1MW生物質(zhì)等固廢物氣化熱解－余熱發(fā)電工程概念設(shè)計(jì)
0概況
二十世紀(jì)末，垃圾潔凈焚燒處理技術(shù)之一的氣化熱解技術(shù)有了長(zhǎng)足進(jìn)步。一些外商，例如芬蘭推出生物質(zhì)、煤、天然氣混合燃料的發(fā)電供熱設(shè)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(zhuǎn)換成電能和熱能，煙氣污染物排放量降低到很低的水準(zhǔn)，達(dá)到歐盟環(huán)保法規(guī)要求。
該技術(shù)可處理各種垃圾，包括生物質(zhì)廢料，如木屑、樹皮，來(lái)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(dá)60％左右。
多年的運(yùn)行表明：氣化熱解焚燒方式對(duì)生物質(zhì)、各類垃圾有著很好的適應(yīng)性。同時(shí)，大大加快氣化熱解方式的余熱利用、熱電聯(lián)產(chǎn)設(shè)備的商業(yè)化。
生物質(zhì)如秸稈、薪柴、谷殼等是我國(guó)廣大農(nóng)村居民的主要生活燃料，也是實(shí)施農(nóng)村現(xiàn)代化的動(dòng)力資源。隨著農(nóng)村城鎮(zhèn)現(xiàn)代化發(fā)展，同樣農(nóng)村經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展與環(huán)保的矛盾也相當(dāng)突出。大量產(chǎn)生的城鎮(zhèn)生活垃圾以及工業(yè)垃圾積滿為患，已經(jīng)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(shè)生物質(zhì)、固體廢棄物的小容量熱電站已經(jīng)成為農(nóng)村城鎮(zhèn)現(xiàn)代化發(fā)展的必然。
1999年國(guó)內(nèi)引進(jìn)氣化熱解垃圾處理技術(shù)，經(jīng)過消化吸收，進(jìn)行二次創(chuàng)新，成功地開發(fā)了系列產(chǎn)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(guó)首套固廢物氣化熱解、余熱利用示范機(jī)組投運(yùn)成功，這標(biāo)志著我國(guó)環(huán)保技術(shù)和裝備已經(jīng)進(jìn)入新的里程碑。
因此，本概念設(shè)計(jì)的裝備由余熱鍋爐－蒸汽發(fā)電機(jī)組及國(guó)產(chǎn)化的氣化熱解處理裝置組成。以高起點(diǎn)、高標(biāo)準(zhǔn)、低排放為原則制造出具有中國(guó)特色的生物質(zhì)、固體廢棄物處理設(shè)備，實(shí)現(xiàn)處理無(wú)害化、減量化、資源化。
1概念設(shè)計(jì)
概念設(shè)計(jì)目標(biāo)：為農(nóng)村城鎮(zhèn)地區(qū)現(xiàn)代化提供經(jīng)濟(jì)適用型生物質(zhì)、固體廢棄物焚燒處理發(fā)電站。
1.1設(shè)計(jì)規(guī)摸
建設(shè)規(guī)模：擬建一座示范性1MW生物質(zhì)、固體廢棄物焚燒發(fā)電站。
廢物處理量：30t／日～50t／日。
1.2設(shè)計(jì)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(shè)備型號(hào)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(yùn)行；燃燒爐、煙氣凈化系統(tǒng)等設(shè)備連續(xù)運(yùn)行。
(4)作業(yè)條件
手動(dòng)／機(jī)械投料、出灰、自動(dòng)點(diǎn)火。
(5)物料儲(chǔ)存
料倉(cāng)可設(shè)計(jì)成帶垃圾坑的廠房結(jié)構(gòu)，儲(chǔ)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(diǎn)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(chǎng)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(diǎn)
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(duì)氣化速度、燃燒溫度、壓力控制、變頻控制實(shí)施全過程的自動(dòng)化管理。從根本上防止二次污染，抑制二曝英的產(chǎn)生。同時(shí)，尾氣凈化采用布袋除塵器和中和反應(yīng)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(chǎn)生的蒸汽驅(qū)動(dòng)蒸汽輪機(jī)發(fā)電。
1.3.1靜態(tài)氣化熱解工藝
本機(jī)組氣化爐設(shè)計(jì)為缺氧空氣系統(tǒng)，燃燒爐則設(shè)計(jì)為過量空氣系統(tǒng)。所謂少量空氣即助燃空氣未達(dá)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(yīng)的助燃空氣超過燃燒理論空氣量，使進(jìn)入燃燒爐的廢氣能完全燃燒。
在處理垃圾時(shí)，首先供給小風(fēng)量空氣，在氣化爐內(nèi)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?xì)浠衔。該過程中，垃圾自燃過程達(dá)到93％以上。在燃燒爐高溫穩(wěn)定燃燒過程中，設(shè)計(jì)保證其燃燒室出口煙氣溫度大于850℃，滯留時(shí)間2s以上，確保抑制二惡英類有毒有害物質(zhì)的產(chǎn)生。
本裝置是一個(gè)將垃圾高溫、穩(wěn)定燃燒、熱能有效利用與操作系統(tǒng)自動(dòng)化相結(jié)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(jīng)濟(jì)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(jī)，實(shí)測(cè)二惡英為0.18ngTEQ／Nm，低于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)允許排放的五分之一。
尾部煙氣經(jīng)凈化處理后，應(yīng)完全達(dá)到或超過中國(guó)GB18485—2001《生活垃圾焚燒污染控制標(biāo)準(zhǔn)》的要求。
1.3.2靜態(tài)氣化熱解爐的技術(shù)特點(diǎn)
熱解氣化爐與常見的焚燒爐在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(shù)方案
1.4.1工藝流程
本項(xiàng)目1Mw生物質(zhì)電站采用氣化、熱解焚燒技術(shù)和常規(guī)蒸汽發(fā)電技術(shù)的優(yōu)化組合。生物質(zhì)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(yīng)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(shè)備特點(diǎn)與性能
(1)氣化爐
物料一次投入，產(chǎn)出可燃?xì)怏w。氣化爐中物料處于靜止、低溫的氣化狀態(tài)，對(duì)爐體的損傷極小。水冷卻氣化爐結(jié)構(gòu)，降低爐壁溫度，爐體壽命長(zhǎng)。采用自動(dòng)點(diǎn)火，點(diǎn)火時(shí)間短。
(2)噴燃爐
摻入二次空氣助燃？扇?xì)庾匀、不需要噴油助燃時(shí)，噴油裝置自動(dòng)停止。
(3)燃燒爐
噴燃爐內(nèi)的燃燒火焰在燃燒爐內(nèi)旋轉(zhuǎn)回流強(qiáng)化燃燒，其逗留時(shí)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(zhì)的產(chǎn)生全自動(dòng)溫度控制，CO濃度控制在50mg／kg以下
(4)尾部處理裝置、引風(fēng)機(jī)及煙道
煙氣經(jīng)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(yīng)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(fēng)機(jī)，調(diào)節(jié)爐內(nèi)壓力，平衡通風(fēng)。
1.5余熱發(fā)電機(jī)組
1.5.1余熱鍋爐
從燃燒爐排出的高溫?zé)煔膺M(jìn)入余熱鍋爐冷卻，鍋爐工質(zhì)被加熱產(chǎn)生飽和蒸汽，再經(jīng)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(jī)組
利用余熱鍋爐過熱蒸汽發(fā)電，實(shí)現(xiàn)熱電轉(zhuǎn)換。
汽輪機(jī)：
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(duì)壓力：1.28MPa(A)
發(fā)電機(jī)：
額定功率：1000kW
出線電壓：400V
轉(zhuǎn)速：1500r／min
頻率：50Hz
1.6熱控系統(tǒng)
本工程自動(dòng)控制以可靠為原則采用先進(jìn)、成熟、實(shí)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(shè)備可手動(dòng)、自動(dòng)切換。
微機(jī)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(bào)警畫面
●現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)自動(dòng)采集，制表打印、事件記錄
●熱工檢測(cè)、聯(lián)鎖、保護(hù)、報(bào)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(dòng)調(diào)節(jié)
●冷卻水處理系統(tǒng)、冷卻水位自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)
●氣化爐自動(dòng)投料、灰化系統(tǒng)，自動(dòng)出灰系統(tǒng)
●蒸汽汽輪發(fā)電部分
2系統(tǒng)簡(jiǎn)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(jìn)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(shè)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(shè)定溫度下使來(lái)自氣化爐的可燃?xì)怏w燃燒。系統(tǒng)配備自動(dòng)點(diǎn)火器、輕油霧化器。
2.1.3燃燒爐
燃燒爐補(bǔ)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(yīng)裝置和活性炭加入裝置
在余熱鍋爐與布袋除塵器之間設(shè)置消石灰活性炭噴注裝置。根據(jù)在線煙氣分析儀信號(hào)，實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)消石灰量。
2.2.2布袋除塵器
采用技術(shù)成熟的低壓脈沖袋式布袋除塵器PlC控制器控制。
3關(guān)鍵問題
3.1系統(tǒng)匹配
國(guó)內(nèi)氣化熱解爐已投運(yùn)多臺(tái)，也有配余熱利用裝置的，如氣氣熱交換器？墒，在交替投運(yùn)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(shè)備質(zhì)量尚好，但在設(shè)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(yùn)行特殊性
由氣化熱解爐的運(yùn)行特點(diǎn)可知：A、B爐交替投運(yùn)方式與常規(guī)連續(xù)運(yùn)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(dòng)時(shí)，先開啟引、送風(fēng)機(jī)，點(diǎn)燃噴燃爐油霧化器，氣體溫度達(dá)400℃左右。大約40rain后，氣化熱解爐點(diǎn)火啟動(dòng)。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(lái)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(jī)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(yùn)時(shí)，爐內(nèi)物料隨溫度升高而釋放大量水蒸氣。這時(shí)候爐內(nèi)溫度緩慢上升，其時(shí)間的長(zhǎng)短視物料水分多少而定。在這段時(shí)間內(nèi)，投輕油，燃燒廢氣，進(jìn)行除臭處理，預(yù)熱燃燒爐、管道等設(shè)備。若系統(tǒng)不設(shè)煙氣旁路系統(tǒng)，則煙道下游的設(shè)備進(jìn)口煙溫必然很低，落在煙氣酸露點(diǎn)區(qū)域，導(dǎo)致設(shè)備的損壞，輕則設(shè)備積灰、腐蝕；重則堵塞、爛穿。
3.1.2煙溫控制點(diǎn)
垃圾成分極其復(fù)雜，對(duì)焚燒系統(tǒng)的運(yùn)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(shè)備、布袋除塵器的煙氣溫度控制特別重要一般地說(shuō)，尾氣排放溫度控制在150℃～180℃間是比較合理的。同樣，當(dāng)氣化熱解系統(tǒng)排煙溫度低于下限時(shí)，很容易發(fā)生設(shè)備結(jié)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(diǎn)，但在余熱利用設(shè)備上仍應(yīng)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(hào)的控制。因而，無(wú)法判明煙氣酸氣量，這也往往導(dǎo)致煙氣尾部設(shè)備酸腐蝕現(xiàn)象的發(fā)生。
3.1.5布袋除塵器運(yùn)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(yùn)行參數(shù)，經(jīng)濟(jì)地選擇布袋材料是保證設(shè)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(yùn)行要求一致時(shí)，才能物盡其用，收到最佳效果。當(dāng)然，布袋除塵器最忌火星煙塵，尤其是運(yùn)行初期布袋過濾餅太薄時(shí)。防火星問題應(yīng)在系統(tǒng)上予以解決。另外，布袋除塵器應(yīng)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(duì)鍋爐受熱面的安全運(yùn)行影響很大。特別是余熱鍋爐工質(zhì)參數(shù)提高到一定值以上時(shí)，鍋爐受熱面管壁金屬溫度與腐蝕速度有著直接關(guān)聯(lián)。在常規(guī)焚燒爐上工質(zhì)蒸汽溫度提高到過熱溫度350℃以上時(shí)，腐蝕速度加劇。
國(guó)內(nèi)對(duì)碳鋼材料的高溫腐蝕進(jìn)行了大量研究，已獲得鍋爐過熱器入口溫度950℃～800℃時(shí)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(huì)產(chǎn)生怎樣的問題還有待進(jìn)一步研究。
3.3運(yùn)行管理
氣化熱解爐對(duì)各類垃圾的焚燒有著良好的適應(yīng)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(jìn)的物料，對(duì)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(yàn)證？墒，在氣化熱解爐上實(shí)現(xiàn)垃圾資源再生利用時(shí)，應(yīng)遵照穩(wěn)定、可靠、經(jīng)濟(jì)的原則加強(qiáng)設(shè)備的運(yùn)行管理，必須制定嚴(yán)格的操作規(guī)程。氣化熱解爐運(yùn)行表明，違背了正常的管理操作程序，就容易導(dǎo)致運(yùn)行事故及設(shè)備的損壞。
4技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析
4.1技術(shù)指標(biāo)
設(shè)備運(yùn)行時(shí)水、電、油消耗量見表3。
表3 |
4.2經(jīng)濟(jì)效益分析
根據(jù)本技術(shù)方案，在農(nóng)村城鎮(zhèn)地區(qū)建立獨(dú)立的能源自給體系，即生物質(zhì)、固體廢棄物直接轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(jìn)程，既清潔地區(qū)環(huán)境，又利用資源，化廢為寶，其社會(huì)效益顯而易見。
生物質(zhì)氣化－蒸汽輪機(jī)發(fā)電系統(tǒng)項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)效益估算：
發(fā)電能力1000kW
年運(yùn)行時(shí)間8000h
電力輸出(除廠用電外)600萬(wàn)度／年
生物質(zhì)價(jià)格80元／t
生物質(zhì)消耗1.4kg／kWh
生物質(zhì)成本89.6萬(wàn)元／年
人工管理費(fèi)32萬(wàn)元／年
維修費(fèi)30萬(wàn)元／年
發(fā)電成本0.236元／kWh
售電價(jià)0.50元／kWh
利稅148萬(wàn)元／年
由計(jì)算可見，盡管小發(fā)電效率不高，由于設(shè)備可靠性好，投運(yùn)率高，且運(yùn)行管理人員少，因而生物質(zhì)氣化.汽輪發(fā)電機(jī)組的發(fā)電成本約為0.25元／kWh。設(shè)備投產(chǎn)后，每年可收益約148萬(wàn)元。
垃圾處理的經(jīng)濟(jì)收益：
按城鎮(zhèn)地域人口的垃圾產(chǎn)出量估算，日處理量約10t。生活垃圾處理費(fèi)價(jià)格為300元／t～40元／t，工業(yè)垃圾處理費(fèi)平均價(jià)約1000元／t，則每年至少可收入130萬(wàn)元。項(xiàng)目投資可在投產(chǎn)后4年～5年內(nèi)回收。
在農(nóng)村城鎮(zhèn)建設(shè)生物質(zhì)氣化、汽輪發(fā)電機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性格外引人注目。
5結(jié)語(yǔ)
綜上所述，該機(jī)組能有效地處理農(nóng)村大量剩余生物質(zhì)，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(bǔ)充垃圾熱值，干濕搭配，可謂食譜寬廣。
該機(jī)組設(shè)計(jì)額定日處理垃圾約50t／天。這種氣化熱解裝置能適應(yīng)固體廢棄物散裝、包裝的收集特點(diǎn)，不需要垃圾前處理，大大簡(jiǎn)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(biāo)，實(shí)測(cè)二惡英0.18ngTEQ／Nm，低于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)允許排放的五分之一。垃圾氣化熱解處理是當(dāng)代最潔凈的焚燒技術(shù)之一。
在農(nóng)村城鎮(zhèn)建設(shè)發(fā)電能力100kw的生物質(zhì)氣化－汽輪發(fā)電機(jī)性的經(jīng)濟(jì)性引人注目，項(xiàng)目投資可在投產(chǎn)后4年～5年內(nèi)回收。
固廢物氣化熱解、余熱利用一體化，充分體現(xiàn)出經(jīng)濟(jì)價(jià)值。它必將為我國(guó)農(nóng)村城鎮(zhèn)現(xiàn)代化作出應(yīng)有的貢獻(xiàn)。
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