２２ 文章编号：１００４－８７７４（２０１４）０１－００２２．－０４ 工业锅炉 ２０１４年第１期（总第１４３期） 垃圾焚烧炉热损失影响因素分析与建议措施 曾纪进 ，陈国艳 ，段翠九 ’ （１．中德（中国）环保有限公司，北京１００１４２； ２．福建省丰泉环保控股有限公司，福建福州３５０００７； ３．清华大学热能工程系，北京１０００８４） 摘要：垃圾焚烧发电是垃圾无害化、减量化、资源化处理最有效、可行的途径之一。垃圾 焚烧发电量的多少直接影响到电厂的经济效益，垃圾焚烧炉的热损失是影响发电量的重要因 素，因此研究垃圾焚烧炉的热损失具有重要意义。对某单台处理量为３５０ ｔ／ｄ垃圾焚烧炉进行 第一作者：曾纪进 研究，表明：锅炉排烟温度为２０５℃时，相应的排烟热损失为１６．２９％；过量空气系数从１．６２增 （１９６３一），男，毕业 加到２．３３，热损失从１５．２３％增加到２０．６１％，影响非常显著。 关键词：垃圾焚烧；热损失；影响因素 于江苏大学，高级工 程师，博士生导师， 长期从事垃圾焚烧 中图分类号：ＴＫ２１２ 文献标识码：Ａ Ａｎａｌｙｓｉｓ ０ｆ Ｅｆｆｅｃｔ Ｆａｃｔｏｒｓ ｏｆ Ｈｅａｔ Ｌｏｓｔ 炉的研究和设计工 作。中德（中国）环 保有限公司ＣＴＯ／福 ｉｎ ＭＳＷ Ｉｎｃｉｎｅｒａｔｉｏｎ Ｆｕｒｎａｃｅ ＺＥＮＧ Ｊｉ－ｊｉｎ ，ＣＨＥＮ Ｇｕｏ—ｙａｎ ，ＤＵＡＮ Ｃｕｉ－ｊｉｕ ’ （１．Ｚｈｏｎｇｄｅ（Ｃｈｉｎａ）Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ Ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ Ｃｏｍｐａｎｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ １００１４２，Ｃｈｉｎａ； ２．Ｆｅｎｇｑｕａｎ Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ Ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ Ｃｏｍｐａｎｙ，Ｆｕｚｈｏｕ ３５０００７，Ｆｕｊｉａｎ，Ｃｈｉｎａ； 建省丰泉环保控股 有限公司技术总监、 总工程师、博士后科 研工作站负责人。 ３．Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆ Ｔｈｅｒｍａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｔｓｉｎｇｈｕａ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００８４，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｍｕｎｉｃｉｐａｌ ｓｏｌｉｄ ｗａｓｔｅ（ＭＳＷ）ｉｎｃｉｎｅｒａｔｉｏｎ ｔｏ ｇｅｎｅｒａｔｅ ｐｏｗｅｒ ｉｓ ｔｈｅ ｍｏｓｔ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ ｗａｙ ｏｆ ｈａｒｍｌｅｓｓ，ｒｅｄｕｃ— ｔｉｏｎ ａｎｄ ｒｅｓｏｕｒｃｅ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ．Ｔｈｅ ｅｃｏｎｏｍｉｃ ｂｅｎｅｆｉｔ ｏｆ ｗａｓｔｅ ｉｎｃｉｎｅｒａｔｉｏｎ ｉｎ ｐｏｗｅｒ ｐｌａｎｔ ｉｓ ａｆｆｅｃｔｅｄ ｄｉｒｅｃｔｌｙ ｂｙ ｐｏｗｅｒ ｇｅｎｅｒａ— ｔｉｏｎ ｑｕａｎｔｉｔｙ．ＭＳＷ ｉｎｃｉｎｅｒａｔｉｏｎ ｈｅａｔ ｌｏｓｓ ｉｓ ａｎ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｆａｃｔｏｒ ｔｈａｔ ａｆｆｅｃｔｓ ｔｈｅ ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ ｑｕａｎｔｉｔｙ，ＳＯ ｉｔ ｉｓ ｖｅｒｙ ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔ ｔｏ ｓｔｕｄｙ ｔｈｅ ｌｏｓｓ ｏｆ ｔｈｅ ＭＳＷ ｉｎｃｉｎｅｒａｔｏｒ．Ｔｈｅ ｓｉｎｇｌｅ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｃａｐａｃｉｔｙ ｏｆ ３５０ ｔｏｎｓ ｅｖｅｒｙ ｄａｙ ｏｆ ＭＳＷ ｉｎｃｉｎｅｒａｔｏｒ ｗｅｒｅ ｓｔｕｄｉｅｄ ａｎｄ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｂｏｉｌｅｒ ｅｘｈａｕｓｔ ｇａｓ ｈｅａｔ ｌｏｓｓ ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇ ｔｏ １６．２９％ｗｈｅｎ ｔｈｅ ｆｌｕｅ ｇａｓ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｉｓ ２０５℃． ｔｈｅ ｈｅａｔ ｌｏｓｓ ｆｒｏｍ ｔｈｅ １５．２３％ｉｎｃｒｅａｓｅｄ ｔｏ ２０．６１％ｗｈｅｎ ｔｈｅ ｅｘｃｅｓｓ ａｉｒ ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ｉｎｃｒｅａｓｅｓ ｆｒｏｍ １．６２ ｔ０ ２．３３． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｍｕｎｉｃｉｐａｌ ｓｏｌｉｄ ｗａｓｔｅ ｉｎｃｉｎｅｒａｔｉｏｎ；ｈｅａｔ ｌｏｓｓ；ｅｆｆｅｃｔ ａｃｔｏｒ Ｏ 引言 垃圾焚烧发电是垃圾无害化、减量化、资源化处 理最有效、可行的途径之一。随着经济社会发展和 垃圾属于再生能源，垃圾焚烧发电对于弥补电 力不足起到重要作用，垃圾是放错了地方的资源、能 源。由于石油、煤炭等传统能源日趋紧张，急需开发 利用新能源，在国际上，城市生活垃圾属于生物质 人民生活水平提高，尤其是作为农村城镇化、城市扩 大化的必然结果，城市生活垃圾产量迅速增加，全国 绝大部分城镇处于被城市生活垃圾包围的状态，国 能，利用城市固体废弃物焚烧发电，除了解决废弃物 环保处理问题 同时能带来新的电力增长点。 垃圾焚烧发电属于城市分布式能源，有利于保 家、研究机构和企业都在积极寻求行之有效的解决 方法。随着垃圾焚烧技术的不断提高和完善，在日 益重视环境质量和“可持续发展”的今天，垃圾焚烧 已成为世界各国处理垃圾的主要选择¨Ｊ。 收稿日期：２０１３—１１－２０ 基金项目：福建省自然科学基金项目（２０１２Ｊ０５１６３）；国家科 技支撑计划（ＳＱ２０１３ＳＦＯ９Ｅ００１３２） 障电力供应安全。在各国的电网建设中，已经充分 认识到电网大、中、小型电厂并存、互相协调，是保证 电网可靠运行的重要手段。当大电网出现大面积停 电事故时，像垃圾发电厂这样具有特殊设计的分布 式发电系统仍能保持正常运行，由此可提高供电的 安全性和可靠性 Ｊ。 垃圾焚烧炉的热损失是影响发电量的重要因 ・探讨园地・ 垃圾焚烧炉热损失影响因素分析与建议措施 量为３５０ ｔ／ｄ，余热锅炉和汽轮发电机组配置为中温 中压（４．０ ＭＰａ，４００ ｏＣ）锅炉２台，单台锅炉蒸发量 ２５．４４ ｔ／ｈ，汽轮发电机组为１２ ＭＷ凝汽式机组。本 素，热损失的增加，直接影响到蒸汽产量，导致进入 汽轮机的蒸汽减少，降低发电机的发电量。鉴于此， 为了让更多的人了解和认识垃圾焚烧炉热损失对发 电厂的影响，有必要对各影响因素进行深入的研究。 项目建成后根据垃圾热值的不同，每年最多可向电网 送电５７．９７×１０。ｋＷ・ｈ。垃圾成分如表１所示，焚烧 １炉型及燃料 某垃圾焚烧发电厂焚烧垃圾７００ ｔ／ｄ，单台处理 炉性能参数如表２所示，各种热损失如图１所示。 表１垃圾成分分析 表２焚烧炉性能参数表 ２．１排烟热损失口：影响因素分析 性能参数名称 单位 数据 ２．１．１烟气温度对排烟热损失的影响 焚烧炉单台处理量 ｔ／ｈ １４．６ 排烟热损失与排烟温度有直接关系，表３是这 焚烧炉超负荷运行时的最大 ｔ／ｈ １６ 种关系的计算结果，ｏ／ 是排烟处的过量空气系数。 处理量 一 一～ 咖 ～～㈣～伽 一无助燃条件下使垃圾稳定燃 设计的锅炉排烟温度为２０５℃，相应的排烟温度 ｋＪ／ｋｇ 烧的低位热值要求 热损失为１６．２９％。由表３［根据公式（１）计算所得］ 焚烧炉年正常工作时间 ｈ 可以看出，在过量空气系数一定时，随着排烟温度的 一期年处理能力 ｔ 升高，排烟热损失逐渐增加，排烟温度每降低（或升 垃圾在焚烧炉中的停留时间 ｈ 高）１０ ｏＣ，排烟热损失相应降低（或升高）约０．９个百 烟气在燃烧室中的停留时间 Ｓ 燃烧室烟气温度 ℃ 分点，可见排烟温度对锅炉热效率有显著影响。主要 助燃空气温度 ℃ 是因为，排烟温度升高，直接导致排烟的热损失增加， 焚烧炉允许负荷范围 ％ 而进入锅炉的热量不变，因此，排烟热损失就会增加。 锅炉热效率 ％ ＳＣＬ ３５Ｏ—４．０／４００型锅炉最大持续功率（ＭＣＲ）工况 燃烧室出口烟气中ＣＯ浓度 ｍｇ／ｍ （标态） 下排烟温度设计值为 。 ＝２０５ ｏＣ，这主要取决于尾 燃烧室出口烟气中０：浓度 ％ 余热锅炉过热蒸汽温度 ℃ 部受热面的低温腐蚀和炉内的燃烧情况。 余热锅炉过热蒸汽压力 ＭＰ 表３不同排烟温度下的排烟热损失 单台蒸汽量指标（设计热值 （ＭＣＲ工况， ＝１．７５） ｔ／ｈ ６ ８００ ｋＪ／ｋｇ） 排烟温度 ／℃ １９０ １９５ ２００ ２０５ ２１０ 余热锅炉排烟温度 排烟热损失ｑ２ １４．９７％１５．４１％１５．８４％１６．２９％１６．７４％ 余热锅炉给水温度 ℃ 焚烧炉渣热灼减率 ％ ２．１．２过量空气系数对排烟热损失的影响 当过量空气系数增加时，烟气体积随之增大，排 烟热损失也升高。表４反映了ＭＣＲ工况下两者之 间的关系。由表４可以看出：随着过量空气系数的 升高，排烟热损失逐渐增加；过量空气系数从１．６２ 增加到２．３３，热损失从１５．２３％增加到２０．６１％，可 见影响非常显著。锅炉实际运行时，有些运营人员 喜欢用大风量运行，通过加大风量提高过热蒸汽温 度，这样一来，锅炉热效率反而降低了 。 表４不同排烟过量空气系数下的排烟热损失 ｆＭＣＲ工况，ｏ０ ＝２０５ ｏＣ） 图１ 垃圾焚烧余热锅炉热损失示意图 ２热损失影响因素分析 ２４ 工业锅炉 ２０１４年第１期（总第１４３期） ｑｚ —（ｉ。 一Ｏ／——ｅｘｉ ）（１００一ｑ４）—～ … ¨ 式中ｇ ——锅炉排烟热损失，％ Ｏｔ ——排烟过量空气系数 ——理论冷空气焓，ｋＪ／ｋｇ；一般，取冷空气 温度为２５℃查得空气焓（ ） ｇ ——固体不完全燃烧热损失，％ Ｑｉ ——锅炉的输入热量，ｋＪ／ｋｇ ——。 相应于排烟过量空气系数 和排烟 温度 条件下的烟气焓，ｋＪ／ｋｇ ２．２气体不完全燃烧损失垡，影响因素分析 烟气中如存在可燃气体，如ＣＯ、Ｈ 、ＣｍＨ （烷） 就有气体不完全燃烧损失。垃圾焚烧炉烟气中可燃 气体含量较少，其影响可忽略不计，本文假设气体不 完全燃烧损失ｑ ＝０％。 ２．３ 固体不完全燃烧损失ｇ 影响因素分析 燃用固体燃料的锅炉，各项热损失中占第二位 的应是固体不完全燃烧损失，ＳＣＬ ３５０＿＿４．０／４００锅 炉ＭＣＲ工况下，根据公式（２）计算所得，ｑ ＝ ２．１５％。 在ＧＢ／Ｔ １８７５０－－２００２￣生活垃圾焚烧炉和余热 锅炉》中，规定了当垃圾额定焚烧量大于２００ ｔ／ｄ 时，炉渣的热灼减率≤３％，这主要是出自对环保的 考虑而不是对锅炉热经济性的考虑。ＳＣＬ ３５０锅炉 合同规定：炉渣的热灼减率≤３％，这和我国标准是 一致的。 锅炉运行时，要使固体不完全燃烧ｑ 达到设计 值、特别是对于垃圾焚烧炉炉渣的热灼减率要达到 设计值并不容易，要求运营人员有丰富的运行经验， 对燃烧工况进行精心组织 Ｊ。 ｑ４＝（３２ ８６６．４Ａ ／Ｑｉ ）［０ｈ・Ｃｆ ／（１００一 ｃ ）］ （２） 式中ｑ ——锅炉固体不完全燃烧热损失，％ ４ ——燃料中灰分的收到基质量百分数，％ Ｑｉ ——锅炉的输入热量，ｋＪ／ｋｇ ｎ ——飞灰中灰量占入炉燃料总灰分的质 量份额 ｃ ——飞灰可燃物含量的百分数，％ ２．４散热损失ｇ 影响因素分析 ＳＣＬ ３５０－＿４．０／４００锅炉ＭＣＲ工况下ｑ ＝ １．Ｏ％（查锅炉原理相关图表所得）。与普通锅炉相 比，垃圾锅炉的散热损失总是偏高，这是因为垃圾锅 炉为多烟道布置，体积庞大，因而比表面积（单位热 功率的锅炉表面积）大，散热量较普通锅炉大。这 是垃圾燃料特性所决定的，反过来也对炉墙保温材 料提出了更高的要求。 ２．５灰渣热损失ｇ 影响因素分析 ＳＣＬ ３５０＿＿４．０／４００锅炉装有灰渣冷却器，灰渣 热物理损失由式（３）按３００℃计算得ｑ ＝０．４７％。 ｇ６ ——— —一 ㈩ ｊ 式中ｇ６——层燃炉灰渣物理热损失，％ ０ ——灰渣含灰量占炉前燃料总灰量的百分 比，％ 燃料中灰分的收到基质量百分数，％ Ｑｉ ——锅炉的输入热量，ｋＪ／ｋｇ （ｃ ） ｈ——１ ｋｇ灰的焓，ｋＪ／ｋｇ ３总结与建议 垃圾焚烧发电量的多少直接影响到电厂的经济 效益，而垃圾焚烧炉的热损失是影响发电量的重要 因素。某单位的单台处理量为３５０ ｔ／ｄ垃圾焚烧 炉，锅炉排烟温度为２０５℃时，相应的排烟热损失为 １６．２９％，随着过量空气系数的升高，排烟热损失逐 渐增加；过量空气系数从１．６２增加到２．３３，热损失 从１５．２３％增加到２０．６１％，影响非常显著。另外锅 炉的散热损失为１．Ｏ％，灰渣热损失为０．４７％，固体 不完全燃烧损失２．１５％。 在焚烧炉的设计和营运中，采取有效措施均可 减少热损失，提高电厂的发电效率。在设计时可考 虑增加锅炉尾部受热面积来降低排烟温度；在营运 中当发现排烟温度偏高时应适当减小一次风量，提 高一次风温，同时降低火焰中心，这样做都可以达到 减少排烟热损失ｑ：，提高锅炉效率目的。要减少散 热损失ｑ ，在设计时要采用导热系数小的保温材料 （如硅酸铝纤维保温棉）且要保证有足够的保温厚 度，锅炉安装时监理要对保温材料和厚度严格把关， 不得偷工减料；营运人员则要多检查保温层是否有 脱落现象发生。垃圾在炉排上的燃烧区域一般分为 干燥区、燃烧区和燃尽区三个区域，各区空间大小在 设计时应考虑保证垃圾在炉内有充足的焚烧时间， 尽量减少垃圾从炉排上的泄漏量；营运时根据不同 区域垃圾燃烧对风量的需求，合理分配不同区域的 一次风量、风压、风温，可优化垃圾在床层上的燃烧 状态，提高垃圾的焚烧效率，增加燃尽率，与此同时， 营运人员调整好二次风也事关重要，二次风的主要 作用是辅助垃圾热解产生的可燃气体燃烧，并通过 优化流场增加气体在炉膛内的停留时间，组织较为 合理的速度场和温度场，增加可燃气体在炉膛内的 ・探讨园地・ 垃圾焚烧炉热损失影响因素分析与建议措施 燃烧效率。经验表明，一次风要有足够的风压，一般 ［２］闫顺林，李永华，周兰欣．电站锅炉排烟温度升高原因的 保证总风室的风压在２～２．５ ｋＰａ，才能穿透６００— 归类分析［Ｊ］．中国电力，２０００，３３（６）：２０—２２． ８００ ｍｍ的料层。垃圾的热值越低，一次风的比例就 ［３］张锐，信丹丹，孙晓菲．热管技术在降低电站锅炉排烟温 越大，就目前我国垃圾热值情况，一次风量占总风量 度中的应用［Ｊ］．电站系统工程，２０１１，２７（３）：２３—２５． 的比例多数为７０％一８０％。以上操作均可减少固 ［４］Ｅｈｓａｎ Ｆｉｒｏｕｚｆａｒ，Ｍａｒｙａｍ Ａｔｔａｒａｎ．Ａ Ｒｅｖｉｅｗ ｏｆ Ｈｅａｔ Ｐｉｐｅ 体不完全燃烧损失ｇ 、固态排渣热损失ｑ ，提高焚 Ｈｅａｔ Ｅｘｃｈａｎｇｅｒｓ Ａｃｔｉｖｉｔｙ ｉｎ Ａｓｉａ［Ｊ］．Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ Ｗｏｒｌｄ Ａｃａｄｅｍｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ，Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２００８， 烧炉的焚烧效率。强 ３０：６３９—６４４． 参考文献 ［５］邹嵘，雷明．炉排式垃圾焚烧炉中灰渣热灼减率的控制 ［１］杨宏民，李建刚，杨小锟．电站锅炉排烟热损失计算研究 ［Ｊ］．能源研究与管理，２０１２，２：７３—７４． ［Ｊ］．电站系统工程，２０００，１６（２）：９４—９５． （上接第１８页） 热特性［Ｊ］．中国电机工程学报，２０１２（ｓ１）：１３３—１３７． ＣＦＢ锅炉的锅炉效率提高，但进气氧气含量是有上 ［２］段伦博，赵长遂，屈成锐，等．循环流化床０ ／ＣＯ：燃烧 限的。本文根据设计计算，建议进气中的氧气含量 技术的最新进展［Ｊ］．动力工程，２００８（４）：６０５—６１１． 上限为３０％，当进气氧气含量从３０％降低到２７％ ［３］刘豪，邱建荣，徐志英，等．高浓度ＣＯ 气氛下燃煤氮、硫 时，锅炉可以在额定负荷下运行，低于２７％的进气 污染物的释放特性［Ｊ］．工程热物理学报，２００８（２）：３５４ —３５６． 氧气浓度，锅炉要降负荷运行。 （２）带外置床的４１０ ｔ／ｈ富氧燃烧ＣＦＢ锅炉进 ［４］牛天况．富氧燃烧锅炉初探［Ｊ］．锅炉技术，２００８（１）： ２５—３１． 气氧气含量也是有上限的，本文根据设计计算，建议 ［５］侯伟军，卢广，蔡晓辉．富氧燃烧技术在循环流化床锅炉 进气中的氧气含量上限为３９％。醢 中的研究综述［Ｊ］．应用能源技术，２００９（９）：２２—２５． 参考文献 ［１］谭力，段翠九，赵科，等．循环流化床富氧燃烧的炉膛传 （上接第２ｌ页） 表２能效测试结果 由表２可见，锅炉热效率和排烟温度均达到或 标准规定值，很大程度降低了对大气的污染，降低了 优于设计要求，其节能效果显著。据初步估算，按年 排放处理成本，真正实现了低污染的清洁燃烧。 运行４ ０００ ｈ计，３种锅炉每台年节能量分别为３４．８ ４结语 ×１０ ｍ （标态）、９４．６４×１０ ｍ （标态）、１０３．３２× 该系列锅炉的研发总体是成功的，但根据目前 １０ ｍ （标态）天然气。 的应用情况和我国用户的使用习惯，对Ｄ型结构系 同时，由检验机构根据ＧＢ １３２７１－２００１《锅炉 列燃气热水锅炉在结构上作进一步的优化，降低钢 大气污染物排放标准》对该系列炉型代表产品７０ 耗；对烟气冷却系统和冷凝水回收及深入利用作进 ＭＷ燃气热水锅炉进行了环保测试，其结果为：ｓＯ： 一步研发，以进一步提高锅炉热效率。瞄 初始排放为０ ｍｇ／ｍ ，ＮＯ 初始排放为１７６．２５ ｍｇ／ ｍ ，烟气黑度＜Ｉ林格曼级。其指标远远低于国家
