垃圾焚烧发电厂余热锅炉蒸汽参数的比较研究

垃圾焚烧发电厂锅炉蒸汽参数的选择直接影响到汽轮机的发电效率、焚烧厂的经济收益、焚烧电厂运营的稳定性和安全性。根据中国2座分别采用中参数和高参数垃圾焚烧发电厂的运行经验和数据,参考国外垃圾焚烧发电厂的实际运行数据,对采用这两种参数的余热锅炉在设备投资、经济效益和运营维护方面进行了比较研究。

垃圾焚烧发电厂余热锅炉主蒸汽参数的确定涉及很多方面因素，既要关注整个焚烧厂的经济效益，也要考虑到焚烧厂的运营稳定性和安全性。美国在20世纪90年代之前多数采用中温中压参数，此后为了满足某些工业用户对较高蒸汽参数的需求，着重采用中温次高压参数。日本的垃圾焚烧发电厂目前基本上都采用中温中压参数，正在尝试中温次高压参数。东南亚国家则基本上都采用中温中压参数。中国已建或在建的垃圾焚烧发电厂基本都采用中温中压参数，只有广州李坑垃圾焚烧厂等少数几家采用高参数余热锅炉(杭州锅炉厂制造)，蒸汽参数为通常为 450℃、6.4MPa。

目前，余热锅炉主蒸汽参数主要有两种：中温中压参数(温度400℃、压力4.0MPa)(以下简称“中参数”)和中温次高压参数(温度450℃、压力6.4MPa)(以下简称“高参数”)。所以，为了切合实际地使用这两种参数余热锅炉，在此对其设备投资、经济效益和运营维护方面进行了比较研究。

设备投资比较>>>>

锅炉材质选择

余热锅炉主蒸汽采用高参数需考虑以下方面：

a.由于提高了主蒸汽压力,锅炉受压面管道壁需要加厚，锅炉的质量会有一定的增加。

b.由于提高了主蒸汽温度50℃ 过热器受热面需要增加。

c.由于提高了过热器温度,高温过热器材质的防腐蚀等级需要提升，防止过热器高温腐蚀。

通常中参数余热锅炉高温过热器只需要采用低合金钢即可。如果余热锅炉髙温过热器采用高参数，为了防止腐蚀，宜采用奥氏体不锈钢(如TP310S)钢材。这种钢材价格一般为低合金钢的7倍左右;同时奥氏体不锈钢可焊性稍差，加工难度加大，制造成本提高。表1为两种参数的锅炉材质比较(以单台炉处理量750t/d、垃圾热值7120kJ/kg为例)。

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设备投资

根据1.1及相应的管路系统,对两种参数的余热利用系统设备投资进行了测算，如表2所示。

由表2可见,在垃圾热值和垃圾处理量相同的情况下(以处理能力4x750t/d、配4台余热锅炉、2台汽轮机的垃圾焚烧发电厂为例)，高参数余热锅炉比中参数锅炉的造价提高约28%。由于高参数锅炉总质量的增加，引起管道、安装等其它费用也相应提高，，高参数余热锅炉余热利用系统的设备总投资比中参数的高3350万元。

发电效益比较>>>>

理论计算

汽轮机热效率与进汽参数成正比，垃圾焚烧发电厂余热锅炉主蒸汽参数越高，发电效率越高。表3是高参数余热锅炉和中参数的发电效率比较数据(以单台炉日处理量750t、垃圾热值7120 kJ/kg为例)。

假定中参数余热锅炉效率和高参数的相同，均为82%。

发电热耗=进汽量x(进汽焓-给水焓)/锅炉效率/额定负荷。

中参数发电热耗=83.9x(3219 -539)/82%/18 = 15234kJ/kW。

高参数发电热耗=76.5x(3300 -539)/82%/18 =14310kJ/kW。

高参数余热锅炉比中参数的发电量增加=(15234 -14310)/15 234 =6.07%。

若中参数锅炉的全厂发电效率按21%计算，采用高参数余热锅炉的全厂发电效率将提高1.27% (6.07%x21%)。

与中参数余热锅炉效率比较，高参数余热锅炉 效率可增加6%-7%的发电量。

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案例分析

为掌握两种参数条件下的实际发电量差异，对垃圾处理量相近的两座垃圾焚烧发电厂——A厂(中温次高压参数，规模2x520t/d)、B厂(中温中压参数，规模2x500t/d)进行调研，并取得了相关运营数据,详细情况见表4。

表4数据表明，A厂的全厂发电效率比B厂提高1.27%。A厂的吨垃圾发电量(363kW•h/t)比B厂的吨垃圾发电量(287kW•h/t)高，主要是A厂的进炉垃圾热值(6229kJ/kg)远高于B厂(5241kJ/kg)。若B厂的进炉垃圾热值与A厂相同，则B厂的吨进炉垃圾发电量约341kW•h/t，A厂较B厂的吨进炉垃圾发电量增加6.46%，按中参数余热锅炉发电效率20%计算，得到A厂较B厂的全厂发电效率提高约1.3%。

综合分析,A厂与同容量的中参数垃圾焚烧发电厂相比，发电量增加约6.9%。

运营和维护比较>>>>

锅炉腐蚀机理

垃圾焚烧过程中产生的烟气含有大量的氯化氢等腐蚀性气体和灰分,会对余热锅炉系统中的各换热部件产生严重腐蚀。如锅炉采用中温次高压参数，会使余热锅炉各受热面壁温升高,这样将进一步 加剧余热锅炉受热面的腐蚀，缩短设备的使用寿命，增加处理成本。因此，高参数余热锅炉的维护成本和运行风险比中参数的大。

垃圾焚烧发电厂受热面的腐蚀主要包括:过热器管、水冷壁管高温腐蚀和省煤器低温腐蚀等。图1为腐蚀与温度关系图。

由图1可见，腐蚀速度与受热面管子壁温有很大关系。在高温腐蚀区,管壁温度超过300℃后，腐蚀速度增加很快。国内外垃圾焚烧发电厂运行经验表明，余热锅炉容易发生严重腐蚀，导致受热面管子 损坏的区域有以下4处:

a.炉膛内耐火墙砖与光管过渡区域;

b.通道转弯处;

c.过热器区域;

d.省煤器尾部。

表5列出了中参数与高参数余热锅炉易发生 腐蚀区域的管壁温度。

由表5可见，高参数余热锅炉在水冷壁和过热器的高温度比中参数余热锅炉分别高出了30℃和50℃，采用高参数余热锅炉将面临更严重的高温腐蚀;而省煤器低温区金属温度基本一致，两种参数的低温腐蚀情况大致相同。

炉膛内耐火墙砖与光管过渡区域、通道转弯处均属于水冷壁的高温腐蚀。实验证明，产生炉膛水冷壁高温腐蚀的条件:

a.水冷壁附近出现局部或间断性的还原性气体;

b.烟气成分中存在硫化物和氯化物;

c.水冷壁壁温满足腐蚀发生的条件。

研究表明，当燃料成分中含氯量≥0.35%时，腐蚀倾向将很高且FeCl2的熔点为282℃，并能显著挥发,使管壁直接暴露于烟气中，导致进一步腐蚀。而在炉膛内耐火墙砖与光管过渡区域、通道转弯处两个区域烟气温度均比较高(大于800℃),并且烟气转向和过渡段截面扩大造成的烟气涡流更 加强烈，导致管子的腐蚀速度进一步加剧。通过对国内A厂的调查发现，这两处水冷壁的局部腐蚀很严重，腐蚀情况大大超出设计预期：因水冷壁腐蚀泄漏，非计划停炉每炉各有2次,时间集中在2008年2-11月，腐蚀最严重的管壁厚只有1mm。具体情况见图2。

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锅炉防腐措施

目前，水冷壁的腐蚀区域解决方法主要有两种:

a.对易腐蚀部位用铬镍合金材料替代或焊接外衬保护;

b.对这些区域的水冷壁管外喷涂耐腐蚀材料。热器的防腐蚀问题，国际上比较通行的做法:采用性能更好的奥氏体不锈钢管TP310S，以保证锅炉运行的安全性和稳定性。

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运营维护成本比较

采用中参数的过热器只需使用20G或 15CrMoG材料，每6年须更换1次，20年运营期须更换3次;采用高参数的过热器如使用15CrMoG或TP310s材料，也考虑6年须更换1次，20年运营期须更换3次。

水冷壁均采用20G材料,但采用中参数的水冷壁每6年更换1次，20年运营期须更换3次;采用高参数的水冷壁每3年更换1次,20年运营期须更换6次。

较中参数设备而言，高参数设备运行20年更换受热面材料费和维护费增加约7480万元,年均维护费增加约374万元，见表6。

通过对A厂的调査发现，其余热锅炉高温过热器材料采用15CrMoG，在过热器设计时考虑每年更换，实际从2005年11月运行至今未换，这与通常腐蚀理论分析的结果相差很大，对高温过热器材质的选取和腐蚀情况有待深人跟踪调査、研究。

中温次高压参数锅炉因为受热面壁温提高导致腐蚀加剧，因此在设备运营和维护方面的费用肯定会有所增加。然而，锅炉的运行情况十分复杂， 垃圾的热值、成分、受热面的积灰、锅炉的型式等都会对其有影响,因此对运营维护费用只能通过粗略的估算。一般而言，高参数余热锅炉20年运营维护费比中参数余热锅炉高2 ~3倍。

综合效益评价>>>>

估算分析

综上所述,垃圾焚烧发电厂余热发电蒸汽参数的选择涉及投资、运行和维护等因素，需要综合考量、评价，其综合经济效益比较分析见表7(以处理 能力4x750t/d、垃圾热值7120 kJ/kg的垃圾焚烧发电厂为例)。

由表7可见，高参数余热发电比中参数每年增加净收益约271万元，20年运营期内高参数余热发电比中参数增加总净收益(静态)5420万元。

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国外案例分析

对美国两个分别采用高参数和中参数的垃圾焚烧发电厂的运行数据进行了研究分析。G厂、W厂分别于1984年、1989年投入商业运营。G厂为2x250 t/d焚烧线配置，蒸汽参数为399℃、4.4MPa;W厂为3x750 t/d焚烧线配置，蒸汽参数为 440℃、6.2MPa。两厂实际运行的发电量、运营维护等相关数据见表8、表9。

表8表明，采用中参数设备使用率比高参数平均高5%，检修时间减少50%。计算中参数设备每小时实际平均处理量与额定负荷的比值为1.08,高参数为0.92，前者比后者高17.4%。数据表明，选用高参数余热锅炉后，焚烧锅炉的实际负荷低于设计值，主要由采用高参数后检修时间增加引起的。 同时，处理负荷降低减少了垃圾补贴收入,会部分抵消发电收入的增加。

中参数的自用电率比高参数平均高2.5%。在垃圾低位热值基本相同的情况下，中参数每吨垃圾发电量、上网电量分别为587kW•h/t、500kW•h/t，高参数分别为663kW•h/t,580kW•h/t，高参数比中参数分别高12.9%、16%。

表9数据表明，在焚烧每吨垃圾费用方面，中参数的每吨垃圾锅炉成本和运行成本分别为8.01美元、7.01美元，高参数的分别为9.38美元、5.57美元。中参数在每吨投资方面明显低于高参数，在运行成本方面反而高于高参数，这是因为前者的处理规模小于后者。

结论

在技术工艺的可靠性方面，高参数锅炉受热面腐蚀较严重，维护维修、系统材质要求高;非计划停炉概率增加,焚烧厂年运行8000h不一定能保证， 风险较高。

在中国国内工程的适应性方面，目前采用高参数的垃圾焚烧发电厂很少，国外同类工程实例的垃圾热值均在8360kJ/kg以上。中国还没有实行垃圾分拣制度，国内垃圾热值普遍偏低，垃圾焚烧炉高参数技术的效率优势不能得到充分体现，会使蒸汽高参数带来的收益(主要是运行初期)低于预期。

在系统的经济性方面，中温、次高压比中温、中压发电效率将增加6%，但考虑投资、维修、运行时间和管理团队等因素，实际财务效益不能完全确定。

原标题：垃圾焚烧发电厂余热锅炉蒸汽参数的比较研究