引言垃圾是“放错地方的资源”，根据习近平总书记的生态文明建设理念，未来能源发展要建设绿色、安全、清洁、高效的能源系统。垃圾焚烧处理是实现垃圾无害化、减量化和资源化的有效手段之一［1］。与填埋处理相比，焚烧处理具有占地面积小、场地选择容易、处理时间短、减量化显著、无害化彻底以及可回收垃圾热能等优点。焚烧锅炉是焚烧垃圾产生蒸汽的关键能量转换设备，它的能耗分析是整个电厂经济性分析的重要依据，因此探讨垃圾焚烧锅炉的经济性和节能措施很有必要［2］。1评价方法锅炉由焚烧炉和余热锅炉组成，焚烧炉是垃圾燃烧将化学能转换成热能的设备，余热锅炉是回收高温烟气进行梯级余热利用的设备［3］。目前我国垃圾焚烧锅炉普遍采用热力学第一定律的热量法进行评价，锅炉实际运行热效率80%左右，热量损失主要体现在排烟和垃圾未充分燃烧等方面，热量法只能反映能量在数量上的损失，却不能体现能量品质的损失。为更全面评估锅炉能量利用率，还要从能量的品质方面进行分析。㶲分析法是基于热力学第一和第二定律，将能量的“量”和“质”结合起来进行综合评价，能更完善、更具体地衡量锅炉能量利用的完善程度［4］。该方法已在火电厂热力系统节能分析和评价中被广泛采用，但在垃圾焚烧电厂还未使用过。文中采用㶲分析法对垃圾焚烧锅炉进行经济分析，找出能量转换的薄弱环节，为提高垃圾焚烧锅炉能源利用效率指明方向。2锅炉㶲分析模型及计算公式与燃煤锅炉不同，垃圾焚烧锅炉下部为焚烧炉，上部为余热锅炉，焚烧炉与余热锅炉之间通过膨胀节连接。一次风先通过外部热源汽机一抽蒸汽加热到140 ℃，通过内部热源汽包抽气加热到220 ℃送入炉膛助燃。为方便计算，将焚烧炉和余热锅炉作为一个整体考虑［5］，垃圾与一次风混合燃烧，将给水加热成过热蒸汽。该过程涉及多种形式的㶲，包含垃圾的化学㶲、工质㶲等，文中㶲分析的基准按照环境温度20 ℃。2.1垃圾焚烧锅炉㶲分析模型与燃煤锅炉相比，垃圾焚烧锅炉系统比较简单，输入为垃圾和外部热源加热的一次风（风温按140 ℃考虑）；输出为过热蒸汽和汽包排污水；剩余的就是各项损失。垃圾焚烧锅炉㶲平衡模型如图1所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.01.001.F001图1垃圾焚烧锅炉㶲分析模型输入㶲=maea+mrer (1)输出㶲=m0e0+mpwepw-mgsegs+mr(ecs+ers+epy+e3+e4+e5+e6) (2)式中：m——每公斤垃圾产生的工质质量，kg；e ——各工质的比㶲，kJ/kg（燃料）。2.2垃圾的化学㶲计算［6］er=QL(1.0064+0.1519HC+0.0616OC+0.0429NC) (3)式中：QL ——入炉垃圾的低位发热量，kJ/kg（燃料）；C、H、O、N——垃圾元素质量分数，%。2.3工质㶲的计算e0、e1、egs分别为蒸汽㶲、汽包排污水㶲和给水㶲。根据工质的状态参数，计算各工质的㶲值：e=(h-h0)-T0(s-s0) (4)式中：h——状态点压力、温度下的工质焓值，kJ/kg；h0——基准点压力、温度下的基准焓值，kJ/kg；s——状态点压力、温度下的工质比熵值，kJ/(kg·K)；s0——基准点压力、温度下的基准比熵值，kJ/(kg·K)；T0——基准温度，K。2.4外部㶲损epy、e3、e4、e5、e6的计算epy =Qpy [(tpy -t0)-T0lnTpy T0] （5）e5=Q5[(t5-t0)-T0lnT5T0] （6）e6=Q6[(t6-t0)-T0lnT6T0] （7）式中：epy——排烟㶲损；e5 ——灰渣㶲损；e6 ——散热㶲损；t5——灰渣温度，取400 ℃；t6——锅炉外壁温度，取50 ℃（设计允许最高温度）。2.5燃烧和传热㶲损［6］ehy =Qhy (1-T0Thy -T0lnThy T0) （8）ers=er+ea-ehy （9）ecs=er+ea-ers-e3-e4-e5-e6 （10）式中：ehy——烟气㶲；ers——燃烧㶲损；ecs——传热㶲损；Thy——垃圾燃烧产生的理论燃烧温度，K；Qhy——理论燃烧温度下，垃圾燃烧产生的烟气焓，kJ/kg（燃料）。2.6㶲效率锅炉以垃圾和一次风为代价，收益是过热蒸汽，所以其㶲效率可表示为：ηb.ex=m0(e0-egs)mrcr+maca (11)式中：m0——每千克垃圾产生的过热蒸汽流量，kg；mr——垃圾的处理量，kg；ma——每千克垃圾所需的空气质量，kg；e0——过热器出口蒸汽比㶲，kJ/kg（燃料）；egs——锅炉给水的比㶲，kJ/kg（燃料）；er——垃圾化学比㶲，kJ/kg（燃料）；ea——外部热源加热空预器出口比㶲，kJ/kg（燃料）。3计算实例与结果分析以1台750 t/d中温中压垃圾焚烧锅炉为例，垃圾入炉热值7 536 kJ/kg，一次风量92 658 m3/h，主蒸汽参数4 MPa/400 ℃，主蒸汽流量72.5 t/h，给水温度130 ℃，排烟温度190 ℃。能量分析如表1所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.01.001.T001表1能量分析表评价方法热量平衡法㶲平衡法热量/(kJ/kg)占比/%㶲值/(kJ/kg)占比/%总输入入炉垃圾7 53693.208 00398.32外部热源预热空气5516.801371.68总输出固体未完全燃烧202.02.50188.42.31气体未完全燃烧40.40.5037.70.46排烟1 19614.782533.11散热92.51.148.00.1灰渣90.81.1247.80.60燃烧——3 59744.20传热——1 26315.52有效利用6 46579.952 74433.71由表1可知：锅炉热效率为79.95%，而㶲效率只有33.71%，相差较大。这是因为热效率只考虑了热量的数量变化，未考虑热量的质量变化；而㶲方法能够综合考虑锅炉的能量品质和数量的变化，更适合用于锅炉的经济性评价。垃圾焚烧锅炉㶲损占比最大的是燃烧不可逆㶲损和传热㶲损，分别为44.2%和15.52%；在能量平衡计算热损失最大的是排烟热损失，占比14.78%。这是因为排烟热损失虽然数量很大，但烟温较低，可被有效利用的能量较小。燃烧㶲损和传热㶲损是由不可逆引起的，过程㶲损是不可避免的。但可以通过分析各项㶲损的影响因素，提出减少㶲损的措施或方向，为垃圾焚烧锅炉的节能提效提供理论依据。4提高垃圾焚烧锅炉㶲效率的措施4.1提高垃圾入炉热值根据燃烧㶲损计算方法可知，垃圾燃烧不可逆㶲损与理论燃烧温度有关，理论燃烧温度越高，燃烧不可逆㶲损就越小。因此应延长垃圾发酵时间，提高垃圾入炉热值，并同时控制过量空气系数，尽量提高理论燃烧温度，减少燃烧不可逆损失。4.2提高蒸汽参数［7］由于高温烟气与给水换热产生过热蒸汽，烟气侧与水侧存在换热温差，造成传热的不可逆。该部分的㶲损与过热蒸汽、给水参数有关，参数越高，平均换热温差也越小，㶲损越小［8］。因此垃圾焚烧电厂要在安全范围内尽量提高蒸汽的初参数，增加再热循环和提高给水温度，减少传热㶲损。为防止垃圾焚烧锅炉管壁出现高温腐蚀引起爆管，蒸汽参数普遍为4 MPa/400 ℃。近几年，随着锅炉防腐技术的不断发展和完善，蒸汽参数得到逐步提升。目前中温次高压6.4 MPa/450 ℃发展较为成熟，应用项目较多；中温次高压再热和中温超高压再热技术均已有项目成功应用，热效率提升显著。不同蒸汽参数下的锅炉㶲效率如表2所示。在锅炉热效率一定的前提下，蒸汽参数越高，锅炉的㶲效率越高；采用再热技术，垃圾焚烧锅炉的㶲效率也得到较大提升。采用中温超高压再热和高给水温度247 ℃，㶲效率能够提升至38.8%，㶲效率提升最明显。对于已运行中温中压项目，可以提升蒸汽温度来提高锅炉㶲效率。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.01.001.T002表2不同蒸汽参数下的锅炉㶲效率蒸汽参数热效率㶲效率4 MPa/400 ℃+给水130 ℃79.9533.716.4 MPa/450 ℃+给水130 ℃79.9534.196.4 MPa/480 ℃+给水130 ℃79.9534.476.4 MPa/450℃/430 ℃+给水130 ℃79.9535.0513 MPa/450 ℃/410 ℃+给水温度247 ℃79.9538.80%4.3降低排烟温度热效率及㶲效率，排烟部分的损失与排烟温度和烟气量有关。根据排烟㶲损的计算可知，排烟温度越高，排出烟气量越大，排烟损失就越大。为防止尾部省煤器低温腐蚀，垃圾焚烧锅炉排烟温度一般设计高于190 ℃，但实际运行由于锅炉结焦或积灰造成受热面换热效率降低，排烟温度升至220 ℃左右。因此应增加吹灰频次或增加低温省煤器面积，降低排烟温度至190 ℃左右，减少排烟㶲损。4.4促进垃圾充分燃烧固体和气体未完全燃烧损失是由于垃圾与空气未充分接触，造成垃圾未燃尽。因此应优化燃烧动力场，使垃圾与空气充分混合，选择燃烬率高的焚烧炉，以减少固体和气体未完全燃烧损失。5结语（1）㶲方法能同时体现能量的数量和质量，真实显示锅炉的薄弱环节和损失最大部位，为垃圾焚烧电厂合理用能指明方向。（2）提高蒸汽参数，采用再热技术和提高给水温度可显著提高垃圾焚烧锅炉的㶲效率，是垃圾焚烧行业节能增效的主要发展方向。（3）提高锅炉的能量利用率的其他措施包括：提高垃圾入炉热值；选择燃烧性能好的炉排；通过ANSYS软件优化炉内空气动力场，促进燃烧；同时要及时吹灰，降低排烟温度。