关注丨以92座炉排炉垃圾焚烧发电厂为例,分析垃圾发电量影响因素及变化趋势





1 引言


随着我国经济的快速发展,城市生活垃圾产生量迅速增加。垃圾焚烧处理具有减量化和无害化程度高的优点,已成为我国城市生活垃圾处理的主要方式。截至2018年12月底,已运营的生活垃圾焚烧发电厂364座。随着生活垃圾焚烧厂数量的快速增加,其年发电总量也迅速增加,如图1所示,2017年生活垃圾焚烧厂发电总量已达37.6TWh。生活垃圾焚烧厂在无害化处理垃圾的同时,通过余热发电回收能源,降低了焚烧厂运行费用。因此对于现有垃圾焚烧厂发电量的变化规律及影响因素进行深入分析,有助于提高生活垃圾焚烧厂发电效率,实现垃圾焚烧炉的安全经济运行。
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数量众多的垃圾焚烧发电厂分布在全国各地,不同地区的垃圾组分和热值以及不同焚烧厂的工艺参数均有明显差异,这对垃圾焚烧厂发电量有重要影响。国内外部分研究人员已对生活垃圾理化特性及焚烧炉发电量、工艺参数等方面进行了探究分析。对夏季的北京城区不同主体产生的垃圾成分和理化特性的研究表明,垃圾的含水量直接影响到燃料发热量;而垃圾含水率与厨余的相关性最大,降水量对垃圾含水率影响不大。
北京、上海、深圳等地垃圾组分的历史数据表明,垃圾中厨余含量呈下降趋势,纸类和塑料含量则呈上升趋势,垃圾热值呈上升趋势;近几年随着人们生活水平和生活习惯逐渐稳定,垃圾,经济发展水平较低的地区垃圾中有机物占比较高,而经济发达地区纸类成分更多。文献数据 表明垃圾成分的改变会影响其发热量的变化,并将进一步影响焚烧炉吨垃圾发电量。现有研究成果较多关注提高锅炉蒸汽参数来提高垃圾焚烧厂发电效率,或通过工艺改进来提高发电效率,如组合式高效垃圾发电工艺(WTE-GT)和再热循环工艺。然而研究人员对垃圾组分变化后吨垃圾发电量的变化趋势未做过多关注,同时随着我国焚烧厂垃圾处理量的不断增大,焚烧炉单炉垃圾处理量日益增大,其对焚烧炉吨垃圾发电量的影响被关注较少。
本文以部分有代表性的炉排炉焚烧发电厂为研究对象,对比分析了地理位置、运营年限及焚烧炉容量等因素对焚烧炉吨垃圾发电量变化的影响,并对垃圾焚烧炉的清洁高效运行提出了建议。

2 研究对象及研究方法


2.1 研究对象
本文选取已投产的92座炉排炉垃圾焚烧厂为研究对象,约占总投产焚烧炉数量的25%。如图2所示,研究样本主要分布在经济发达地区,如四川、江苏、山东、广东、上海、天津、北京、浙江等,同时在地理分布上实现了东、南、西、北全覆盖。焚烧厂投产年份从2003年到2018年,垃圾处理量范围为450~3000t/d,单台焚烧炉垃圾处理量范围为150~750t/d。焚烧炉蒸汽参数范围为400~450℃、4.0~6.3MPa。
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2.2 研究方法
由于进入焚烧厂的生活垃圾会在垃圾仓发酵后再投入焚烧炉,因此笔者重点分析了入炉吨垃圾发电量的变化规律。同时为避免季节变化对垃圾成分和热值的影响,采用城市生活垃圾焚烧厂年平均运营数据进行分析,包括年进厂垃圾量、年进炉垃圾量、年平均渗滤液产率、年发电量、入炉吨垃圾发电量等数据。其中年平均渗滤液产率L通过年进厂垃圾量M和年进炉垃圾量m计算获得,如式(1)所示。入炉吨垃圾发电量e通过年发电量E 和年进炉垃圾量m计算获得,如式(2) 所示。
L=(M-m)/M (1)
e=E/m (2)

3 焚烧厂年平均发电量变化规律

垃圾焚烧产生的蒸汽主要用于发电和供热,提高吨垃圾发电量对于提高垃圾焚烧厂经济效益和垃圾资源化利用具有重要意义。图3为不同地区垃圾焚烧厂入炉吨垃圾发电量年平均数据,由图可知不同地区入炉吨垃圾发电量分布范围为366~467kWh/t,地区之间的差异明显,最大值和最小值相差约100kWh/t。其中,东南沿海地区吨垃圾发电量较高,如广东、浙江、上海、江苏;而东北地区垃圾发电量均较低,辽宁吨垃圾发电量最低为366kWh/t;这是因为东南沿海地区经济更为发达,垃圾热值更高,吨垃圾发电量升高。
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对比发现,北方地区吨垃圾发电量低于南方地区,东西部经济发达地区吨垃圾发电量无明显差异。
3.1 吨垃圾发电量与运营时间的关系
如图4所示,上海、广州、深圳、北京等地不同焚烧厂吨垃圾发电量随着运营时间增加均呈上升趋势,而垃圾渗滤液产率则逐年下降。随着经济发展,居民生活水平逐年提高,生活垃圾中厨余含量呈下降趋势,纸类和塑料含量呈上升趋势,而厨余含水率高,因而垃圾中渗滤液产率呈下降趋势。随着垃圾渗滤液产率近年来逐渐下降,吨垃圾热值升高,垃圾焚烧厂处理相同质量垃圾获得热量更多,生产更多电能,因而吨垃圾发电量升高。图4中4座垃圾焚烧厂吨垃圾发电量上升趋势均与渗滤液产率下降趋势呈现很好的相关性,说明垃圾渗滤液产率是影响焚烧厂吨垃圾发电量的关键因素。同时图4中4个不同城市焚烧厂渗滤液数据亦有较大差异,A焚烧厂垃圾渗滤液产率最高,B焚烧厂垃圾渗滤液产率最低。这是因为A 焚烧厂垃圾组分中厨余比例为61.66%,而B 焚烧厂垃圾组分中厨余比例只有37.76%。由图4(a)和图4(b) 数据对比也再次证实了上述分析,A焚烧厂垃圾渗滤液产率明显高于B焚烧厂,因此其吨垃圾发电量也更低。
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3.2 吨垃圾发电量与地理区域的关系
南北方、东西部不同省份吨垃圾发电量分布规律如图5~图6所示。对比图5(a)和图5(b)数据可知,南方省份垃圾焚烧发电厂吨垃圾发电量明显高于北方省份垃圾焚烧发电厂数据,但大部分南方省份垃圾渗滤液产率(除广东外)并未明显低于北方省份,说明还有其他因素影响吨垃圾发电量的变化。图6东西部省份吨垃圾发电量分布规律亦表明了吨垃圾发电量和渗滤液产率的关联性。
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由图5(a)不同省份数据对比发现,珠三角(广东) 和长三角(上海、浙江、江苏) 地区吨垃圾发电量最高,这是因为这些地区经济更为发达,垃圾中纸类和塑料含量会上升,垃圾热值更高。图5(b)北方省份数据表明,更靠近北方的辽宁、天津渗滤液产率低,吨垃圾发电量也低。这是因为北方冬季取暖期间垃圾中渣土含量高,降低了垃圾热值;同时在冬季低温下,垃圾仓发酵温度低,一部分渗滤液未析出,入炉垃圾含水量高,吨垃圾热值降低,吨垃圾发电量下降。
由于本文中西部焚烧厂主要建在武汉、成都等经济较发达地区,其垃圾渗滤液产率与东部长三角发达地区无明显差异,吨发电量亦接近。
3.3 吨垃圾发电量与焚烧炉容量的关系
随着城市生活垃圾处理量日益增多,垃圾焚烧厂焚烧炉单炉容量近年来逐渐增大,焚烧炉容量的改变对锅炉热效率有重要影响,进而影响吨垃圾发电量。为减少不同地域垃圾组分差异对吨垃圾发电量的影响,图7对同一省份内不同容量的焚烧炉进行了吨垃圾发电量的比较分析。
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如图7(a)所示,江苏省8座焚烧厂数据表明,随着焚烧炉单炉容量从300t/d增大到750t/d后,吨垃圾发电量亦从340kWh/t升高到501kWh/t,吨垃圾发电量与焚烧炉单炉容量呈正相关性。不同容量工业锅炉热效率测试结果表明,吨位越大,锅炉热效率越高、热损失越小。因而增大焚烧炉容量可以提高锅炉热效率,进而提升吨垃圾发电量。对比图7(a)中相同容量焚烧炉的吨垃圾发电量数据发现,相同单炉容量的焚烧厂之间吨垃圾发电量亦存在差异。如江苏B厂、江苏C厂、江苏D厂,3个焚烧厂单台焚烧炉容量均为500t/d,但吨垃圾发电量分别为501、485、455kWh/t。特别是江苏B厂和江苏C 厂的垃圾来自同一个城市,垃圾成分几乎无差异,这说明吨垃圾发电量的变化除了受到垃圾成分和焚烧炉容量影响外,还与其他因素有关,例如焚烧炉设计制造和运营管理水平。
图7(b) ~(d) 分别为山东省、上海市、北京市不同焚烧厂吨垃圾发电量与焚烧炉容量的变化规律,其数据变化特点与图7(a)相似,吨垃圾发电量随焚烧炉容量增大而升高,个别焚烧炉数据波动与设计、运营等因素有关。

4 结论与建议

1) 随着垃圾焚烧厂运营时间的增加,垃圾成分发生变化,垃圾中纸类和塑料含量增多,垃圾渗滤液产率降低,垃圾热值增大,吨垃圾发电量升高;南方省份经济更为发达,吨垃圾发电量高于北方省份,东部长三角地区吨垃圾发电量与中西部发达地区无明显差异。因此垃圾焚烧厂在设计和运行过程中均需重点考虑地理位置、垃圾成分变化趋势对垃圾热值的影响。
2) 生活垃圾焚烧炉容量增大后,锅炉热效率提高,吨垃圾发电量升高。因此相同处理总量条件下,优先选用大容量焚烧炉可提高吨垃圾发电量。
来源 | 《环境卫生工程》
作者 |  龙吉生
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