垃圾焚烧锅炉能效测试方法的探讨

程 静，谢常欢，吴继权

(深圳市特种设备安全检验研究院，广东 深圳518029)

0 引言

我国城市的垃圾量以每年8%～10%左右的速度增长［1－2］，产量巨大。垃圾焚烧并利用其产生的热量是实现垃圾减量化、无害化和资源化的有效途径，目前用于发电或供热的垃圾焚烧锅炉在国内的城市得到长足的发展。进行垃圾焚烧锅炉的能效测试，是找出锅炉运行过程中存在问题并加以解决的必要途径，使锅炉更节能、更安全、更环保的运行［3－5］。

目前对于垃圾焚烧锅炉能效测试方法，只有GB/T 18750《生活垃圾焚烧锅炉》第7.4条规定:垃圾焚烧炉及余热锅炉按照GB/T 10184《电站锅炉热工性能试验规程》或GB/T 10180《工业锅炉热工性能试验规程》进行热工性能试验。但垃圾焚烧锅炉与常规的电站锅炉和工业锅炉的燃料系统、燃烧系统、热力系统都具有较大的差别，且两个标准本身也具有较大差别，故在实际操作中按照这两个标准来执行存在着一定的问题。本文就针对垃圾焚烧锅炉能效测试中的几个关键性问题进行分析和研究。

1 垃圾焚烧锅炉的热量平衡图

能量平衡包括三个方面:输入热量、有效利用热量和损失热量。根据热平衡边界的设定，输入热量包括垃圾的热值、垃圾的显热、外来热源加热空气的热量、辅机耗电当量热、辅助燃料的热值、臭气和渗滤液的热量。一般垃圾焚烧锅炉没有再热系统，因此有效热只考虑主蒸汽(饱和蒸汽或过热蒸汽)的热量，排污水的热量也应考虑在内，蒸汽用于非锅炉系统的热量也应属于有效热的一部分。热损失与电站锅炉和工业锅炉基本相同，若有掺混石灰石燃烧，则应加入石灰石带走的热量。见图1中，按照输入热量、输出热量、各项热损失的箭头方向，箭头方向相反的为负值。

图1 垃圾焚烧锅炉的能量平衡图Fig.1 The energy balance diagram of waste incineration boiler

2 几个关键问题的研究

2.1 热效率的求取法

热效率的求取有正平衡和反平衡两种求取方法，因为垃圾燃料入炉量和蒸汽流量难以准确计量，另外，能效测试只是手段，目的是为了找出锅炉运行过程中存在着的能源浪费、结焦积灰、污染区排放等问题产生的原因，并提出相应的措施。因此垃圾焚烧锅炉的能效测试主要采用反平衡的方法求取锅炉的热效率，若测试条件较好，则可在反平衡的基础上在计算正平衡以作参考。

2.2 试验的基准温度

垃圾焚烧锅炉的一次风来自垃圾池内，二次风来自环境，一次风由于在垃圾池抽出，其温度较环境温度高，为使垃圾取样更加准确均匀，垃圾池不在机组热平衡边界之内，因此不能直接用环境温度作为测试的基准温度，应该根据一次风和二次风的比例和各自温度来确定测试的基准温度。通过测试一、二次风的风量以及垃圾池内和环境的温度，则采用下式进行基准温度t'0的计算。

式中n——一次风占总风量的比例/［%］;

t0——环境温度/℃;

t″0——垃圾池内的空气温度/℃。

2.3 臭气影响对燃料低位热值的修正

生活垃圾一般在垃圾池内过程中会发酵，并产生一定量的CH4聚集在垃圾池上方，臭气随着一次风进入炉膛燃烧，增加了单位质量燃料的热值［6－9］。选取几台垃圾焚烧锅炉对垃圾池上方的空气进行取样分析，其CH4的含量见表1。

表1 臭气中CH4含量测试结果表

根据测试结果，取一次风中的CH4含量为0.2%，CH4的热值为35.818 MJ/m3。臭气随着一次风进入炉膛燃烧，增加了单位质量燃料的热值。进入炉膛的实际热值按照下式进行修正。

αpy——实测排烟过量空气系数(空气预热器之前);

前一部分是指由于一次风中带有CH4而引起的单位质量的燃料热值增大，是由实际燃烧所需要的空气量中含有的CH4所带入的热量，后一部分是垃圾燃料本身的热值。两项合计为实际从垃圾池输入的热值。

2.4 渗滤液的影响

渗滤液的热量应加入到输入热量中［10］，渗滤液的热值和单位时间内渗滤液的输入量应进行测量，若无条件，可取平时运行统计的平均数据。

2.5 垃圾燃料的取样和分析

垃圾燃料的成分比较复杂，均匀性较差，因此取样的均匀性是垃圾燃料分析的准确性的先决条件。根据垃圾的来源和最大尺寸确定每次取样的最小采样量，再用二级制样的方法进行垃圾燃料的制样。采样方法可以根据现场的实际条件采用四分法、坡面法、周边法、网格法等方法进行取样。取样前应用垃圾斗进行充分混合，取样后应注意密封和防止与吸水性物质相接触，防止水分散失。二次样品带回实验室后，可进行含水率的试验，含水率的试验应在样品取回后24 h完成。可燃分和灰分用马福炉和干燥箱进行测试分析，热值采用量热仪进行测试分析，碳、氢、氧、氮、硫采用有机元素分析仪进行测试分析，氯元素采用离子色谱法进行测试分析。

2.6 热效率计算方法

2.6.1 正平衡热效率中输入热量的计算

输入热量按下式进行计算

Qsly——燃烧单位质量的垃圾燃料所喷入的

渗滤液的低位热值/kJ·kg－1;

Qrx——燃料的物理显热/kJ·kg－1;

Qw1——当用汽轮机抽汽或其它外来热源加

热暖风器空气而带入锅炉系统内的热量/kJ·kg－1;

Qfz——燃烧单位质量的垃圾燃料所带入的辅助燃料的低位热值/kJ·kg－1;

Qwh——若辅助燃料为燃油且需要雾化时，燃烧单位质量的垃圾燃料所带入的燃油雾化蒸汽的热量/kJ·kg－1。

2.6.2 考虑Cl元素和石灰石影响的排烟热损失计算

考虑Cl元素和石灰石影响后排烟热损失中有关参数的计算公式做下列改变。

Vgy——每千克垃圾燃料生成的干烟气体积/m3·kg－1;

cpgy——干烟气从t0到θpy的平均比定压热容/kJ·m－3·℃－1;

θpy——排烟温度/℃;

Cy、Hy、Ny、Oy、Sy、Ay——分别为燃料应用基碳、氢、氮、氧、硫和灰分含量百分率/［%］;

Ajs——计入石灰石后单位燃料灰分含量百分率/［%］;

βfj——脱硫石灰石中碳酸钙分解率/［%］，取值为98%;

Kglb——对应于单位质量燃料的入炉石灰石中钙的摩尔数与燃料收到基全硫摩尔数之比;

ACaSO4、ACaO、Awfj、Azz——分别为硫酸钙生成量、未反应氧化钙、未分解碳酸钙、石灰石带入杂质的百分率/［%］;

CpH2O——水蒸气从修正基准温度到θpy温度间的平均定压比热/kJ·m－3·℃－1;

VH2O——烟气中所含水蒸气容积/m3·kg－1，其中包括:(a)垃圾燃料中的氢燃烧产生水蒸气;(b)空气中的水分带入的水蒸气;(c)采用炉内加石灰石时，石灰石中的水分蒸发形成的水蒸气;(d)采用辅助燃料为燃油时，燃油雾化带入的水蒸气;(e)渗滤液带入的水蒸气;

dk——空气的绝对湿度/［%］;

Mt——垃圾燃料的全水分含量/［%］;

Dwh——当采用燃油作为辅助燃料时，雾化蒸汽的质量/kg·h－1;

Dsly——喷入渗滤液的质量/kg·h－1;

κ——渗滤液的含水量/［%］，取值95%。

2.6.3 净效率的计算方法

锅炉净效率是考虑了锅炉自身需用的热耗和电耗后的效率。锅炉用来发电的，按下式计算

锅炉用来供热的，按下式计算

式中 ηj——锅炉净效率/［%］;

∑Qzy——锅炉自用热耗，系指蒸汽驱动辅助设备和吹灰等所用外来蒸汽热耗/kJ·kg－1;

∑P——锅炉设备送风机、引风机、给水泵，除渣及除灰系统、烟气净化系统等辅助机械电动机的实际运行功率/kW;

ηq、ηf——分别为垃圾焚烧厂汽轮机和发电机的效率，可根据其性能试验报告取值，或取其设计值;

b——电能的当量折标系数，取值0.1229 kgce/kWh。

3 结论

(1)本文通过试验和理论分析的方法对热效率的求取法、试验的基准温度、臭气对燃料低位热值的影响、渗滤液的影响、垃圾燃料的取样和分析、热效率的计算方法等几个关键性问题进行了研究和探讨，提出了解决方案。

(2)通过本文所述的方法与GB/T 18750《生活垃圾焚烧锅炉》和GB/T 10180《工业锅炉热工性能试验规程》相结合，可以较为准确的对垃圾焚烧锅炉进行能效测试。笔者也通过本文的方法对四台垃圾焚烧锅炉分别进行能效测试，平行性较好，测试指标和结果能正确的反应锅炉的运行情况，对垃圾焚烧锅炉的节能、环保、安全、经济运行具有重要的指导意义。

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