生活垃圾焚烧余热蒸发渗沥液膜浓缩液的可行性分析

丁兆勇 中城院（北京）环境科技股份有限公司

1 蒸发处理

2 利用各种垃圾焚烧余热处理渗沥液膜浓缩液可行性分析

生活垃圾焚烧厂垃圾焚烧产生的余热可用方式有焚烧炉尾部烟道烟气所含热能、汽轮机排汽冷凝损失所含热能、汽轮机抽汽所具有的热能、热循环水所含热能等。如果用以上余热来加热蒸发渗沥液膜浓缩液，既对余热加以利用，提高了整体热效率，又能减排和减少热污染。

2.1 利用排烟余热加热

烟气脱酸塔前烟气温度为210～250 ℃，烟气脱酸塔和布袋除尘器之间的烟气温度为180～200 ℃，布袋除尘器后烟气温度为150～180 ℃。烟气脱酸塔前烟气温度相对较高，如果将换热器设置在该处换热效果较好，且需要布置的换热器面积也比较小。但是，由于烟气脱酸塔前的烟气中含有HCL、SO2等腐蚀性气体和粉尘等固体颗粒，如果将换热器布置在该位置，对换热器材质的耐腐蚀性和耐磨性要求都较高，也增加了换热器的成本；布袋除尘器前也存在灰分含量高，对换热器磨损严重的问题；布袋除尘器后的洁净烟气对换热器材质耐腐蚀和耐磨损的要求较低，因此将换热器布置在该处成本相对较低，但是由于烟气可利用的焓降小，需要布置的换热面积较大。

考虑到烟气中含有未脱除的酸性气体，酸露点在125 ℃左右，若不考虑后续设备和管路做防腐处理，那么如果将受热面布置在脱酸塔前，可利用的烟气温度范围为从210～250 ℃降到125 ℃；如果将受热面布置在布袋除尘之后，可利用的烟气余热温度范围在从150～180 ℃降到125 ℃。如果考虑对增设的换热器以及后续设备和管路都做防腐处理，可以将烟气温度降低到110 ℃，这样的话利用的烟气余热量增加，但是由于换热器要采用耐腐蚀的材质如ND 钢或聚四氟乙烯，后续的设备和管路要做防腐处理，导致投入成本大大增加。

因此，不论采取在尾部烟道何处利用烟气余热加热蒸发垃圾渗沥液膜浓缩液的方式，都存在烟气余热利用量低、换热器投入成本高的问题。

2.2 利用汽轮机排汽或抽汽加热

汽轮机做功后的乏汽排入凝汽器，造成汽化潜热冷凝损失，损失热能约占垃圾燃烧产生总热量的40%～50%，如果能用这部分热量来加热蒸发垃圾渗沥液膜浓缩液既节能又减排。另外，采用做功能力相对较低的汽轮机抽汽来加热蒸发渗沥液膜浓缩液也是一个可行方法。

2.2.1 采用汽轮机排汽加热

汽轮机排汽温度约为42 ℃，根据热量传递理论，为了利用该排汽的潜热加热蒸发渗沥液膜浓缩液，渗沥液膜浓缩液蒸汽最高也仅能被加热到41 ℃左右，这就需要容器内压力要低于8.0 kPa，并且实际工程应用中换热器至少要有4 ℃的端差。汽轮机排汽温度仅为42 ℃左右，所以要想利用这部分余热只能利用乏汽潜热而不是利用温差，这就决定了只能采用间接的换热方式，即汽轮机排汽和渗沥液膜浓缩液不接触。为了达到和维持渗沥液膜浓缩液容器内的压力，需要对容器增设抽真空系统。具体可以将耐腐蚀的流通乏汽的管路布置在储存渗沥液膜浓缩液的容器内，或者将渗沥液膜浓缩液喷淋在耐腐蚀的流通乏汽的管路表面，但是在具体操作时要考虑到渗沥液膜浓缩液被干燥后生成物的清理。采用该方式的难点在于容器内真空系统的设置比较复杂。

1）功能强大、性能指标高。大型仪器设备普遍具有普通设备所不具备的功能强大、性能指标高等特点[5]。例如：有的设备能完成数据采集、建模、加工控制与质量检验等完备功能；有的设备运行精度高，达到微米、纳米精度；有的设备速度快，达到10 g的快速启停等。

采用汽轮机排汽加热渗沥液膜浓缩液对原系统热平衡的影响，仅仅通过调整进入凝汽器的循环冷却水量即可以维持。同时降低了循环水成本和循环泵电耗，夏季外界温度较高时又提高了降低凝汽器背压的能力。

2.2.2 采用汽轮机抽汽加热

越是流通到汽轮机后端的蒸汽品质越低，低品质蒸汽做功能力较低，尤其是四抽（按照当前生活垃圾焚烧厂汽轮机所采取的主流结构），几乎都以冷凝损失的形式排入凝汽器中，同时造成大气的热污染。以某额定功率10 MW、主蒸汽压力3.79 MPa（g）、主蒸汽温度403 ℃为例，其一抽压力1.1 MPa（g）、温度286 ℃，二抽压力0.74 MPa （g）、温度237 ℃，四抽压力0.07 （g）MPa、温度85.7 ℃。

（1）采用主蒸汽、一抽蒸汽或二抽蒸汽来加热蒸发渗沥液膜浓缩液

无论采用直接加热还是间接加热方式都比较容易实现，只是直接加热要保证蒸汽不被冷凝，这样蒸汽的潜热就不能得到利用，能量浪费严重。采用间接加热，即采用相变换热器，换热器一侧为蒸汽被冷凝为液态水，液态水回收输入到相应的低加，另一侧为渗沥液膜浓缩液被加热蒸发，产生的蒸汽被抽出，渗沥液膜浓缩液先被浓缩为粘稠物，然后被干燥成块状或粉末状固体。采用主蒸汽、一抽蒸汽或二抽蒸汽会对原系统热力平衡造成影响。采用主蒸汽，如果在原焚烧炉设计出力较大，即焚烧炉未达到最大出力前提下，增加抽汽仅通过增大焚烧炉的出力即可，这种情况下进入汽轮机的主蒸汽量不减少。但是由于焚烧炉产生更多的主蒸汽需要从汽轮机抽取更多的蒸汽来加热凝结水和给水，导致汽轮机出力降低、焚烧炉排烟温度下降，同时汽轮机排汽也相应减少，热损失降低。这种情况下增加抽汽造成的焚烧炉效率是增加还是降低，具体要看焚烧炉效率的最大设计负荷。

采用主蒸汽、一抽蒸汽或二抽蒸汽对原系统热力平衡造成影响，在不影响安全运行的前提下，将导致汽轮机出力降低，发电负荷下降。假定汽轮机设计最低发电热耗值为汽轮机额定负荷的95 %，那么当由于增加抽汽导致汽轮机负荷从100 %下降到95 %之间时，发电热耗值是逐渐降低的，当负荷从95 %下降时，发电热耗值是逐步增加的。考虑到蒸汽品质降低做功能力下降，采用二抽的综合经济性比采用主蒸汽和一抽要高。增加抽汽相应地减少了汽轮机排汽，冷凝损失减少，所以对整体经济性是有利的。

（2）采用四抽蒸汽来加热蒸发渗沥液膜浓缩液

四抽蒸汽温度低于标准大气压下的水汽化温度，因此若要采用四抽来加热蒸发渗沥液，需要将渗沥液膜浓缩液容器内抽真空并维持，85℃对应的饱和水蒸汽压力约为60 kPa，也就是说渗沥液膜浓缩液容器内压力至少要维持在60 kPa 以下。因此，如果采用该种方案，复杂的抽真空系统不可避免。

综合考虑采用汽轮机排汽或抽汽来加热蒸发渗沥液膜浓缩液，在二抽蒸汽量能够满足需要的前提下，建议采用二抽，如果渗沥液膜浓缩液产量稳定，从发电和蒸发渗沥液膜浓缩液的总体经济性考虑，可以改造汽轮机结构，将汽轮机后段叶片去掉，直接根据汽源需要改成排汽温度130 ℃左右的背压机形式。

2.3 采用热循环水加热

这里的热循环水指的是焚烧炉给水（约130 ℃）或汽包内饱和水（约250 ℃）。无论利用焚烧炉给水还是利用汽包内饱和水，都将影响到焚烧炉的最大主蒸汽产生量，对整个热力系统的影响与采用主蒸汽来加热的影响相类似，即要根据焚烧炉最大出力与汽轮机最大出力来判定。采用热循环水肯定会影响到焚烧炉内的热力平衡，也会影响到汽轮机内的热平衡。

（1）利用焚烧炉给水来加热蒸发渗沥液膜浓缩液，对原热力系统的影响与原系统是否处于最大出力有直接关系

在汽轮机低加、高加和除氧器已经达到最大出力的情况下，抽取焚烧炉给水势必会造成进入省煤器、水冷壁、汽包和过热器的工质减少，相应地这些受热面的出力减少，产生的主蒸汽量也相应降低，焚烧炉和汽轮机出力下降。为了防止省煤器、水冷壁、汽包和过热器等受热面和管路的超温，焚烧炉垃圾处理量减少。锅炉给水量减少，压力降低，省煤器、水冷壁和汽包内的压力和温度也降低，焚烧炉内温度下降，炉膛出口烟气温度下降。过热器内压力下降，温度可以维持不变。产生主蒸汽压力下降，温度可以不变。由于省煤器内给水温度降低、流量减少，因此排烟温度降低。进入水冷壁的单位给水量对应的垃圾量增加，但总的焚烧炉处理垃圾能力降低。

因此，抽取省煤器后的给水后，焚烧炉焚烧垃圾能力降低但并不与给水量成比例下降，而是产生单位给水需要的垃圾量有所增加；进入水冷壁的给水温度下降，虽然为了提高水冷壁出力相应增加单位给水对应的垃圾量，但由于进入水冷壁的给水量减少，压力降低，导致汽包内饱和压力下降、饱和温度下降，进入过热器的蒸汽温度也相应降低；进入汽轮机的主蒸汽压力降低，主蒸汽温度可以维持不变，各抽压力和温度降低，导致各抽汽对凝结水和给水的加热能力降低，因此进一步降低了进入省煤器的给水温度。汽轮机的排汽量减少，排汽冷凝损失降低。

焚烧炉尚未达到最大出力，抽取焚烧炉给水不影响进入省煤器给水的情况。这种情况下，抽取省煤器前的给水，进入省煤器的给水假定仍然能够达到原水量，也就是说原来整个焚烧炉系统，包括低加、除氧器和高加，都处于未最大出力状态，增加抽取焚烧炉给水仅是相当于增大了汽轮机低加、除氧器和高加系统的出力。假定进入省煤器的给水的温度和压力都不发生变化，那么进入水冷壁。汽包和过热器的工质参数也不变，焚烧炉焚烧垃圾能力保持不变，产生的主蒸汽参数也可以保持不变。但是由于汽轮机低加、除氧器和高加的出力需要增加，这就需要汽轮机的各抽蒸汽量增加，汽轮机排汽热损失减少，相应地汽轮机的出力降低，虽然多抽的蒸汽品质已经较低。

（2）利用汽包内饱和水的情况也需要分析原焚烧炉和汽轮机的出力情况

在汽轮机低加、高加和除氧器以及焚烧炉省煤器、水冷壁和汽包已经达到最大出力的情况下，从汽包内抽取饱和水后，由于系统内循环的工质减少，进入过热器的蒸汽温度和压力降低，产生主蒸汽的压力也下降，汽轮机出力降低，各抽汽参数降低，抽汽加热能力下降，导致焚烧炉给水降温。要想使得给水温度尽量接近设计值，这就需要增大垃圾焚烧量，这样虽然能够满足进入汽包工质的参数达到设计值，但是由于进入过热器的蒸汽量减少，而烟气温度和流量都增加，直接导致过热器及后面受热面超温，需要持续喷水减温甚至设备烧坏，因此从安全运行考虑，该方案不可行。

在汽轮机低加、高加和除氧器以及焚烧炉省煤器、水冷壁和汽包都未达到最大出力的情况下，抽取汽包饱和水后进入过热器的蒸汽量仍然能够达到原运行值，仅是将汽轮机低加、高加和除氧器以及焚烧炉省煤器和水冷壁的出力增加。假定抽取部分汽包饱和水后进入过热器的蒸汽参数不变，那么驱动汽轮机的主蒸汽参数也能达到原参数，但是由于汽轮机各低加、高加和除氧器的出力增加，需要抽取更多的蒸汽来加热焚烧炉给水，所以汽轮机的出力降低，汽轮机排汽损失减少。进入省煤器的给水量增加，需要吸收更多的热量，如要维持焚烧炉排烟温度不变，只能提高焚烧炉内烟气温度；另一方面，水冷壁出力增加也需要在焚烧炉内吸收更多的热，因此焚烧垃圾量需要增加，导致炉膛出口烟温增加，过热器超温。

3 结语

综合以上采用烟气余热、汽轮机排汽和抽汽、热循环水加热蒸发渗沥液膜浓缩液来看，各种余热皆可利用，但存在不同的优势与缺点。

由于排烟热损失相对较大，从节能减排的角度考虑，烟气余热可以采用，但是需要布置较大的受热面。

汽轮机排汽品质较低，且操作复杂，投入较高。

抽取焚烧炉给水实际上是变相地需要增加汽轮机各抽抽汽，不如直接采取汽轮机抽汽来加热渗沥液膜浓缩液操作更直接、对机组热力系统影响更小，从安全考虑，除非余热锅炉设计余量较大，否则抽取汽包饱和水的方案不建议采用。

因此，采用汽轮机抽汽来加热渗沥液膜浓缩液方案更合适，其中尤以采用二抽的方法更可行、经济。