1MW生物質等固廢物氣化熱解－余熱發電工程概念設計
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電供熱設備，降低燃料成本；挪威發展小規模氣化和燃燒裝置，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，達到歐盟環保法規要求。
該技術可處理各種垃圾，包括生物質廢料，如木屑、樹皮，來自城市或工業區的垃圾及衍生物，也適用液態廢料如油類、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、熱電聯產設備的商業化。
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，也是實施農村現代化的動力資源。隨著農村城鎮現代化發展，同樣農村經濟可持續發展與環保的矛盾也相當突出。大量產生的城鎮生活垃圾以及工業垃圾積滿為患，已經到了非整治不可的地步。為了盡快緩解這一矛盾，在城鎮地區建設生物質、固體廢棄物的小容量熱電站已經成為農村城鎮現代化發展的必然。
1999年國內引進氣化熱解垃圾處理技術，經過消化吸收，進行二次創新，成功地開發了系列產品 [。目前已在江蘇、上海等地區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：為農村城鎮地區現代化提供經濟適用型生物質、固體廢棄物焚燒處理發電站。
1.1設計規摸
建設規模：擬建一座示范性1MW生物質、固體廢棄物焚燒發電站。
廢物處理量：30t／日～50t／日。
1.2設計條件
(1)處理廢物種類：秸稈、城鎮生活垃圾、工業固體廢棄物。
(2)設備型號參數見表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、煙氣凈化系統等設備連續運行。
(4)作業條件
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：衛生填埋。
(7)輔助燃料
點爐、穩燃用燃料：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下的熱分解垃圾工藝，即把垃圾的投入和灰化處理區域與氣化氣燃燒區域完全分離，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電。
1.3.1靜態氣化熱解工藝
本機組氣化爐設計為缺氧空氣系統，燃燒爐則設計為過量空氣系統。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、穩定燃燒、熱能有效利用與操作系統自動化相結合的高科技處理系統。
垃圾焚燒處理決不允許二次污染。優良的操控系統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蒸汽發電技術的優化組合。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、發電裝置等部分組成。系統工藝流程見圖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，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。周波數控制引風機，調節爐內壓力，平衡通風。
1.5余熱發電機組
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蒸汽發電機組
利用余熱鍋爐過熱蒸汽發電，實現熱電轉換。
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
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，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。
微機監控裝置主要功能：
●主要熱力參數控制
●CRT屏幕顯示系統及報警畫面
●現場數據自動采集，制表打印、事件記錄
●熱工檢測、聯鎖、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
●冷卻水處理系統、冷卻水位自動調節系統
●氣化爐自動投料、灰化系統，自動出灰系統
●蒸汽汽輪發電部分
2系統簡介
垃圾焚燒發電站主要由垃圾焚燒前處理系統、氣化爐進料及出灰系統、焚燒系統、煙氣凈化處理系統和發電設備組成。其中焚燒系統和煙氣凈化處理系統較為突出，介紹如下：
2.1焚燒系統
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
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。根據在線煙氣分析儀信號，實時調節消石灰量。
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。可是，在交替投運的氣化熱解爐系統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生一些參數匹配的問題。
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連續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，不同溫度區域便有不同組分的氣體揮發出來最先揮發的氣體為水蒸汽，隨物料不斷干燥、繼續升溫，水蒸汽成分消失，有機揮發分成分增加，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。若系統不設煙氣旁路系統，則煙道下游的設備進口煙溫必然很低，落在煙氣酸露點區域，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，對焚燒系統的運行穩定性影響極大，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，當氣化熱解系統排煙溫度低于下限時，很容易發生設備結露、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
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
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象的發生。
3.1.5布袋除塵器運行參數
布袋除塵器最適合于焚燒煙氣的凈化。根據煙氣的成分確定運行參數，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。在常規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據。然而，在氣化熱解爐加裝水管蒸汽鍋爐的系統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。可是，在氣化熱解爐上實現垃圾資源再生利用時，應遵照穩定、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
根據本技術方案，在農村城鎮地區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體系大大支持城鎮現代化的進程，既清潔地區環境，又利用資源，化廢為寶，其社會效益顯而易見。
生物質氣化－蒸汽輪機發電系統項目經濟效益估算：
發電能力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.汽輪發電機組的發電成本約為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。
在農村城鎮建設生物質氣化、汽輪發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、城鎮生活垃圾等各類垃圾；也可處理液態廢料，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。
靜態氣化熱解裝置上已獲得優異的環保排放指標，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。
在農村城鎮建設發電能力100kw的生物質氣化－汽輪發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，充分體現出經濟價值。它必將為我國農村城鎮現代化作出應有的貢獻。
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