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(chǎn)設備的商業(yè)化。

生物質如秸稈、薪柴、谷殼等是我國廣大農(nóng)村居民的主要生活燃料，也是實施農(nóng)村現(xiàn)代化的動力資源。隨著農(nóng)村城鎮(zhèn)現(xiàn)代化發(fā)展，同樣農(nóng)村經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展與環(huán)保的矛盾也相當突出。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)建設生物質、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年國內(nèi)引進氣化熱解垃圾處理技術，經(jīng)過消化吸收，進行二次創(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(jīng)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(chǎn)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(nóng)村城鎮(zhèn)地區(qū)現(xiàn)代化提供經(jīng)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(chǎn)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(chǎn)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(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(chǎn)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(jīng)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(jīng)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(chǎn)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?？扇細庾匀?、不需要噴油助燃時，噴油裝置自動停止。

(3)燃燒爐

噴燃爐內(nèi)的燃燒火焰在燃燒爐內(nèi)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(chǎn)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(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(diào)節(jié)爐內(nèi)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(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。控制設備可手動、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(diào)節(jié)

●冷卻水處理系統(tǒng)、冷卻水位自動調(diào)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(diào)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(nèi)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(nèi)物料隨溫度升高而釋放大量水蒸氣。這時候爐內(nèi)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(nèi)，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(jīng)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(nèi)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(chǎn)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?，在氣化熱解爐上實現(xiàn)垃圾資源再生利用時，應遵照穩(wěn)定、可靠、經(jīng)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(jīng)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(jīng)濟效益分析

根據(jù)本技術方案，在農(nóng)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(jīng)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(chǎn)后，每年可收益約148萬元。

垃圾處理的經(jīng)濟收益：

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(chǎn)后4年～5年內(nèi)回收。

在農(nóng)村城鎮(zhèn)建設生物質氣化、汽輪發(fā)電機組的經(jīng)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(nóng)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(nóng)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(jīng)濟性引人注目，項目投資可在投產(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)濟價值。它必將為我國農(nóng)村城鎮(zhèn)現(xiàn)代化作出應有的貢獻。