浅析城市生活垃圾焚烧发电厂沼气利用工艺

引言

随着科学技术的发展,能源消耗速度只增不减,对于新能源的开发以及可再生能源的回收利用变得尤为重要。随着人们生活水平的不断提高,生活垃圾处理问题亟待解决,而生活垃圾焚烧发电技术是目前实现生活垃圾绿色回收利用的主要途径,通过厌氧发酵和过滤手段实现沼气发电。沼气是一种非常廉价且容易获得的新能源,热量值非常高,可达20000kJ/Nm3,是一种质量非常高的清洁燃料。综合应用沼气能够大大降低生产成本,同时还能提高电厂经济效益和环境效益。

1沼气预处理工艺

生活垃圾焚烧后会产生渗沥液,产生的沼气中也会含有硫化氢(H2s)、水(H2o)以及颗粒物等杂质,因此需要对沼气进行预处理。由于预处理系统处理的沼气属于易燃易爆气体,所以预处理系统设有填埋气发动机,在运行时要求流量可控、压力稳定、温度适宜。该预处理系统具备以下功能:(1)降低粉尘等固体杂质的含量:(2)降低气体硫化氢含量:(3)自动增压和超压保护功能可以稳定系统气体的出口压力,保证其温度和流量:(4)在线监测及报警功能可以保证系统长期安全可靠的运行。

2沼气发电预处理系统特点

(1)系统采用防爆设计,配备防爆设备仪表:(2)采用全不锈钢设备,确保设备使用年限:(3)设全自动在线监测系统和紧急旁路,确保处理系统安全:(4)根据发动机的用气量,自动变频,减少辅机耗电量,降低运行费用:(5)全自动无人值守,节约人力成本:(6)自动/手动切换,适应各种情况需要。

本文就1000t/d垃圾处理量的焚烧厂为例进行分析,渗沥液处理装置产生的沼气为9000m3/d,将沼气经过除湿装置除去沼气中的水分后过滤,再通过压缩机将过滤后的清洁沼气送入储罐,沼气的热颗粒值取20MJ/m3。

34种沼气处理方案

3.1通过沼气燃烧器重新回到焚烧炉进行焚烧

该方案通过沼气燃烧器将渗沥液处理过程中产生的沼气进行焚烧,整套系统的热量增加,充分实现了资源的回收利用[1]。沼气在焚烧炉内燃烧使锅炉的蒸发量猛增,同时也大大增加了汽轮发电机组的发热量。假设发电厂的热效率为21.5%,沼气低位热值为20MJ/m3,每小时的发电量为448kwh,沼气上网发电量为408kwh,年上网发电总量为3.22×106kwh,30年特许经营期总额约为6300万元。

3.2将沼气排放入坑并通过抽风机回炉焚烧

该方案通过在渗沥液收集间设置通风设施,进而将渗沥液处理过程中产生的沼气等有毒有害气体排放到垃圾坑进行"活埋",且垃圾坑内需时刻保持负压状态,再经抽取后进入焚烧炉燃烧。理论上沼气被送进焚烧炉后会释放自身热量。该方案的年发电量、热效率等与方案1相同[2],30年特许经营期总额同样约为6300万元。

该方案的缺陷是,垃圾坑中原有的垃圾又会产生沼气,沼气的主要成分甲烷会与空气中的氧气发生氧化反应,在完全反应的情况下,甲烷与氧气的反应体积比为1:2,参照空气中的氧气含量可得出,11CH4燃烧需要空气约9.51。所以甲烷约占混合气体的9.5%。当甲烷在空气中的体积分数达到或超过9.5%时,就会发生强烈爆炸。而生活垃圾堆放过于集中会形成一种厌氧环境,从而使垃圾中的沼气不断积累,并且不断释放,当甲烷在空气中的含量达到爆炸极限或遇到明火,极易发生爆炸。

3.3通过无点火设施的沼气回喷装置回炉燃烧

该方案通过设置沼气回喷装置使沼气入炉燃烧,沼气需要通过回喷枪进入到垃圾中有火焰的部分,并且通过二次燃烧空气的供给,使氧气浓度不断升高,在这种情况下,垃圾将会完全燃尽,不会有剩余。所以要把回喷枪设置在炉排燃烧段侧壁但比垃圾高出一部分的位置。又因为此处温度过高(1000℃左右),所以回喷枪通常由不锈钢或合金钢制作。

在需要使用时通过低压手段向炉内提供沼气,不使用时将气体通过冷却空气冷却,避免沼气导管的损伤。与此同时,停止输入时要将管道内的残留沼气清理干净。另外,还需要准备一套火炬燃烧处理装置,当焚烧炉停止燃烧时,将沼气送到火炬高空进行后续处理。经过一系列运行,沼气燃烧会释放大量热量。年发电量、热效率等与方案1基本持平,即30年特许经营期总额约为6300万元。

3.4通过装置沼气发电燃气内燃机发电机组进行回炉焚烧

沼气发电机组主要由沼气发动机、热回收装置和发动机构成。沼气脱硫后通过储气罐向燃气发动机运输,驱动发电机产生电力。通过热回收装置对沼气发动机排出的冷却水和散发的热量进行回收后作为热源。

燃气内燃机适用于沼气产量相对较小的场所,以沼气为燃料,使内燃机和发电机持续发电[4]。根据国内外机组的运行经验,假定燃气内燃机发电机组的热效率为33%,那么每小时发电量就为687kwh,沼气上网发电量约为583kwh,年上网总发电量为4.66×106kwh,则每年收入可以增加302万元。与前3种方案不同,该方案的30年特许经营期总额为9060万元。

4沼气综合利用方案比较

不难看出,上述4种方案的收益相差很小。针对前期建设工程投入来说,方案2所需费用最小,方案1与方案3所需费用居中,而方案4所需费用最大:针对运行维护成本来说,方案2不需要维护费用,方案1和方案3需要维护费用,但维护费用相对较小,而方案4则需要高额的维护成本:就收益来说,方案2综合各方面来看收益最大,但是该方案存在较大的安全隐患,方案1和方案3高收益的背后隐藏着巨大的安全隐患,方案4收益最大但成本最多,二者中和之后的收益并无优势。

54种方案的总结

方案1:首先沼气的回炉燃烧可以将热量回收,从而增加总收益。沼气燃烧器有很多优点,例如:以燃油(生物油、重油、柴油、醇基燃料等）为燃料实现零污染排放,清洁环保:燃烧效率高,气化燃烧方式加上多级设计,燃烧效率可以高达98%:操作简单,自动点火无需人工。

方案2:将沼气运送至垃圾坑,无论是操作性还是可行性都非常高,但垃圾坑固有的氧气会给实施带来很大困扰,因为混合气浓度无法掌控,可能引发爆炸。

方案3:首先沼气回喷方案的收益与方案1大体相同,但是燃烧炉的燃烧情况无法掌控。与此同时,回喷枪的使用也有一定要求,操作方面相对于方案1较复杂。

方案4:沼气热利用效率最高,但需要非常高的经费,且执行繁琐,即使能够成功运作也需要昂贵的保养费用。

就方案本身特点而言,方案1能够对沼气产生的热量进行有效回收,提升收益,且燃烧器具有稳定性,相对可靠:方案2同样可以回收热量,但易发生爆炸:方案3虽然可以实现对沼气热量的回收,但焚烧炉的燃烧状况明显不稳定,会有焚烧点火不及时的风险:方案4各方面效果虽然突出,但也带来了昂贵的支出费用。

6结语

习总书记说过:"绿水青山就是金山银山。"通过以上总结不难发现,将生活垃圾通过沼气燃烧器进行燃烧效用最大。本文介绍的沼气工艺化处理,符合可持续发展理念,值得深入推广。