火电机组垃圾焚烧耦合发电的可行性分析

赵 梁

随着我国经济发展和人民生活水平的提高，发展过程中产生了大量多种多样的垃圾，垃圾问题日益突出。从目前的国内情况看，处理垃圾的方式主要是填埋和焚烧发电，垃圾焚烧耦合发电相对较少，为了改善城市垃圾处理现状，提升垃圾处理能力，缓解垃圾填埋场库容压力。本文以位于平遥县境内的2×200MW 耀光热电厂为例，进行了垃圾焚烧耦合发电的可行性分析，并给出了垃圾的处理过程和烟气净化及污染物的处理方法。

1 现状分析

1.1 城市现状分析

平遥县位于山西省中部，尤以辖区内被列为世界文化遗产并冠以国家5A 级旅游景点的平遥古城最为著名，2019 年1- 11 月全县共接待游客1738.04 万人次，平遥县也因此称为旅游大县。截至2018 年底，全县总人口达52.4 万人，2020 年底全县总人口将达到61.7 万人，2021 年平遥县的城乡生活垃圾预计530 吨/日，而现有的生活垃圾处理能力仅为360 吨/日，且全部为垃圾填埋，垃圾处理问题迫在眉急。

1.2 热电厂现状分析

耀光热电厂位于平遥县城东偏北约9km 处的坮塬上，装机容量2×200MW，烟气排放执行国家超低标准，所发电力通过220KV双回线并入山西电网，同时负责为平遥县城区供热。锅炉选用上海锅炉厂有限公司生产的SG- 705/13.7- M453 超高压一次中间再热，单汽包自然循环、循环流化床锅炉。锅炉设计煤种为中煤与煤矸石按照1：2 设计，校核煤种为煤矸石；汽轮机组为上海汽轮机制造厂生产的超高压、一次中间再热、双缸双排汽、单轴、直接空冷凝汽式汽轮机，型号：CZK200- 13.24/0.392/535/535。

2 垃圾焚烧方案

根据区域垃圾产生量预测，拟建一条额定垃圾处理量为400 吨/天的垃圾焚烧线[1]，新建焚烧锅炉和余热锅炉，所产生蒸汽耦合至燃煤锅炉蒸汽侧，一并进入原有汽轮机进行发电、供热、供汽。

2.1 焚烧炉的选择

目前世界各地应用广泛、具有代表性的垃圾焚烧炉技术主要有四大类，即：炉排型焚烧炉技术、流化床焚烧炉技术、回转窑焚烧炉技术和垃圾热解气化焚烧炉（CAO）技术[2]。

机械炉排炉技术作为世界主流的垃圾焚烧炉技术，技术成熟、可靠，这种焚烧炉因为具有对垃圾的预处理要求不高，对垃圾热值适应范围广，运行及维护简便等优点，是目前在处理城市垃圾中使用最为广泛的焚烧炉。因此，本工程采用炉排焚烧炉。

2.2 耦合方式和蒸汽参数

与燃煤机组耦合采取蒸汽侧耦合的方式，即焚烧锅炉焚烧产生的烟气加热余热锅炉中的过热器和蒸发器，垃圾焚烧炉产生的蒸汽与燃煤机组蒸汽系统耦合，增加汽轮机的蒸汽流量，从而达到增加企业发电量、降低煤耗的目的[3]。

在国际上，城市生活垃圾焚烧厂主蒸汽参数有两种，一种是中温中压蒸汽参数，温度400～450℃，压力3.5～4.0MPa；另一种为中温次高压参数，温度450℃，压力6.5MPa。这两种参数的锅炉在国内进行制造和设计均不存在问题，其主要区别在于过热器的材质。一方面，430℃是锅炉过热器材质提高的分界线，430℃以下可采用碳钢，430℃～540℃的就必须采用合金钢；另一方面，主蒸汽参数的提高，必将带来锅炉烟气侧受热面温度增加，从而使锅炉受热面受到来自HCl 和SOX 等腐蚀性化学成分更强烈的腐蚀威胁，其结果是降低了过热器的使用寿命[4]

根据200MW 燃煤机组汽轮机热平衡图，只有汽轮机再热蒸汽管道的压力（约3.5MPa）接近中压，因此考虑焚烧炉所产蒸汽与燃煤机组蒸汽系统耦合，余热锅炉采用中温中压参数。

3 污染物的处理

3.1 烟气净化工艺

为避免垃圾焚烧过程中烟气对环境造成污染，需对焚烧后烟气进行净化处理。烟气净化与焚烧线相对应，配置1 套烟气净化系统。从场地和经济角度考虑，充分利用原厂现有设备装置，焚烧炉产生烟气汇入燃煤锅炉烟囱，所以烟气经净化处理后排放控制指标执行超净排放要求，排放限值优于GB18485- 2014生活垃圾焚烧炉烟气中污染物限值。

脱除烟气中的HCl、SO2等酸性气体的方法采用半干法脱酸。其特点是：（1）半干法反应塔脱酸效率较高，对HCl 的去除率可达95%以上，此外对一般有机污染物及重金属也具有良好的去除效率，若搭配袋式除尘器，则重金属去除效率可达99%以上。（2）不产生废水排放，耗水量较湿法脱酸塔少。（3）流程简单，投资和运行费用相对较低。

为去除烟气中的二噁英和重金属，确保烟气中二噁英和重金属等有害物质浓度达到排放指标的要求，在烟气净化系统中增加活性炭喷射吸附的辅助净化措施。

烟气中CO 含量是由于垃圾不完全燃烧产生的，控制二次空气量，使CO 充分燃烧，可有效控制烟气中CO 的排放浓度。

NOx 含量的控制，焚烧炉焚烧过程产生的烟气中NOx 含量一般约为（100～400）mg/Nm3，由于本工程 NOx 排放浓度执行超净标准，小于50mg/Nm3，所以采用SNCR+SCR 法，SNC R+SCR 混合脱硝工艺是在锅炉内喷入尿素或氨等还原剂脱除部分NOx，过量逃逸的余氨随烟气进入炉后装有催化剂的SCR脱硝反应器继续与NOx 反应，实现二次脱硝。该技术的脱硝效率可达80%以上。

综述，本工程烟气净化工艺采用“半干法+ 干法+SNCR/SCR”工艺，即“SNCR 炉内脱硝+ 机械旋转雾化脱酸反应塔＋干粉喷射+ 活性炭喷射＋袋式除尘器+SCR”工艺。

3.2 灰渣和渗滤液的处理

由于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，炉渣的主要元素为Si、Al、Ca，其污染物低，对炉渣实行填埋。

对于飞灰的处理，采用有机螯合剂稳定化工艺，配水泥为固化基材提高产物强度。稳定化后的产物能满足《生活垃圾填埋场污染控制标准》GB16889- 2008 中填埋物入场要求。稳定化后的产物由专用运输车运至卫生填埋场填埋处置。

4 经济性分析及结论

本项目垃圾处理量可完成400 吨/天，平均每年可处理垃圾13.33 万吨，可基本解决平遥县生活垃圾无害化处理问题，另一方面，垃圾焚烧产生的蒸汽与燃煤机组蒸汽系统耦合，增加汽轮机的蒸汽流量，从而达到增加发电量、降低企业煤耗的目的，每年新增最大发电量6309 万千万时，其中，每年新增最大上网电量4549 万千万时，可节约标煤32.4～45.6 吨、减排二氧化碳80.8～113.2 吨。同时，由于垃圾处理费用的补贴，也将对企业带来客观的经济利益。