垃圾焚燒鍋爐設置再熱器的可行性分析

文_彭小軍 戴曉云 宦曉鵬 上海環境衛生工程設計院有限公司

由于垃圾熱值低、腐蝕性強和易結焦的特性，目前我國垃圾焚燒電廠基本都采用中溫中壓（4．0MPa、400℃）的蒸汽參數，發電機組的熱效率一般在20%～22%，遠低于燃煤電廠。目前國內生活垃圾焚燒電廠的收益主要來源于售電收入和垃圾處理貼費收入，由于近幾年垃圾處理貼費的持續降低，為提高發電量增加售電收入，國內的一些大型焚燒發電項目都紛紛提高了鍋爐蒸汽參數，采用中溫次高壓（6．4MPa、450℃）參數，極個別項目甚至開始嘗試在鍋爐內設置再熱器。

1 垃圾焚燒鍋爐采用再熱技術的現狀

蒸汽再熱就是把主蒸汽（Po、to）經過汽輪機高壓缸做功后的蒸汽(P1、飽和溫度)返回鍋爐，經過再熱器重新加熱，再熱到與主蒸汽相同的溫度后（P1、t1），再送至汽輪機的中、低壓缸做功（詳見圖1）。由于再熱的結果，不僅可以降低排汽濕度，減輕濕蒸汽對末級葉片的沖蝕，并且還可以提高蒸汽的做功能力，大約相當于主蒸汽溫度提高了80℃，機組熱效率可提高約4%～5%。

圖1 再熱蒸汽工作h-s 圖

近年來，我國垃圾焚燒行業發展迅猛。截至2019 年，國內已經運行的垃圾焚燒電廠超過400 座。然而，這其中鍋爐設置了再熱器的僅有光大江陰和蘇州兩座焚燒廠。即使從世界范圍看，也只有荷蘭阿姆斯特丹AEB 項目設置了再熱器。從使用情況可以看出，盡管鍋爐設置再熱器可大幅提高發電機組的熱效率，而且在燃煤電廠已經是較為成熟的技術，但在垃圾焚燒發電行業，再熱技術的應用還存在一定的難度，還沒有成為垃圾行業的主流技術。

2 垃圾焚燒鍋爐設置再熱器的可行性分析

2.1 技術可行性分析

再熱器內介質和過熱器相同都是過熱蒸汽，通常運行壓力為過熱蒸汽的1/5，相當于在鍋爐內增設了一個低壓的過熱器。由于鍋爐主要通過高溫煙氣將熱量傳給換熱管內的低溫介質，這就需要鍋爐具有足夠的高溫煙氣區間來加熱過熱蒸汽。而由于垃圾的熱值偏低，因此其燃燒后的煙氣溫度也低于燃煤。表1 為常規燃煤中壓鍋爐和垃圾焚燒鍋爐的熱力計算匯總表。

表1 燃煤和垃圾焚燒鍋爐熱力計算匯總表

從表1 看垃圾焚燒鍋爐的煙氣溫度遠低于燃煤鍋爐，尤其是燃煤鍋爐進入過熱器煙氣溫度高達871℃，遠高于垃圾焚燒鍋爐的585℃。由于兩種鍋爐的過熱蒸汽溫度都為450℃，因此燃煤鍋爐過熱器的溫壓更大，還有足夠的煙氣加熱溫度區間用來設置再熱器，系統也更容易調節。

由于垃圾中堿金屬成分偏高，導致燃燒后易結焦且腐蝕性強。通常垃圾焚燒鍋爐過熱器的入口煙氣溫度都需要控制在600℃以下，而過熱蒸汽溫度又在飽和溫度（220℃）以上，因此可用于加熱過熱蒸汽的煙氣溫度僅在300 ～600℃之間。此時考慮增加再熱器，即將高壓缸排汽（1．3MPa，220℃）再加熱到450℃，從傳熱學的角度看顯然很難布置，即使勉強布置也會因為溫壓過低（甚至低于50℃）導致再熱器換熱面積過大，并且系統難以調節。

另外，受季節、垃圾發酵時間等因素影響，垃圾熱值變化較大，因此和燃煤鍋爐相比，垃圾焚燒鍋爐的負荷波動也較大。通常鍋爐運行時，由于過熱器入口的介質溫度是對應鍋筒工作壓力下的飽和溫度，而飽和溫度只會隨鍋筒壓力的變化而變化。當發電機組負荷降低時，過熱器會因為蒸汽流量減少而壓力略有下降，使得進入過熱器的飽和蒸汽溫度下降，但下降的幅度很小。例如，超高壓或亞臨界壓力鍋爐，當飽和汽壓下降0．4MPa時，飽和溫度僅下降2℃。因此，只要控制好鍋爐的運行壓力，即使負荷降低，過熱器的蒸汽溫度仍然可以進行很好的維持，基本可達到設計值。然而對于再熱器來說，當鍋爐負荷降低時，即進入汽輪機的主蒸汽量會減少，高壓缸排汽的溫度（即再熱器入口介質溫度）也會隨之降低。通常當額定負荷降至70%時，高壓缸排汽溫度會下降20 ～30℃。并且由于垃圾焚燒鍋爐再熱器溫壓本身就很低，因此當鍋爐負荷變化時，要維持再熱器的蒸汽溫度也會更加困難，也會影響機組熱效率提升的效果。

2.2 運行維護分析

鍋爐運行的安全穩定性往往是垃圾焚燒廠運營穩定的關鍵，這其中因鍋爐換熱面高溫腐蝕和結焦積灰而導致的煙道堵塞是電廠非計劃停爐的主要原因。垃圾焚燒發電廠鍋爐換熱面的腐蝕速度與換熱面管子壁溫有很大的關系，如圖2 所示，在高溫腐蝕區，當管壁溫度超過480℃后，腐蝕速度增加很快。在鍋爐的所有換熱面中，換熱面的管壁溫度主要取決于管內介質的溫度和冷卻能力。而鍋爐中過熱器和再熱器中的介質均為過熱蒸汽，介質溫度最高且冷卻效果差，其換熱管的壁溫是鍋爐中最高的，腐蝕的速度也最快。

與過熱器相比，再熱器中介質壓力更低，密度小，流速低，使得再熱器蒸汽側的放熱系數僅為過熱器蒸汽側放熱系數的五分之一，即再熱蒸汽冷卻效果比過熱蒸汽更差。同時，再熱器蒸汽壓力低，比熱小，對熱偏差也更敏感。并且由于受到再熱器壓降的限制，再熱器無法像過熱器那樣采用過多的混合交叉布置，熱偏差也更容易導致某些再熱器換熱管超溫。盡管再熱器布置在過熱器之后的對流煙道內，但其管壁溫度仍然比過熱器管壁溫度高，再熱器管子的高溫腐蝕也更嚴重。因此，垃圾焚燒鍋爐設置再熱器，就是在鍋爐內增設最容易腐蝕的換熱面。

根據技術分析可知，垃圾焚燒鍋爐設置再熱器由于溫壓過低會導致再熱器換熱面積過大，加上再熱器又是鍋爐中腐蝕速度最快的部件，使得鍋爐換熱面腐蝕甚至爆管停爐的風險大大增加。另外，由于再熱器換熱面積過大，換熱面積灰結焦問題也會加劇，焚燒廠清灰和檢修的工作也會加大，直接影響到焚燒廠安全穩定的運行。

圖2 管壁溫度與腐蝕速度的關系

2.3 經濟可行性分析

為了更好的對垃圾焚燒鍋爐設置再熱器進行經濟性比較，需要對焚燒廠的基礎條件進行統一。以日處理垃圾1500t 規模的焚燒廠為例，對采用中溫次高壓（6．4MPa、450℃）和中溫次高壓并再熱（6．4MPa、450℃/再熱參數1．28MPa、450℃）兩種情況進行經濟性分析。

2.3.1 經濟性比較的基礎條件

垃圾焚燒廠經濟比較分析的基礎條件為：焚燒廠規模1500t/d、垃圾設計熱值2000kcal/kg、鍋爐配置2×750t/d、汽輪發電機配置1×50MW，年運行時間8000h，年處理垃圾量50 萬t，焚燒廠運營期20a、電價0．4155 元/kWh。

2.3.2 投資比較

鍋爐設置再熱器，不僅增加設備投資，系統管道閥門也會更復雜，鍋爐等設備尺寸也會變大，廠房面積也會加大，導致項目投資增加。表2 為再熱和非再熱條件下項目投資比較表，根據比較可知，采用再熱技術的鍋爐和汽輪機設備初期投資會提高1232 萬元，再熱管道和閥門費用增加約50 萬元，廠房面積增加費用約200 萬元，項目總投資需增加1482 萬元左右。

表2 鍋爐和汽輪機設備投資比較表（萬元）

2.3.3 運行和維護費用分析

鍋爐設置再熱器會增加鍋爐清灰和檢修維護的工作量，但具體費用受焚燒廠的運營水平、垃圾狀況等因素影響，很難估算。由于此次設定的兩種情況所選取的蒸汽初參數相同，均為6．4MPa、450℃，則可以簡單的考慮兩種條件下鍋爐水冷壁、省煤器和過熱器的檢修費用相同，僅需考慮再熱器增加的維護費用。現在如果再熱器的使用壽命為5a，則設置再熱器后兩臺鍋爐每年維護費用需增加125 萬元左右。

2.3.4 綜合經濟效益分析

設置再熱器對焚燒廠的綜合經濟效益影響分析見表3。根據理論計算可知，在垃圾熱值2000kcal/kg 時采用中溫次高壓蒸汽參數噸垃圾發電可達到510 ～560 kWh （按530kWh 計算），設置再熱器后機組效率提升了4%，即噸垃圾發電量提高了約21kWh。由于整個焚燒廠全年可焚燒處理50 萬t 垃圾，粗步推算全廠每年可多發電1050 萬kWh，按上網電價0．4155 元/kWh 計算，全廠每年可增加售電收入約436 萬元。

表3 垃圾焚燒鍋爐設置再熱器的綜合經濟效益

根據粗步推算，設置再熱器后焚燒廠每年全廠可提高經濟效益約237 萬元，靜態分析看七年內可收回投資成本。然而上述計算只是考慮了較為理想的運行情況，畢竟設置再熱器會加大鍋爐的運行風險，停爐檢修次數的增多不僅會增加設備的維修費用，也會導致焚燒廠發電和垃圾處理費等收入的降低，但這部分費用更是難以預測，所以也無法計入到經濟效益中，因此實際運行中投資回收年限肯定會加長。

3 結論

鍋爐設置再熱器，因為鍋爐換熱面積和系統管道閥門的增多，設備的投資會加大，再熱系統也會增加運行的難度。因此從規模效益上考慮，國內一般容量大于400t/h（裝機125MW以上）的超高壓電站才予以采用。而因為垃圾熱值偏低，目前世界上垃圾焚燒鍋爐蒸發量基本都在100t/h 以下，所以單純從規模上考慮，垃圾焚燒鍋爐不宜設置再熱器。

垃圾焚燒鍋爐設置再熱器可以提高機組熱效率，增加焚燒廠收益。然而由于垃圾熱值偏低、腐蝕性強易結焦的特性，垃圾焚燒鍋爐設置再熱器會大幅度增加鍋爐對流換熱面積，加大鍋爐堵灰和換熱管腐蝕爆管的風險，從而影響焚燒廠安全穩定的運行。另外，垃圾熱值的不穩定性使得鍋爐負荷波動變大，再熱器的蒸汽溫度也會出現波動，會降低設置再熱器的效果。因此，結合垃圾的燃料特性，從技術、運行和經濟分析的情況來看垃圾焚燒鍋爐設置再熱器可行性不高，從現狀看也很難在垃圾焚燒行業大范圍應用。