生活垃圾焚燒發電廠發電量變化趨勢分析

龍吉生

（上海康恒環境股份有限公司，上海 201703）

1 引言

隨著我國經濟的快速發展，城市生活垃圾產生量迅速增加。垃圾焚燒處理具有減量化和無害化程度高的優點，已成為我國城市生活垃圾處理的主要方式。截至2018 年12 月底，已運營的生活垃圾焚燒發電廠364 座。隨著生活垃圾焚燒廠數量的快速增加，其年發電總量也迅速增加，如圖1 所示，2017 年生活垃圾焚燒廠發電總量已達37.6 TWh［1］。生活垃圾焚燒廠在無害化處理垃圾的同時，通過余熱發電回收能源，降低了焚燒廠運行費用。因此對于現有垃圾焚燒廠發電量的變化規律及影響因素進行深入分析，有助于提高生活垃圾焚燒廠發電效率，實現垃圾焚燒爐的安全經濟運行。

圖1 2009—2017 年垃圾焚燒廠年發電量變化規律

數量眾多的垃圾焚燒發電廠分布在全國各地，不同地區的垃圾組分和熱值以及不同焚燒廠的工藝參數均有明顯差異，這對垃圾焚燒廠發電量有重要影響。國內外部分研究人員已對生活垃圾理化特性及焚燒爐發電量、工藝參數等方面進行了探究分析。對夏季的北京城區不同主體產生的垃圾成分和理化特性的研究表明，垃圾的含水量直接影響到燃料發熱量［2］；而垃圾含水率與廚余的相關性最大，降水量對垃圾含水率影響不大［3］。北京［4］、上海［5］、深圳［6］等地垃圾組分的歷史數據表明，垃圾中廚余含量呈下降趨勢，紙類和塑料含量則呈上升趨勢，垃圾熱值呈上升趨勢；但近幾年隨著人們生活水平和生活習慣逐漸穩定，垃圾成分變化趨勢漸趨穩定［7-8］。不同國家垃圾組分數據表明，經濟發展水平較低的地區垃圾中有機物占比較高，而經濟發達地區紙類成分更多［6，9］。文獻數據［2］表明垃圾成分的改變會影響其發熱量的變化，并將進一步影響焚燒爐噸垃圾發電量。現有研究成果較多關注提高鍋爐蒸汽參數來提高垃圾焚燒廠發電效率［10］，或通過工藝改進來提高發電效率，如組合式高效垃圾發電工藝（WTE-GT） 和再熱循環工藝［11］。然而研究人員對垃圾組分變化后噸垃圾發電量的變化趨勢未做過多關注，同時隨著我國焚燒廠垃圾處理量的不斷增大，焚燒爐單爐垃圾處理量日益增大，其對焚燒爐噸垃圾發電量的影響被關注較少。

本文以部分有代表性的爐排爐焚燒發電廠為研究對象，對比分析了地理位置、運營年限及焚燒爐容量等因素對焚燒爐噸垃圾發電量變化的影響，并對垃圾焚燒爐的清潔高效運行提出了建議。

2 研究對象及研究方法

2.1 研究對象

本文選取已投產的92 座爐排爐垃圾焚燒廠為研究對象，約占總投產焚燒爐數量的25%。如圖2所示，研究樣本主要分布在經濟發達地區，如四川、江蘇、山東、廣東、上海、天津、北京、浙江等，同時在地理分布上實現了東、南、西、北全覆蓋。焚燒廠投產年份從2003 年到2018 年，垃圾處理量范圍為450～3 000 t/d，單臺焚燒爐垃圾處理量范圍為150～750 t/d。焚燒爐蒸汽參數范圍為400～450 ℃、4.0～6.3 MPa。

圖2 樣本分布

2.2 研究方法

由于進入焚燒廠的生活垃圾會在垃圾倉發酵后再投入焚燒爐，因此筆者重點分析了入爐噸垃圾發電量的變化規律。同時為避免季節變化對垃圾成分和熱值的影響，采用城市生活垃圾焚燒廠年平均運營數據進行分析，包括年進廠垃圾量、年進爐垃圾量、年平均滲濾液產率、年發電量、入爐噸垃圾發電量等數據。其中年平均滲濾液產率L 通過年進廠垃圾量M 和年進爐垃圾量m 計算獲得，如式（1） 所示。入爐噸垃圾發電量e 通過年發電量E 和年進爐垃圾量m 計算獲得，如式（2） 所示。

3 焚燒廠年平均發電量變化規律

垃圾焚燒產生的蒸汽主要用于發電和供熱，提高噸垃圾發電量對于提高垃圾焚燒廠經濟效益和垃圾資源化利用具有重要意義。圖3 為不同地區垃圾焚燒廠入爐噸垃圾發電量年平均數據，由圖可知不同地區入爐噸垃圾發電量分布范圍為366～467 kWh/t，地區之間的差異明顯，最大值和最小值相差約100 kWh/t。其中，東南沿海地區噸垃圾發電量較高，如廣東、浙江、上海、江蘇；而東北地區噸垃圾發電量均較低，遼寧噸垃圾發電量最低為366 kWh/t；這是因為東南沿海地區經濟更為發達，垃圾熱值更高［6，9］，噸垃圾發電量升高。對比發現，北方地區噸垃圾發電量低于南方地區，東西部經濟發達地區噸垃圾發電量無明顯差異。

圖3 不同地區垃圾焚燒廠噸垃圾發電量分布

3.1 噸垃圾發電量與運營時間的關系

如圖4 所示，上海、廣州、深圳、北京等地不同焚燒廠噸垃圾發電量隨著運營時間增加均呈上升趨勢，而垃圾滲濾液產率則逐年下降。隨著經濟發展，居民生活水平逐年提高，生活垃圾中廚余含量呈下降趨勢，紙類和塑料含量呈上升趨勢［4-6］，而廚余含水率高，因而垃圾中滲濾液產率呈下降趨勢。隨著垃圾滲濾液產率近年來逐漸下降，噸垃圾熱值升高，垃圾焚燒廠處理相同質量垃圾獲得熱量更多，生產更多電能，因而噸垃圾發電量升高。圖4 中4 座垃圾焚燒廠噸垃圾發電量上升趨勢均與滲濾液產率下降趨勢呈現很好的相關性，說明垃圾滲濾液產率是影響焚燒廠噸垃圾發電量的關鍵因素。同時圖4 中4 個不同城市焚燒廠滲濾液數據亦有較大差異，A 焚燒廠垃圾滲濾液產率最高，B 焚燒廠垃圾滲濾液產率最低。這是因為A 焚燒廠垃圾組分中廚余比例為61.66%［8］，而B 焚燒廠垃圾組分中廚余比例只有37.76%［12］。由圖4（a） 和圖4（b） 數據對比也再次證實了上述分析，A 焚燒廠垃圾滲濾液產率明顯高于B 焚燒廠，因此其噸垃圾發電量也更低。

3.2 噸垃圾發電量與地理區域的關系

圖4 噸垃圾發電量與運營時間的關系

南北方、東西部不同省份噸垃圾發電量分布規律如圖5～圖6 所示。對比圖5（a）和圖5（b）數據可知，南方省份垃圾焚燒發電廠噸垃圾發電量明顯高于北方省份垃圾焚燒發電廠數據，但大部分南方省份垃圾滲濾液產率（除廣東外） 并未明顯低于北方省份，說明還有其他因素影響噸垃圾發電量的變化。圖6 東西部省份噸垃圾發電量分布規律亦表明了噸垃圾發電量和滲濾液產率的關聯性。

由圖5（a）不同省份數據對比發現，珠三角（廣東）和長三角（上海、浙江、江蘇）地區噸垃圾發電量最高，這是因為這些地區經濟更為發達，垃圾中紙類和塑料含量會上升［6，9］，垃圾熱值更高。圖5（b）北方省份數據表明，更靠近北方的遼寧、天津滲濾液產率低，噸垃圾發電量也低。這是因為北方冬季取暖期間垃圾中渣土含量高［12］，降低了垃圾熱值；同時在冬季低溫下，垃圾倉發酵溫度低，一部分滲濾液未析出，入爐垃圾含水量高，噸垃圾熱值降低，噸垃圾發電量下降。

圖5 南北方不同省份噸垃圾發電量分布規律

圖6 東西部不同省份噸垃圾發電量分布規律

由于本文中西部焚燒廠主要建在武漢、成都等經濟較發達地區，其垃圾滲濾液產率與東部長三角發達地區無明顯差異，噸發電量亦接近。

3.3 噸垃圾發電量與焚燒爐容量的關系

隨著城市生活垃圾處理量日益增多，垃圾焚燒廠焚燒爐單爐容量近年來逐漸增大，焚燒爐容量的改變對鍋爐熱效率有重要影響，進而影響噸垃圾發電量。為減少不同地域垃圾組分差異對噸垃圾發電量的影響，圖7 對同一省份內不同容量的焚燒爐進行了噸垃圾發電量的比較分析。

圖7 噸垃圾發電量與焚燒爐容量關系

如圖7（a）所示，江蘇省8 座焚燒廠數據表明，隨著焚燒爐單爐容量從300 t/d 增大到750 t/d 后，噸垃圾發電量亦從340 kWh/t 升高到501 kWh/t，噸垃圾發電量與焚燒爐單爐容量呈正相關性。不同容量工業鍋爐熱效率測試結果表明，噸位越大，鍋爐熱效率越高、熱損失越小［13］。因而增大焚燒爐容量可以提高鍋爐熱效率，進而提升噸垃圾發電量。對比圖7（a） 中相同容量焚燒爐的噸垃圾發電量數據發現，相同單爐容量的焚燒廠之間噸垃圾發電量亦存在差異。如江蘇B 廠、江蘇C 廠、江蘇D 廠，3 個焚燒廠單臺焚燒爐容量均為500 t/d，但噸垃圾發電量分別為501、485、455 kWh/t。特別是江蘇B 廠和江蘇C 廠的垃圾來自同一個城市，垃圾成分幾乎無差異，這說明噸垃圾發電量的變化除了受到垃圾成分和焚燒爐容量影響外，還與其他因素有關，例如焚燒爐設計制造和運營管理水平。

圖7（b） ～（d） 分別為山東省、上海市、北京市不同焚燒廠噸垃圾發電量與焚燒爐容量的變化規律，其數據變化特點與圖7（a） 相似，噸垃圾發電量隨焚燒爐容量增大而升高，個別焚燒爐數據波動與設計、運營等因素有關。

4 結論與建議

1） 隨著垃圾焚燒廠運營時間的增加，垃圾成分發生變化，垃圾中紙類和塑料含量增多，垃圾滲濾液產率降低，垃圾熱值增大，噸垃圾發電量升高；南方省份經濟更為發達，噸垃圾發電量高于北方省份，東部長三角地區噸垃圾發電量與中西部發達地區無明顯差異。因此垃圾焚燒廠在設計和運行過程中均需重點考慮地理位置、垃圾成分變化趨勢對垃圾熱值的影響。

2） 生活垃圾焚燒爐容量增大后，鍋爐熱效率提高，噸垃圾發電量升高。因此相同處理總量條件下，優先選用大容量焚燒爐可提高噸垃圾發電量。