燃煤耦合垃圾焚燒發電系統的全流程模擬與評估分析

張利娟,張 睿,劉 冬

(南京理工大學 能源與動力工程學院,江蘇 南京 210094)

0 引 言

隨社會和經濟的發展,垃圾處理需求與日俱增[1-3]。而傳統的垃圾焚燒發電廠具有發電效率低、投資高、運營成本高等缺點,長期依賴財政補貼,無法完全市場化運營[4]。在財政收緊背景下,垃圾處理補貼將逐步退出,現有垃圾焚燒發電廠極可能大面積虧損。而利用現有燃煤機組協同處置垃圾是未來發展趨勢。目前燃煤耦合垃圾發電方式主要有直接耦合、平行耦合及間接耦合。直接耦合即垃圾在燃煤鍋爐中與煤混燃發電。許多學者針對煤與垃圾混合燃燒特性及污染物排放進行了研究。MUTHURAMAN等[5]研究了木材、城市生活垃圾與印度煤共燃的燃燒特性,結果表明木材、城市生活垃圾的摻混改善了印度煤的揮發分釋放及著火特性,降低了著火溫度;城市生活垃圾對煤燃燒的促進作用更明顯。PENG等[6]研究城市生活垃圾(MSW)/煤混燃過程中多環芳烴(PAHs)的排放和分布特征。結果表明,與MSW和煤炭單獨燃燒相比,MSW/煤混燃產生的多環芳烴總量較低,毒性當量降低。LIU等[7]研究有機固廢與褐煤的著火和燃盡溫度、灰分熔融溫度及結渣傾向,發現隨有機固廢比例增加,混燃物著火溫度基本保持穩定,燃盡溫度降低。但有機固廢比例高于30%時,燃料在高溫下可能熔化并堵塞煤焦孔隙,摻混燃料結渣傾向嚴重,因此在煤與固廢的混燃過程中應特別注意避免結渣。中國華能集團清潔能源技術研究院有限公司在流化床機組中實現了煤、生物質及固廢的耦合發電,驗證了利用循環流化床鍋爐混燒固廢的可行性[8]。我國長春生活垃圾發電廠實現了循環流化床爐內77% MSW與煤混燃發電[9],相較傳統垃圾焚燒發電,發電效率有所提升。但直接耦合對垃圾成分和粒度要求較高,一般適用于流化床鍋爐,且對鍋爐影響較大。

平行耦合即垃圾采用獨立的焚燒及熱力系統裝置處理后,將產生的蒸汽并入燃煤機組熱力系統發電。趙梁[10]以200 MW火電機組為例,設計垃圾焚燒蒸汽側耦合燃煤發電方案,結合蒸汽參數討論了蒸汽側耦合方式的可行性。CHEN等[11]提出一種垃圾發電與燃煤發電相結合的混合發電系統,利用垃圾焚燒爐產生的蒸汽加熱燃煤機組的部分給水,顯著提高了垃圾發電效率。但由于垃圾焚燒發電系統蒸汽參數較低,平行耦合的綜合發電效率較低,同時由于垃圾處理需設置單獨焚燒以及煙氣處理裝置,投資成本較高[12]。

間接耦合根據垃圾熱處理工藝可分為熱解耦合、氣化耦合和焚燒耦合。王學斌等[13]提出一種垃圾熱解耦合燃煤發電技術,熱解高熱值油氣用于機組助燃調峰、垃圾炭與煤摻燒,摻燒前后煙氣二噁英含量相差不大。PAN等[14]提出將垃圾氣化與燃煤發電相結合的概念,通過等離子氣化技術將垃圾轉化為合成氣,隨后輸送到燃煤鍋爐中燃燒發電。垃圾發電效率大幅提升,遠高于傳統垃圾發電廠。國電樂東電廠采用氣化耦合方式,將垃圾單獨氣化后送入燃煤鍋爐中燃燒,采用這種方式可大幅降低生活垃圾中有害組分對燃煤鍋爐的影響[15]。熱解耦合及氣化耦合在提高燃料適應性的同時實現生活垃圾灰渣與燃煤灰渣的徹底分離,但垃圾處理量較少且處理工藝復雜,投資成本較高。而焚燒耦合垃圾處理量大,工藝簡單。史兵權等[16]對鍋爐煙氣側耦合垃圾焚燒進行研究,發現垃圾焚燒煙氣會影響燃煤鍋爐流動特性,提升爐膛出口煙溫;耦合煙氣后SO2排放量降低。焚燒耦合技術對原有機組改動較小,投資費用低,能充分利用燃煤機組煙氣凈化裝置協同處理垃圾焚燒煙氣。馬瀚程等[17]研究了垃圾焚燒煙氣對煤粉爐內煙氣中二噁英生成的影響,結果表明,燃煤耦合垃圾焚燒煙氣后,煤粉爐煙氣和灰渣中二噁英毒性當量降低。

筆者針對間接耦合工藝中的焚燒耦合方案開展全流程模擬與評估分析,在Aspen Plus軟件上建立了燃煤耦合垃圾焚燒發電系統的全流程模擬模型,并根據模擬結果計算了系統的發電效率、經濟性、環保性和電力生產全流程碳排放,分析耦合改造對系統的影響,為示范工程建設提供參考。

1 模擬與分析方法

1.1 系統模擬

以600 MW超臨界煤粉爐燃煤電廠為參考,鍋爐采用DG1900/25.4-Ⅱ型鍋爐,汽輪機采用N600-24.2/566/566型汽輪機。對燃煤電廠進行垃圾焚燒耦合改造,系統工藝流程如圖1所示。在燃煤耦合垃圾焚燒發電系統中,煤在煤粉鍋爐中燃燒;垃圾在回轉窯焚燒爐中焚燒,垃圾焚燒后的煙氣送入燃煤鍋爐中。選擇煙煤和典型垃圾作為系統燃料,其特性見表1。垃圾在燃料中的替代比設定為5%、10%(以熱值計)。采用Aspen Plus軟件開展模擬,模型可劃分為燃料轉化單元、換熱單元、汽輪機單元以及煙氣凈化單元4個部分,如圖2所示。環境參考溫度為15 ℃。

表1 燃料特性

圖1 燃煤耦合垃圾焚燒發電系統流程Fig.1 Process of coal-fired coupled waste incineration power generation system

圖2 燃煤耦合垃圾焚燒發電系統全流程模擬模型Fig.2 Simulation model of the whole process of coal-fired coupled waste incineration power generation system

燃料轉化單元主要設備為煤粉爐和回轉窯焚燒爐,均采用RYield反應器、Sep模塊和RGibbs反應器進行模擬,物性方法為PR-BM。換熱單元包括水冷壁、過熱器、再熱器、省煤器和空氣預熱器,水冷壁模擬采用Heater模塊,過熱器、省煤器和空氣預熱器模擬采用HeatX模塊,再熱器模擬采用MHeatX模塊。風機模擬采用Pump模塊。換熱單元煙氣側采用PR-BM物性方法,蒸汽側采用STEAMNBS物性方法。汽輪機單元包括汽輪機、冷凝器、凝結水泵、除氧器和加熱器,汽輪機采用Compr模塊進行模擬。冷凝器采用Pump模塊模擬,除氧器采用Mixer模塊模擬,加熱器采用HeatX模塊模擬,物性方法為STEAMNBS。煙氣處理單元包括選擇性催化還原脫硝(SCR)設備、活性炭噴射器、布袋除塵器(ESP)以及石灰石-石膏法脫硫(FGD)設備,分別用于脫除煙氣中的NOx、二噁英、飛灰以及SO2。

1.2 分析方法

分別從熱力學性能、經濟性、環保性以及電力生產全流程碳排放等角度對系統性能進行分析評價,評估系統可行性。

1.2.1 熱力學性能

通過計算發電效率分析系統的熱力學性能,其計算方法為

(1)

式中,η為系統發電效率,%;Wi為系統各汽輪機功率,MW;Pk為系統各耗功設備功率,MW;F為相應燃料的質量流量,kg/s;CV為相應燃料的低位熱值,MJ/kg。

1.2.2 經濟性

采用工程總投資、內部收益率和投資回報周期評估系統經濟性。系統的設備投資衡量參數為固定資產投資(FCI)和工程總投資(TPC)。固定資產投資通過規模放大法進行計算,計算方法為

(2)

其中,Ia,i為設備a在現有規模下的設備投資,萬元;Ir,a,i為設備a在參考規模下設備投資,萬元;m為設備總數;Aa,i、IFa,i、ba,i分別為設備a的國內制造價格系數、安裝系數和規模放大系數;Sa,i、Sr,a,i為設備a的現有規模、參考規模;Ea,i為設備a的參考設備投資對應年份的經濟學指數。化工工廠成本指數(CEPCI)將不同年份設備價格統一換算為以2020年為基準的設備價格,Ea,i即為2020年成本指數與參考設備投資對應年份成本指數比值。

系統的工程總投資包括固定資產投資(FCI)、承包服務費(EPC)及工程偶然性費用(PJC)。承包服務費為固定資產投資的8%;工程偶然性費用為固定資產投資、工程承包服務費之和的15%[18]。本文設備投資計算基本參數[19-26]見表2。

表2 設備投資計算的基本參數

內部收益率(IRR)即資金流入現值總額與資金流出現值總額相等、凈現值等于零時的折現率,計算方法為

(3)

Ct=Cs-[TPC(CRF(1+α)+OM]+
CF+CM),

(4)

(5)

式中,Ct為第t年的年現金流,萬元;CRF為年度平均投資比;OM為運行維護費率;CF為燃料費用;CM為材料費用;j為貼現率,%;n為項目運行壽命,a。

投資回報期DPP即收回所有投資成本所需時間。本研究考慮了項目運行期間貼現率對投資回報期的影響,采用動態投資回報期評估項目的經濟性,計算方法為

(6)

其中,A為凈現金流為負值的上一階段,a;Bt為第t年的凈現金流,萬元;C為A的下一階段的凈現金流,萬元。內部收益率及投資回報期計算基本參數見表3。

表3 IRR與DPP計算的基本參數

1.2.3 環保性

環境損失成本用于評價系統產生的污染物對環境的影響和破壞。本研究主要考慮環境影響為:全球變暖、酸化、光化學污染以及固體廢棄物。環境損失成本計算方法:

(7)

其中,PE為環境損失成本,元/h;W(a,b)為污染物b的排放總量,t/h;PWR(b,c)為污染物b在c類影響類別下的貨幣環境價值,元/t。各污染物的影響類別和貨幣環境價值見表4。

表4 污染物的影響類別和貨幣環境價值

1.2.4 電力生產全流程碳排放

電力生產全流程中碳排放包括煤炭開采加工、燃料運輸、鍋爐燃燒、煙氣處理、固廢運輸。本文采用排放系數法進行碳排放的計量與計算。碳排放計算公式:

CE=CmEFm,

(8)

式中,CE為碳排放總量;Cm為產生碳排放的活動強度;EFm為該項活動的排放系數;m為活動過程的數目。

電力全生產流程碳排放計算相關系數見表5。對于燃煤耦合垃圾焚燒發電系統,由于垃圾焚燒涉及生物碳排放以及化學碳排放,鍋爐燃燒過程的碳排放應去除垃圾中生物碳焚燒產生的CO2。垃圾成分見表6,采用平衡法,根據文獻給出的干燥無灰垃圾中生物碳和化學碳含量的平均值,可計算得到垃圾中生物碳和化學碳的含量[31-32]。

表6 垃圾成分

2 結果與討論

2.1 熱力學性能

對耦合改造前后的系統發電效率進行計算,結果見表7。相較原燃煤發電系統,耦合改造后的系統汽輪機單元做功減少,這是因為為保持空氣預熱器出口煙氣溫度一致,汽輪機單元循環水流量減小。2種系統中破碎機、風機和泵是主要的耗能設備。相較原燃煤發電系統,燃煤耦合垃圾焚燒發電系統的破碎機、泵能耗降低,風機能耗增加。耦合垃圾后,燃煤量減少,循環水量減少,因此破碎機以及泵能耗降低;燃料燃燒所需空氣量增加,因此風機能耗增加。原燃煤發電系統凈發電量為573.97 MW,隨垃圾耦合比例增加,燃煤耦合垃圾焚燒發電系統的凈發電量降至559.99 MW,耦合垃圾后系統凈發電量減少了13.98 MW;耦合垃圾后系統的發電效率由39.09%降至38.14%,降低了0.95個百分點。可見,耦合改造對原燃煤發電系統的發電效率影響較小。

表7 系統發電效率計算結果

2.2 經濟性

2.2.1 設備投資

燃煤耦合垃圾焚燒系統的設備投資計算結果見表8。兩系統中,煤預處理設備、煤粉爐、汽輪機、脫硝設備、脫硫設備、布袋除塵器及水泵設備投資保持不變,這是因為燃煤耦合垃圾焚燒發電系統是基于原燃煤發電系統進行改造,電廠規模不變,耦合垃圾對燃煤電廠的設備投資無影響。與原燃煤發電系統相比,燃煤耦合垃圾焚燒發電系統的垃圾預處理設備、回轉窯焚燒爐、活性炭噴射器、風機的投資增加。這是因為耦合垃圾后,需新增垃圾處理及回轉窯焚燒爐設備。同時垃圾焚燒煙氣中含有二噁英,按現行GB 18485—2014《生活垃圾焚燒污染標準》,生活垃圾焚燒爐排放煙氣中二噁英限值為0.1 ng/m3(以TEQ計),因此需新增活性炭噴射器,噴射活性炭吸附二噁英,以降低煙氣中二噁英含量。耦合垃圾后,燃料燃燒所需空氣增多,因此風機設備投資增加。原燃煤發電系統的固定資產投資為245 507.16萬元,隨垃圾耦合比例增加,燃煤耦合垃圾焚燒發電系統的固定資產投資升至246 124.98萬元,增加了617.82萬元;燃煤發電系統的工程總投資為304 919.90 萬元,隨垃圾耦合比例增加,燃煤耦合垃圾焚燒發電系統的工程總投資升高至305 687.23萬元,增加了767.33萬元。因此,垃圾耦合改造對燃煤發電系統的設備投資影響較小。

表8 系統設備投資計算結果

2.2.2 內部收益率與投資回報期

燃煤發電系統和燃煤耦合垃圾焚燒發電系統的內部收益率和投資回報期計算結果見表9。燃煤發電系統的內部收益率為18.72%,隨垃圾耦合比例增加,燃煤耦合垃圾焚燒發電系統的內部收益率升至21.89%,系統的內部收益率均高于貼現率,說明600 MW燃煤發電系統和燃煤耦合垃圾焚燒發電系統均符合經濟發展水平。相較燃煤發電系統,燃煤耦合垃圾焚燒發電系統內部收益率提高了3.17%。燃煤發電系統的投資回報期為9.72 a,燃煤耦合垃圾焚燒系統的投資回報期為9.12 a,降低了0.60 a。這是因為燃煤耦合垃圾焚燒發電系統能夠獲得垃圾處理補貼,對燃煤發電系統進行垃圾耦合改造能夠提高系統的內部收益率,縮短投資回報期,提高系統經濟性。

表9 系統IRR和DPP計算結果

2.3 環保性

對燃煤發電系統和燃煤耦合垃圾焚燒發電系統進行生命周期評價的目的是評價系統對環境的影響,計算系統造成的環境損失成本。系統生命周期的范圍包括燃料運輸及燃燒發電、電能運輸及使用、廢棄物生成及處置。由于電力是一種清潔資源,對環境影響較小,故不考慮電能的使用過程。系統的環境損失成本見表10,其中主要的環境影響類別為全球變暖和固體廢棄物。由于燃煤發電系統及燃煤耦合垃圾焚燒發電系統均無碳捕獲設備,系統產生的CO2直接排放到大氣中,因此CO2排放導致的全球變暖在系統環境影響中占比較高。對于燃煤發電系統,由于煤燃燒產生的二噁英類物質可忽略,系統產生的飛灰經除塵器收集后可當作正常廢棄物處理,因此危險廢棄物的環境成本為0。燃煤耦合垃圾焚燒發電系統中,由于垃圾焚燒產生二噁英,用于處理煙氣中二噁英的活性炭及系統產生的飛灰均作為危險廢棄物處理。燃煤耦合垃圾焚燒發電系統中由危險廢棄物造成的固體廢棄物環境損失成本較高,隨垃圾耦合比例增加,燃煤耦合垃圾焚燒發電系統的環境損失成本由43 881.59元/h增至80 681.72元/h,增加了36 800.13元/h。垃圾耦合對燃煤發電系統的環境損失影響較大。

表10 系統環境損失成本

2.4 電力生產全流程碳排放

燃煤發電系統及燃煤耦合垃圾焚燒發電系統的電力全生產流程碳排放計算結果見表11。其中鍋爐燃料燃燒產生碳排放在總碳排放中占比較大,接近95%。相較燃煤發電系統,由于垃圾中含有生物源碳,其燃燒產生的CO2將參與大氣碳循環,不計入碳排放計算,因此燃煤耦合垃圾焚燒發電系統的鍋爐燃燒碳排放減少。相較燃煤發電系統,燃煤耦合垃圾焚燒發電系統用煤量減少,因此煤炭開采加工部分碳排放減少。燃煤發電系統電力生產碳排放為910.33 g/kWh,隨垃圾耦合比例增加,燃煤耦合垃圾焚燒發電系統電力生產碳排放降至896.31 g/kWh,降低了14.02 g/kWh。耦合改造能夠降低燃煤發電系統的電力生產碳排放。

表11 電力生產全流程碳排放(以CO2計)

3 結 論

1)與燃煤發電系統相比,燃煤耦合垃圾焚燒發電系統的熱力學性能略有降低,系統發電效率由39.09%降至38.14%。

2)與燃煤發電系統相比,燃煤耦合垃圾焚燒發電系統的經濟性有所提升,內部收益率由18.72%升至21.89%,投資回報期由9.72 a降至9.10 a。

3)耦合改造對系統的環保性影響較大。系統的環境損失成本由43 881.59元/h增至80 681.72元/h。

4)耦合改造后系統的電力生產碳排放降低。系統的電力生產碳排放由910.33 g/kWh(以CO2計)降至896.31 g/kWh。