垃圾焚燒爐沼氣入爐系統應用

時小軍 王雪炎 儲開建 李波 汪明浩

摘 ?要：光大環保能源（江陰）有限公司（以下簡稱我司）污水處理系統每天可產生約16000m3沼氣，且經化驗沼氣中甲烷含量：69.35%、二氧化碳：29.76%、硫化氫：10881mg/m3、高位發熱量：25.76MJ/m3、低位發熱量：23.20MJ/m3，則年產生量約16000/24*8000=5333333m3。折合標煤約25760kJ/m3*5333333m3/29310kJ/kg=4687365kg。為利用垃圾發酵產生的沼氣余熱，進行沼氣入爐系統技術改造。

關鍵詞：生活垃圾焚燒;沼氣余熱回收;產汽量;噸垃圾發電量;石灰單耗

中圖分類號：S216.4 ? ? ? ? 文獻標志碼：A ? ? ? ? 文章編號：2095-2945（2020）01-0158-05

Abstract： Everbright Environmental Protection Energy （Jiangyin） Co.， Ltd. （hereinafter referred to as our company） sewage treatment system can produce about 16000m3 biogas every day， and the methane content in the biogas has been tested： 69.35%， carbon dioxide： 29.76%， hydrogen sulfide： 10881mg/m3， high calorific value： 25.76MJ/m3， low calorific value： 23.20MJ shock m3， the annual production is about 16000/24*8000=5333333m3. Equivalent to standard coal about 25760kJ/m3*5333333m3/29310kJ/kg=4687365kg. In order to make use of the waste heat of biogas produced by municipal solid waste fermentation， the technical transformation of biogas furnace system was carried out.

Keywords： domestic waste incineration; waste heat recovery of biogas; steam production; electricity generation per ton of garbage; unit consumption of lime

1 研發背景

目前在通過對生活垃圾進行處理，利用焚燒垃圾產生的低位熱量發電的同時，垃圾中的污水、污泥等滲濾液進入滲濾液處理系統進行處理，在滲瀝液處理過程中產生大量的沼氣，根據目前生產運行實際情況以及理論測算，污水處理系統每天可產生約16000m3沼氣，且經化驗沼氣中甲烷含量：69.35%、二氧化碳：29.76%、硫化氫：10881mg/m3、高位發熱量：25.76MJ/m3、低位發熱量：23.20MJ/m3，則年產生量約16000/24*8000=5333333m3。折合標煤約25760kJ/m3*5333333m3/29310kJ/kg=4687365kg。

由于沼氣中的甲烷的溫室效應是二氧化碳的21倍，所以根據現有條件，對產生的沼氣僅采用原始收集對空點燃處理。如果對沼氣進行綜合利用，燃燒發電，不僅可以提供清潔能源，還可減輕沼氣燃燒造成的大氣污染，有利于環境保護，回收可利用資源，給企業帶來一定的效益，見表1。

2 主機及主要輔機配置情況簡介

我司一二期垃圾焚燒系統共配置3臺400t/d垃圾焚燒爐排爐，三期垃圾焚燒系統共配置2臺500t/d垃圾焚燒爐排爐，為光大環境科技公司自主研發生產的多級爐排垃圾焚燒爐，余熱鍋爐由無錫華光鍋爐廠設計制造。

本次技改主機設備主要技術參數如下：

鍋爐制造廠：光大環保科技發展（北京）有限公司

余熱鍋爐為臥式、中溫中壓、單汽包、自然循環鍋爐，位于焚燒爐的上部，見表2。

3 實施情況

主要工藝設備技改內容：根據沼氣量核算數據表沼氣核算峰值為433m3/h，考慮地域特點，設計范圍為160-867m3/h，以適應全年不同負荷時的運行工況。考慮總體負荷不高，從經濟性與適用性出發，該方案設計為入一二期三臺爐摻燒，分別為3*400爐型，在燃燒穩定的情況下，可以隨意配置摻燒鍋爐的數量。燃燒器設置三套，#1#2#3爐各一套，均從一通道爐排四區側墻通過預埋套管安裝到爐墻側面，沼氣助燃風機設置三套，每臺爐匹配一套助燃風機。考慮鍋爐系統分屬于兩套DCS系統的特點，控制部分設計兩套PLC，滲濾液處理系統一套，負責輸送沼氣;3*400系統一套，負責各自入爐摻燒。

沼氣收集系統圖如圖1。

沼氣入爐系統圖如圖2。

沼氣入爐運行畫面如圖3。

4 經濟指標

4.1 技術指標

技改后，正常運行方式為厭氧罐沼氣通過羅茨風機輸送至鍋爐進行燃燒，沼氣利用率達100%，當系統故障全面跳停時，此時厭氧罐火炬將接收沼氣入爐系統總MFT保護信號，火炬點火器自動點火，恢復火炬運行。

沼氣入爐投運前后數據統計。

由表3和表4可知，1月29日至2月2日期間日沼氣入爐量，見圖4。

1月30日至2月2日期間日均入爐沼氣量為9821.67m3（水處理中心厭氧系統未滿負荷運行）。

因此，理論上：日沼氣產量對應的熱量=25.76MJ/m3*9821.67m3=253*106kJ，根據鍋爐效率80.5%，可利用熱量為253*106kJ*80.5%=203.665*106kJ，因鍋爐主蒸汽額定壓力4.0MPa，額定溫度400℃，對應焓值為3212kJ/kg，則日增加產汽量=203.665*106kJ/3212kJ/kg/1000=63.4t。

因沼氣量限制，目前兩臺爐投入沼氣入爐系統運行，按照一二期兩臺爐額定蒸發量2*32.3t/h=64.6t/h計算，日額定蒸發量=64.6t/h*24h=1550.4t。若維持額定蒸發量，日沼氣貢獻產汽量占比=63.4t/1550.4t=4.1%，則日沼氣產量對熱負荷的貢獻為4.1%。

沼氣入爐后，折算成機械負荷（垃圾量）=63.4t/（485kwh/t/200kwh/t）=26.14t，占比=26.14t/800t=3.27%，見圖5。

一二期沼氣入爐系統投運后，日均總產汽量平均上升55.6t。

考慮鍋爐運行周期長以及受熱面積灰結焦等因素，鍋爐效率有一定下降，理論增加產汽量63.4t與實際平均增加產汽量55.6t存在偏離屬于正常現象。

同期對比沼氣入爐技改前后入爐垃圾量，見圖6。

一二期沼氣入爐系統投運后，入爐垃圾量平均下降13.8t。

同期對比沼氣入爐技改前后平均噸垃圾發電量，見圖7。

一二期沼氣入爐系統投運后，日均噸垃圾發電量上升19.264Kwh/t。

同期對比沼氣入爐技改前后平均石灰單耗，見圖8。

一二期沼氣入爐系統投運后，日均石灰單耗上升0.72kg/t。

按日處理垃圾量1200t，則日消耗石灰增加=1200t*0.72kg/t=0.864t。

折算每方沼氣用量消耗石灰量=0.864t/9821.67m3=0.088kg/m3。

4.2 效益指標

本次改造材料費施工總費用為208萬元。

按年運行8200小時計算，年增加產汽量為（55.6/24）*

8200=18997t;每噸蒸汽發電按215Kwh計算，年增加發電量18997*215=4084283Kwh;電費收入按0.5元/Kwh計算，年增加電費收入為：4084283*0.5=204.21萬元。

年增加石灰投入=0.864/24*8200=295.2t;每噸石灰采購價為570元，年增加石灰投入成本=16.83萬元。

年增加總收入為：204.21-16.83=187.38萬元。

ROI（投資回報率）187.38/208*100%=90.09%。

約13個月即可收回全部改造費用，該技改投資回報率較高。

本次沼氣入爐改造后，日沼氣量對鍋爐熱負荷貢獻4.1%，對鍋爐機械負荷貢獻3.27%，因目前我司入廠垃圾量存在一定缺口，機組長期未達到額定負荷運行，此次沼氣入爐改造一定程度上彌補了部分垃圾量缺口，對機組運行起到了積極作用。

4.3 安全指標

正常運行時，兩臺爐投用即可滿足867m3/h的沼氣入爐負荷，完全可以滿足沼氣產生的需要，系統壓力會穩定在2-25kpa之間。當出現厭氧系統故障，造成斷供氣或劇烈波動時，會超出系統承受范圍，可能因系統無來氣，造成爐側壓力低至0.5kpa使單爐MFT保護動作切除一臺入爐系統，確保沼氣系統仍有一臺入爐系統能夠正常使用。當來氣恢復后，若由于入爐系統未能及時投入，而又造成高至30kpa，總MFT保護動作，系統全面跳停時，此時厭氧罐火炬將接收沼氣入爐系統總MFT保護信號，火炬點火器自動點火，避免厭氧系統安全閥動作導致沼氣外排造成安全環境事故。

5 結束語

此次新增沼氣入爐系統直接消除了厭氧罐煙囪，此方式利用現有垃圾焚燒余熱鍋爐，熱負荷約增加4.1%，機械負荷約增加3.27%，對現有鍋爐影響不大，具有較強的可行性。且在我司入廠垃圾量存在一定缺口，機組長期未達到額定負荷運行情況下，此次沼氣入爐改造一定程度上彌補了部分垃圾量缺口，對機組運行起到了積極作用。

雖能源利用率略低，但沼氣利用小時數長，設備簡單、投資較低、風險小，運營成本低，對技術要求不高，設備故障率低、維護量小，不需要設備專人運行維護。不僅可以提供清潔能源，還可減輕沼氣燃燒造成的大氣污染，有利于環境保護，回收可利用資源，給企業帶來一定的效益，值得在行業內進行推廣。

參考文獻：

[1]NDGJ16-89.火力發電廠熱工自動化設計技術規定[S].

[2]G-RK-95-52.鍋爐爐膛安全監控系統技術規范書[S].

[3]焓熵圖[Z].