垃圾焚烧发电厂中空气预热器的设计

工程的技术难题之一。本文以上海环境集团洛阳项目的工况（3条日处理500t/d焚烧线，低位热值设计点为1600kCal/kg）为例，对此进行分析，以供类似工程参考。

3 空气预热器出口风温的选择

一次风预热器分两段加热：一级为低压加热段，采用汽轮机抽汽加热燃烧空气；二级为高压加热段，采用锅炉出口过热蒸汽或汽包饱和蒸汽加热燃烧空气。再循环烟气预热器采用锅炉出口过热蒸汽或汽包饱和蒸汽加热再循环烟气。

3.1 空预器一级出口风温的选择

一级出口风温越高，高压段需要的加热蒸汽越少，但汽轮机抽汽量则越大。高压加热段需要的蒸汽减少意味着汽轮机进汽量和发电量的增加，但汽轮机抽汽量越大也会降低汽轮机的发电量，另外一级出口风温也不能无限制地提高，为保证良好的换热效果和较小的设备外形尺寸，一般情况下，加热蒸汽进口压力下的饱和水温度应高于出口风温15℃以上为宜。

为便于运行组织，空预器一级出口风温最好靠近一个比较典型的一次风入炉温度。由此，对一级出口风温分别为140℃和178℃进行了经济技术比较：一级出口风温采用178℃方案可多发电264.5kW·h/h，按1kW·h0.59元计算，可增加效益156元/h。综合考虑焚烧厂用热情况，最终确定空气预热器一级出口风温为170℃。

3.2 空气预热器出口风温的选择

在通常垃圾热值在1000kCal/kg～2000kCal/kg的范围内所采用的温度情况，对空气预热器（包括再循环烟气预热器）出口风温分别为240℃和250℃进行了经济技术比较，比较内容（按单台炉计算）见表1。

表1 风温选型参考

比较项目出口风温240℃出口风温250℃

设备投资/万元43.5662.6

过热蒸汽消耗量/（t/h）AA+0.66

一次风机风压/PaBB+300

一次风机功率/kWCC+18

烟气再循环风机风压/PaDD+200

烟气再循环风机功率/kWEE+12

经计算得出与空气预热器出口温度采用240℃相比，采用250℃使3条焚烧线每年少售电42.5万元。在实际运行过程中，考虑到投资和运营成本，在低质垃圾情况下，可通过短时间投辅燃来实现稳定燃烧，所以如果高压段加热蒸汽采用锅炉出口过热蒸汽时，确定空气预热器出口风（烟）温采用240℃。

4 高压加热段加热蒸汽的选择

空气预热器通常采用管壳式换热器，运行过程中，必须有足够的热量和传热温差才能把空气加热至需要的温度，热量来自蒸汽变成凝结水过程中释放的热量，传热温差为蒸汽（或凝结水）与空气的温差。

锅炉出口的过热蒸汽和锅炉汽包内的饱和蒸汽均可作为空气预热器高压的段加热蒸汽。锅炉出口主蒸汽参数为4.0MPa（g）/400℃，汽包工作参数4.6 MPa（g）/260℃，这两种蒸汽用做换热器加热蒸汽时的特性见表2。

表2 工质焓熵表

蒸汽参数MPa（g）/℃4.0/4004.8/262.7

过热蒸汽焓/（kJ/kg）3202.5/

饱和蒸汽焓/（kJ/kg）2800.42795.0

饱和蒸汽、凝结水温度/℃250267.2

饱和凝结水焓/（kJ/kg）1087.41148.2

每kg蒸汽释放热量/kJ2115.11646.8

空预器出口风温/℃240240

空预器出口冷热介质温差/℃1022.7

从上表可以看出：每kg过热蒸汽比饱和蒸汽多释放热量453 kJ的热量；每kg过热蒸汽变为饱和蒸汽仅释放热量402.1kJ，占总释放热量的19%，温度下降了150℃；从饱和蒸汽变为凝结水的过程中，温度不变，释放的热量却占总释放热量的81%；采用饱和蒸汽使空预器出口换热温差比采用过热蒸汽高12.7℃；过热蒸汽释放的热量多，但是为得到过热蒸汽付出的投资也比较多，饱和蒸汽经过热器加热后才能得到过热蒸汽，垃圾焚烧厂余热锅炉的常规设置3级过热器和2级减温器。2、3级过热器管材需要采用耐热合金钢。

目前设计的锅炉出口主蒸汽倾向于采用材质为15CrMoG/GB5310的无缝钢管输送，汽包饱和蒸汽仅需要采用材质为20G/GB5310的无缝钢管输送。

过热蒸汽释放热量的过程为：过热蒸汽→饱和蒸汽→饱和凝结水，使用过热蒸汽的换热面的温度梯度大，从过热蒸汽到饱和蒸汽的过程中蒸汽温度下降了150℃，各传热截面的温差不同，对换热面的要求比较高。

从过热蒸汽变为饱和蒸汽时，蒸汽比容虽在减小，但变化比例不大，所以在换热器内过热蒸汽加热段过热蒸汽向换热表面移动的速度很慢，相当于蒸汽滑过换热表面；而饱和蒸汽通过换热面时，发生了相变，从蒸汽变为凝结水，使加热介质的体积迅速减小，蒸汽迅速向换热面移动并与换热面接触放出汽化潜热，因此饱和蒸汽的换热系数大于过热蒸汽的换热系数。根据经验数值，管壳换热器运行过程中过热蒸汽的换热系数只有饱和蒸汽换热系数的1/5左右。考虑换热温差等因素的影响，为获得相同的热量，换热器采用过热蒸汽加热时的换热面积约为采用相同压力下饱和蒸汽加热时的换热器面积的1.6倍，换热面积大意味着钢材消耗量多，设备投资及土建投资都比较大。

采用汽包饱和蒸汽作为加热蒸汽时，空预器出口冷热介质温差较大，仅通过增加换热面积不需改变换热面布置方式，还存在将空气加热到245～250℃的可行性。

空气预热器一般为管壳式换热器，而使用过热蒸汽的管壳式换热器的管板附近容易形成干墙，干墙区会很快结垢，影响换热效果。

通过对各焚烧厂的调查，一般欧洲的焚烧炉采用汽包饱和蒸汽加热燃烧空气，日本的焚烧炉采用过热蒸汽加热燃烧空气。

5 结语

垃圾发电厂中空气预热器建议采用蒸汽加热；一级空气预热器出口风温为170℃左右，二级空气预热器出口风温为240℃左右；加热蒸汽采用饱和蒸汽和过热蒸汽各有特点。如果采用日本焚烧炉技术，可按照日方设计方案采用过热蒸汽作为空气预热器高压段的加热蒸汽；若按照欧洲焚烧技术，空气预热器设计可采用饱和蒸汽加热方案。

参考文献：[1]中国城市建设研究院有限公司.上海环境有限公司洛阳项目设计书[R].北京：中国城市建设研究院有限公司，2014.

[2] 广州轻工业设计院.光大环保能源（江阴）有限公司项目设计书[R].广州：广州轻工业设计院，2007.

[3] 于临秸.锅炉运行[M].北京：中国电力出版社，2006.

[4] 四川电力建设二公司.垃圾焚烧发电厂安装与运行技术[R].北京：中国电力出版社，2009.