提高垃圾焚烧发电厂热能转换效率的几个途径

摘要：垃圾焚烧余热利用的主要方式是设置余热锅炉，利用余热锅炉产生的蒸汽发电、供热。国内早期投产的垃圾焚烧发电厂主要解决入炉垃圾的无害化处理，能源转换效率较低。提高垃圾焚烧热能－电能转换效率主要途径应是提高垃圾锅炉热效率，选择适当的发电工质参数和完善本厂热力系统。
关键词：垃圾；发电；热能；效率
在我国，城市生活垃圾焚烧发电技术是1980年代末期开始出现的，以焚烧生活垃圾为目的，实现垃圾减容、灭菌和无害化处理并实现焚烧余热利用的一种新兴生活垃圾处理方式。垃圾焚烧余热利用主要方式是设置余热锅炉，利用余热锅炉产生的蒸汽供热、发电。有效实现生活垃圾在焚烧炉内充分燃烧；在炉内完成灭菌、减容、实现无害化处理并最终实现生活垃圾化学能向热能－电能高效转换，是建设垃圾焚烧发电设施的基本要求。深圳在1988年率先建成国内第一座生活垃圾焚烧厂－深圳市市政环卫综合处理厂，并在此基础上成功对引进的二台15Ot/d生活垃圾焚烧锅炉进行提高发电工质参数的改造，使单炉发电能力从500kW提高到1500kW；与杭州锅炉厂共同研制炉排型150t/d生活垃圾焚烧锅炉，在国内首次实现大型垃圾焚烧锅炉国产化。该厂目前已形成处理垃圾450t/d，4000kw发电能力，是国内第一家投入运行的垃圾焚烧发电厂，开创了国内垃圾余热发电先例。以此为开端，深圳、上海、广州、宁波、温州和佛山市的南海区等沿海地区经济较为发达城市已建成一批生活垃圾焚烧处理设施，杭州、北京、天津、郑州等城市亦开始建设垃圾焚烧发电厂。目前，国内已建成焚烧设施的城市生活垃圾低位发热值大致在4600kj/kg，含水率约为60％左右，与发达国家城市相比，其特征是热值低、含水率高、组分成分变化大，垃圾焚烧有一定难度。早期引进建设的垃圾焚烧设施，主要解决生活垃圾减容和无害化处理，垃圾焚烧热能－电能转换效率较低，如深圳市市政环卫综合处理厂引进的垃圾焚烧锅炉焚烧一吨生活垃圾发电不到75kWh，热能－电能转换效率远低于国外垃圾发电厂，因而垃圾发电效率仍有潜力可挖。
国内目前已建成的生活垃圾发电设施大都采用引进国外垃玻焚烧设备，与国产中小型气轮发电机组配套。垃圾焚烧广热用户主要由二部分构成：汽轮发电机组－实现热能向电能转换基本设备，也是垃圾发电厂最重要热力设备；外供热用户；由热力除氧器、蒸汽式空气预热器、锅炉给水加热器等热力系统配置的热力设备。经近百年开发、完善，当今各国生产的汽轮发电机组已具有相当高热能转换效率并已形成系列产品；对外供热量则受热用户用气量制约，允许在一定范围内波动，难以保证稳定负荷。因而，提高垃圾焚烧热能－电能转换效率主要途径是提高垃圾锅炉热效率；选择适当的发电工质参数；完善本厂热力系统。
垃圾焚烧热能——电能转换效率低下主要体现在以下几个方面：
1.早期垃圾焚烧锅炉热效率较低。早期引进焚烧设备主要解决低热值生活垃圾能够燃烧、减容和无害化处理。限于当时技术条件与客观因素，80年代国内首次引进的垃场焚烧锅炉热效率为6-5%，远低于同年代普通工业锅炉（80%以上）、电站锅炉（90%以上）。因垃圾燃烧烟气中主要由含氯成分构成腐蚀性气体，对余热锅炉受热面产生高温腐蚀和低温腐蚀。余热锅炉设计难以选择较高蒸汽参数。为避免低温腐蚀，垃圾锅炉排烟温度又不能过低，一般控制在200℃以上。因而，提高垃圾焚烧锅炉热效率亦受到一定限制。在不断进行完善设计、改进之后，目前垃圾锅炉热效率一般达到70％，甚至更高。选用高效能垃圾焚烧锅炉可以大大提高垃圾焚烧化学能－热能转换效率。
2、发电工质参数偏低，在汽轮机内焓降偏小。热力发电厂发电工质参数是决定热能——电能转换效率最重，要因素。发电工质参数越高，在汽轮机内焓降越大，有效作功能力越大。热力发电厂提高发电效率基本途径是，尽可能提高汽轮机发电工质参数；降低汽机轮排汽参数，增加机内焓降。因而，垃圾焚烧锅炉提供发电工质应选择较高参数过热蒸汽。但与普通余热锅炉不同，生活垃圾焚烧的是日常生活产生的不同固体废弃物构成的混合体，燃烧过程中产生HCL、SOx、NOx、CO等酸性腐蚀性气体，其特有燃烧工况极易在锅炉金属受热面产生高温腐蚀。为避免采用价格昂贵的耐高温腐蚀所需特殊钢材（目前主要选用镍基合金材料，用于垃圾锅炉过热器部件制造），控制焚烧锅炉造价，在当前条件下，垃圾锅炉蒸汽参数不宜过高。新加坡TUASH垃圾焚烧厂是目前世界规模最大的炉排炉型垃圾发电厂，首期安装4×720t/d垃圾焚烧锅炉，其发电工质参数为3.2MPa/370℃。大多数发达国家垃圾焚烧锅炉蒸汽参数在4MPa/400℃以下，均低于常规小型热力发电厂发电工质参数，因而垃圾电厂热效率低于小型热力发电厂。汽轮机排汽参数受天气因素影响，不可能低于对应的饱和温度。一般排汽压力为0.005－0.009MPa，对应饱和温度为32.5-43.49℃。因而，垃圾焚烧设施的锅炉出力、发电工质参数和汽轮机排汽参数决定其发电能力。深圳市政环卫综合处理厂早期引进的二台垃圾焚烧锅炉，发电工质是4.6MPa饱和蒸汽，仅供一台背压式双列速度级汽轮机组发电，背压0.13Mpa且不利用，汽耗率高达17kg/kwh。在该厂垃圾焚烧锅炉完成增设过热器技术改造项目后，发电工质提高为1.4MPa/350℃过热蒸汽，选用国产凝汽式汽轮机发电组，排汽压力降至0.009MPa，汽耗率降至6.7kg/kwh，在锅炉热出力不变前提下，单炉发电能力从原来500kw提高到1500kw，仅发电上网一项，二台焚烧锅炉年创收益超过500万元。