垃圾焚烧发电厂沼气入炉掺烧的成本收益优化研究

余端民，胡洪瑞，王乾维

（四川能投节能环保投资有限公司，成都 610000）

生活垃圾在垃圾坑熟化发酵过程中会产生大量的渗滤液[1-2]，其产生量约占生活垃圾总量的20%，渗滤液属高浓度有机废水，化学需氧量（COD）可达40 000～60 000 mg/L。目前，垃圾焚烧发电厂常用的渗滤液处理工艺为“内外循环厌氧反应器（IOC）+膜生物反应器（MBR）+管式超滤膜（TUF）+反渗透膜（RO）”，厌氧发酵过程会产生大量沼气，传统处理方式通常采用火炬直燃排放，但存在能源浪费、环境污染等问题。垃圾渗滤液沼气含有硫化氢（H2S）等有害物质，如果不进行适当处理，会对生态环境和人体健康造成危害。直接排放废气可能导致垃圾焚烧发电厂周边居民的投诉，影响企业形象。为了解决这一问题，我国垃圾焚烧发电厂正在大力推广沼气入炉掺烧，其原理是渗滤液厌氧发酵产生的沼气经沼气燃烧系统燃烧处理，燃烧后的热烟气送入生活垃圾焚烧炉，沼气燃烧的热量作为额外能量进入生活垃圾焚烧发电系统，燃烧产生的废气利用烟气处理系统处理[3-5]，从而实现能源的有效利用，减少污染排放。沼气入炉掺烧有多种工艺路线，在生活垃圾焚烧发电“运营为王”的时代，如何选择低成本、高收益的工艺路线一直困扰着各厂的经营人员。某生活垃圾焚烧发电试点项目沼气入炉掺烧存在一定正收益，本研究结合具体案例，对比几种垃圾渗滤液沼气入炉掺烧的资源化工艺路线，最终得出经济效益最优的工艺路线，为后续项目推广提供借鉴。

1 试点项目基本情况

试点项目建设2 台生活垃圾焚烧炉排炉（单台设计处理规模300 t/d），配置1 台15 MW 凝汽式汽轮发电机组，渗滤液的设计处理规模为200 t/d，采用“预处理+内外循环厌氧反应器（IOC）+厌氧好氧（AO）+膜处理”的组合工艺。项目设计参数如表1所示，余热锅炉型式为中温次高压单汽包立式循环锅炉。

表1 项目设计参数

2 发电收益核算及运营成本

2.1 发电收益核算

试点项目厌氧沼气母管安装流量计，统计连续50 d 产气量，日均沼气产量为2 308 Nm3。取样化验，明确沼气成分指标，其中甲烷（CH4）、二氧化碳（CO2）、氮气（N2）的含量分别为69.17%、20.43%、7.90%，低位发热量为20.9 MJ/Nm3。沼气燃烧产生的热量作为外部热源送入生活垃圾焚烧发电系统，产生的直接收益是发电量的增加。增量电量常用的计算方法有两种，即全厂热效率法和入炉垃圾折算法。

一是全厂热效率法。试点项目锅炉效率为83%，汽轮机组绝对电效率为33.5%，考虑管道效率、机械效率，全厂热效率约为27%，经计算，单位沼气发电量为1.56 kW·h。二是入炉垃圾折算法。沼气低位发热量为20.9 MJ/Nm3，试点项目入炉垃圾低位发热量变化范围为4 500～8 792 MJ/t，取均值6 646 MJ/t，每吨入炉垃圾发电量为500 kW·h，单位沼气发电量为1.57 kW·h。两种计算方法获得的单位沼气发电量相差0.64%，几乎一致。本研究采用全厂热效率法，沼气入炉掺烧系统每年运行300 d，上网电价采用试点项目当地标杆电价0.401 2 元/（kW·h），经计算，全年沼气入炉收益为43.33 万元。

2.2 运营成本

沼气入炉掺烧属于厂内技改项目，因此不新增人员，不考虑人工成本，只考虑设备运行所耗的电费和备品备件费。增压风机为沼气入炉掺烧的必备设备，一般配备两台7.5 kW 风机，一用一备，由于厌氧发酵的沼气产量存在波动，风机运行频率低，按50%负荷计算，年耗电量为2.7 万kW·h，电费为1.08 万元。沼气入炉掺烧系统整体比较简单，备品备件需求量少，年备品备件费用为0.3 万元。因此，总的年经营成本为1.38 万元。

3 不同沼气入炉掺烧工艺的经济效益分析

经设计，沼气入炉掺烧共有4 种工艺方案。基本设计思路是来自厌氧罐的沼气经汽水分离后由增压系统增压，然后送入沼气燃烧系统，燃烧产生的热烟气送入锅炉进行资源利用。同时，增加干法脱硫对沼气进行净化，沼气流经脱硫塔，使其与氧化铁脱硫剂床层接触，吸收沼气中的H2S，或者增加沼气储柜，把沼气作为启停炉辅助燃料。方案一是汽水分离器+沼气增压风机+沼气燃烧器；方案二是汽水分离器+沼气增压风机+干法脱硫净化+沼气燃烧器；方案三是汽水分离器+储气柜+沼气增压风机+沼气燃烧器；方案四是汽水分离器+储气柜+沼气增压风机+干法脱硫净化+沼气燃烧器。

3.1 投资运营成本比较

方案一是沼气入炉掺烧的基础工艺路线，其余工艺是在其上进行完善。最大沼气流量为300 Nm3/h，整套工艺的建设成本为85 万元。汽水分离器配备1 台，设计处理规模为300 Nm3/h；沼气增压风机配备2 台，单台设计处理规模为300 Nm3/h；沼气燃烧器配备1 台，设计处理规模为30～300 Nm3/h。另外，其他方案需要增配部分装置。沼气脱硫净化装置配备2 台，单台设计处理规模为300 Nm3/h，增加投资10 万元，干法脱硫运营成本增加0.03 元/Nm3，无装机功率。储气柜配备1 台，设计容量为1 000 Nm3，增加投资25 万元，增加0.75 kW 装机功率。每年运行300 d，则4 种工艺投资运营成本比较如表2所示。

表2 4 种工艺投资运营成本比较

3.2 经济效益对比

采用净现值、内部回报率和投资回收期等指标，评估经济效益。净现值是现金流入和现金流出的差额，反映投资项目的绝对收益；内部回报率则是使项目的净现值为零的折现率，反映投资项目预期的相对收益；投资回收期则是指资本投资回收的时间长度。计算前，要合理选择基础数据。计算期取15年，参照项目现有特许经营期。设备折旧采用线性折旧法，残值率为5%，综合折旧率为6.67%。增值税税率为13%，按照垃圾发电项目政策，100%即征即退；销售税金附加包括城市维护建设税和教育费附加，以增值税税额为基础征收，税率分别为1%和5%；所得税税率为25%。沼气柜增量投资收益以节约的启炉天然气费用计算，项目当地天然气价格为3 元/Nm3，年平均启停炉6 次，年增量收益为1.8 万元。基准收益率为8%。基于以上基础数据，对4 种沼气入炉掺烧工艺的经济效益进行测算，如表3所示。从财务评价的角度来看，4 种工艺的项目投资财务内部收益率均大于基准收益率，税后财务净现值均大于0 万元，4 种工艺在财务上是可行的，其财务评价指标是可以接受的。

表3 4 种工艺经济效益对比

增设沼气柜存储的沼气作为启停炉辅助燃料，其增量收益较小，不能弥补成本增加的影响。同时，沼气柜作为危险源，按照相关规范要求，周边需要加设安全防护措施，因此不推荐。收益一定时，投资成本是影响项目经济效益的主要因素，投资成本越大，内部收益率、财务净现值越小，项目投资回收期越长。方案一财务内部收益率、财务净现值最大，投资回收期最短，它是最优方案。

4 结语

经财务评价，垃圾焚烧发电厂沼气入炉掺烧具有一定经济效益，但其增量收益较小，投资成本越小，内部收益率、财务净现值越大，投资回收期越短。方案一是汽水分离器+沼气增压风机+沼气燃烧器，也是最优方案，可以推广应用。