垃圾焚烧发电厂余热锅炉蒸汽参数的比较研究(精)

Vol . 32No . 3Heilongjiang Electric Power June . 2010
垃圾焚烧发电厂余热锅炉
蒸汽参数的比较研究
陈善平 , 秦峰 , 孙向军 , 彭小军 , 刘开成 , 周洪权 , 朱加龙
(上海环境卫生工程设计院 , 上海 200232
摘要 :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。

关键词 :中温中压 ; 中温次高压 ; 高温腐蚀 ; 管壁温度中图分类号 :TK11+5
文献标识码 :A
文章编号 :1002-1663(2010 03-0204-05
Co m para ti ve study on wa ste hea t bo iler steam param eter of
garbage burn i n g t
CHEN Shanp ing, Q J ial ong
on Design I nstitute, Shanghai 200232, China
Abstract:The of stea m para meter of garbage burning po wer p lant directly affects generating efficien 2cy of turbine, econo m ic benefit of p lant and stability and security of operati on . I n accordance with the experience and data fr om t w o garbage burning power p lants adop ting mediu m para meter and high para meter res pectively and operati onal data fr om foreign garbage burning power p lants, this paper makes a comparative
study on equi pment in 2vest m ent, econom ic benefit, operati on and maintenance of the waste heat boilers adop ting these t w o types of para m 2eter .
Key words:mediu m te mperature and mediu m p ressure; mediu m te mperature and high p ressure; high te mperature corr osi on; p i pe surface te mperature
收稿日期 :2010-03-22
作者简介 :陈善平 (1972- , 男 , 1996年毕业于中国纺织大学 , 高级工程师 , 从事生活垃圾处理处置与资源化研究。

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采用高参数余热锅炉 (杭州锅炉厂制造 , 蒸汽参数
为 450℃、 6. 4MPa [2]。

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”
[1]。

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。

1设备投资比较
1. 1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。

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表 1不同蒸汽参数锅炉材质比较
序号
项目
400℃、 4. 0MPa 材质类型质量 /(t ・台
-1
450℃、 6. 4MPa
材质类型质量 /(t ・台
-1
1锅筒
材料 16Mng 40材料 19Mn6602水冷壁、省煤器、上升下降管等高压锅炉管20G 380高压锅炉管 20G
4103低温、中温过热器高压锅炉管 20G 80高压锅炉管 20G 和 15Cr M oG
1204高温过热器
低合金钢 15Cr M oG
40TP310S
405
非受压件 (钢架、平台扶梯、护板、吊挂、灰斗等
碳素结构钢
950
碳素结构钢
970
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。

如果余热锅炉高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 , 大 , 制造成本提高。

表 1较 (为例。

1. 2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。

表 3中参数、高参数发电量计算比较
参数
额定进汽量
进汽焓
给水焓
额定负荷
发电热耗
/(t ・ h -1 /(kJ ・ kg -1
/(kJ ・ kg -1
/MW /(kJ ・ k W
-1
中参数 (4. 0MPa 、 400℃ 83. 932195391815234高参数 (6. 4MPa 、 450℃
76. 5
3300
539
18
14310
表 2不同蒸汽参数余热利用系统设备投资比较
万元序号
名称中参数高参数
差价
1余热锅炉
单台锅炉价格
225028806304台锅炉总价 9000
11520
2520
2汽轮机
单台汽轮机价格 14201570150汽轮机总价 (2台
2840
3140
3003锅炉汽机设备费合计 118401466028204安装费 (设备费 8% 94711732265第二部分费用 (设备安装 10% 1279
1583
3056锅炉汽机总投资
1406617416
3350
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 4×750t/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。

2 , 垃圾焚烧发 , 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 7120kJ /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 ×(进汽焓 -给水焓 /锅炉效率 /额定负荷。

中参数发电热耗 =83. 9×(3219-539 /82%/18=15234kJ /kW 。

高参数发电热耗 =76. 5×(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 /15234=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%×21% 。

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。

2. 2案例分析
为掌握两种参数条件下的实际发电量差异 , 对
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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
2×520t/d 、 B 厂 (中温中压参数 , 规模 2×500t/d 进行调研 , 并取得了相关运营数据 , 详细情况见表 4。

表 4 A 厂、 B 厂的发电量比较
项目 A 厂 B 厂
锅炉效率 /%8282
年锅炉蒸发量 /(t ・ a -1 622430835200过热蒸汽的焓 /(kJ ・ kg -1 32953213给水焓 /(kJ ・ kg -1 525. 04538. 88年发电量 /(k W ・ h -1 115528000140825000年进炉垃圾量 /t 317859490300吨进炉垃圾发电量
/(k W ・ h ・ t -1
363287
进炉垃圾热值 /(kJ ・ kg -1 62295241发电效率 /%20. 9819. 71表 4数据表明 , A 厂的全厂发电效率比 B 高 1. 27%。

A 厂的吨垃圾发电量 h /t 比 B (/t
(B 厂 (5241 kJ /kg 。

若 B A 厂相同 , 则 B 厂的吨进炉垃圾发电量约 341k W ・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%。

3运营和维护比较
3. 1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。

图 1管壁温度与腐蚀速度的关系
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。

表 5中参数和高参数余热锅炉受热面壁温℃余热锅炉区域高参数(450℃、 6. 4MPa 中参数 (400℃、 4. 0MPa 水冷壁介质温度 287(7. 1MPa 饱和温度 258(4. 5MPa 饱和温度高温区管壁温度 347(60℃附加壁温 318(60℃附加壁温
过热器介质温度 450(主蒸汽温度 400(主蒸汽温度
高温段管壁温度 500(50℃附加壁温 450(50℃附加壁温
省煤器介质温度 130(给水温度 130(给水温度
低温段管壁温度 160(30℃附加壁温 160(30℃附加壁温
注 :附加壁温是采用锅炉机组热力计算标准方法 (1973版自然循环锅炉的推荐值。

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2
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表 6中参数和高参数设备维护费比较
设备名称
中参数 (400℃、 4. 0MPa
价格 /万元
更换次数
运营期总维护费 /万元
高参数 (450℃、 6. 4MPa
价格 /万元
更换次数
运营期总维护费 /万元
水冷壁 104033370114067385过热器 580
3
18801650
3
5345合计
5250
12730
注 :每次的更换费用在设备费的基础上增加 8%的安装费。

研究表明 , 当燃料成分中含氯量≥ 0. 35%时 , 腐蚀倾向将很高且 FeCl 2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 1。

情况见图 2。

3. 2目前 , 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。

图 2 A 厂水冷壁腐蚀部位
对于锅炉高温过热器的防腐蚀问题 , 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。

3. 3运营维护成本比较
采用中参数的过热器只需使用 20G 或 15Cr M oG 材料 , 每 6a 须更换 1次 , 20a 运营期须更换 3次 ; 采用高参数的过热器如使用 15Cr M oG 或 TP310s 材料 , 也考虑 6a 须更换 1次 , 20a 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 6a 更换 1次 , 20a 运营期
须更换 3次 ; 采用高
参数的水冷壁每 3a 更换 1次 , 20a 运营期须更换 6次。

较中参数设备而言 , 高参数设备运行 20a 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 厂的调查发现 , 其余热锅炉高温过热器材料采用 15Cr M oG, 在过热器设计时考虑每年更换 , 实际从 2005年 11, 这与通常腐。

, 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 20a 运营维护费比中参数余热锅炉高 2~3倍。

4综合效益评价
4. 1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
4×750t/d 、垃圾热值 7120kJ /kg 的垃圾焚烧发电厂为例。

表 7中参数和高参数余热发电的综合经济效益比较
序号
比较内容
中参数
高参数
差额
1
年售电收入 /万元 1352814339812年发电量 /(万 k W ・ h 25413269371525年上网电量 /(万 k W ・ h
20330
21550
12202年成本 /万元 541年折旧费 /万元 167年维修费 /万元
3743年净收益 /万元
271
4
20a 净收益 /万元
5420
注 :高参数余热发电比低参数的发电量增加按 6%计。

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 , 20a 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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Vol . 32No . 3Heilongjiang Electric Power June . 2010表 8 G 厂、 W 厂发电量相关情况表
焚烧厂年份垃圾处
理量
/t
年设备
使用率
/%
检修时间∕ h
1号线 2号线 3号线发电量
/MW
自用电
自用电
量 /MW
自用电
率 /%
上网
电量
/MW
每吨垃圾
上网电量
/(k W ・ h
每吨垃圾发电量 /(k W ・ h
G 焚烧厂 200818957095. 973273801099081681915. 3093197492580 200718669095. 483864051103681677815. 2093, 590501591 200618814294. 574375141108981672015. 0894205501589 W 焚烧厂 200869292389. 998029398964570105668112. 40400329578660 200766946989. 809887879054500755753112. 78392544586672 200667138990. 518977338624417805503012. 46386938576658
表 9 G 厂、 W 厂运营维护相关情况表美元焚烧厂名年份总费用平均费用/t 垃圾锅炉 /t 垃圾锅炉运行 /t 垃圾人员工资材料消耗 G 焚烧厂 2008279472114. 746. 907. 8512101584121 2007279437814. 978. 6. 481510478 2006288568215. 348. 6. 1442, 782 W 焚烧厂 20081066285915. 3. 59726144690245 813. 5. 5053688963565176 832138. 647. 4973490013483059
4. 2
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 2×250t/d 焚烧线配置 , 蒸汽参数为 399℃、 4. 4 MPa;W 厂为 3×750t/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 587k W ・ h /t 、 500k W ・ h / t, 高参数分别为 663k W ・ h /t 、 580k W ・ 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。

5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。

致谢本项研究工作得到了上海市科学技术委员会的资助 , 资助课题编号为09DZ2251700。

参考文献 :
[1]王国刚 . 垃圾焚烧发电利国利民 [J].余热锅炉 , 1999(3 :1-5. [2]梁宏 . 国产高蒸汽参数垃圾焚烧锅炉的设计 [J ].余热锅炉 , 2002(2 :7-10.
(责任编辑侯世春
— 8 0 2—。