摘要：本文以國內某垃圾焚燒發電廠為研究對象，結合實際分析了影響垃圾焚燒發電廠熱效率的主要因素；并結合運行經驗，提出了提高垃圾焚燒發電廠熱效率的措施及改造方案。
一丶 概述
焚燒可減少垃圾量80%以上，這種方式能實現垃圾無害化處理，減少填埋用地；焚燒產生的熱量可以加以回收利用來供熱、發電等，達到回收利用資源的目的；更能為企業帶來很好的經濟效益。
目前，國內很多城市如深圳、上海、重慶、廣州、成都等都已經采用垃圾焚燒發電方式來解決城市生活垃圾處理問題。很多大型的垃圾焚燒發電廠已經初步實現了環保、社會和經濟的“三贏”，成為垃圾焚燒發電的成功典范，加快了我國生活垃圾處理實現“三化”的進程。
本文以國內某大型垃圾焚燒發電廠為研究對象，針對設計及運行調整中存在的一些問題，對影響熱效率的因素、提高熱效率的方法進行研究與探討，以期為垃圾焚燒發電廠熱效率的提高提供有意義的指導。
1. 熱效率的主要影響因素
1.1 熱效率的影響因素概述
1.1.1 焚燒鍋爐的效率
在垃圾焚燒鍋爐中，將垃圾中的化學能轉換為蒸汽中的熱能，其能量轉換效率(以表示)即焚燒鍋爐效率，比現代火電廠鍋爐效率低得多，其中為燃燒效率，即化學能轉換為煙氣中熱能的百分比；為熱能回收效率，即煙氣中熱能轉換為蒸汽中熱能的百分比。我們對某垃圾電廠和某火電廠鍋爐的效率進行了比較，結果如表1所示。
造成垃圾焚燒鍋爐效率低下的原因有：
①城市生活垃圾的高水分、低熱值；
②焚燒鍋爐熱功率相對較小，蒸發量一般不會超過100t/h，出于經濟原因，能量回收措施有局限性；
③垃圾焚燒后煙氣中含灰塵及各種復雜成份，帶來燃燒室內熱回收的局限性。
④為了確保煙氣凈化處理系統的進口煙氣溫度滿足要求，設計時考慮垃圾焚燒鍋爐排煙溫度一般為220℃左右，大大高于火電廠鍋爐排煙溫度。也就是說為了環保效益犧牲了垃圾焚燒鍋爐的經濟效益。
1.1.2 蒸汽參數的影響
垃圾焚燒鍋爐生產的蒸汽其參數偏低，原因如下：
①焚燒鍋爐的熱功率較小，在同容量的小型火電廠中也同樣不會應用高壓蒸汽參數；
②焚燒鍋爐燃燒氣體中含有的氯化物鹽類會引起過熱器的高溫腐蝕。在歐洲與美國，過熱器管材應用低合金鋼與高鎳合金，蒸汽參數一般不超過4.5MPa，450℃。
1.1.3 給水回熱系統熱效率的影響
汽輪機組的給水回熱系統既是汽輪機熱力系統的基礎,該系統的性能直接影響到機組的安全和經濟性，對全廠的熱經濟性也起著決定性的作用。因此，在實際的運行過程中，要保證該系統處于良好的工作狀態。
1.1.4 廠用電率的影響
垃圾焚燒發電由于其特殊性，廠用電率較高，約為17%～25 %，其原因為：
①垃圾焚燒發電廠容量小、蒸汽參數低；
②系統復雜，輔機數量及耗電量增加。垃圾輸送儲存及爐排驅動系統能耗較大；同時，因垃圾焚燒產生的煙氣中有害成分較多，需要有煙氣凈化處理系統等，增加了輔機，并導致引風機功率增加。
同樣，我們對上述兩個發電廠進行比較，結果如表2所示，蒸汽熱能轉換為
1.1.5 垃圾焚燒發電廠熱效率的主要影響因素
根據上述分析，針對鍋爐熱效率不高的實際, 通過對某垃圾焚燒發電廠實際運行情況的認真分析與探討, 并結合鍋爐實際運行中出現的問題和取得的經驗, 總結出了影響該焚燒發電廠熱效率的幾點原因：
①垃圾的混合均勻程度、給料速度、爐排運動速度；?
②一次風的分配；
③排煙溫度高, 排煙熱損失大；
④傳熱較差或長期運行導致傳熱惡化特別是蒸發管束的積灰；
⑤爐膛負壓過大導致的漏風以及保溫狀況；
⑥給水回熱循環的熱效率；
⑦廠用電率。
2. 提高垃圾焚燒發電廠鍋爐熱效率的措施
針對前面分析的影響鍋爐熱效率的因素, 結合實際運行中取得的經驗與存在的問題, 共同探討出了如下的解決辦法。
2.1 蒸發管束的積灰
積灰速度太快，過熱器溫度升高，蒸發量下降，排煙溫度升高，熱損失增加，廠用電增加，對系統影響很大。前期與后期運行參數的變化較大就說明了上述問題。鍋爐受熱面不足是導致鍋爐蒸汽產量下降的主要原因。鍋爐產量降低，并造成鍋爐出力與汽輪機能力不匹配，致使整個蒸汽發電系統效率降低。
積灰問題的存在，影響余熱鍋爐效率，導致裝置能耗升高，經濟效益下降。造成上述問題的主要原因：
一是光管的換熱系數相對較低，傳熱效果差；
二是受熱面順列布置，設計意圖是減少積灰，為了加強傳熱，保護過熱器而把管束節距又設計的太小，這本身就是矛盾的，實際運行中由于垃圾所含灰分較多、管束節距小且受熱容易積灰，致使換熱更加的惡化。
通過在該電廠的現場調查及與該電廠的技術人員交流發現，鍋爐系統的對流受熱面中，蒸發器的積灰最為嚴重。蒸發器是余熱鍋爐重要的受熱面，蒸發器起著保護過熱器，調節煙溫的重要作用。但在實際運行中普遍存在以下問題：因吹灰而帶來的管子破損，由于余熱鍋爐具有大量的換熱管束，而煙氣中含有較多量的灰份，隨著運行時間的推移導致管子嚴重積灰，影響了傳熱及煙氣的流動。
為了提高鍋爐的熱效率，我們建議取掉部分蒸發器換熱管，增大管子節距。改造前一級蒸發管束原設為錯列布置，結構如圖1所示，節距為110mm，管凈距為72mm,管子規格為Φ38×4.5,材質為20G，管排數為118排，每排3根管子。改造后的一級蒸發管束改為順列布置，結構如圖2所示，節距改為220mm，管凈距增至182mm，管排數減至59排。
經過計算，垃圾熱值為7000kJ/kg、工質進出口溫度不變的條件下，改造后一級蒸發管束進出口煙氣溫度由原來647℃/599℃變成647℃/628℃，一級蒸發管束的出口煙溫比原設計提高了29℃。主要原因有二：一是原設計的一級蒸發器管圈數為4圈，而現有的蒸發器管圈數為3圈，換熱面積減少了1/4；二是本次改造使得蒸發器換熱面積又減少了1/2。因此，相對于原設計，換熱面積減少了5/8。
在高過進口蒸汽溫度不變的情況下，主蒸汽溫度由原來的400℃變為405℃。在實際運行中，我們可以通過調節減溫水量來調節主蒸汽的溫度。因此，不會影響電廠的正常運行。
同時對受熱面必須及時吹灰 , 保持受熱面外壁清潔，還要保證軟化除氧水及蒸汽的品質, 防止出現汽水管道結垢現象。
2.2 一次風的分配
爐排面的下部設有一次風室供應垃圾燃燒所需空氣并且對爐排片的進行冷卻，為了對垃圾起到良好的干燥及助燃效果，一次風空氣進入焚燒爐之前，先通過蒸汽式空氣預熱器加熱到220℃，然后從爐排下部分段送風。垃圾在爐排上的燃燒分為三個階段：干燥段、燃燒段、燃盡段。所研究垃圾發電廠每列爐排下布置有四個風室，分別對爐排的四個部分供應一次風。用一次風風量調節閥的開度控制每段風的風量。改造前的一次風管結構尺寸如圖3所示，經過風管的阻力計算我們發現只有5%～10%的風量進入第一風室，對垃圾進行干燥。而有接近70%的風量進入第二風室，進入第三風室的占15%左右，進入第四風室的占10%左右。目前，風量調節板一直處于全開狀態，對風量起不到控制作用?？紤]到垃圾含水量高、發熱值低的特點，干燥段的風量遠遠沒有達到要求。在這種情況下垃圾得不到充分的干燥，就在爐排的推動下進入燃燒段燃燒。由于含水量較高，垃圾不能得到充分的燃燒，會生成更多的一氧化碳，甚至會導致爐膛內充滿濃煙，增大不完全燃燒損失。另外，根據研究二噁英的生成與燃料在燃燒時產生CO量的多少有著密切的關系，因此我們在設計時，考慮了足夠的過量空氣系數和特殊的一、二次風進風方式及合理配比，保證燃料的完全燃燒，盡量避免CO的生成。
針對以上情況，為了使垃圾得到更好的燃燒，我們采取以下措施：對一次風管進行改造，增大第一風室風管的進口尺寸和第一風室的風管直徑，使改造后進入第一風室的風量可以達到30%，利用風量調節閥控制流量；同時，增大第三風室的風管進口尺寸，使更多的一次風進入該尾部燃燒段，有利于垃圾充分燃燒。改造后的一次風管結構尺寸如圖4所示，這樣進入第二風室和燃盡段的風量就相應減少，風量的分配更加合理。垃圾得到充分的干燥，有利于充分燃燒。因此，燃盡段需要的風量就相應減少。
2.3 排煙損失
排煙熱損失是煙氣離開鍋爐末級受熱面帶走的部分熱量, 是鍋爐最主要的熱損人。該值可按排煙溫度焓與冷空氣焓差來求得。
式中：為燃燒產物修正值； 為排煙焓值，為冷空氣焓值（包括空氣過剩系數的大?。?。從上式可以看出，排煙熱損失的大小主要取決于排煙溫度和過量空氣系數的大小。
1) 排煙溫度的高低, 是鍋爐的基本設計參數之一。設計鍋爐時, 首先要對該參數進行科學選定。鍋爐排煙溫度的合理選定, 直接影響到鍋爐機組的經濟性
和其尾部受熱面工作的安全性。選擇并在實際操作中達到較低的排煙溫度, 可以較明顯降低鍋爐的排煙熱損失, 有利于提高鍋爐的熱效率, 節約能源及降低鍋爐的運行費用。研究結果表明，在鍋爐的過?？諝庀禂狄欢? 其排煙溫度每升高或降低15℃左右時, 排煙熱損失就會升高或降低1%左右。因此,鍋爐在運行中, 應盡量降低其排煙溫度。當然, 排煙溫度的高低同時也受鍋爐出力和尾部受熱面的影響。
2) 過量空氣系數
鍋爐運行中爐膛及煙風道不同程度的漏風現象, 以及送引風配風不合理等都會造成空氣過剩系數偏大, 不僅增大了排煙熱損失, 造成爐膛溫度降低, 也增大了其它熱損失。
2.4 爐膛壓力及保溫因素
當爐膛微正壓運行時工況比較合理, 可有效避免冷風侵入爐膛。但是這樣會使現場臟亂甚至會出現漏氣、冒火等危險, 因此鍋爐大多采用微負壓運行。綜合考慮可取爐膛負壓為-5mmWG，可以有較小的上下波動，一般控制在20～50Pa。
實際運行過程應避免負壓過大導致的嚴重漏風以及正壓運行導致的現場臟亂。根據已有的研究成果，對于電站鍋爐，一般漏風系數每增加0.1～0.2,排煙溫度將升高3～8℃，鍋爐效率降低0.2%～0.3%；漏風系數每增加0.1，將使送、引風機電耗增加2kW/MW電功率。因此要在運行過程中，要嚴格控制負壓。
此因素多為檢修造成, 當鍋爐某處位于保溫層內部件出現故障時, 檢修必須拆下保溫層進行, 維修完成后保溫層不能及時修復, 導致鍋爐散熱熱損失增大。汽包、聯箱、管道、構架、爐墻和其他附件等的溫度高于周圍空氣的溫度, 應確保這些元件處于良好的保溫狀態，減少散熱損失。
2.5 強化燃燒，減少不完全燃燒損失
不完全燃燒損失包括機械不完全燃燒損失和化學不完全燃燒損失。其中化學不完全燃燒損失是由于爐溫低、送風量不足和混合不良等導致煙氣成分中一些可燃氣體（如CO，H2，CH4等）未燃燒所引起的熱損失；機械不完全燃燒損失是由于垃圾中未燃或未完全燃燒的固定碳引起的，由飛灰不完全燃燒熱損失和爐渣不完全燃燒熱損失兩部分組成。
其中化學不完全燃燒損失
空氣過剩系數對化學不完全燃燒熱損失影響很大，空氣過剩系數過小，將使燃燒因氧量不足而增大化學不完全燃燒熱損失，過大則會降低爐膛溫度，也會使化學不完全燃燒熱損失增大。因此在鍋爐運行中，對風量進行調節，以保持合適的空氣過剩系數，保持較高的爐膛溫度，使燃料與空氣充分混合，延長煙氣停留時間，促進煙氣中可燃物燃盡。
燃料的灰分越少，揮發分越多，則機械不完全燃燒熱損失就越??；爐渣含碳量偏大，使爐渣不完全燃燒熱損失大幅度增大，應根據鍋爐負荷情況合理調整給料速度、爐排速度和料層厚度，使垃圾能得以燃盡。另外，如果前后拱上吊渣現象比較嚴重，會影響爐膛內熱輻射，這也是造成爐膛溫度降低，灰渣含碳量偏高的主要因素，應利用檢修期間及時除焦渣。
焚燒爐在正常運行時，燃燒室內的火焰應在上爐排燃燒區橫向分布均勻，下爐排燃燼區無明顯紅火；爐排上料層厚度呈階梯遞減分布，平均厚度應在300mm～500mm之間；上下爐排運動均勻，下爐排較上爐排稍慢；火焰不得沖刷四周水冷壁管和對流管束，也不能伸入冷灰斗內；鍋爐兩側的煙氣溫度應均勻，過熱器兩側的煙氣溫差，一般不超過30～40℃；燃燒室負壓應保持為30～50pa，不允許正壓運行；爐膛出口氧量值在7%～8%，一次風機出口風溫達到設計值220℃，二次風機出口風溫達到設計值166℃；排煙溫度控制在220℃～240℃,一爐膛煙氣溫度應保證煙氣在850℃持續2秒的條件范圍。電廠實際運行時，操作人員要嚴格按照規程操作，并及時調節工況，是垃圾處于良好的燃燒狀態。
3. 汽輪發電機組給水回熱系統
給水回熱系統是汽輪機組的主要組成部分，采用給水回熱后，汽輪機抽汽的熱量被用于提高給水溫度，使排氣量及其對冷源的放熱量大為減少。因此，在蒸汽初、終參數相同的情況下，給水回熱循環的熱效率比朗肯循環的有顯著提高。
在其它條件不變的情況下，給水溫度越高，回熱級數越多，則回熱循環的熱效率就越高。但過分提高給水溫度，使蒸汽的做功量減少，給水回熱的經濟效益反而降低。因此當回熱級數一定時，給水溫度有一最佳值，此時回熱循環的熱效率最高。同樣，當給水溫度一定時，回熱級數越多，回熱循環的熱效率最高。但是，隨著回熱級數的增多，熱效率的相對增益逐漸減小，而加熱器等設備投資及維護費用將隨之增加。
該電廠設有一級除氧抽汽，采用的除氧器類型為噴霧式中壓除氧器，其余采用的是表面式加熱器，設置了低壓加熱器和軸封加熱器。未設置高壓加熱器。
除氧器設計工作壓力為0.27Mpa，工作溫度為130℃。在實際運行中發現，如果按照設計給水溫度130℃運行，給水泵存在一定程度的氣蝕現象，后來將除氧器工作溫度定為105℃，對應的飽和壓力為0.12Mpa，接近大氣壓力。
采用中壓除氧器的目的是提高給水溫度，更多的使用回熱抽氣量即二級調整抽汽量。而目前二段抽汽的參數約為0.3Mpa左右，155℃，而中壓除氧器給水溫度在130℃的飽和壓力為0.27Mpa，基本等于二段抽汽壓力，使用二段抽汽來加熱給水存在一定困難。而目前除氧器工作溫度在105℃，能夠解決采用二段抽汽來加熱給水的問題，但由于除氧器運行溫度比設計溫度低25℃，勢必造成二段回熱抽氣量減少，影響汽輪機發電機組效率；由于除氧器工作壓力降低了0.15MPa，意味著給水泵灌注頭降低了0.15MPa，勢必加大給水泵氣蝕的危險性。
針對上述情況，現對本系統進行如下改進，使得給水溫度能夠達到130℃運行，從而提高給水回熱系統的熱效率。
1）更換給水泵，改進變頻裝置。選用知名廠家給水泵，保證給水泵在除氧器工作溫度130℃情況下，穩定可靠的運行且不易氣蝕。由于目前給水泵變頻器只有5％變頻幅度，節能效果不佳。使用變頻給水泵可以降低給水泵轉速從而降低給水泵出口壓力，這樣能在鍋爐出力降低的情況下降低給水泵功率，便于滑壓調節在負荷變低的情況下經濟性得到改善。
2）對汽輪機二段抽汽口進行改進。由于目前二段抽氣口已經固定，只能通過調整汽輪機抽氣口內部隔板來實現二段抽汽壓力在0.5Mpa，抽汽溫度在180℃左右。
4. 降低廠用電率的措施?
垃圾發電廠廠用電量主要包含：生活用電，生產用電。生活用電主要包括照明、空調等耗電。生產用電主要包含辦公設施、生產照明、動力設備等耗電。由于電廠就是一個產生電能的工廠，在一般情況下為自給自足，當廠內不產生電能的情況下由外接保安電源提供。廠內的電力消耗主要在于動力設備的耗電，為此我們對機電裝置進行改造，采用的節能型產品或先進產品。對動力消耗大的設備采用變頻調節，比如給水泵、引風機。在減少動力設備耗電量的同時，建筑按照節能設計規范，增加光照和通風，減少照明和空調設備的耗電量。通過這些措施來降低廠用電率，節約電能。
5. 結論
針對某垃圾焚燒發電廠的具體情況，我們主要采取了以下措施：取掉一級蒸發器部分換熱管，增大管子節距，變為原有的兩倍；改造一次風管，把進入干燥段的風量調到30%左右；維修完成后及時修復保溫層，并加強散熱元件的保溫工作；嚴格控制排煙溫度和爐膛負壓；強化燃燒，減少不完全燃燒損失；提高給水回熱循環的熱效率。采取措施后蒸發器問題得到解決，避免了因積灰嚴重導致的停爐；一次風的分配更加適合垃圾低熱值、高水分的特點，有利于垃圾的燃燒；排煙損失和散熱損失都得到了控制；有效地控制了垃圾的燃燒狀況，盡可能地使垃圾完全燃燒；避免了給水泵的氣蝕，使得給水溫度能夠達到130℃。建議先按以上方法進行改造，其次是及時準確的調整。如果能做到以上幾點，不僅能提高全廠運行的熱效率, 而且具有可觀的經濟效益，使每頓垃圾發電量也能得到提高。