1MW生物質等固廢物氣化熱解－余熱發(fā)電工程概念設計
0概況
二十世紀末，垃圾潔凈焚燒處理技術之一的氣化熱解技術有了長足進步,。一些外商,，例如芬蘭推出生物質、煤,、天然氣混合燃料的發(fā)電供熱設備,，降低燃料成本；挪威發(fā)展小規(guī)模氣化和燃燒裝置,，每年可處理上千噸固廢物,，將多種垃圾轉換成電能和熱能，煙氣污染物排放量降低到很低的水準,，達到歐盟環(huán)保法規(guī)要求,。
該技術可處理各種垃圾，包括生物質廢料,，如木屑,、樹皮，來自城市或工業(yè)區(qū)的垃圾及衍生物,，也適用液態(tài)廢料如油類,、溶劑等，廢料的含水率可達60％左右,。
多年的運行表明：氣化熱解焚燒方式對生物質,、各類垃圾有著很好的適應性。同時,，大大加快氣化熱解方式的余熱利用,、熱電聯(lián)產設備的商業(yè)化。
生物質如秸稈,、薪柴,、谷殼等是我國廣大農村居民的主要生活燃料，也是實施農村現(xiàn)代化的動力資源,。隨著農村城鎮(zhèn)現(xiàn)代化發(fā)展,，同樣農村經濟可持續(xù)發(fā)展與環(huán)保的矛盾也相當突出,。大量產生的城鎮(zhèn)生活垃圾以及工業(yè)垃圾積滿為患，已經到了非整治不可的地步,。為了盡快緩解這一矛盾,，在城鎮(zhèn)地區(qū)建設生物質、固體廢棄物的小容量熱電站已經成為農村城鎮(zhèn)現(xiàn)代化發(fā)展的必然,。
1999年國內引進氣化熱解垃圾處理技術,，經過消化吸收，進行二次創(chuàng)新,，成功地開發(fā)了系列產品 [,。目前已在江蘇、上海等地區(qū)先后建成多座小容量的氣化熱解垃圾處理裝置,。最近,，我國首套固廢物氣化熱解、余熱利用示范機組投運成功,，這標志著我國環(huán)保技術和裝備已經進入新的里程碑。
因此,，本概念設計的裝備由余熱鍋爐－蒸汽發(fā)電機組及國產化的氣化熱解處理裝置組成,。以高起點、高標準,、低排放為原則制造出具有中國特色的生物質,、固體廢棄物處理設備，實現(xiàn)處理無害化,、減量化,、資源化。
1概念設計
概念設計目標：為農村城鎮(zhèn)地區(qū)現(xiàn)代化提供經濟適用型生物質,、固體廢棄物焚燒處理發(fā)電站,。
1.1設計規(guī)摸
建設規(guī)模：擬建一座示范性1MW生物質、固體廢棄物焚燒發(fā)電站,。
廢物處理量：30t／日～50t／日,。
1.2設計條件
(1)處理廢物種類：秸稈、城鎮(zhèn)生活垃圾,、工業(yè)固體廢棄物,。
(2)設備型號參數(shù)見表1。
表1 |
(3)處理方法
物料一次投入,、氣化熱解燃燒方式,。
配置A、B熱解氣化爐,。A,、B爐交替氣化,，間斷運行；燃燒爐,、煙氣凈化系統(tǒng)等設備連續(xù)運行,。
(4)作業(yè)條件
手動／機械投料、出灰,、自動點火,。
(5)物料儲存
料倉可設計成帶垃圾坑的廠房結構，儲量為5天,。
(6)垃圾組成與灰處理
物料組成：暫按假定,。
處理后的灰渣：衛(wèi)生填埋。
(7)輔助燃料
點爐,、穩(wěn)燃用燃料：木柴,、煙煤。
輔助燃料：輕油／天然氣,。
(8)焚燒站占地面積
垃圾焚燒站場地規(guī)劃面積約為2000m2,。
(9)供電條件
低壓電壓380V
照明電壓220V
控制電流：4mA--20mA
頻率50Hz
1.3工藝原理與特點
該裝置采用完全控氧狀態(tài)下的熱分解垃圾工藝，即把垃圾的投入和灰化處理區(qū)域與氣化氣燃燒區(qū)域完全分離,，采用專用可編程控制器對氣化速度,、燃燒溫度、壓力控制,、變頻控制實施全過程的自動化管理,。從根本上防止二次污染，抑制二曝英的產生,。同時,，尾氣凈化采用布袋除塵器和中和反應裝置，除去SO2,、HCl等有害氣體,。在燃燒爐出口端配置余熱鍋爐，所產生的蒸汽驅動蒸汽輪機發(fā)電,。
1.3.1靜態(tài)氣化熱解工藝
本機組氣化爐設計為缺氧空氣系統(tǒng),，燃燒爐則設計為過量空氣系統(tǒng)。所謂少量空氣即助燃空氣未達燃燒理論空氣量,，其燃燒過程變成熱解,、氣化過程；而過量空氣即供應的助燃空氣超過燃燒理論空氣量,，使進入燃燒爐的廢氣能完全燃燒,。
在處理垃圾時，首先供給小風量空氣,，在氣化爐內形成650℃左右的垃圾熱解區(qū)域,，在燃燒爐中再以微過量助燃空氣將燃燒溫度提升到850℃以上溫度,，完全燃盡碳氫化合物。該過程中,，垃圾自燃過程達到93％以上,。在燃燒爐高溫穩(wěn)定燃燒過程中，設計保證其燃燒室出口煙氣溫度大于850℃,，滯留時間2s以上,，確保抑制二惡英類有毒有害物質的產生。
本裝置是一個將垃圾高溫,、穩(wěn)定燃燒,、熱能有效利用與操作系統(tǒng)自動化相結合的高科技處理系統(tǒng)。
垃圾焚燒處理決不允許二次污染,。優(yōu)良的操控系統(tǒng)必須能經濟有效地控制各類固體廢棄物焚燒處理的污染物排放量,，特別是二晤英這類劇毒物。在同類氣化熱解裝置上已獲得優(yōu)異成績,，實測二惡英為0.18ngTEQ／Nm,，低于國家標準允許排放的五分之一。
尾部煙氣經凈化處理后,，應完全達到或超過中國GB18485—2001《生活垃圾焚燒污染控制標準》的要求,。
1.3.2靜態(tài)氣化熱解爐的技術特點
熱解氣化爐與常見的焚燒爐在系統(tǒng)結構和性能上有著很大差別。表2為不同焚燒爐型比較,。
表2 |
1.4技術方案
1.4.1工藝流程
本項目1Mw生物質電站采用氣化、熱解焚燒技術和常規(guī)蒸汽發(fā)電技術的優(yōu)化組合,。生物質處理裝置由投料裝置,、氣化爐、燃燒爐,、余熱鍋爐,、布袋除塵器、中和反應裝置,、發(fā)電裝置等部分組成,。系統(tǒng)工藝流程見圖1。
 圖1氣化,、熱解處理工藝流程 |
1.4.2燃燒系統(tǒng)設備特點與性能
(1)氣化爐
物料一次投入,，產出可燃氣體。氣化爐中物料處于靜止,、低溫的氣化狀態(tài),，對爐體的損傷極小。水冷卻氣化爐結構,，降低爐壁溫度,，爐體壽命長,。采用自動點火，點火時間短,。
(2)噴燃爐
摻入二次空氣助燃,。可燃氣自燃,、不需要噴油助燃時,，噴油裝置自動停止。
(3)燃燒爐
噴燃爐內的燃燒火焰在燃燒爐內旋轉回流強化燃燒,，其逗留時間為2s以上,，有效分解有害臭氣和多氯化合物，抑制二惡英類物質的產生全自動溫度控制,，CO濃度控制在50mg／kg以下
(4)尾部處理裝置,、引風機及煙道
煙氣經過余熱鍋爐及熱交換器冷卻后，由布袋除塵器凈化處理,。通過中和反應裝置噴鈣,、活性炭，在煙道和布袋壁去除煙氣中的HCl,、SO2等酸性氣體,。周波數(shù)控制引風機，調節(jié)爐內壓力,，平衡通風,。
1.5余熱發(fā)電機組
1.5.1余熱鍋爐
從燃燒爐排出的高溫煙氣進入余熱鍋爐冷卻，鍋爐工質被加熱產生飽和蒸汽,，再經過熱器加熱到額定過熱溫度,。
額定蒸發(fā)量：6500kg／h
蒸汽壓力：1.38MPa
蒸汽溫度：350℃
給水溫度：50℃
排煙溫度：250℃
1.5.2蒸汽發(fā)電機組
利用余熱鍋爐過熱蒸汽發(fā)電，實現(xiàn)熱電轉換,。
汽輪機：
型式：凝汽式
額定流量：6500kg／h
主汽門前蒸汽溫度：340℃
主汽門前絕對壓力：1.28MPa(A)
發(fā)電機：
額定功率：1000kW
出線電壓：400V
轉速：1500r／min
頻率：50Hz
1.6熱控系統(tǒng)
本工程自動控制以可靠為原則采用先進,、成熟、實用的自控系統(tǒng),，配專用可編程序控制器,、專用智能儀表、變頻器,?？刂圃O備可手動、自動切換,。
微機監(jiān)控裝置主要功能：
●主要熱力參數(shù)控制
●CRT屏幕顯示系統(tǒng)及報警畫面
●現(xiàn)場數(shù)據(jù)自動采集,，制表打印、事件記錄
●熱工檢測,、聯(lián)鎖,、保護,、報警等功能全程控制包括：
●A、B氣化爐交替氣化,，燃燒爐不問斷地燃燒自動調節(jié)
●冷卻水處理系統(tǒng),、冷卻水位自動調節(jié)系統(tǒng)
●氣化爐自動投料、灰化系統(tǒng),，自動出灰系統(tǒng)
●蒸汽汽輪發(fā)電部分
2系統(tǒng)簡介
垃圾焚燒發(fā)電站主要由垃圾焚燒前處理系統(tǒng),、氣化爐進料及出灰系統(tǒng)、焚燒系統(tǒng),、煙氣凈化處理系統(tǒng)和發(fā)電設備組成,。其中焚燒系統(tǒng)和煙氣凈化處理系統(tǒng)較為突出，介紹如下：
2.1焚燒系統(tǒng)
2.1.1氣化,、燃燒爐(圖2)
 圖2 熱解氣化爐原理圖 |
2.1.2噴燃爐
A,、B兩爐的氣體交替地匯集于噴燃爐，由電腦控制所需燃燒空氣和燃油量,，在設定溫度下使來自氣化爐的可燃氣體燃燒,。系統(tǒng)配備自動點火器、輕油霧化器,。
2.1.3燃燒爐
燃燒爐補燃二次空氣量由電腦操控,。燃燒爐加裝垃圾滲瀝水霧化裝置，由溫控確定滲瀝水裝置的投切,。
2.2煙氣凈化處理系統(tǒng)
2.2.1中和反應裝置和活性炭加入裝置
在余熱鍋爐與布袋除塵器之間設置消石灰活性炭噴注裝置,。根據(jù)在線煙氣分析儀信號，實時調節(jié)消石灰量,。
2.2.2布袋除塵器
采用技術成熟的低壓脈沖袋式布袋除塵器PlC控制器控制,。
3關鍵問題
3.1系統(tǒng)匹配
國內氣化熱解爐已投運多臺，也有配余熱利用裝置的,，如氣氣熱交換器?？墒?，在交替投運的氣化熱解爐系統(tǒng)上加裝臥式水管鍋爐、氣氣熱交換器,、布袋除塵器后,，盡管配置設備質量尚好，但在設備總體上仍發(fā)生一些參數(shù)匹配的問題,。
3.1.1氣化熱解爐的運行特殊性
由氣化熱解爐的運行特點可知：A,、B爐交替投運方式與常規(guī)連續(xù)運行的焚燒爐有著較大的差別，即煙氣成分有著很大的不連續(xù)性,。正常啟動時,，先開啟引,、送風機，點燃噴燃爐油霧化器,，氣體溫度達400℃左右,。大約40rain后，氣化熱解爐點火啟動,。在物料加熱溫度逐漸升到600℃左右,，不同溫度區(qū)域便有不同組分的氣體揮發(fā)出來最先揮發(fā)的氣體為水蒸汽，隨物料不斷干燥,、繼續(xù)升溫,，水蒸汽成分消失，有機揮發(fā)分成分增加,，物料漸漸炭化,，直到完全熱解、灰化,。特別是氣化爐剛剛投運時,，爐內物料隨溫度升高而釋放大量水蒸氣。這時候爐內溫度緩慢上升,，其時間的長短視物料水分多少而定,。在這段時間內，投輕油,，燃燒廢氣,，進行除臭處理，預熱燃燒爐,、管道等設備,。若系統(tǒng)不設煙氣旁路系統(tǒng)，則煙道下游的設備進口煙溫必然很低,，落在煙氣酸露點區(qū)域,，導致設備的損壞，輕則設備積灰,、腐蝕,；重則堵塞、爛穿,。
3.1.2煙溫控制點
垃圾成分極其復雜,，對焚燒系統(tǒng)的運行穩(wěn)定性影響極大，尤其是煙氣溫度的變化,。顯然,，余熱利用設備、布袋除塵器的煙氣溫度控制特別重要一般地說，尾氣排放溫度控制在150℃～180℃間是比較合理的,。同樣,，當氣化熱解系統(tǒng)排煙溫度低于下限時，很容易發(fā)生設備結露,、堵塞,，甚至腐蝕，布袋除塵器的煙氣阻力劇增,。
3.1.3吹掃系統(tǒng)
盡管氣化熱解爐有煙塵較少的特點,，但在余熱利用設備上仍應予重視。
3.1.4中和系統(tǒng)
目前,，干法中和裝置的噴粉量缺少反饋信號的控制,。因而，無法判明煙氣酸氣量,，這也往往導致煙氣尾部設備酸腐蝕現(xiàn)象的發(fā)生,。
3.1.5布袋除塵器運行參數(shù)
布袋除塵器最適合于焚燒煙氣的凈化。根據(jù)煙氣的成分確定運行參數(shù),，經濟地選擇布袋材料是保證設備使用壽命的必要條件,。氣化熱解系統(tǒng)的特殊性必須與布袋除塵器運行要求一致時，才能物盡其用,，收到最佳效果,。當然，布袋除塵器最忌火星煙塵,，尤其是運行初期布袋過濾餅太薄時,。防火星問題應在系統(tǒng)上予以解決。另外,，布袋除塵器應配備蒸汽伴管或電加熱裝置,，防止卸灰不暢。
3.2鍋爐的高溫腐蝕
焚燒煙氣中的酸氣(HC1,、SO2等)對鍋爐受熱面的安全運行影響很大,。特別是余熱鍋爐工質參數(shù)提高到一定值以上時，鍋爐受熱面管壁金屬溫度與腐蝕速度有著直接關聯(lián),。在常規(guī)焚燒爐上工質蒸汽溫度提高到過熱溫度350℃以上時,，腐蝕速度加劇。
國內對碳鋼材料的高溫腐蝕進行了大量研究,，已獲得鍋爐過熱器入口溫度950℃～800℃時的高溫腐蝕特性和管壁沾污特性的數(shù)據(jù)。然而,，在氣化熱解爐加裝水管蒸汽鍋爐的系統(tǒng)上將會產生怎樣的問題還有待進一步研究,。
3.3運行管理
氣化熱解爐對各類垃圾的焚燒有著良好的適應性。它可以通過不同熱值垃圾的摻混，均衡爐料的熱量,。它可以燃燒干,、濕交替混進的物料，對于熱值太低的垃圾,，可在氣化爐底部先放一層煤,，后放焚燒物。這一特性已在氣化熱解爐上得到驗證,?？墒牵跉饣療峤鉅t上實現(xiàn)垃圾資源再生利用時,，應遵照穩(wěn)定,、可靠、經濟的原則加強設備的運行管理,，必須制定嚴格的操作規(guī)程,。氣化熱解爐運行表明，違背了正常的管理操作程序,，就容易導致運行事故及設備的損壞,。
4技術經濟分析
4.1技術指標
設備運行時水、電,、油消耗量見表3,。
表3 |
4.2經濟效益分析
根據(jù)本技術方案，在農村城鎮(zhèn)地區(qū)建立獨立的能源自給體系,，即生物質,、固體廢棄物直接轉換電能，再生能源可供居民使用,。這種自然資源或固體廢棄物轉換成清潔能源的循環(huán)體系大大支持城鎮(zhèn)現(xiàn)代化的進程,，既清潔地區(qū)環(huán)境，又利用資源,，化廢為寶,，其社會效益顯而易見。
生物質氣化－蒸汽輪機發(fā)電系統(tǒng)項目經濟效益估算：
發(fā)電能力1000kW
年運行時間8000h
電力輸出(除廠用電外)600萬度／年
生物質價格80元／t
生物質消耗1.4kg／kWh
生物質成本89.6萬元／年
人工管理費32萬元／年
維修費30萬元／年
發(fā)電成本0.236元／kWh
售電價0.50元／kWh
利稅148萬元／年
由計算可見,，盡管小發(fā)電效率不高,，由于設備可靠性好，投運率高,，且運行管理人員少,，因而生物質氣化.汽輪發(fā)電機組的發(fā)電成本約為0.25元／kWh。設備投產后,，每年可收益約148萬元,。
垃圾處理的經濟收益：
按城鎮(zhèn)地域人口的垃圾產出量估算，日處理量約10t。生活垃圾處理費價格為300元／t～40元／t,，工業(yè)垃圾處理費平均價約1000元／t,，則每年至少可收入130萬元。項目投資可在投產后4年～5年內回收,。
在農村城鎮(zhèn)建設生物質氣化,、汽輪發(fā)電機組的經濟性格外引人注目。
5結語
綜上所述,，該機組能有效地處理農村大量剩余生物質,，如秸稈、薪柴,、谷殼,、城鎮(zhèn)生活垃圾等各類垃圾；也可處理液態(tài)廢料,，如油類,、溶劑等，可處理高水分垃圾,；可用煙煤鋪墊補充垃圾熱值,，干濕搭配，可謂食譜寬廣,。
該機組設計額定日處理垃圾約50t／天,。這種氣化熱解裝置能適應固體廢棄物散裝、包裝的收集特點,，不需要垃圾前處理,，大大簡化處理系統(tǒng)。
靜態(tài)氣化熱解裝置上已獲得優(yōu)異的環(huán)保排放指標,，實測二惡英0.18ngTEQ／Nm,，低于國家標準允許排放的五分之一。垃圾氣化熱解處理是當代最潔凈的焚燒技術之一,。
在農村城鎮(zhèn)建設發(fā)電能力100kw的生物質氣化－汽輪發(fā)電機性的經濟性引人注目,，項目投資可在投產后4年～5年內回收。
固廢物氣化熱解,、余熱利用一體化,，充分體現(xiàn)出經濟價值。它必將為我國農村城鎮(zhèn)現(xiàn)代化作出應有的貢獻,。
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