垃圾焚燒發電廠沼氣回收利用實踐及分析

石凱軍

(中國城市建設研究院有限公司，北京 100120)

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垃圾焚燒發電廠沼氣回收利用實踐及分析

石凱軍

(中國城市建設研究院有限公司，北京 100120)

摘要：指出了垃圾焚燒發電廠的滲瀝液在處理過程中產生的沼氣凈化后是一種高質量的清潔燃料，可供回收利用，介紹了沼氣處理的主要工藝，通過比較沼氣回收利用各種技術的可行性、穩定性、安全性、經濟性，得出了在焚燒爐側墻設置沼氣燃燒器是最優的回收利用方案，并提供了工程實踐案例。

關鍵詞：垃圾焚燒發電廠； 沼氣凈化； 沼氣發電機組； 沼氣燃燒器

1引言

生活垃圾焚燒發電技術是目前實現生活垃圾“減量化、資源化、無害化”的主要途徑，在破解垃圾圍城難題的同時利用垃圾焚燒產生的熱量發電，實現了垃圾作為再生資源的回收與利用。垃圾在垃圾池內儲存時會析出大量的滲瀝液，廠內滲瀝液處理站的厭氧反應器會產生大量的沼氣，沼氣經脫硫凈化后主要由甲烷、二氧化碳氣體組成，其中甲烷的含量一般占55 %～75 %，二氧化碳含量占25 %～40 %，其他氣體占5 %～10 %。沼氣的熱值約為20800～23600 kJ/Nm3，是一種高質量的清潔燃料。沼氣的綜合利用將會有效降低生產成本，實現能源回收利用，提高經濟效益和環境效益。

2沼氣處理主要工藝

2.1沼氣發電機組

構成沼氣發電機組的主要設備有沼氣發動機、發電機和熱回收裝置。沼氣經脫硫凈化后由貯氣罐供給燃氣發動機，從而驅動與沼氣內燃機相連接的發電機而產生電力。沼氣發動機排出的冷卻水和廢氣中的熱量通過熱回收裝置進行回收后，作為沼氣發生器的加溫熱源。

目前國內沼氣發動機有全部使用沼氣的單燃料發電機組及使用沼氣-柴油的雙燃料發電機組，沼氣發電機組容量從8 kW到5000 kW均已先后通過鑒定和投產。沼氣發電機組的熱效率較高，一般為30 %～35 %。其發電簡易流程見圖1。

圖1沼氣發電簡易流程

2.2沼氣引入垃圾焚燒爐燃燒

此類方式有兩種形式：一種方法是將沼氣通過管道送至垃圾池，沼氣混入一次風由一次風機送爐燃燒。但沼氣中甲烷濃度過高時極易發生爆炸，具有較高的危險性，因此不推薦使用。

另一種方法是在焚燒爐側壁設置沼氣燃燒器或沼氣噴槍。區別在于設置噴槍時沼氣在爐膛內燃燒，當垃圾焚燒爐燃燒狀況不穩定時，沼氣可能有點火燃燒不及時的風險。沼氣燃燒器可靠性、穩定性較高，沼氣經燃燒器燃燒后將熱量帶入爐膛，隨同垃圾燃燒的熱量一同被余熱鍋爐吸收利用，產生多余的蒸汽進入汽輪發電機組做功。這種處理方式的熱效率和垃圾焚燒廠的熱效率相同，一般為20 %～23 %。

2.3火炬燃燒

火炬燃燒是比較簡單的沼氣處理方式，沼氣經脫硫凈化后由貯氣罐供給沼氣火炬，沼氣火炬分為CDM火炬、封閉落地火炬、半封閉火炬、開放式火炬等4種。焚燒流量范圍從50 m3/h到3000 m3/h不等。

沼氣火炬雖能有效處理沼氣、提高場所安全、減少惡臭污染，但沼氣作為一種潔凈能源不能被有效利用。因此，火炬燃燒適合于產氣量較小的工廠或場所，或者作為沼氣發電機組與沼氣入爐燃燒的備用工藝，當沼氣發電機組或者垃圾焚燒爐檢修時處理沼氣(圖2)。

3綜合分析

垃圾焚燒發電廠設置沼氣發電機組和沼氣燃燒器技術上都比較成熟，主要差異表現在經濟性上。目前國內焚燒廠的規模基本以600 t/d～2000 t/d為主，以1500 t/d的垃圾焚燒發電廠為例，滲瀝液的產生量按照垃圾量17 %估算約為255 t/d，厭氧反應器產生的沼氣按照《升流式厭氧污泥床反應器污水處理工程技術規范》(HJ—2013-2012)第6.5.1的建議，反應器沼氣產率取0.45～0.5 Nm3/kgCODcr，考慮進水水質和溫度變化引起的沼氣產量的波動，為保證連續運行并結合工程經驗，確定沼氣產率取0.45 Nm3/kgCOD 。則：

沼氣產量=255×(S0-S1)×0.45=199.1 Nm3/h

其中：S0—厭氧反應器設計進水CODcr—59500 mg/L

S1—厭氧反應器設計出水CODcr—17850 mg/L。

圖2　垃圾焚燒發電廠沼氣火炬

沼氣成分因水質不同有較大差異，沼氣甲烷含量可按55 %計，其他成分氣體熱值忽略不計，其中純甲烷扣除水蒸氣凝結熱后，具有35800 kJ/Nm3的熱值。則： 沼氣熱值=35800×0.55=19690 kJ/Nm3

3.1投資方面的比較

兩種處理方式前端沼氣凈化和儲存工藝基本相同，主要區別為設置沼氣發電機組時除了設備費用還需要在廠內建設沼氣發電機房，增加土建的費用。以1500 t/d垃圾焚燒發電廠為例，需配置1臺0.35 MW的沼氣發電機組或者3臺0.4 MW的沼氣燃燒器。初期投資費用比較詳見表1。

表1　初期投資費用比較

表1中的設備費用為目前市場均價費用，安裝、土建工程費用套用定額得出，可以看出，沼氣發電機組初期投資比設置燃燒器多花費197.7萬元。

3.2發電收益的比較

沼氣發電機組發電量按照熱效率30 %計算，年運行時間保證8000 h，則：

年發電量=19690 kJ/Nm3×199.1 Nm3/h×30 %/3600 s×8000 h=2613519 kW·h

發電量也可以通過單燃料內燃機的耗氣量來計算，燃用沼氣的單燃料內燃機的耗氣量為每0.736 kW·h耗氣量約為0.4～0.5 Nm3，取0.736 kW·h/0.45 Nm3,則：

年發電量=V·(0.736/0.45)

=199.1 Nm3/h×8000h×(0.736 kW·h÷0.45 Nm3)=2605113 kW·h

沼氣入爐燃燒發電量按照垃圾焚燒發電廠熱效率21 %計算，年運行時間保證8000 h，則：

年發電量=19690 kJ/Nm3×199.1Nm3/h×21 %/3600 s×8000 h=1829494 kW·h

根據目前沼氣上網電價0.75 元/kW·h，通過調研大部分項目的運行經驗，沼氣發電機組運行費用約0.20 元/(kW·h)，運行費用不僅包含人員費用，還包括設備檢修維護費用。則：

沼氣發電機組年收益=2605113 kW·h×(0.75-0.20)元/(kW·h)=1432812.2元

沼氣燃燒器的運營維護費用較設置沼氣發電機組大為降低，運行費用約0.02 元/(kW·h)，則：

沼氣燃燒器年收益=1829494 kW·h×(0.75-0.02)元/(kW·h)=1335530.6元

兩種方式收益差距=1432812.2-1335530.6=97281.6元

即設置沼氣發電機組每年收益比燃燒器約高9.73萬元，按照運營期30年考慮，則運營期收益增加291.9萬元。考慮減去設置沼氣發電機組初期投資多花費的197.7萬元，則運營期比設置沼氣燃燒器多收益100萬元，考慮通貨膨脹等因素，增加的收入意義不大。另外在廠內建設沼氣發電機房占用了垃圾焚燒發電廠的總體使用面積，影響了其他建構筑物的布局。

綜合考慮，對于垃圾焚燒發電廠而言，設置沼氣燃燒器處理厭氧反應器產生的沼氣是比較理想的方式。

3.3對焚燒廠運行的影響

沼氣經沼氣燃燒器燃燒熱量入爐后增加了焚燒爐的熱負荷，按照1500 t/d的垃圾焚燒發電廠設置3臺500 t/d的焚燒爐配置，垃圾熱值為6280 kJ/kg，則單臺焚燒爐的燃燒圖如圖3。

從圖3可以看出，500 t/d的焚燒爐的額定熱負荷為36.342 MW，按照沼氣產量199.1 Nm3/h、熱值19690 kJ/Nm3、每爐設置1臺沼氣燃燒器，則每臺焚燒爐增加的熱負荷為0.363 MW,約為焚燒爐額定熱負荷的1 %。對焚燒爐的影響較小，同時可適當考慮增加余熱鍋爐的受熱面設計，基本對運行不產生影響。

4工藝設計

4.1沼氣凈化系統

沼氣從厭氧反應器出來后，含有飽和水、H2S和CO2等其他物質，H2S對設備和管道具有較強的腐蝕性，同時燃燒時產生SO2等有害氣體污染環境，因此規范中規定H2S的含量必須低于20 mg/m3。沼氣脫硫采用以氧化鐵為脫硫劑的干法脫硫，它是在常溫下沼氣通過脫硫劑床層，沼氣中的H2S與活性氧化鐵接觸，生成硫化鐵和硫化亞鐵，然后含有硫化物的脫硫劑與空氣中的氧接觸，當有水存在時，鐵的硫化物又轉化為氧化鐵和單體硫。這種脫硫再生過程可循環進行多次，直至氧化鐵脫硫劑表面的大部分孔隙被硫或其他雜質覆蓋而失去活性為止。一旦脫硫劑失去活性，則需要將脫硫劑從塔內卸出，攤曬在空地上，然后均勻地在脫硫劑上噴灑少量稀氨水，利用空氣中的氧，進行自然再生。

脫硫原理為：

Fe2O3·H2O+H2S→Fe2S3·H2O+3H2O

再生原理為：

Fe2S3·H2O+3/2O2→Fe2O3+3S+609 kJ

脫硫塔體床層應根據脫硫量設計為單床層、雙床層或多床層。脫硫劑的反應溫度應控制在生產廠家提供的最佳溫度范圍內，一般當沼氣溫度低于10 ℃時，脫硫塔應有保溫防凍和增溫措施，當沼氣溫度大于35 ℃時，應對沼氣進行降溫。脫硫裝置進出氣管可采用上進下出或下進上出方式。脫硫裝置底部應設置排污閥門和沼氣安全泄壓閥等設備。

圖3500 t/d焚燒爐典型燃燒

脫硫塔內裝有中央圓孔的吊筐。疊置起來的吊筐在凈化塔中心形成的圓柱形沼氣通道，如圖4上箭頭表示的方向。沼氣由塔底進入中心通道，并均勻分布進入各個吊筐中，通過脫硫劑層后進入吊筐與塔壁形成的空隙內，而由塔側壁排出。氣體以正常的速度通過脫硫劑時，每米厚脫硫劑的阻力為125～255 mmH2O。

圖4　塔式干法脫硫裝置示意

沼氣與脫硫劑接觸時間，一般取50～300 s。脫硫后沼氣中含硫化氫量應降低到10～20 mg/m3。脫硫器的直徑D，一般按H/D=2～3選取，其他尺寸按圖5標注尺寸關系計算。脫硫劑宜分層填裝，要求再生或更換方便。

沼氣脫水是因為導氣管中如果積累了水會溶解H2S而腐蝕管道，此外當沼氣被加壓儲存時，有可能會因為凝結水而凍壞儲氣罐。脫水方法則采用冷分離法，即在熱交換系統中通過冷卻器冷卻氣體而除去冷凝水。

圖5　脫硫器尺寸

這種方法由于是在熱交換器的表面冷卻，通常比露點低0.5～1 ℃，為了取得更低的露點，必須在冷凝之前先壓縮氣體，然后再釋放到需要的壓力。圖6所示為冷凝裝置，a、b為介質出入口，c為冷卻水入口，d為冷卻水出口，e為放空口。圖7所示為分離裝置，為了使沼氣的氣液兩相達到工藝指定的分離要求，常在塔內按照水平及豎直濾網，當沼氣以一定的壓力從裝置上部以切線方式進入后，沼氣在離心力作用下進行旋轉，然后依次通過水平濾網及豎直濾網，促使沼氣中的水蒸汽與沼氣分離，而后器內的水滴沿內壁向下流動寄存于底部并定期排出。

4.2貯氣罐與增壓風機

沼氣凈化后送入貯氣罐，貯氣罐的有效容積按照半天的容氣量考慮。沼氣通過管道及增壓風機由儲氣罐送至沼氣燃燒器控制閥組，增壓風機要求必須選用變頻防爆型，設備一用一備。

圖6　冷凝裝置

圖7　分離裝置

以1500 t/d垃圾焚燒發電廠為例，增壓風機的流量按照沼氣產量的1.2倍考慮：

增壓風機的壓力需根據燃燒器壓力要求及管道壓力損失并考慮1.3倍的余量確定，按照一般沼氣燃燒器3000 Pa，管道損失按照1000 Pa估算：

沼氣管道可按照《火力發電廠油氣管道設計規程》(DL/T5240-2005)6.2.1、6.2.2條規定設計。

4.3沼氣入爐燃燒

沼氣由增壓風機送至沼氣燃燒器閥組，沼氣燃燒器操作閥組由現場控制盤控制或焚燒爐ACC根據燃燒情況控制。壓縮空氣由廠內壓縮空氣站提供，起火檢冷卻作用。工藝流程詳見圖8。

為保證沼氣完全的燃燒，由助燃風機提供燃燒所需要的空氣，對于烷烴類燃氣，燃燒所需的理論空氣量可根據下式計算。

圖8沼氣入爐燃燒工藝流程

助燃風機的流量和壓力選擇應在滿足完全燃燒的基礎上考慮一定的余量。

沼氣燃燒器一般通過安裝法蘭安裝在輔助燃燒器附近，當投入運行時，燃燒頭伸入爐膛內，沼氣燃燒情況由火焰監測器監視。沼氣燃燒器的結構見圖9。

5結語

通過工藝設計的可行性分析認為，沼氣經沼氣燃燒器入爐燃燒最為可靠，在解決沼氣直排污染環境的同時實現了能源的回收利用，具有穩定的經濟效益，是沼氣回收利用的最佳方案。

圖9沼氣燃燒器結構

參考文獻：

[1]白良成. 生活垃圾焚燒處理工程技術[M]. 北京：中國建筑工業出版社，2009.

[2]張泉根. 燃油燃氣鍋爐房設計手冊[M]. 北京：機械工業出版社，1998.

[3]朱悅. 城市生活垃圾焚燒發電廠沼氣利用工藝探討[J]. 上海環境科學，2009，34(4):182～184.

Analysis and Practice on Biogas Recycling Waste Incineration Plant

Shi Kaijun

(ChinaUrbanConstructionDesignInstituteCo.,Ltd.,Beijing100120)

Abstract:Biogas from leachate in waste incineration plant is a high quality clean fuel, which could be collected for reclamation. Biogas burning has shown the best competitive in comparative analysis in feasibility, stability, safety and economy of biogas utilization technologies and case studies.

Key words:waste incineration plant; biogas purification; biogas generator; biogas burner

收稿日期：2016-04-15

作者簡介：石凱軍(1985—)，男，助理工程師，主要從事城市生活垃圾焚燒處理及環保相關的工作。

中圖分類號：TK62

文獻標識碼：A

文章編號：1674-9944(2016)10-0195-04