垃圾焚烧发电厂余热锅炉蒸汽参数的比较研究

1、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

2、。 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 03-0204-05Co m para ti ve study on wa ste hea t bo iler steam param eter ofgarbage burn i n g tCHEN Shanp ing, Q J ial ongon Design I nstitute, Shanghai 200232, China Abstract:The of stea m para meter of garbage burning po w

3、er 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

4、 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

5、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

6、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

7、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 。402 第 32卷 第 3期 黑龙江电力2010年 6月表 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-1450 、 6. 4MPa材质类型 质量 /(t 台-11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

8、高压锅炉管 20G4103低温、 中温过热器 高压锅炉管 20G 80高压锅炉管 20G 和 15Cr M oG1204高温过热器低合金钢 15Cr M oG40TP310S405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 ;

9、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-176. 533005391814310 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 90001152025202汽轮机284031409471

10、1732265第二部分费用 (设备安装 10% 127915833056锅炉汽机总投资14066174163350 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

11、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%×

12、;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502 Vol . 32No . 3Heilongjiang Electric Power June . 2010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/(k W h t -

13、1363287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

14、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

15、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

16、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

17、 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。62 第 32卷 第 3期 黑龙江电力2010年 6月表 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31880165035345合计525012730 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

18、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 211月 , 腐蚀最严重的管壁厚只有 1。 情况见图 2。 3

19、. 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 , 20

20、a 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

21、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 23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12033021550

22、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271420a 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 。702 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 h1号线 2号线 3号线发电量/MW自用电自用

23、 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 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