生活垃圾與生物質焚燒耦合發電系統分析與思考

李磊 周航 魏禮信 陳菁 豆文舉 何勇

（浙江億揚能源科技有限公司 浙江杭州 310013）

0 引言

隨著城市的規模不斷擴大、城市人口數量暴增，城市生活垃圾大量產生，據統計生活垃圾年增長率在8%～10%［1］。垃圾焚燒發電技術是一種比較有優勢的垃圾處理方法［2］。根據國家“十四五”規劃要求，城鎮生活垃圾清運量達300 t/d 的城鎮要建設生活垃圾焚燒發電廠，但小規模垃圾焚燒發電廠經濟效益較差，制約了城鎮小規模垃圾焚燒發電的發展。當前，鄉村的農林廢棄物（果木桿、秸稈以及模板等）焚燒發電已有成熟的產業鏈，對于縣城來講，一般生活垃圾清運量＜500 t/d，但同時其擁有充足的生物質資源，這給生活垃圾焚燒及生物質焚燒發電一體化建設提供了條件［3］。

1 生活垃圾焚燒發電技術

我國現階段生活垃圾處理和利用主要有填埋、焚燒以及堆肥等方式。相較于焚燒發電技術，填埋會占用大量土地資源，同時會產生大量的滲濾液和甲烷等溫室氣體，對環境造成嚴重污染。堆肥同樣會占用大量土地資源，同時需要長時間的自然發酵過程，生產成本較高，生產環境也較差。因此，生活垃圾焚燒發電技術是對生活垃圾“無害化、減量化、資源化”處置的最有效手段。

生活垃圾焚燒技術可分為流化床鍋爐及爐排爐技術。國內經過幾十年的發展，目前機械爐排爐已經成為絕對的市場主流爐型［4］。由于生活垃圾焚燒發電技術在國內起步較晚，同時我國國內生活垃圾成分又比較復雜，為保證垃圾焚燒發電廠運行的安全穩定性，初期的垃圾焚燒發電廠采用中溫中壓（4.0 MPa/400 ℃）蒸汽參數，全廠熱效率約為21%。2006 年，廣州李坑垃圾焚燒發電廠率先采用中溫次高壓（6.4 MPa/450 ℃）蒸汽參數，全廠熱效率約為24%，為國內垃圾焚燒發電系統試用更高參數提供了有力依據。近些年也有垃圾焚燒發電項目嘗試更高的蒸汽參數，如光大蘇州四期垃圾焚燒發電廠采用了13.0 MPa/430 ℃/410 ℃，進一步提高了全廠熱效率。

隨著國內居民生活水平的不斷提升，以及生活垃圾分類的實施，入爐垃圾熱值不斷提升，對于蒸汽參數較高的鍋爐，頂棚輻射受熱面及過熱器易出現高溫腐蝕爆管的情況［5］。因此，為降低余熱鍋爐爆管風險，生活垃圾焚燒發電余熱鍋爐嘗試采用噴涂或堆焊等技術方法對易爆管位置進行保護，如一煙道頂棚及二煙道處。其中，高溫堆焊（inclonel 625）技術應用較多，其價格也相對較高約為10 000～20 000 元/m2，這導致余熱鍋爐成本的增加。垃圾余熱鍋爐受熱面堆焊技術處理表面情況見圖1。

圖1 垃圾余熱鍋爐受熱面堆焊技術處理表面

2 生物質（農林廢棄物）發電技術

生物質發電技術主要分為生物質熱解氣化與直燃等方式。生物質氣化屬于熱化學反應，生物質一般受氧氣、水蒸氣或二氧化碳等氣化劑的作用在高溫環境中分解為氫氣、一氧化碳、甲烷等可燃氣體［6］。生物質氣化產生的氣體在燃燒過程中不會產生污染或有毒氣體，可以通過直接燃燒氣化氣進行發電。常見的生物質氣化可分為固定床和流化床2 大類。根據爐內氣體流動方向，固定床又可以分為上吸式、下吸式及橫吸式3 種類型［7］。但生物質氣化氣中焦油含量高成為制約生物質氣化技術商業化發展的決定性因素之一［8］。

目前，國內生物質發電項目多采用直燃方式，通過配置余熱鍋爐及汽輪發電機組，對生物質能進行資源化利用。由于生物質熱值普遍較高，普通空冷式層燃爐不適用生物質焚燒，生物質直燃爐多采用流化床鍋爐及水冷振動爐排。而通常水冷振動爐排在年運行小時數、綜合廠用電率及飛灰率等方面均優于流化床鍋爐。由于農林廢棄物成分較穩定，同時腐蝕性元素Cl 含量較低，生物質焚燒系統可采用高溫高壓（9.8 MPa/540 ℃）蒸汽參數，全廠熱效率能夠達到30%及以上。若進一步提高蒸汽參數及采用中間再熱等技術，全廠熱效率將可進一步提升。

3 生活垃圾焚燒及生物質發電一體化研究

3.1 生活垃圾焚燒及生物質發電一體化方法

燃煤發電與生物質耦合發電包含：直接耦合、間接耦合和并聯耦合［9-10］。直接耦合是將預處理后的生物質與煤一同送入燃煤鍋爐混合燃燒；間接耦合是將生物質氣化產生的生物質燃氣輸送至鍋爐混合燃燒；而并聯耦合則是生物質在獨立的鍋爐內燃燒，并將產生的蒸汽并入煤粉爐的蒸器管網，然后共同進入汽輪發電機耦合發電。李昱喆等［11］通過研究得出，將50 MW 等級生物質鍋爐與600 MW 等級燃煤鍋爐蒸汽集成組成的耦合發電系統，生物質發電效率可達41.41%，比獨立運行時的生物質發電系統高出8.24%。

對于生活垃圾與生物質耦合發電同樣可以借鑒以上3 種方式。其中混合燃燒可以解決城市（城鎮）生活垃圾熱值低、灰份高、水分高和產生量不足的問題，同時也可解決城市周邊農村稻、麥、高梁等秸稈問題［12］，增加了縣級以下地區建設垃圾焚燒廠的可行性。張世鑫等［13］通過理論分析及工業應用，開發了多個燃煤耦合生物質固廢發電應用工藝及關鍵設備，驗證了利用300 MW 循環流化床鍋爐同時處理生物質200 t/d、固廢400 t/d、污泥200 t/d、垃圾衍生燃料（RDF）50 t/d 的可行性。

生活垃圾焚燒會產生含飛灰。爐排爐飛灰產生量約為垃圾焚燒量的2%～5%，而流化床由于運行方式等原因，飛灰產生量更大。飛灰中含有重金屬等污染物，其中Pb、Cd、Hg 和Zn 是飛灰中的主要重金屬污染元素。按我國危險廢物浸出毒性鑒別標準，生活垃圾焚燒所產生的飛灰屬危險廢棄物（HW18）；而生物質（農林廢棄物）發電所產飛灰并不屬于危險廢棄物。若將生活垃圾與生物質摻混后一同焚燒，所產生的飛灰有較大的不確定性。因此，從環保角度來講，為減低運營成本及規避環保風險，不建議采用將生物質與生活垃圾直接耦合混燒的方式。生活垃圾氣化技術與生物質氣化技術基本相同，所面臨的技術難點也基本類似。目前國內運行業績較少（固定床單臺處理規模一般較?。?，因此，采用氣化后間接耦合在當前并不適合用于生活垃圾與生物質耦合發電。

而將生活垃圾焚燒發電系統所產蒸汽并入生物質汽水系統蒸汽管網，不僅能延續利用目前較為成熟的焚燒技術，同時可以規避直接耦合所帶來飛灰是否屬于危險廢棄物的風險。因此，并聯耦合技術是當前最適合生活垃圾焚燒與生物質發電一體化的技術。

3.2 生活垃圾焚燒及生物質發電一體化系統分析

生活垃圾焚燒與生物質電廠并聯耦合系統，如圖2 所示。系統中生活垃圾焚燒余熱鍋爐參數選用高壓飽和或微過熱蒸汽鍋爐（9.8 MPa），生活垃圾焚燒爐僅作為飽和或微過熱蒸汽鍋爐，將產生的蒸汽并入生物質鍋爐汽包中，2 股蒸汽混合后共同進入生物質鍋爐過熱器吸熱最終變成高溫高壓蒸汽（9.8 MPa/540 ℃）。

圖2 生活垃圾焚燒與生物質發電并聯耦合系統簡圖

（1）鍋爐熱效率的提升。將垃圾焚燒爐由4.0 MPa（或6.4 MPa）提升為9.8 MPa，鍋爐給水飽和溫度也隨著壓力的提升而提升，4.0 MPa 水的飽和溫度約為250 ℃，9.8 MPa 水的飽和溫度約為310 ℃。由于鍋爐內工質平均吸熱溫度升高（蒸汽蒸發階段吸熱溫度由250 ℃提升至310 ℃），如圖3 所示，因此，鍋爐熱效率隨之提高。

圖3 朗肯循環T-S 簡圖

（2）汽機發電效率的提升。垃圾爐飽和蒸汽進入生物質爐進一步加熱，原本中溫中壓（或中溫次高壓）生活垃圾焚燒發電系統，變為高溫高壓蒸汽發電系統。相較而言，4.0 MPa/400 ℃時蒸汽的焓值為3 215 kJ/kg，而9.8 MPa/540 ℃時蒸汽的焓值為3 477 kJ/kg。因此，在汽機排汽壓力不變的情況下，蒸汽在汽輪機內焓降更大，如圖3 所示，同時大容量汽機的發電效率比小容量汽機效率高。

（3）簡單計算分析。以常規900 t/d 生物質電廠及500 t/d垃圾焚燒發電廠為例，暫未考慮排污，對耦合后蒸發量及發電量進行簡單計算對比，結果見表1。

表1 計算工況

由表1 可知，常規900 t/d 生物質發電系統和500 t/d 垃圾焚燒發電系統單獨運行時，其發電量之和（42.55 MW）小于生活垃圾焚燒及生物質發電一體化系統的發電量（44.16 MW）。

4 結論

（1）生活垃圾與生物質直接摻燒技術受制于垃圾飛灰限制。因此，蒸汽側耦合更適應垃圾焚燒與生物質直燃項目一體化建設。

（2）提升發電系統蒸汽參數，可以提高全廠熱效率，但同樣會增加余熱鍋爐初始投資及運行風險。

（3）生活垃圾焚燒爐不設置過熱器或僅設置少量過熱器，避免了由于蒸汽參數的增加所導致過熱器高溫腐蝕情況。系統不僅提高了垃圾發電廠發電效率，同時也規避了由于直接耦合燃燒造成的環保風險。

（4）對于農林廢棄物資源豐富的縣城，將生活垃圾焚燒發電與生物質采用并聯耦合發電技術一體化設計建設，可以增加全廠發電量，提升一體化電廠綜合收益，有利于擴大項目規模，提高經濟能力。

（5）以900 t/d 生物質焚燒發電廠及500 t/d 生活垃圾焚燒發電廠為例，單獨運行時，生物質電廠發電量為34.5 MW，垃圾焚燒發電量為8.05 MW，合計42.55 MW。當采用蒸汽側耦合時，總發電量可提升至44.16 MW。