《生活垃圾填埋場污染控制標準》要求后，由運輸車輛運至填埋場進行填埋處置。

3.3 爐渣回收利用

生活垃圾焚燒爐產生的爐渣主要由熔渣、玻璃、陶瓷、金屬、可燃物等不均勻混合物組成，爐渣的主要成分為Si、Al、Ca，可運出廠外回收金屬、制磚等綜合利用。

3.4 排污水梯級回收利用

循環水冷卻系統的排污水，僅含鹽量及懸浮物增加，無其他污染物，可用于廠內對水質要求不高的用水點，例如卸車平臺沖洗用水、爐渣冷卻、鍋爐排污冷卻水、凈化系統消耗水、廠區綠化、道路澆灑及車輛沖洗等處。循環系統排污水的再次利用可有效減少工業新水的用量，還可減少廠區外排污水量，是既節水又環保的有效措施。

餐廚垃圾處理廢水和污泥處理廢水均排至滲濾液處理站。滲濾液處理后出水達到敞開式循環冷卻水系統補充水標準，回送至冷卻塔補水。滲濾液濃水可以回噴至焚燒爐內進行燃燒，避免污染環境。

4 結論

設計優化是提高垃圾發電項目經濟效益、降低工程投資的有利措施，參照其他實際運行項目，鑒于設計優化的局限性和項目業主特殊要求，從系統到局部，從全面到分項，根據實際工程經驗，展示出每個環節的優化空間。同時，結合垃圾發電技術的更新，總結出垃圾相關資源的綜合利用技術。未來隨著人們生活水平提高，城市化進程不斷深入，垃圾發電項目將會呈井噴式發展，如何變廢為寶，最大程度利用垃圾這一充足資源，需要以技術創新為驅動力，不斷推動垃圾發電行業長遠健康發展。隨著建設標準的逐步提高、技術革新的不斷推進，設計優化前景和空間巨大，今后在焚燒爐型改進、飛灰固化處理、滲濾液處理和煙氣凈化方面，仍然有許多研究成果會不斷推出，并廣泛應用于固廢處理行業。