引言：垃圾焚燒是目前垃圾處理的主要方法，焚燒過程中產(chǎn)生的熱量可以用到發(fā)電中，實(shí)現(xiàn)對(duì)能源的循環(huán)利用，減少排放和滿足環(huán)保要求，余熱發(fā)電技術(shù)使用水或者低沸點(diǎn)工質(zhì)發(fā)電已經(jīng)成為回收余熱資源的有效途徑。目前垃圾焚燒廠煙囪入口煙氣溫度在150℃左右，會(huì)造成比較大的余熱損失，利用有機(jī)朗肯循環(huán)進(jìn)行低沸點(diǎn)有機(jī)工質(zhì)發(fā)電可以有效回收低溫余熱，在低品位熱能利用方面具有較大優(yōu)勢(shì)，并且能降低二氧化碳和氮氧化物的排放。

1 垃圾焚燒余熱發(fā)電概述

焚燒是垃圾處理的主要方式之一，垃圾中的廢物將會(huì)被焚燒成二氧化碳和水，釋放出的余熱可以繼續(xù)應(yīng)用到發(fā)電當(dāng)中。相比于填埋、堆肥處理，焚燒法需要占用的空間更小，所以焚燒處理也成為了目前垃圾處理的主流。由于焚燒法會(huì)產(chǎn)生大量余熱，所以利用余熱發(fā)電也成為焚燒垃圾的發(fā)展方向之一。余熱屬于二次能源，主要是指生產(chǎn)過程中被釋放出來的可利用熱能，根據(jù)溫度不同可以劃分為低溫（100-200℃）可利用余熱、中溫（200-500℃）可利用余熱、高溫（500℃以上）可利用余熱。垃圾焚燒廠的煙囪入口150℃左右的余熱屬于低溫余熱，可以利用該余熱進(jìn)入朗肯循環(huán)發(fā)電。

2 垃圾焚燒低溫余熱發(fā)電工藝

2.1 垃圾焚燒低溫余熱發(fā)電工藝處理流程

垃圾焚燒低溫余熱發(fā)電系統(tǒng)包括垃圾接收系統(tǒng)、垃圾焚燒系統(tǒng)、熱能利用系統(tǒng)、煙氣處理系統(tǒng)、爐灰渣處理系統(tǒng)等。垃圾焚燒發(fā)電廠中，垃圾進(jìn)廠后經(jīng)過地磅房稱重后送入卸料大廳；為了能提升垃圾的熱值，垃圾倉(cāng)內(nèi)的垃圾會(huì)發(fā)酵5-7天，通過垃圾吊倒料，形成的滲濾液收集到專門的滲濾液池，將發(fā)酵好地抓入垃圾料斗。垃圾焚燒在專門的焚燒爐中進(jìn)行，會(huì)經(jīng)過干燥段爐排、燃燒段爐排和燃燼段爐排使垃圾充分燃燒，根據(jù)規(guī)范規(guī)定，需要將煙氣的溫度控制在850℃以上，保證停留時(shí)間超過2秒。

利用中、高溫余熱時(shí)，垃圾焚燒的煙氣進(jìn)入余熱鍋爐中，通過鍋爐受熱面?zhèn)鬟f熱量，然后加熱鍋爐工質(zhì)，工質(zhì)蒸發(fā)推動(dòng)汽輪機(jī)組發(fā)電。在煙氣處理工作中，將余熱鍋爐排出的煙氣引入到半干式脫酸反應(yīng)塔旋轉(zhuǎn)霧化器中，用堿性液體吸收煙氣中的酸性物質(zhì)；后續(xù)煙氣經(jīng)過活性炭噴射系統(tǒng)、布袋除塵器后進(jìn)入到排放煙囪中，煙囪上的在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)排放過程實(shí)施監(jiān)控。

2.2 煙氣余熱利用ORC系統(tǒng)

余熱鍋爐排出的煙氣經(jīng)脫酸、除塵等凈化處理后，煙氣溫度在150℃左右，低溫余熱仍可進(jìn)一步利用。在煙氣低溫余熱利用ORC系統(tǒng)中，利用有機(jī)工質(zhì)進(jìn)行朗肯循環(huán)，其系統(tǒng)配置如圖1所示，有機(jī)工質(zhì)在蒸發(fā)器內(nèi)定壓吸熱，然后在膨脹機(jī)內(nèi)絕熱做功，乏汽在冷凝器中定壓放熱，最后在工質(zhì)泵內(nèi)進(jìn)行絕熱壓縮，再回到原來的動(dòng)力循環(huán)過程。使用有機(jī)工質(zhì)可以比較好地利用低溫余熱，提升系統(tǒng)的能源利用效率，并降低二氧化碳排放，系統(tǒng)的熱源利用效率會(huì)有比較大的提升，從而充分帶動(dòng)系統(tǒng)發(fā)電，讓系統(tǒng)的熱能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，乏汽可以凝結(jié)為液態(tài)達(dá)到回收能源的目的。

3 垃圾焚燒低溫?zé)煔庥酂岚l(fā)電工質(zhì)選擇

3.1 工質(zhì)選擇的基本原則

ORC發(fā)電系統(tǒng)的工質(zhì)選擇十分重要，選擇過程中應(yīng)該充分考慮工質(zhì)的經(jīng)濟(jì)性、安全性和技術(shù)性。工質(zhì)必須具有較低的臨界溫度和臨界壓力，較低的蒸汽過熱要求并且粘度較低，以及較小的體積比，工質(zhì)應(yīng)具有適當(dāng)?shù)臒岱€(wěn)定極限，和發(fā)動(dòng)機(jī)材料、潤(rùn)滑油都具有較好的相容性。

除性能要求外，工質(zhì)也要滿足環(huán)保的要求，而且要控制工質(zhì)的毒性和滿足化學(xué)穩(wěn)定性要求，在經(jīng)濟(jì)性上也要足夠低廉，并且輸送儲(chǔ)存都比較方便。

3.2 煙氣余熱利用ORC系統(tǒng)

選擇工質(zhì)時(shí)，最重要的在于工質(zhì)的熱力學(xué)性能，將會(huì)決定設(shè)備的尺寸、穩(wěn)定性、環(huán)保水平很經(jīng)濟(jì)性。本文對(duì)常用工質(zhì)R245fa、R600a和R601a進(jìn)行比較進(jìn)行比較。圖1、圖2分別為系統(tǒng)的配置和循環(huán)對(duì)應(yīng)的T-s圖，有機(jī)工質(zhì)在蒸發(fā)器定壓吸熱（4-1過程），然后在膨脹機(jī)內(nèi)絕熱膨脹做功（1-2過程），從而帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，乏汽在冷凝器完成定壓放熱（2-3過程），最后通過工質(zhì)泵內(nèi)進(jìn)行絕熱壓縮（4-1過程）, 然后再回到蒸發(fā)器，完成有機(jī)朗肯循環(huán)。

圖1 ORC余熱發(fā)電

圖2 ORC循環(huán)T-s

1-2過程為絕熱做功過程，做工的計(jì)算公式為：

2-3定壓放熱過程，放熱為：

3-4過程是絕熱壓縮過程：

4-1過程是定壓吸熱過程，吸熱為：

系統(tǒng)的循環(huán)熱效率為

3.3 計(jì)算結(jié)果分析

ORC系統(tǒng)凈輸出功率隨著蒸發(fā)溫度升高先增大后減小，如圖3所示，在蒸發(fā)溫度范圍內(nèi)，三種工質(zhì)的最大凈輸出功率為385kW、365kW、350kW，三種工質(zhì)達(dá)到最大凈輸出功率時(shí)溫度為100℃、95℃和90℃。根據(jù)工質(zhì)的參數(shù)數(shù)據(jù)，工質(zhì)的臨界溫度越低，系統(tǒng)就會(huì)有越大的凈輸出功率，就需要越高的蒸發(fā)溫度。所以為了獲得較高系統(tǒng)輸出功率，應(yīng)該選擇臨界溫度更小的工質(zhì)。

圖3 發(fā)電功率和蒸發(fā)溫度的關(guān)系

根據(jù)圖4結(jié)果，系統(tǒng)的熱效率隨著蒸發(fā)溫度的升高增大，蒸發(fā)溫度相同時(shí)，隨著工質(zhì)臨界溫度的升高，系統(tǒng)的熱效率逐漸降低。

圖4 發(fā)電效率隨蒸發(fā)溫度的變化

ORC系統(tǒng)排煙溫度隨著蒸發(fā)溫度變化的關(guān)系如圖5所示，系統(tǒng)的排煙溫度隨著蒸發(fā)溫度的升高而升高，在蒸發(fā)溫度相同的情況下，工質(zhì)的臨界溫度越低，系統(tǒng)就的排煙溫度就會(huì)越低。

圖5 排煙溫度隨蒸發(fā)溫度的變化

經(jīng)過上述分析，ORC系統(tǒng)的蒸發(fā)溫度應(yīng)該控制在70-11℃，并且系統(tǒng)的凈輸出功存在極大值，綜合分析工質(zhì)對(duì)環(huán)境影響潛能值，使用R600a工質(zhì)比較有效，根據(jù)蒸發(fā)溫度為100℃設(shè)計(jì)，ORC系統(tǒng)可以獲得385kW的發(fā)電功率，全年可以節(jié)約950噸標(biāo)煤，并減少2250噸二氧化碳，以及降低氮氧化物的排放，有非常好的節(jié)能減排效果。

結(jié)束語(yǔ)：垃圾焚燒低溫余熱發(fā)電的系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)人員應(yīng)該了解不同工質(zhì)的屬性，并根據(jù)系統(tǒng)的要求正確選擇工質(zhì)；有工質(zhì)的蒸發(fā)溫度，對(duì)發(fā)電功率、發(fā)電效率和排煙溫度有顯著影響，工質(zhì)選擇時(shí)應(yīng)予以綜合考慮。