王利军

（中国电建集团山东电力建设有限公司，山东省 济南市250000）

0 引言

截至2018年年底，全国已投运垃圾焚烧项目处理能力合计37.8 万t/d，垃圾发电增速呈指数级增长，根据国家“十三五”规划，预计到2020年，我国将会有超过600 座垃圾焚烧发电厂，处理规模达59.14 万t/d[1-3]。

财政部联合各部委下发《关于政府参与的污水、垃圾处理项目全面实施PPP 模式的通知》中要求，政府参与的新建污水、垃圾处理项目全面实施PPP 模式。垃圾发电行业集中度较高，项目一般由地方政府与专业运营商签订特许经营权，授权运营商进行项目投资、建设、运营、管理及移交工作，政府对项目进行监管，对项目质量和服务状况进行定期评估，以此作为政府支付运营补贴的依据[4]。因此，对项目配置、建设标准、排放指标、运营维护要求较高。

垃圾发电先按其垃圾处理量折算成上网电量进行结算，每吨生活垃圾折算上网电量暂定为280 kW·h，并执行全国统一垃圾发电标杆电价0.65 元/(kW·h)(含税)，其余上网电量执行当地同类燃煤发电机组上网电价。

近几年新中标项目垃圾处理费逐年降低，平均在60～80 元/t，项目利润空间进一步缩减。

基于以上原因，垃圾发电项目竞争日益激烈，在低工程总价、低垃圾补贴、高建设标准、高融资风险等多重压力下，要想保证项目经济收益，做好工程优化、提升项目竞争力尤为重要[5-6]。由于当前垃圾发电项目优化研究领域缺乏全面性和系统性，因此本文对垃圾发电全流程进行深入分析，从参数计算、设备选型、系统配置等方面逐一优化，利用电力行业一流技术，结合运营经验反馈，解决了项目建设成本、运营维护费用高[7-8]等问题，为提升项目竞争力和经济性提供了依据。

1 工艺技术简介

垃圾发电流程主要分为垃圾收集及处理系统、焚烧、余热发电及供热系统、烟气净化处理系统、炉渣、飞灰及渗滤液处理系统[9]，垃圾发电工艺流程如图1所示。

图1 垃圾发电工艺流程图Fig.1 Waste power generation process flow chart

2 系统优化

2.1 垃圾前处理系统优化

垃圾前处理系统包括垃圾称重、垃圾卸料、垃圾贮坑、吊车及抓斗。主要是由环卫部门垃圾车将生活垃圾运输至垃圾发电厂，在进厂地磅房称重后，经垃圾运输坡道进入主厂房卸料大厅。汽车通过垃圾卸料门，将垃圾卸至贮坑内，贮坑上方设有吊车及抓斗，可以将垃圾送至焚烧炉内燃烧。

2.1.1 垃圾称重系统

垃圾称重系统由汽车衡及数据处理系统组成，这部分配置往往与垃圾发电厂的规模密切相关，整理如表1所示。

表1 汽车衡配置Tab.1 Truck scale configuration

汽车衡规格按照规范最低要求选取，即按照垃圾车最大满载质量的1.3 倍选择，经查阅相关技术规程，我国垃圾车额定荷载通常为24 t，考虑车辆自重等其他因素，总质量约为30 t。因此汽车衡规格可以选择40 t，考虑汽车衡同时要给大型运渣车和石灰车称重，大型焚烧厂设置的2台汽车衡可以为一大一小配置，相比正常配置可节约设备投资5%～10%。

2.1.2 垃圾贮坑

垃圾贮坑的作用不仅是对进厂垃圾进行储存和缓冲，更重要的作用是垃圾能在坑内经过几天的自然压缩、发酵等过程，排出部分渗滤液，提高入炉垃圾热值，稳定焚烧工况。因此，通常垃圾贮坑容积为5～7 d 额定垃圾焚烧量。通常垃圾密度设计值为0.3～0.4 t/m3，但是由于垃圾自然堆积和起重机抓斗机械搅拌作用，垃圾密度可按0.5t/m3考虑，在同等规模垃圾处理量下，贮坑容积可以减少20%～40%，既减少了土建造价，又可以缩短厂房跨距，降低起重机投资。

2.2 垃圾焚烧系统优化

2.2.1 一次风系统

燃烧用一次风从垃圾贮坑上方抽取，首先可以保持垃圾仓负压，防止臭气外溢；其次由于垃圾自然发酵过程产生部分可燃气体，这部分气体送至炉内燃烧，有助于提高热值。同时，可以将吸热后的炉膛冷却风引入一次风，提高一次风温。

设计过程中，一次风机选型往往与烟风系统匹配度较差，因此风机的风量、压头选择要尽量与锅炉实际需要接近，选用合适的裕量。《小型火力发电厂设计规范》指出，风机风量压头裕量为20%～30%，根据实际工程经验，裕量取20%即可满足要求。另外，设计时选用冷风风机，即一次风预热器放在风机下游，可以降低风机造价。

2.2.2 二次风系统

二次风取风口可以设置在出渣机上方，此处空气温度较高，既可以提高二次风温度，又能有效降低环境温度。由于垃圾成分、热值相对稳定，垃圾挥发分物质较少，因此二次燃烧占比较小，结合工程实际情况，二次风预热器可以取消。

2.2.3 烟气系统

采用烟气再循环技术，从布袋除尘器出口引出少量烟气，送回焚烧炉二次风入口附近，采用燃烧控制系统对再循环烟气和二次风进行自动调节，保证炉内烟气温度和氧含量稳定。烟气再循环流量保持10%～20%，这样在不增加二噁英的基础上，既可减少引风机容量和功率约10%，又能抑制部分NOx的生成，降低尿素消耗量，同时带来经济效益和环保效益。

2.2.4 启动类设备

所有启动类设备，例如辅助燃烧器风机、吹灰器吹扫风机均不设备用，且采用工频电机，以降低设备造价。

2.3 余热利用及汽轮发电机组系统优化

2.3.1 主蒸汽参数

1）优化的可行性。

鉴于我国垃圾分类管理不完善，垃圾中包含大量餐厨垃圾、橡胶、塑料等物质，这些物质中富含硫、氯和碱金属，在超过400 ℃的高温作用下会对锅炉受热面产生严重的腐蚀[10-11]，因此我国垃圾发电通常选用中温中压参数(4.0 MPa，400 ℃)。随着国内堆焊技术的发展，在不改变受热面管道材质的基础上，对受热面管道表面进行合金堆焊，堆焊层厚度保证2 mm 以上，按照堆焊层0.2 mm/a 的减薄速度，受热面寿命可保持10 a 以上。再加上国外垃圾发电有运用中温次高压参数成功的案例，因此具备将主蒸汽参数提高的技术条件。

2）优化的必要性。

垃圾处理费逐年降低，热电联产中的热又受到地区热用户限制，垃圾电厂经济效益急需拓展新的增长空间，提高发电量是必然选择。

基于以上分析，可以将锅炉参数提高至6.0 MPa，450 ℃。以垃圾低位发热量7000kJ/kg，垃圾焚烧量600 t/d，排汽背压7 kPa 为基础条件进行计算，中温次高压与中温中压参数经济效益对比如表2所示。

表2 发电经济效益对比Tab.2 Comparison for power generation economic benefit

经计算得出，中温次高压机组比中温中压机组年上网发电量多25.4×106kW·h，按照当地燃煤机组上网电价0.37 元/(kW·h)计算，年收入增加约940 万元。

2.3.2 汽轮机转速

受垃圾处理量的限制，垃圾发电机组均为中小型汽轮机，进汽量较少，因此为提高汽轮机效率，可以采用高转速汽轮机，经咨询杭汽、东汽等汽轮机厂，结合原有工程设计经验，高转速汽轮机可以比常规转速汽轮机提高内效率约4%～5%，可进一步提高发电量。因此，在项目实施中，可以采用技术成熟的5 500 r/min 或6 000 r/min 转速的汽轮机。

2.3.3 蒸汽再热系统

为提高机组循环效率，保证汽轮机末级叶片干度，可以借鉴大型发电机组中间再热系统。国内第一台再热式垃圾发电机组已于2018年投产运行，标志着此项技术已经成熟，为今后项目实施优化设计奠定了坚实的基础。

2.3.4 汽轮机大旁路系统

垃圾发电厂全年以焚烧垃圾为主，汽轮发电机组存在停机检修情况，为保证停机不停炉，并且不浪费蒸汽，设置汽轮机大旁路，机组检修期间，将锅炉主蒸汽通过二级减温减压后送至凝汽器，凝结水经过除氧器和锅炉给水泵后，再次送往余热锅炉[12]。

2.4 辅机部分的优化

1）由于垃圾发电装机容量有限，辅机功率也较小，锅炉给水泵、凝结水泵等均可采用工频电机。对于锅炉给水泵，在出口母管设置电动调节阀，与汽包水位、蒸汽流量实现三冲量水位调节。对于凝结水泵，可以通过设置在再循环管道上的调节阀来调节水量。

2）余热锅炉汽水取样装置可以采用全人工取样分析，即取消在线分析仪表。经过大量运行情况反馈，在线分析仪表不仅一次投资高，而且对环境要求较为苛刻，容易出现损坏或者测量数据偏差，最终数据还是通过人工分析得出。因此在设计中，取样装置仅保留高温架，通水冷却后，由人工定期取样进行化验分析。

3）取消锅炉连续排污扩容器，将锅炉连排水通过单独的管道送至定排扩容器中。

4）凝汽器采用一次投资少、运行稳定可靠的射水抽气器及射水泵系统，代替常规的水环真空泵组。对于夏季射水箱置换的热水，可通过管道泵输送至冷却塔水池循环使用，保证工业新水不浪费。

5）取消凝汽器胶球清洗装置。通过分析大量现场运行反馈情况，胶球清洗装置效果不佳，很多清洗装置都处于闲置状态，因此可采用人工清洗方式。

6）取消沼气入炉系统。该配置投资与对焚烧炉燃烧的贡献不成正比，可以将沼气直接引至储气罐，采用火炬点燃，由于沼气量较少，几乎不会对周边环境产生污染。

7）垃圾发电厂配置的空压机容量较小，单台排气量基本都在40 m3/min 以下，因此可以采用空冷式机组，减少外部冷却水供应系统。

2.5 烟气处理系统优化

系统配置应结合建设地的大气污染排放地方标准与国家标准，综合判断确定。例如《山东省区域性大气污染物综合排放标准》中规定NOx排放指标为100 mg/m3，而《生活垃圾焚烧污染控制标准》中规定NOx排放指标为250 mg/m3，地方标准高于国家标准，对于山东省内项目，由于选择性非催化还原法(selective non-catalytic reduction，SNCR)脱硝效率较低，NOx排放达不到100mg/m3的标准[13]，因此需要增加SCR 系统。对于其他省的项目，如果地方标准与国家标准一致，脱硝系统仅设置SNCR 即可，大大减少设备造价。

3 资源高效综合利用

3.1 垃圾发电与附近燃煤、燃气机组耦合

垃圾发电产生的蒸汽参数较低，如果项目建设地点附近有高温高压以上参数的燃煤或者燃气机组，可以将这部分蒸汽引入高参数锅炉内进行过热，以提高蒸汽品质，然后送回垃圾发电机组发电；也可以将这部分蒸汽作为高参数热力系统的一部分[14]。

3.2 飞灰固化利用

垃圾焚烧后产生灰渣和飞灰，飞灰中含有碱金属及二噁英等有害物质，直接排放必然会污染环境，因此需要进行固化处理[15]。焚烧过程中产生的飞灰通过斗提机输送至飞灰仓，散装水泥罐车通过气力输送将散装水泥吹送至水泥料仓；飞灰稳定化站设有螯合剂制备槽和螯合剂存储槽；各仓下设电子计量秤，飞灰和水泥按设定比例称量后送至混合搅拌机；混合搅拌机对物料搅拌混合，并按比例均匀加入螯合剂溶液和水。水泥、螯合剂和加湿水的添加比例分别接近飞灰质量的10%、2%和30%，稳定化产物满足GB16889—2008《生活垃圾填埋场污染控制标准》要求后，由运输车辆运至填埋场进行填埋处置。

3.3 炉渣回收利用

生活垃圾焚烧炉产生的炉渣主要由熔渣、玻璃、陶瓷、金属、可燃物等不均匀混合物组成，炉渣的主要成分为Si、Al、Ca，可运出厂外回收金属、制砖等综合利用。

3.4 排污水梯级回收利用

循环水冷却系统的排污水，仅含盐量及悬浮物增加，无其他污染物，可用于厂内对水质要求不高的用水点，例如卸车平台冲洗用水、炉渣冷却、锅炉排污冷却水、净化系统消耗水、厂区绿化、道路浇洒及车辆冲洗等处。循环系统排污水的再次利用可有效减少工业新水的用量，还可减少厂区外排污水量，是既节水又环保的有效措施。

餐厨垃圾处理废水和污泥处理废水均排至渗滤液处理站。渗滤液处理后出水达到敞开式循环冷却水系统补充水标准，回送至冷却塔补水。渗滤液浓水可以回喷至焚烧炉内进行燃烧，避免污染环境。

4 结论

设计优化是提高垃圾发电项目经济效益、降低工程投资的有利措施，参照其他实际运行项目，鉴于设计优化的局限性和项目业主特殊要求，从系统到局部，从全面到分项，根据实际工程经验，展示出每个环节的优化空间。同时，结合垃圾发电技术的更新，总结出垃圾相关资源的综合利用技术。未来随着人们生活水平提高，城市化进程不断深入，垃圾发电项目将会呈井喷式发展，如何变废为宝，最大程度利用垃圾这一充足资源，需要以技术创新为驱动力，不断推动垃圾发电行业长远健康发展。随着建设标准的逐步提高、技术革新的不断推进，设计优化前景和空间巨大，今后在焚烧炉型改进、飞灰固化处理、渗滤液处理和烟气净化方面，仍然有许多研究成果会不断推出，并广泛应用于固废处理行业。