垃圾焚烧发电机组提效优化与热力系统优化

垃圾焚烧发电机组提效优化与热力系统优化

0垃圾直燃剂资源利用随着我国城市化进程的加快和人口福利水平的不断提高，城市生活垃圾的产生和清除也显著增加。据统计，我国城镇生活垃圾产量已经从2010年的1.58亿t增加到2017年的约2.36亿t(见图1)。垃圾焚烧处理作为城镇生活垃圾资源化、无害化和减量化的主要措施，已经在我国实现了广泛的推广和应用。据统计，垃圾焚烧处理量占垃圾无害化处理总量的比例已经达到约40%左右。根据《“十三五”全国城镇生活垃圾无害化处理设施建设规划》，到2020年底全国城镇生活垃圾焚烧处理设施能力占无害化处理总能力50%以上，其中东部地区占60%以上，2020年垃圾焚烧处理能力达59万t/d垃圾焚烧行业主要收入来自于垃圾处理和发电上网，其中发电上网约占垃圾焚烧主要收入的约75%1提高烧炉和回转炉效率的措施焚烧炉运行时输入热量来自生活垃圾和辅助燃烧，其计算公式为:式中，q1.1降低过度空气系数对于生活垃圾焚烧锅炉，排烟热损失是垃圾焚烧锅炉的主要热损失。典型垃圾焚烧余热锅炉，q降低排烟热损失主要有降低排烟温度和降低过量空气系数两种措施。为防止低温腐蚀，目前城市生活垃圾焚烧锅炉典型排烟温度一般在190～200℃之间，比常规燃煤机组约130℃的排烟温度高60～70℃。KennethVILLANI降低过量空气系数也可以有效的提高垃圾焚烧锅炉的热效率。过量空气系数对焚烧锅炉内垃圾燃烧状况影响很大。增大过量空气系数可以提供过量的空气、增加炉内的湍流度，有利于垃圾的充分燃烧。但过量空气系数过大可能造成炉内温度降低、增加输送空气及预热空气所需的能量。一般来说，垃圾焚烧余热锅炉出口氧含量一般在8%～11%之间，折算过量空气系数为1.6～2.1，常规燃煤锅炉过量空气系数一般控制在1.2左右。降低过量空气系数可能导致垃圾焚烧效率的降低。通过强化湍流燃烧、改善配风等措施可以尽可能的减少低过量空气系数条件下CO等可燃物的浓度，保证垃圾焚烧的整体效率。丹麦伟伦公司在Copenhill垃圾焚烧厂锅炉出口过量空气系数控制在1.4左右;而在Reno-Nord焚烧厂4号焚烧炉中，锅炉出口过量空气系数控制在1.3左右。需要注意的是，降低过量空气系数时应通过预热空气温度、改善配风、强化湍流燃烧等措施保证垃圾完全燃烧。对于炉排式垃圾焚烧技术，空气以一次风和二次风的形式进入炉膛。其中一次风主要负责炉排上固态垃圾的充分转化，而二次风则主要实现垃圾焚烧过程中气态可燃物的充分燃烧。一次风过量空气系数主要与垃圾热值有关，低热值垃圾所需的一次风过量空气系数一般较高，以保证床层中垃圾的燃烧反应确保垃圾干燥过程的顺利进行1.2次风力+良好燃烧垃圾焚烧过程中的化学不完全燃烧热损失主要是由于CO的不完全燃烧造成的。垃圾焚烧过程中必须对CO排放进行控制，以满足国家对垃圾焚烧污染物排放的要求，同时尽可能降低CO引起的化学不完全燃烧热损失，提高锅炉效率。一次风量适宜的条件下，合适的二次风量及良好的湍流燃烧条件，均可以保证烟气中CO的完全燃烧。NISHINOMasaaki等1.3未燃尽碳引起的碳对垃圾焚烧锅炉来说，机械不完全燃烧热损失主要是由炉渣和飞灰中未燃尽的碳引起的。降低机械不完全燃烧热损失，一方面要减少炉排漏渣，另一方面要保证垃圾的充分燃烧，尽可能降低炉渣的热灼减率和飞灰含碳量1.4u3000供热损失一般来说，随着垃圾焚烧锅炉规模的增加，散热损失会减少。对于750t/d垃圾焚烧锅炉，散热损失约为1%。通过经济合理的保温设计，将保温表面的温度降低至50℃以下，以降低散热损失，并保证运行安全。1.5降低灰渣物理热损失的措施灰渣物理热损失主要与垃圾灰分含量有关。现代垃圾焚烧锅炉一般配备有水封式除渣设备，排渣温度一般≤100℃，降低灰渣物理热损失的空间已经很小。2中小型从机厂投料至低热值沉积率垃圾焚烧发电汽轮机一般为中小型汽轮机，机组功率一般在6～60MW之间。近年来，随着汽轮机技术的进步，我国三大主机厂均将大型汽轮机中应用的叶片、轴封、三元流场设计等技术应用到中小型汽轮机中，中小型汽轮机效率也得到了显著的提高。但由于机型限制，垃圾焚烧汽轮机效率相对大型汽轮机而言仍然较低。本节抛开汽轮机本体设计，仅从汽轮机选型角度对提高汽轮机效率的措施进行探讨。2.1“多炉少机”配置垃圾焚烧发电厂通常采用母管制主蒸汽系统，系统配置上主要采用“多炉少机”的配置方式。通常来说，随着汽轮机选型能力的增加，机组效率普遍会有所提升，因此在汽轮机配置时，在满足机组运行灵活性和可靠性的前提下，宜尽可能减少汽机数量，提高选型出力。2.2高转速发电机组对垃圾焚烧发电用中小型汽轮机，特别是30MW及以下汽轮机，可以优先选择高转速汽轮机。高转速汽轮机转速通常为5000～6000r/min，通过减速机减速后驱动发电机发电，虽然增加了减速机损失，但受益于高转速汽轮机效率的提升，机组整体热效率仍可提升1%～2%。2.3轴向排汽式1目前垃圾焚烧发电汽轮机排气缸多采用轴向径向扩压方式，排汽经历了由轴向向径向的90°折转，从而导致了排汽能量损失增加。轴向排汽式汽轮机则可以有效降低排汽压损，从而提高效率。与此同时，轴向排汽方式可以采用低位布置，从而可以大大简化基础设计，降低厂房高度，减少项目投资。3加热系统的性能优化3.1中温、高压和超高压参数垃圾焚烧发电热力系统通过提高主蒸汽参数可以有效提高热效率。对于典型的垃圾焚烧电厂来说，主要采用的蒸汽参数有中温中压(4.0MPa,400℃)和中温次高压(5.3MPa,450℃或6.5MPa,450℃)。与中温中压参数相比，采用中温次高压参数，垃圾焚烧发电机组理论热效率可提高约2.5%。对于理想朗肯循环，理论计算表明，主蒸汽温度每提高10℃，循环效率提高约0.15%，蒸汽压力每提高0.1MPa，循环热效率提高约0.07%。垃圾焚烧发电主蒸汽参数的提高主要受余热锅炉防腐蚀(主要是烟气高温腐蚀)的限制。近年来，由于优质耐腐蚀材料应用于锅炉，锅炉受热面的寿命显著提高，虽然投资和运行成本有所增加，但综合经济效益较好，中温次高压参数的应用显著增加，并有进一步向中温、高压和超高压参数应用的趋势。荷兰AEB垃圾焚烧厂是目前世界上热效率最高的垃圾焚烧发电厂，其主蒸汽参数已经提高至13MPa、440℃，并可允许主蒸汽温度提高至480℃，热效率达到30%。需要注意的是，在提高主蒸汽参数时必须统筹考虑汽机排汽湿度和锅炉防腐蚀的限制。3.2汽化厂热再热技术采用中间再热循环，可以显著提高垃圾焚烧发电机组的热经济性。目前采用的再热方式主要由两种，一种是在荷兰AEB电厂采用的炉外饱和蒸汽加热方式，主蒸汽参数为13MPa、440℃，再热蒸汽温度为320℃;另一种是在光大江阴项目采用的炉内设置再热器的加热方式，主蒸汽参数为6.5MPa、450℃，再热蒸汽温度为420℃。第一种方式汽轮机通常采用分缸方式，高压缸部分采用高速汽轮机，高压缸排汽进入蒸汽式再热器再热后进入低压缸继续做功。第二种方式汽轮机可以采用分缸方式也可采用单缸方式。根据理论测算，第一种方式比第二种方式可提高机组热效率约2%～3%左右。而采用第二种再热方式，在采用中温次高压主蒸汽参数的条件下，再热机组比非再热机组可提高机组效率约1%～2%。3.3水回热级数对机组热性能的影响利用回热系统加热锅炉给水减少了汽机排汽损失，可显著提高机组热效率。给水回热级数越多，给水温度越高，机组热效率增加就越多。垃圾焚烧发电机组通常采用1低加+1除氧或2低加+1除氧的回热系统。在汽轮机抽汽条件允许的条件下，应尽可能采用2低加+1除氧的回热系统，以尽可能提高机组热效率。3.4锅炉烟余热回收利用垃圾焚烧发电余热锅炉排烟温度普遍较高，一方面可通过前述的降低排烟热损失的方式尽可能提高锅炉热效率，另一方面也可对锅炉排烟余热进行深度回收利用以进一步提高机组热效率。锅炉排烟余热的利用方式可以采用设置烟气冷却器，利用汽轮机组凝结水冷却烟气，取消汽机低加抽汽，提高汽机出力。初步测算，通过深度利用排烟余热可以提高机组效率约1%～2%。4提高垃圾焚烧发电的效率垃圾焚烧发电技术是实现生活垃圾减量化、资源化、无害化的重要途径。通过焚