摘要：以近20年來投運的、有代表性的92座爐排爐垃圾焚燒發(fā)電廠為研究對象,統(tǒng)計了不同焚燒廠發(fā)電量等數(shù)據(jù)。分析了運營時間、地理位置及焚燒爐容量等因素對焚燒廠噸垃圾發(fā)電量的影響。研究結果表明：隨著焚燒廠運營時間增加,噸垃圾發(fā)電量呈上升趨勢;南方省份噸垃圾發(fā)電量高于北方省份,東西部地區(qū)焚燒廠數(shù)據(jù)無明顯差異;噸垃圾發(fā)電量隨焚燒爐容量增大而升高。
1 引言
隨著我國經濟的快速發(fā)展，城市生活垃圾產生量迅速增加。垃圾焚燒處理具有減量化和無害化程度高的優(yōu)點，已成為我國城市生活垃圾處理的主要方式。截至2018 年12月底，已運營的生活垃圾焚燒發(fā)電廠364座。隨著生活垃圾焚燒廠數(shù)量的快速增加，其年發(fā)電總量也迅速增加，如圖1所示，2017年生活垃圾焚燒廠發(fā)電總量已達37.6 TWh。生活垃圾焚燒廠在無害化處理垃圾的同時，通過余熱發(fā)電回收能源，降低了焚燒廠運行費用。因此對于現(xiàn)有垃圾焚燒廠發(fā)電量的變化規(guī)律及影響因素進行深入分析，有助于提高生活垃圾焚燒廠發(fā)電效率，實現(xiàn)垃圾焚燒爐的安全經濟運行。
數(shù)量眾多的垃圾焚燒發(fā)電廠分布在全國各地，不同地區(qū)的垃圾組分和熱值以及不同焚燒廠的工藝參數(shù)均有明顯差異，這對垃圾焚燒廠發(fā)電量有重要影響。國內外部分研究人員已對生活垃圾理化特性及焚燒爐發(fā)電量、工藝參數(shù)等方面進行了探究分析。對夏季的北京城區(qū)不同主體產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響到燃料發(fā)熱量;而垃圾含水率與廚余的相關性最大，降水量對垃圾含水率影響不大。
北京、上海、深圳等地垃圾組分的歷史數(shù)據(jù)表明，垃圾中廚余含量呈下降趨勢，紙類和塑料含量則呈上升趨勢，垃圾熱值呈上升趨勢;但近幾年隨著人們生活水平和生活習慣逐漸穩(wěn)定，垃圾，經濟發(fā)展水平較低的地區(qū)垃圾中有機物占比較高，而經濟發(fā)達地區(qū)紙類成分更多。文獻數(shù)據(jù) 表明垃圾成分的改變會影響其發(fā)熱量的變化，并將進一步影響焚燒爐噸垃圾發(fā)電量。現(xiàn)有研究成果較多關注提高鍋爐蒸汽參數(shù)來提高垃圾焚燒廠發(fā)電效率，或通過工藝改進來提高發(fā)電效率，如組合式高效垃圾發(fā)電工藝(WTE-GT)和再熱循環(huán)工藝。然而研究人員對垃圾組分變化后噸垃圾發(fā)電量的變化趨勢未做過多關注，同時隨著我國焚燒廠垃圾處理量的不斷增大，焚燒爐單爐垃圾處理量日益增大，其對焚燒爐噸垃圾發(fā)電量的影響被關注較少。
本文以部分有代表性的爐排爐焚燒發(fā)電廠為研究對象，對比分析了地理位置、運營年限及焚燒爐容量等因素對焚燒爐噸垃圾發(fā)電量變化的影響，并對垃圾焚燒爐的清潔高效運行提出了建議。
2 研究對象及研究方法
2.1 研究對象
本文選取已投產的92 座爐排爐垃圾焚燒廠為研究對象，約占總投產焚燒爐數(shù)量的25%。如圖2所示，研究樣本主要分布在經濟發(fā)達地區(qū)，如四川、江蘇、山東、廣東、上海、天津、北京、浙江等，同時在地理分布上實現(xiàn)了東、南、西、北全覆蓋。焚燒廠投產年份從2003 年到2018 年，垃圾處理量范圍為450~3 000 t/d，單臺焚燒爐垃圾處理量范圍為150~750 t/d。焚燒爐蒸汽參數(shù)范圍為400~450 ℃、4.0~6.3 MPa。
2.2 研究方法
由于進入焚燒廠的生活垃圾會在垃圾倉發(fā)酵后再投入焚燒爐，因此筆者重點分析了入爐噸垃圾發(fā)電量的變化規(guī)律。同時為避免季節(jié)變化對垃圾成分和熱值的影響，采用城市生活垃圾焚燒廠年平均運營數(shù)據(jù)進行分析，包括年進廠垃圾量、年進爐垃圾量、年平均滲濾液產率、年發(fā)電量、入爐噸垃圾發(fā)電量等數(shù)據(jù)。其中年平均滲濾液產率L 通過年進廠垃圾量M 和年進爐垃圾量m 計算獲得，如式(1) 所示。入爐噸垃圾發(fā)電量e 通過年發(fā)電量E 和年進爐垃圾量m 計算獲得，如式(2) 所示。
L=(M-m)/M (1)
e=E/m (2)
3 焚燒廠年平均發(fā)電量變化規(guī)律
垃圾焚燒產生的蒸汽主要用于發(fā)電和供熱，提高噸垃圾發(fā)電量對于提高垃圾焚燒廠經濟效益和垃圾資源化利用具有重要意義。圖3 為不同地區(qū)垃圾焚燒廠入爐噸垃圾發(fā)電量年平均數(shù)據(jù)，由圖可知不同地區(qū)入爐噸垃圾發(fā)電量分布范圍為366~467 kWh/t，地區(qū)之間的差異明顯，最大值和最小值相差約100 kWh/t。其中，東南沿海地區(qū)噸垃圾發(fā)電量較高，如廣東、浙江、上海、江蘇;而東北地區(qū)垃圾發(fā)電量均較低，遼寧噸垃圾發(fā)電量最低為366 kWh/t;這是因為東南沿海地區(qū)經濟更為發(fā)達，垃圾熱值更高，噸垃圾發(fā)電量升高。
對比發(fā)現(xiàn)，北方地區(qū)噸垃圾發(fā)電量低于南方地區(qū)，東西部經濟發(fā)達地區(qū)噸垃圾發(fā)電量無明顯差異。
3.1 噸垃圾發(fā)電量與運營時間的關系
如圖4 所示，上海、廣州、深圳、北京等地不同焚燒廠噸垃圾發(fā)電量隨著運營時間增加均呈上升趨勢，而垃圾滲濾液產率則逐年下降。隨著經濟發(fā)展，居民生活水平逐年提高，生活垃圾中廚余含量呈下降趨勢，紙類和塑料含量呈上升趨勢，而廚余含水率高，因而垃圾中滲濾液產率呈下降趨勢。隨著垃圾滲濾液產率近年來逐漸下降，噸垃圾熱值升高，垃圾焚燒廠處理相同質量垃圾獲得熱量更多，生產更多電能，因而噸垃圾發(fā)電量升高。圖4 中4 座垃圾焚燒廠噸垃圾發(fā)電量上升趨勢均與滲濾液產率下降趨勢呈現(xiàn)很好的相關性，說明垃圾滲濾液產率是影響焚燒廠噸垃圾發(fā)電量的關鍵因素。同時圖4 中4 個不同城市焚燒廠滲濾液數(shù)據(jù)亦有較大差異，A 焚燒廠垃圾滲濾液產率最高，B 焚燒廠垃圾滲濾液產率最低。這是因為A 焚燒廠垃圾組分中廚余比例為61.66%，而B 焚燒廠垃圾組分中廚余比例只有37.76%。由圖4 (a) 和圖4 (b) 數(shù)據(jù)對比也再次證實了上述分析，A 焚燒廠垃圾滲濾液產率明顯高于B 焚燒廠，因此其噸垃圾發(fā)電量也更低。
3.2 噸垃圾發(fā)電量與地理區(qū)域的關系
南北方、東西部不同省份噸垃圾發(fā)電量分布規(guī)律如圖5~ 圖6 所示。對比圖5 (a) 和圖5 (b)數(shù)據(jù)可知，南方省份垃圾焚燒發(fā)電廠噸垃圾發(fā)電量明顯高于北方省份垃圾焚燒發(fā)電廠數(shù)據(jù)，但大部分南方省份垃圾滲濾液產率(除廣東外) 并未明顯低于北方省份，說明還有其他因素影響噸垃圾發(fā)電量的變化。圖6 東西部省份噸垃圾發(fā)電量分布規(guī)律亦表明了噸垃圾發(fā)電量和滲濾液產率的關聯(lián)性。
由圖5 (a) 不同省份數(shù)據(jù)對比發(fā)現(xiàn)，珠三角(廣東) 和長三角(上海、浙江、江蘇) 地區(qū)噸垃圾發(fā)電量最高，這是因為這些地區(qū)經濟更為發(fā)達，垃圾中紙類和塑料含量會上升[6，9 ]，垃圾熱值更高。圖5 (b) 北方省份數(shù)據(jù)表明，更靠近北方的遼寧、天津滲濾液產率低，噸垃圾發(fā)電量也低。這是因為北方冬季取暖期間垃圾中渣土含量高，降低了垃圾熱值;同時在冬季低溫下，垃圾倉發(fā)酵溫度低，一部分滲濾液未析出，入爐垃圾含水量高，噸垃圾熱值降低，噸垃圾發(fā)電量下降。
由于本文中西部焚燒廠主要建在武漢、成都等經濟較發(fā)達地區(qū)，其垃圾滲濾液產率與東部長三角發(fā)達地區(qū)無明顯差異，噸發(fā)電量亦接近。
3.3 噸垃圾發(fā)電量與焚燒爐容量的關系
隨著城市生活垃圾處理量日益增多，垃圾焚燒廠焚燒爐單爐容量近年來逐漸增大，焚燒爐容量的改變對鍋爐熱效率有重要影響，進而影響噸垃圾發(fā)電量。為減少不同地域垃圾組分差異對噸垃圾發(fā)電量的影響，圖7 對同一省份內不同容量的焚燒爐進行了噸垃圾發(fā)電量的比較分析。
如圖7 (a) 所示，江蘇省8 座焚燒廠數(shù)據(jù)表明，隨著焚燒爐單爐容量從300 t/d 增大到750 t/d 后，噸垃圾發(fā)電量亦從340 kWh/t 升高到501 kWh/t，噸垃圾發(fā)電量與焚燒爐單爐容量呈正相關性。不同容量工業(yè)鍋爐熱效率測試結果表明，噸位越大，鍋爐熱效率越高、熱損失越小。因而增大焚燒爐容量可以提高鍋爐熱效率，進而提升噸垃圾發(fā)電量。對比圖7 (a) 中相同容量焚燒爐的噸垃圾發(fā)電量數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，相同單爐容量的焚燒廠之間噸垃圾發(fā)電量亦存在差異。如江蘇B 廠、江蘇C 廠、江蘇D 廠，3 個焚燒廠單臺焚燒爐容量均為500 t/d，但噸垃圾發(fā)電量分別為501、485、455 kWh/t。特別是江蘇B 廠和江蘇C 廠的垃圾來自同一個城市，垃圾成分幾乎無差異，這說明噸垃圾發(fā)電量的變化除了受到垃圾成分和焚燒爐容量影響外，還與其他因素有關，例如焚燒爐設計制造和運營管理水平。
圖 7 (b) ~(d) 分別為山東省、上海市、北京市不同焚燒廠噸垃圾發(fā)電量與焚燒爐容量的變化規(guī)律，其數(shù)據(jù)變化特點與圖7 (a) 相似，噸垃圾發(fā)電量隨焚燒爐容量增大而升高，個別焚燒爐數(shù)據(jù)波動與設計、運營等因素有關。
4 結論與建議
1) 隨著垃圾焚燒廠運營時間的增加，垃圾成分發(fā)生變化，垃圾中紙類和塑料含量增多，垃圾滲濾液產率降低，垃圾熱值增大，噸垃圾發(fā)電量升高;南方省份經濟更為發(fā)達，噸垃圾發(fā)電量高于北方省份，東部長三角地區(qū)噸垃圾發(fā)電量與中西部發(fā)達地區(qū)無明顯差異。因此垃圾焚燒廠在設計和運行過程中均需重點考慮地理位置、垃圾成分變化趨勢對垃圾熱值的影響。
2) 生活垃圾焚燒爐容量增大后，鍋爐熱效率提高，噸垃圾發(fā)電量升高。因此相同處理總量條件下，優(yōu)先選用大容量焚燒爐可提高噸垃圾發(fā)電量。
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