耦合污泥熱泵干化的垃圾焚燒發(fā)電系統(tǒng)的模擬研究

＊陳漢鼎 郭舜之 宋旭東 者應(yīng)富

（1.浙江商業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 浙江 310059 2.寧夏大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院（省部共建煤炭高效利用與綠色化工國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室） 寧夏 750021 3.杭州新世紀(jì)能源環(huán)保工程股份有限公司 浙江 310021）

隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的持續(xù)發(fā)展，生活垃圾清運(yùn)量逐年增長，根據(jù)住建部發(fā)布的2022年城鄉(xiāng)建設(shè)統(tǒng)計(jì)年鑒，僅城市生活垃圾清運(yùn)量就由2012年的1.71億噸增長至2022年的2.44億噸。截至2020年末，累計(jì)在運(yùn)行生活垃圾焚燒廠超過500座，焚燒設(shè)施處理能力達(dá)58萬t/d，初步形成新增處理能力以焚燒為主的垃圾處理發(fā)展格局。2020年，《關(guān)于促進(jìn)非水可再生能源發(fā)電健康發(fā)展的若干意見》等政策明確電價(jià)補(bǔ)貼退坡機(jī)制，導(dǎo)致生活垃圾焚燒發(fā)電項(xiàng)目投資收益降低。垃圾焚燒發(fā)電替代衛(wèi)生填埋，降低了溫室氣體（甲烷等）的排放，同時(shí)垃圾焚燒發(fā)電替代傳統(tǒng)火力發(fā)電實(shí)現(xiàn)電力生產(chǎn)。因此，眾多研究表明垃圾焚燒發(fā)電具有碳減排屬性[1-3]。基于上述因素，研究學(xué)者和行業(yè)企業(yè)近年來高度重視提高焚燒發(fā)電效率方面的研究。

垃圾焚燒發(fā)電廠是城市固體廢物處置的核心項(xiàng)目，可協(xié)同處置市政污泥、餐廚殘?jiān)⑨t(yī)廢等固體廢棄物。市政污泥等含水量較大的固廢無法直接進(jìn)入垃圾焚燒爐焚燒，須進(jìn)行干化預(yù)處理將其濕度降低至40%以下。目前常規(guī)以高溫蒸汽為熱源，采用圓盤或槳葉式等間接干化設(shè)備實(shí)現(xiàn)污泥干化，但普遍存在能耗過高的問題。污泥低溫?zé)岜酶苫菬岜门c帶式干化結(jié)合的干化技術(shù)，通過熱干空氣干化污泥，并利用熱泵回收熱濕空氣的低溫余熱和干燥干化空氣以降低高品位熱源（蒸汽/電力）的消耗。傅偉良[4]、惠豪振[5]、吳青榮[6]等學(xué)者對污泥蒸汽壓縮式熱泵干化系統(tǒng)進(jìn)行了系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化和模擬仿真研究，結(jié)果均表明污泥低溫?zé)岜酶苫哂休^好的節(jié)能效果。

吸收式熱泵是利用溶液（如溴化鋰溶液）的吸收特性，以少量高溫?zé)嵩炊请娏閯?dòng)力，回收低溫?zé)嵩吹挠酂?廢熱，實(shí)現(xiàn)對外供熱的節(jié)能系統(tǒng)。耦合吸收式熱泵的熱電聯(lián)產(chǎn)采暖供熱已實(shí)際應(yīng)用，以鍋爐蒸汽為高溫?zé)嵩矗厥针姀S冷凝器冷卻水余熱，不僅降低供熱整體煤耗，而且能減少冷卻塔水耗[7]。王旭等[8]以100t/d污泥低溫?zé)岜酶苫?xiàng)目為例，探討系統(tǒng)的熱平衡模型和能量分布，結(jié)果表明結(jié)合吸收式熱泵的污泥低溫干化相較于傳統(tǒng)的蒸汽圓盤式干化和蒸汽輔助熱風(fēng)帶式干化的更節(jié)能。垃圾焚燒發(fā)電廠內(nèi)有循環(huán)水余熱、煙氣余熱等廢熱可供利用，配置吸收式熱泵用于污泥低溫干化，具有提高發(fā)電效率的潛力，但目前對基于吸收式熱泵的污泥低溫干化系統(tǒng)的研究較少，更缺乏其耦合入垃圾焚燒發(fā)電項(xiàng)目的能效評價(jià)。

本文提出基于吸收式熱泵的污泥低溫干化方案，建立對應(yīng)的熱力學(xué)仿真模型，通過模擬計(jì)算分析干化方案的熱力特性，選取合適的熱泵高低溫?zé)嵩矗O(shè)計(jì)污泥干化系統(tǒng)耦合入垃圾發(fā)電廠的方案，通過計(jì)算發(fā)電功率來評價(jià)方案的能效提升水平。

1.工藝過程和模擬方法

(1)垃圾焚燒發(fā)電工藝過程

垃圾焚燒發(fā)電的典型工藝流程如圖1(a)所示。垃圾運(yùn)輸車將生活垃圾轉(zhuǎn)運(yùn)至廠內(nèi)垃圾坑，垃圾發(fā)酵5～7天后通過抓斗起重機(jī)進(jìn)入爐排爐焚燒。焚燒產(chǎn)生的高溫?zé)煔饧訜嵊酂徨仩t，產(chǎn)生的高溫高壓水蒸氣推動(dòng)汽輪發(fā)電機(jī)組發(fā)電。余熱鍋爐出口煙氣經(jīng)煙氣凈化系統(tǒng)處理后達(dá)標(biāo)排放。根據(jù)國內(nèi)垃圾焚燒發(fā)電項(xiàng)目的焚燒爐常用單爐規(guī)模配置，本文選取某600t/d規(guī)模項(xiàng)目作為研究對象，采用中溫次高壓蒸汽參數(shù)，主要工藝參數(shù)如表1所示。

表1 某600t/d垃圾焚燒發(fā)電項(xiàng)目的主要工藝參數(shù)表

圖1 典型垃圾焚燒發(fā)電項(xiàng)目工藝

(2)垃圾焚燒發(fā)電系統(tǒng)建模

利用德國STEAG電力集團(tuán)的電站熱平衡及能耗計(jì)算仿真軟件進(jìn)行熱力系統(tǒng)的建模和參數(shù)優(yōu)化。眾多研究表明Ebsilon軟件在燃煤電站和垃圾焚燒的熱力系統(tǒng)和吸收式制冷/熱泵系統(tǒng)的仿真模擬上具有較高的準(zhǔn)確性[9-11]。基于穩(wěn)態(tài)運(yùn)行假設(shè)構(gòu)建模型，如圖1(b)所示。模型考慮主蒸汽管道的阻力損失，但不考慮其他熱力管道和助燃空氣管道的阻力損失和鍋爐排污水的影響。

在生活垃圾入爐量為600t/h的工況（即100%負(fù)荷）下，輸入項(xiàng)目主要設(shè)計(jì)參數(shù)，通過校正鍋爐出口煙氣溫度、主蒸汽溫度和壓力，完成模型內(nèi)各模塊的設(shè)置，其模擬計(jì)算結(jié)果如表2所示。模擬計(jì)算與項(xiàng)目設(shè)計(jì)的額定工況比較結(jié)果表明發(fā)電功率偏差小于5%，證明模型構(gòu)建有效。在研究耦合吸收式熱泵的工藝對全廠發(fā)電能效的影響時(shí)，各模塊的設(shè)置及鍋爐排煙溫度保持恒定。

表2 100%負(fù)荷工況下垃圾焚燒發(fā)電系統(tǒng)模擬結(jié)果

(3)污泥干化系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于吸收式熱泵的污泥干化系統(tǒng)如圖2所示。濕污泥經(jīng)過預(yù)熱達(dá)到60.00℃，送入帶式干化設(shè)備與干燥的混合熱空氣直接接觸。干化設(shè)備排出的低溫濕空氣，一部分直接進(jìn)入吸收式熱泵，先后經(jīng)吸收器和冷凝器加熱，再用于干化污泥，該部分空氣即為循環(huán)空氣。另一部分排出的低溫濕空氣，先進(jìn)入熱泵的蒸發(fā)器或其他冷卻除濕設(shè)備，降溫除濕后形成除濕空氣，再進(jìn)入吸收器和冷凝器加熱。為提高能效，在蒸發(fā)器前設(shè)置換熱器，用于進(jìn)出蒸發(fā)器的干濕空氣換熱。

圖2 基于吸收式熱泵的污泥干化系統(tǒng)示意圖

(4)污泥干化系統(tǒng)建模

本文采用Aspen Plus軟件模擬污泥干化過程與Ebsilon軟件模擬熱泵供熱相結(jié)合的方式，通過污泥干化Aspen Plus模型測算的干化空氣流量、濕度等參數(shù)，再利用熱泵系統(tǒng)Ebsilon模型測算所需外部熱源。

Aspen Plus在化工、液化天然氣、煤炭電力等行業(yè)的概念設(shè)計(jì)、優(yōu)化和性能監(jiān)控等方面應(yīng)用廣泛，也有對污泥的干燥、氣化等過程進(jìn)行模擬仿真[12-13]。選用HCOALGEN為污泥的焓設(shè)定方法，選用DCOALIGT為污泥的密度設(shè)定方法，輸入工業(yè)分析、元素分析等基本參數(shù)完成污泥的非常規(guī)組分設(shè)定。物理屬性方法采用帶有Boston-Mathias修正函數(shù)的Peng Robinson立方狀態(tài)方程PR-BM。構(gòu)建的Aspen Plus污泥干化設(shè)備熱力學(xué)模型如圖3(a)所示。

圖3 污泥低溫?zé)岜酶苫到y(tǒng)建模

構(gòu)建為循環(huán)空氣與除濕空氣加熱的吸收式熱泵模型，如圖3(b)所示。驅(qū)動(dòng)熱源為汽輪機(jī)抽汽，熱泵分為兩部分，一部分為循環(huán)空氣經(jīng)過吸收器和冷凝器被加熱；另一部分為除濕空氣分別進(jìn)入蒸發(fā)器和外部冷卻除濕器冷卻干燥后，在經(jīng)過吸收器和冷凝器被加熱。

2.結(jié)果與討論

(1)污泥干化熱力特性

對污泥低溫干化設(shè)備進(jìn)行變工況分析，當(dāng)干化污泥濕度為40.00%時(shí)，循環(huán)空氣與除濕空氣的加熱功率隨循環(huán)空氣比例的變化如圖4所示。隨著循環(huán)空氣比例的提高，加熱總功率逐漸降低，主要由于循環(huán)空氣的溫度為相對較高，為55.00℃，而除濕空氣溫度為40.00℃。因此，設(shè)計(jì)低溫?zé)岜酶苫到y(tǒng)時(shí)，應(yīng)取較高的循環(huán)空氣比例為宜。

圖4 熱泵加熱功率隨循環(huán)空氣比例的變化

干化系統(tǒng)出口濕空氣濕度與循環(huán)空氣比例的關(guān)系如圖5所示。在干化污泥的濕度相同時(shí)，隨著循環(huán)空氣比例的升高，出口濕空氣的濕度也逐漸升高。濕空氣在干化設(shè)備出口的溫度為55.00℃，在熱泵前換熱器出口的溫度約為50.00℃，常壓下對應(yīng)的飽和狀態(tài)的水蒸氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為10.28%和7.95%。當(dāng)循環(huán)空氣比例高于65.00%時(shí)，出口濕空氣的水蒸氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于飽和狀態(tài)的水蒸氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)，因此在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，空氣循環(huán)比例確定為65.00%。

圖5 干化設(shè)備出口空氣濕度與循環(huán)空氣比例的關(guān)系

汽輪機(jī)抽汽分為三股，分別為通往一次風(fēng)空氣預(yù)熱器（溫度為298.11℃）、通往除氧器、通往低壓加熱器（溫度為90.01℃）。兼顧汽輪機(jī)發(fā)電和熱泵性能，采用通往除氧器的高溫蒸汽（溫度為224.27℃）為驅(qū)動(dòng)熱源。模型計(jì)算結(jié)果表明，抽汽熱源負(fù)荷為1473.13kW。

布袋除塵器出口煙氣達(dá)到150.00℃，蘊(yùn)含大量顯熱和水蒸氣冷凝潛熱，可作為煙氣型吸收式熱泵的驅(qū)動(dòng)熱源。與圖3(b)模型相似，構(gòu)建以高溫?zé)煔鉃轵?qū)動(dòng)熱源的熱泵模型，熱泵出口煙氣設(shè)計(jì)溫度在120.00℃，發(fā)生器溫度為125.00℃，結(jié)果表明，除濕空氣和循環(huán)空氣被加熱至75.01℃，發(fā)生器功率1220.79kW，COP值達(dá)1.69。但因排煙溫度相對較低，設(shè)計(jì)的吸收式熱泵的發(fā)生器溫度、冷凝器出口制冷劑溫度均受到限制，干化空氣的溫度只能達(dá)到約75.00℃，低于設(shè)計(jì)的80.00℃。雖然該方案相較于直接蒸汽干化，更加節(jié)能，但存在發(fā)生器的換熱溫差過小的問題。發(fā)生器內(nèi)稀溶液由116.25℃被加熱至125.00℃，煙氣由150.00℃降低至118.62℃。因此，用于污泥低溫干化的吸收式熱泵驅(qū)動(dòng)熱源應(yīng)采用汽輪機(jī)抽汽。

(2)污泥干化對發(fā)電能效的影響

為評估污泥低溫?zé)岜酶苫瘜Πl(fā)電能效的影響，以常規(guī)圓盤干化系統(tǒng)為對比。濕度為80.00%的濕污泥進(jìn)入分離單元后被分為40.00%濕污泥和水分，通過供熱單元的間接蒸汽（溫度160.00℃、壓力0.40MPa）加熱實(shí)現(xiàn)污泥的升溫和水分蒸發(fā)。圓盤干化機(jī)等間接干化設(shè)備須設(shè)置載氣用于攜帶水分蒸發(fā)后水蒸氣，排出干化設(shè)備。根據(jù)圓盤干化機(jī)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，空氣載氣流量約為污泥流量的60.00%，因此計(jì)算時(shí)加入60.00%的空氣作為載氣，并忽略機(jī)械設(shè)備和除塵設(shè)備的能耗。計(jì)算結(jié)果表明，濕污泥流量為5.00t/h時(shí)，蒸汽流量為4.06t/h。干化蒸汽來自汽輪機(jī)抽汽，溫度為224.27℃、壓力為659.50kPa，經(jīng)過減溫減壓器分別降低至160.00℃和0.40MPa。此時(shí)，焚燒發(fā)電廠的發(fā)電功率為11.86MW，扣除凝結(jié)水泵和給水泵的電耗后發(fā)電功率為11.67MW。

污泥低溫?zé)岜酶苫钊肜贌l(fā)電系統(tǒng)的模擬結(jié)果表明，當(dāng)污泥流量為5.00t/h時(shí)，抽汽蒸汽流量為2.38t/h。發(fā)電功率達(dá)12.11MW，較蒸汽圓盤干化時(shí)高250.00kW，扣除凝結(jié)水泵、給水泵以及熱泵溶液泵的電耗后發(fā)電功率為11.84MW，較蒸汽圓盤干化時(shí)高169.00kW。進(jìn)一步對系統(tǒng)進(jìn)行變工況分析，設(shè)定入爐垃圾的總流量保持不變，須干化的濕污泥流量按入爐垃圾總流量的0%～20%設(shè)定。不同污泥低溫干化負(fù)荷時(shí)高溫蒸汽抽汽功率測算結(jié)果如圖6所示。隨著污泥負(fù)荷由0%降低至20.00%時(shí)，即濕污泥流量由0.00t/h降低至5.00t/h，用于污泥熱泵干化的蒸汽抽汽流量也逐漸升高，而發(fā)電功率則逐漸降低。

圖6 蒸汽流量與發(fā)電功率隨污泥干化負(fù)荷的變化

3.結(jié)論

將濕污泥干化至適于進(jìn)入垃圾焚燒發(fā)電廠焚燒的濕度時(shí)，基于吸收式熱泵的污泥低溫干化系統(tǒng)中循環(huán)空氣比例應(yīng)設(shè)置為65.00%，此時(shí)可兼顧干化系統(tǒng)能耗與出口濕空氣的濕度限制。考慮換熱效率和負(fù)荷調(diào)整的靈活性，汽輪機(jī)抽汽比布袋除塵器出口煙氣更適于作為吸收式熱泵的驅(qū)動(dòng)熱源。與常規(guī)高溫蒸汽間接干化相比，低溫?zé)岜酶苫哪芎母停钊肜贌l(fā)電系統(tǒng)時(shí)的發(fā)電功率更高。本文的模擬研究為設(shè)置吸收式熱泵以提高垃圾焚燒發(fā)電項(xiàng)目發(fā)電效率提供了理論路徑和思路。