螺桿膨脹機在危廢焚燒領域的應用

陳振東

上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司院

1 前言

危險廢物是指列入《國家危險廢物名錄》或由國家按照一定的技術標準認定為具有毒性、腐蝕性、易燃性、反應性或感染性的廢棄物。目前危廢處理方式主要包括資源化利用和無害化處置。資源化利用將廢物中具有再利用價值的物質轉化為資源化產品進行銷售；無害化處置是對危廢進行無害化、減量化及最終處置，具體處置方式有焚燒、物化、填埋等。

2016年，214個大、中城市工業危險廢物產生量達3 344.6萬噸，綜合利用量1 587.3萬噸，處置量1 535.4萬噸，貯存量380.6萬噸。截至2016年末，全國各?。▍^、市）頒發的危險廢物（含醫療廢物）經營許可證共2 195份，相比2006年，2016年全國危險廢物經營許可證數量增長149%。2016年，全國危險廢物經營單位核準經營規模達到6 471萬噸/年（含收集經營規模397萬噸/年），實際經營規模為1 629萬噸/年（含收集23萬噸），其中，利用危險廢物1 172萬噸，處置醫療廢物83萬噸，采用填埋方式處置危險廢物86萬噸，采用焚燒方式處置危險廢物110萬噸，采用水泥窯協同方式處置危險廢物43萬噸，采用其他方式處置危險廢物112萬噸[1]。

2 危險廢物焚燒工藝概述

2.1 工藝概述

危險廢物焚燒主流采用“回轉窯+二燃室+余熱鍋爐+急冷塔+干式脫酸+布袋除塵+濕法洗滌+煙氣加熱”的處理工藝，工藝流程如圖1所示。

圖1 危廢焚燒工藝流程圖

危險廢物由運輸車卸入儲坑，通過抓斗起重機送至進料斗，經推料裝置送入回轉窯處理。在回轉窯中，廢物依次經歷著火、燃燒和燃燼階段，未燃燼的高溫煙氣進入二燃室繼續燃燒，產生的爐渣經出渣機排出。二燃室出口煙氣依次進入余熱鍋爐和急冷塔降溫。急冷塔出口煙氣進入干法脫酸，煙氣中的酸性氣體與消石灰發生中和作用、煙氣中的重金屬及二噁英與活性炭發生吸附作用，得到一定程度去除，然后進入布袋除塵器去除粉塵。除塵器出口煙氣在濕式洗滌塔內被凈化，進一步去除煙氣中酸性氣體。經過兩級濕式洗滌后，煙氣的濕度較大，直接排放可能會出現“白煙”。利用余熱鍋爐產生的蒸汽，將排入煙囪的煙氣加熱到露點以上，經引風機抽吸，通過煙囪達標排至大氣。

2.2 余熱利用方式分析

余熱鍋爐產生的蒸汽主要用于二次風預熱、煙氣再加熱、除氧器加熱鍋爐給水，富余蒸汽經冷凝器冷卻后回用。上述蒸汽去處中，前3個服務于工藝生產，是有效的能源利用方式；而蒸汽冷凝不僅未能有效利用廢物焚燒的熱量，而且冷凝過程需消耗電力，造成一定程度的浪費。

3 螺桿膨脹發電機原理及特點

3.1 螺桿膨脹機原理

螺桿膨脹機是按照螺桿壓縮機的逆原理工作的，屬于回轉容積型膨脹機[2]，圖2為螺桿膨脹機的結構圖主要由1陰轉子、2陽轉子、3同步齒輪、4密封組件、5軸承及其他零件組成，結構簡單，其氣缸呈兩圓相交的“∞”字形，兩根按一定傳動比反向旋轉相互嚙合的螺旋形陰、陽轉子平行地置于氣缸中。

圖2 螺桿膨脹機結構示意圖

圖3 螺桿膨脹機工作原理示意圖

螺桿膨脹機的工作周期是由齒間容積中的吸氣、膨脹和排氣三個過程組成的。如圖3所示，吸氣過程中，工作介質直接從縱向或軸向進入機內螺桿齒槽A，吸入結束時，吸氣口關閉，這時齒間容積就形成了一個由轉子和機殼共同圍成的密閉空間，吸入的介質在此空間膨脹并產生一個轉矩。齒槽A隨介質的膨脹向排氣端移動到B、C，當嚙合點到達排氣端，膨脹過程結束，這時螺桿齒間容積最大。當膨脹過程結束的同時，吸氣端的又一個嚙合開始，新的嚙合點又開始向排氣端移動，介質最后從齒槽D、E排出。隨著轉子的轉動，不斷循環重復，實現氣體的吸氣、膨脹、排氣三個連續不斷的過程。從膨脹始點到終點，隨著膨脹過程的進行，其壓力、溫度和焓值下降，比容和熵值增加，氣體內能轉換為機械能對外做功。

3.2 螺桿膨脹機性能特點

與相同作用的其它機器相比，膨脹機具有以下優點[3]：

(1)與傳統透平機相比，膨脹機的使用范圍更廣，可以適用于過熱蒸汽、飽和蒸汽、汽液兩相混合物，危險廢物焚燒通常產生低壓飽和蒸汽，若采用傳統透平機，在膨脹過程中會出現液滴出現，會侵蝕葉片，導致透平機壽命降低、效率下降；而飽和蒸汽進入到螺桿膨脹機中，析出的液滴起到密封作用，不僅不會降低效率反而能提高機組容積效率。

(2)與傳統透平機相比，膨脹機的變工況能力優越，當蒸汽壓力、流量變化時，機組還能保持較好的效率，通常當負荷減至滿負荷的60%時，效率僅下降10%。

(3)結構簡單，主要部件僅一對螺桿轉子和外殼，安裝維修方便。轉速可調、運轉平穩、除軸承密封外，無其它磨損部件，機組壽命長、振動小、噪音低、安全可靠性高，機內流速低，除泄漏損失外，其它能量損失很少，機組效率較高。

(4)螺桿膨脹機對蒸汽或熱水品質要求不高，因為陰轉子與陽轉子、轉子與機殼的相對運行是具有除垢自潔能力的，未能除去的剩余污垢可起到減少間隙的作用，減少了泄漏損失，提高了機組效率。

4 螺桿膨脹機在危廢焚燒領域的應用

4.1 工藝方案

圖4螺桿膨脹機發電流程圖

圖4 為螺桿膨脹機發電流程圖，焚燒系統產生的富余蒸汽經管道接入螺桿膨脹機，進行膨脹作功，將熱能轉化為電能，發電機排出的低壓汽水混合物進入冷凝器，凝結水經水泵送至焚燒線的軟水箱循環使用，產生的電力接入廠內低壓母線自用。

4.2 節能分析

以某危廢處置中心為例，焚燒規模80t/d，設計熱值3 000 kcal/kg，余熱鍋爐可產生12.88 t/h的飽和蒸汽（2.5MPa/226℃），除去空預器、煙氣加熱器、除氧器等工藝消耗外，富余蒸汽約5.4t/h。

上述蒸汽進入螺桿膨脹機，膨脹機出口壓力0.06MPa，出口溫度86℃，經計算，發電額定功率為280kW，扣除自身耗電5kW，則凈發電功率為275 kW。

考慮到焚燒系統負荷波動，發電功率按平均250 kW計算，系統年運行8000h計，每年可節電量為200×104kWh，電力的當量折標系數為0.1229kgce/kWh，則年節約標準煤245.8噸；按平均電價0.7元/kWh計，則年節電效益為140萬元。

5 結論

1）螺桿膨脹機不僅體積小、維護方便，同時能適用于低品位熱源，并在熱源參數波動較大時保證機組的安全穩定運行。

2）危廢處置中心焚燒系統產生的飽和蒸汽，除自身工藝消耗外，富余蒸汽冷凝回用，不僅未能有效利用廢物焚燒的熱量，而且冷凝過程需消耗電力，造成極大的浪費。利用富余蒸汽通過螺桿膨脹機發電，不僅能有效利用低品位蒸汽，而且能大幅降低焚燒廠耗電成本，具有良好的節能和經濟效益。

[1]《2017年全國大、中城市固體廢物污染環境防治年報》，中華人民共和國環境保護部，2017.

[2]齊楠楠.《低品位低熱能膨脹螺桿動力機發電技術的研究與應用》.冶金動力，2014.

[3]刁安娜，楊毅，王亞洲.《螺桿膨脹動力驅動技術在余熱余壓回收中的應用》，上海節能，2013.