火電機組垃圾焚燒耦合發電的可行性分析

趙 梁

隨著我國經濟發展和人民生活水平的提高，發展過程中產生了大量多種多樣的垃圾，垃圾問題日益突出。從目前的國內情況看，處理垃圾的方式主要是填埋和焚燒發電，垃圾焚燒耦合發電相對較少，為了改善城市垃圾處理現狀，提升垃圾處理能力，緩解垃圾填埋場庫容壓力。本文以位于平遙縣境內的2×200MW 耀光熱電廠為例，進行了垃圾焚燒耦合發電的可行性分析，并給出了垃圾的處理過程和煙氣凈化及污染物的處理方法。

1 現狀分析

1.1 城市現狀分析

平遙縣位于山西省中部，尤以轄區內被列為世界文化遺產并冠以國家5A 級旅游景點的平遙古城最為著名，2019 年1- 11 月全縣共接待游客1738.04 萬人次，平遙縣也因此稱為旅游大縣。截至2018 年底，全縣總人口達52.4 萬人，2020 年底全縣總人口將達到61.7 萬人，2021 年平遙縣的城鄉生活垃圾預計530 噸/日，而現有的生活垃圾處理能力僅為360 噸/日，且全部為垃圾填埋，垃圾處理問題迫在眉急。

1.2 熱電廠現狀分析

耀光熱電廠位于平遙縣城東偏北約9km 處的坮塬上，裝機容量2×200MW，煙氣排放執行國家超低標準，所發電力通過220KV雙回線并入山西電網，同時負責為平遙縣城區供熱。鍋爐選用上海鍋爐廠有限公司生產的SG- 705/13.7- M453 超高壓一次中間再熱，單汽包自然循環、循環流化床鍋爐。鍋爐設計煤種為中煤與煤矸石按照1：2 設計，校核煤種為煤矸石；汽輪機組為上海汽輪機制造廠生產的超高壓、一次中間再熱、雙缸雙排汽、單軸、直接空冷凝汽式汽輪機，型號：CZK200- 13.24/0.392/535/535。

2 垃圾焚燒方案

根據區域垃圾產生量預測，擬建一條額定垃圾處理量為400 噸/天的垃圾焚燒線[1]，新建焚燒鍋爐和余熱鍋爐，所產生蒸汽耦合至燃煤鍋爐蒸汽側，一并進入原有汽輪機進行發電、供熱、供汽。

2.1 焚燒爐的選擇

目前世界各地應用廣泛、具有代表性的垃圾焚燒爐技術主要有四大類，即：爐排型焚燒爐技術、流化床焚燒爐技術、回轉窯焚燒爐技術和垃圾熱解氣化焚燒爐（CAO）技術[2]。

機械爐排爐技術作為世界主流的垃圾焚燒爐技術，技術成熟、可靠，這種焚燒爐因為具有對垃圾的預處理要求不高，對垃圾熱值適應范圍廣，運行及維護簡便等優點，是目前在處理城市垃圾中使用最為廣泛的焚燒爐。因此，本工程采用爐排焚燒爐。

2.2 耦合方式和蒸汽參數

與燃煤機組耦合采取蒸汽側耦合的方式，即焚燒鍋爐焚燒產生的煙氣加熱余熱鍋爐中的過熱器和蒸發器，垃圾焚燒爐產生的蒸汽與燃煤機組蒸汽系統耦合，增加汽輪機的蒸汽流量，從而達到增加企業發電量、降低煤耗的目的[3]。

在國際上，城市生活垃圾焚燒廠主蒸汽參數有兩種，一種是中溫中壓蒸汽參數，溫度400～450℃，壓力3.5～4.0MPa；另一種為中溫次高壓參數，溫度450℃，壓力6.5MPa。這兩種參數的鍋爐在國內進行制造和設計均不存在問題，其主要區別在于過熱器的材質。一方面，430℃是鍋爐過熱器材質提高的分界線，430℃以下可采用碳鋼，430℃～540℃的就必須采用合金鋼；另一方面，主蒸汽參數的提高，必將帶來鍋爐煙氣側受熱面溫度增加，從而使鍋爐受熱面受到來自HCl 和SOX 等腐蝕性化學成分更強烈的腐蝕威脅，其結果是降低了過熱器的使用壽命[4]

根據200MW 燃煤機組汽輪機熱平衡圖，只有汽輪機再熱蒸汽管道的壓力（約3.5MPa）接近中壓，因此考慮焚燒爐所產蒸汽與燃煤機組蒸汽系統耦合，余熱鍋爐采用中溫中壓參數。

3 污染物的處理

3.1 煙氣凈化工藝

為避免垃圾焚燒過程中煙氣對環境造成污染，需對焚燒后煙氣進行凈化處理。煙氣凈化與焚燒線相對應，配置1 套煙氣凈化系統。從場地和經濟角度考慮，充分利用原廠現有設備裝置，焚燒爐產生煙氣匯入燃煤鍋爐煙囪，所以煙氣經凈化處理后排放控制指標執行超凈排放要求，排放限值優于GB18485- 2014生活垃圾焚燒爐煙氣中污染物限值。

脫除煙氣中的HCl、SO2等酸性氣體的方法采用半干法脫酸。其特點是：（1）半干法反應塔脫酸效率較高，對HCl 的去除率可達95%以上，此外對一般有機污染物及重金屬也具有良好的去除效率，若搭配袋式除塵器，則重金屬去除效率可達99%以上。（2）不產生廢水排放，耗水量較濕法脫酸塔少。（3）流程簡單，投資和運行費用相對較低。

為去除煙氣中的二噁英和重金屬，確保煙氣中二噁英和重金屬等有害物質濃度達到排放指標的要求，在煙氣凈化系統中增加活性炭噴射吸附的輔助凈化措施。

煙氣中CO 含量是由于垃圾不完全燃燒產生的，控制二次空氣量，使CO 充分燃燒，可有效控制煙氣中CO 的排放濃度。

NOx 含量的控制，焚燒爐焚燒過程產生的煙氣中NOx 含量一般約為（100～400）mg/Nm3，由于本工程 NOx 排放濃度執行超凈標準，小于50mg/Nm3，所以采用SNCR+SCR 法，SNC R+SCR 混合脫硝工藝是在鍋爐內噴入尿素或氨等還原劑脫除部分NOx，過量逃逸的余氨隨煙氣進入爐后裝有催化劑的SCR脫硝反應器繼續與NOx 反應，實現二次脫硝。該技術的脫硝效率可達80%以上。

綜述，本工程煙氣凈化工藝采用“半干法+ 干法+SNCR/SCR”工藝，即“SNCR 爐內脫硝+ 機械旋轉霧化脫酸反應塔＋干粉噴射+ 活性炭噴射＋袋式除塵器+SCR”工藝。

3.2 灰渣和滲濾液的處理

由于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，爐渣的主要元素為Si、Al、Ca，其污染物低，對爐渣實行填埋。

對于飛灰的處理，采用有機螯合劑穩定化工藝，配水泥為固化基材提高產物強度。穩定化后的產物能滿足《生活垃圾填埋場污染控制標準》GB16889- 2008 中填埋物入場要求。穩定化后的產物由專用運輸車運至衛生填埋場填埋處置。

4 經濟性分析及結論

本項目垃圾處理量可完成400 噸/天，平均每年可處理垃圾13.33 萬噸，可基本解決平遙縣生活垃圾無害化處理問題，另一方面，垃圾焚燒產生的蒸汽與燃煤機組蒸汽系統耦合，增加汽輪機的蒸汽流量，從而達到增加發電量、降低企業煤耗的目的，每年新增最大發電量6309 萬千萬時，其中，每年新增最大上網電量4549 萬千萬時，可節約標煤32.4～45.6 噸、減排二氧化碳80.8～113.2 噸。同時，由于垃圾處理費用的補貼，也將對企業帶來客觀的經濟利益。