垃圾发电厂余热利用技术及其经济性分析_丁慧芳.pdf

电力行业节能21NO.05 2023节能 ENERGY CONSERVATION垃圾发电厂余热利用技术及其经济性分析丁慧芳1 白洋2 刘洪福1 郭系陈1 徐畅2 马硕2*（1.河南沃克曼建设工程有限公司，河南 郑州 450008；2.天津大学环境科学与工程学院，天津 300350）摘要：为了研究垃圾焚烧发电厂余热利用潜力及经济性，以安阳市某日处理能力为2 250 t的垃圾发电厂为研究对象，对其满负荷工作下的余热资源种类及余热量进行全方位监测及计算，提出余热利用技术方案，并进行相关经济性分析。结果显示：垃圾发电厂冷却水及烟气的余热量最显著，冷却水携带热量89.2899.55 MW，烟气携带余热量6.496.54 MW；可以采用蒸汽压缩式水源热泵对冷却水进行余热回收，采用带有新型防腐材料的焊接板式换热器及防腐烟道对烟气进行余热回收，冷却水余热利用技术方案的投资回收期仅为0.9年，烟气余热利用技术方案的投资回收期为1.2 a。研究结果可为我国垃圾焚烧发电厂的余热回收设计与优化提供参考。关键词：垃圾发电厂；余热利用；经济性分析中图分类号：TK172 文献标识码：B 文章编号：1004-7948（2023）05-0021-05 doi：10.3969/j.issn.1004-7948.2023.05.006Analysis of waste heat utilization technology and its economic in garbage power plantDING Hui-fang BAI Yang LIU Hong-fu GUO Xi-chen XU Chang MA ShuoAbstract：In order to investigate the potential and economy of waste heat utilization in waste-to-power plants,the garbage power plant of daily processing capacity about 2 250 t in Anyang City as the research object,and comprehensively monitored/calculated the types and amounts of waste heat resources under full load operation.The technical scheme of waste heat utilization was fabricated,and the relative economic analysis was carried out.The results show that the cooling water and flue gas of the garbage power plant have the most significant waste heat,the heat carried by the cooling water is 89.2899.55 MW,and the waste heat carried by the flue gas is 6.496.54 MW.The steam compression water source heat pump could be used for the waste heat recovery of cooling water,the welded plate heat exchangers with new anti-corrosion materials and anti-corrosion flue could be used for heat recovery of flue gas.The investment recovery period of the cooling water waste heat utilization is 0.9 year,and the investment recovery period of the flue gas waste heat utilization is 1.2 years.The research results can provide a reference for the design and optimization of waste heat recovery in waste-to-power plants in China.Key words:garbage power plants;waste heat utilization;economic analysis引言我国城市垃圾年产量已达1.5亿t，且每年以8%10%的速度递增1，垃圾处理逐渐成为困扰人类可持续发展的难题。焚烧处理技术具有处理效率高、减容效果好、占地面积小等优势，在垃圾处理方式中的占比不断上升。因此，垃圾发电厂热能利用效率的提高势在必行，而余热利用对于提升系统效率、扩大经济效益与实现节能环保等具有重要意义2-4。国内外已有学者对电厂余热回收进行了分析与研究。Alrobaian5等研究电厂余热回收技术，烟气能量利用效率高达94%，且经济性较好。李慧君6等建立利用热泵回收循环水余热预热凝结水的物理模型和数学模型，以N300-16.67/537/537机组为例，对机组进行经济性分析。孙志奇7等研制吸收式热泵组成的余热回收系统，该系统具有运行费用低、总回收余热多、节能环保等优点，应用效果良好。林吕荣8等通过水露点及换热管的金属壁温进行材质选择，余热回收系统具有较优的经济效益。田崇雷9等在生活垃圾焚烧发电厂采用ND钢材质焊接板式热交换器，表面喷涂纳米防腐涂层，回收烟气余热将采暖回水由45 加热至55。作者简介：丁慧芳（1981），女，硕士，研究方向为热能工程。通信作者：马硕（1991），男，博士，研究方向为建筑节能。收稿日期：2022-09-17引用本文：丁慧芳，白洋，刘洪福，等.垃圾发电厂余热利用技术及其经济性分析 J.节能，2023，42（5）：21-25.电力行业节能22节能 ENERGY CONSERVATIONNO.05 2023前期学者的研究多围绕火电厂等进行，针对垃圾发电厂的研究较少，需要完善针对垃圾焚烧发电工艺进行余热利用规划与关键技术的研究。前人研究多关注某一种余热资源，较少对余热资源进行全面研究并提出多种余热资源协同利用方案。以安阳市某日处理生活垃圾2 250 t的垃圾焚烧发电厂作为研究对象，通过实地监测和理论计算，提出对其冷却水携带余热及锅炉排放烟气携带余热回收的方法，进行相关经济性分析，为我国垃圾焚烧发电厂的余热回收设计和过程控制提供参考。1垃圾发电厂概况城发环保能源垃圾焚烧发电厂位于河南省安阳市，项目总投资12.83亿元，占地面积约133 333 m2，日处理生活垃圾能力2 250 t，年处理生活垃圾能力75万t。发电厂采用逆推机械炉排炉焚烧垃圾产生热量，进而产生蒸汽，蒸汽进入汽轮机组做功发电。焚烧炉、汽轮机设计参数如表1、表2所示。项目主体由3台日处理生活垃圾量750 t的马丁机械炉排炉焚烧线组成，系统设2台热力除氧器和4台锅炉给水泵，除氧器工作压力0.27 MPa，出水温度130。项目设有2套25 MW的中温中压单缸凝汽式汽轮发电 机 组，型 号 为 N25-3.8/390，设 备 编 号 为 A222A-02112。汽轮机包括四级抽气：一级抽汽作为空气预热器一、二次风预热用汽；二级抽汽作为除氧器的加热蒸汽及厂区用汽汽源；三级、四级抽汽用于加热低压加热器。汽轮机乏汽进入凝汽器，利用循环水进行冷却，凝结水经过低压加热器后循环进入除氧器。2余热来源及利用方式2.1垃圾发电厂余热来源、数量及占比根据现场调研和测试，垃圾发电厂的余热主要为冷却塔冷却水带走的余热、烟气带走的余热、炉渣带走的余热以及连排和定排余热。垃圾焚烧炉主要余热种类及余热量如图1所示。由图1可知，各种余热中，冷却水带走的余热量最多，占总余热量的 86.28%；排烟余热次之，占 7.54%；然后是炉渣余热，占 6.09%；排污余热占比最小，为0.1%。炉渣带走的余热绝对量较多，为6.3 MW，但受现有技术和炉渣形态的限制，热量的提取和利用比较困难，而排污余热绝对量较少。因此，文中对冷却水余热和烟气余热的利用技术和经济性进行分析。2.2冷却水余热利用技术冷却水携带余热量最大，约占总余热量的90%，推荐采用热泵技术进行余热回收10。夏季冷却水凝汽器进出口温度约为27/33，冬季降至约22/28，即进入热泵蒸发器的冷却水温约为2833。冷却水余热可以通过蒸气压缩式热泵回收，用于预热凝结水、厂区供热等，蒸气压缩式热泵通过工质的循环完成热能转换。工质在蒸发器中吸收冷却水回水中的热量后蒸发，进入压缩机中被压缩成高温高压的过热蒸汽，随后在冷凝器中将热量释放给凝结水，冷凝为高温高压液体，最后在膨胀阀中节流降压为气液混合物，进入蒸发器，完成一次热力循环。蒸气压缩式热泵设备简单、技术成熟、表2汽轮机设计参数项目额定进汽压力及变化范围/MPa额定进汽温度及变化范围/额定进汽量/(t/h)一段抽汽压力/MPa一段抽汽温度/一段抽汽量/(t/h)二段抽汽压力/MPa二段抽汽温度/二段抽汽量/(t/h)三段抽汽压力/MPa三段抽汽温度/三段抽汽量/(t/h)四段抽汽压力/MPa四段抽汽温度/四段抽汽量/(t/h)额定排汽压力/kPa给水温度/汽轮机汽耗率（计算值）/(kg/kWh)数值3.8（+0.2，-0.2）390（+10，-15）1181.578300.012.0000.505173.42.8430.199120.04.7660.07391.17.23871304.715表1焚烧炉设计参数项目最大连续处理垃圾量/(t/h)炉排额定处理垃圾能力(LHV)/(t/h)垃圾燃烧产生的热量/MW焚烧炉年累计运行时间/h一次风量/(m3/h)二次风量/(m3/h)一次风入炉温度/二次风入口温度/出口烟气量(MCR)/(m3/h)锅炉热效率/%数值31.2531.2561.638 00087 87135 891220166151 86182图1垃圾焚烧炉主要余热种类及余热量电力行业节能23NO.05 2023节能 ENERGY CONSERVATION性能系数(COP)较高，但需要消耗电能。蒸汽压缩式水源热泵利用冷却水余热流程如图2所示。2.3烟气余热利用垃圾焚烧发电厂的烟气与火电厂不同，由于生活垃圾成分复杂且含有大量塑料类产品，烟气中不仅存在硫化物，还存在氯化物，利用烟气余热时应格外注意酸腐蚀问题。因此，换热器推荐采用新型耐腐蚀合金ND钢（09CrCuSb钢）并加设纳米防腐涂层。根据热需求情况，考虑烟气间接换热进一步预热凝结水，从的角度考虑对凝结水进行梯级加热具有一定优势，将烟水换热器置于冷却水余热回收系统之后。烟气余热回收系统如图3所示。3余热利用经济性分析3.1冷却水余热利用经济性分析热泵系统设备总投资是设备初投资和运行费用的总和。Zt=Zci+Zom+Zb+Zf(1)式中：Zt投资总费用，元；Zci各设备初投资费用，元；Zom设备运行维护费用，元；Zb建设费用、耗材费用等，元；Zf燃料费用，元。初投资Zci代表各类设备成本之和，由于资金具有时间特性，按照复利计息，年平均回收资金应为ZciCRF，CRF为资本回收系数。运行维护费Zom包括设备折旧费、维修费等，年运维成本以占设备总成本的比例系数按照om折算。Zb代表各类建设费用（土建、安装等）与耗材费用（管道、阀门、制冷剂等）等之和，初始建材投资以占设备总成本的比例系数按照b折算6。燃料费用Zf为设备运行过程中的能耗成本，热泵主要为电费Ze,year，可以通过单位电价Ce(0.65 元/kWh)估算。资本回收系数CRF为：CRF=i(1+i)n(1+i)n-1(2)式中：i年利率，取6%；n投