1MW生物质等固废物气化热解－余热发电工程概念设计
0概况
二十世纪末，垃圾洁净焚烧处理技术之一的气化热解技术有了长足进步。一些外商，例如芬兰推出生物质、煤、天然气混合燃料的发电供热设备，降低燃料成本；挪威发展小规模气化和燃烧装置，每年可处理上千吨固废物，将多种垃圾转换成电能和热能，烟气污染物排放量降低到很低的水准，达到欧盟环保法规要求。
该技术可处理各种垃圾，包括生物质废料，如木屑、树皮，来自城市或工业区的垃圾及衍生物，也适用液态废料如油类、溶剂等，废料的含水率可达60％左右。
多年的运行表明：气化热解焚烧方式对生物质、各类垃圾有着很好的适应性。同时，大大加快气化热解方式的余热利用、热电联产设备的商业化。
生物质如秸秆、薪柴、谷壳等是我国广大农村居民的主要生活燃料，也是实施农村现代化的动力资源。随着农村城镇现代化发展，同样农村经济可持续发展与环保的矛盾也相当突出。大量产生的城镇生活垃圾以及工业垃圾积满为患，已经到了非整治不可的地步。为了尽快缓解这一矛盾，在城镇地区建设生物质、固体废弃物的小容量热电站已经成为农村城镇现代化发展的必然。
1999年国内引进气化热解垃圾处理技术，经过消化吸收，进行二次创新，成功地开发了系列产品 [。目前已在江苏、上海等地区先后建成多座小容量的气化热解垃圾处理装置。最近，我国首套固废物气化热解、余热利用示范机组投运成功，这标志着我国环保技术和装备已经进入新的里程碑。
因此，本概念设计的装备由余热锅炉－蒸汽发电机组及国产化的气化热解处理装置组成。以高起点、高标准、低排放为原则制造出具有中国特色的生物质、固体废弃物处理设备，实现处理无害化、减量化、资源化。
1概念设计
概念设计目标：为农村城镇地区现代化提供经济适用型生物质、固体废弃物焚烧处理发电站。
1.1设计规摸
建设规模：拟建一座示范性1MW生物质、固体废弃物焚烧发电站。
废物处理量：30t／日～50t／日。
1.2设计条件
(1)处理废物种类：秸秆、城镇生活垃圾、工业固体废弃物。
(2)设备型号参数见表1。
表1 |
(3)处理方法
物料一次投入、气化热解燃烧方式。
配置A、B热解气化炉。A、B炉交替气化，间断运行；燃烧炉、烟气净化系统等设备连续运行。
(4)作业条件
手动／机械投料、出灰、自动点火。
(5)物料储存
料仓可设计成带垃圾坑的厂房结构，储量为5天。
(6)垃圾组成与灰处理
物料组成：暂按假定。
处理后的灰渣：卫生填埋。
(7)辅助燃料
点炉、稳燃用燃料：木柴、烟煤。
辅助燃料：轻油／天然气。
(8)焚烧站占地面积
垃圾焚烧站场地规划面积约为2000m2。
(9)供电条件
低压电压380V
照明电压220V
控制电流：4mA--20mA
频率50Hz
1.3工艺原理与特点
该装置采用完全控氧状态下的热分解垃圾工艺，即把垃圾的投入和灰化处理区域与气化气燃烧区域完全分离，采用专用可编程控制器对气化速度、燃烧温度、压力控制、变频控制实施全过程的自动化管理。从根本上防止二次污染，抑制二曝英的产生。同时，尾气净化采用布袋除尘器和中和反应装置，除去SO2、HCl等有害气体。在燃烧炉出口端配置余热锅炉，所产生的蒸汽驱动蒸汽轮机发电。
1.3.1静态气化热解工艺
本机组气化炉设计为缺氧空气系统，燃烧炉则设计为过量空气系统。所谓少量空气即助燃空气未达燃烧理论空气量，其燃烧过程变成热解、气化过程；而过量空气即供应的助燃空气超过燃烧理论空气量，使进入燃烧炉的废气能完全燃烧。
在处理垃圾时，首先供给小风量空气，在气化炉内形成650℃左右的垃圾热解区域，在燃烧炉中再以微过量助燃空气将燃烧温度提升到850℃以上温度，完全燃尽碳氢化合物。该过程中，垃圾自燃过程达到93％以上。在燃烧炉高温稳定燃烧过程中，设计保证其燃烧室出口烟气温度大于850℃，滞留时间2s以上，确保抑制二恶英类有毒有害物质的产生。
本装置是一个将垃圾高温、稳定燃烧、热能有效利用与操作系统自动化相结合的高科技处理系统。
垃圾焚烧处理决不允许二次污染。优良的操控系统必须能经济有效地控制各类固体废弃物焚烧处理的污染物排放量，特别是二晤英这类剧毒物。在同类气化热解装置上已获得优异成绩，实测二恶英为0.18ngTEQ／Nm，低于国家标准允许排放的五分之一。
尾部烟气经净化处理后，应完全达到或超过中国GB18485—2001《生活垃圾焚烧污染控制标准》的要求。
1.3.2静态气化热解炉的技术特点
热解气化炉与常见的焚烧炉在系统结构和性能上有着很大差别。表2为不同焚烧炉型比较。
表2 |
1.4技术方案
1.4.1工艺流程
本项目1Mw生物质电站采用气化、热解焚烧技术和常规蒸汽发电技术的优化组合。生物质处理装置由投料装置、气化炉、燃烧炉、余热锅炉、布袋除尘器、中和反应装置、发电装置等部分组成。系统工艺流程见图1。
 图1气化、热解处理工艺流程 |
1.4.2燃烧系统设备特点与性能
(1)气化炉
物料一次投入，产出可燃气体。气化炉中物料处于静止、低温的气化状态，对炉体的损伤极小。水冷却气化炉结构，降低炉壁温度，炉体寿命长。采用自动点火，点火时间短。
(2)喷燃炉
掺入二次空气助燃。可燃气自燃、不需要喷油助燃时，喷油装置自动停止。
(3)燃烧炉
喷燃炉内的燃烧火焰在燃烧炉内旋转回流强化燃烧，其逗留时间为2s以上，有效分解有害臭气和多氯化合物，抑制二恶英类物质的产生全自动温度控制，CO浓度控制在50mg／kg以下
(4)尾部处理装置、引风机及烟道
烟气经过余热锅炉及热交换器冷却后，由布袋除尘器净化处理。通过中和反应装置喷钙、活性炭，在烟道和布袋壁去除烟气中的HCl、SO2等酸性气体。周波数控制引风机，调节炉内压力，平衡通风。
1.5余热发电机组
1.5.1余热锅炉
从燃烧炉排出的高温烟气进入余热锅炉冷却，锅炉工质被加热产生饱和蒸汽，再经过热器加热到额定过热温度。
额定蒸发量：6500kg／h
蒸汽压力：1.38MPa
蒸汽温度：350℃
给水温度：50℃
排烟温度：250℃
1.5.2蒸汽发电机组
利用余热锅炉过热蒸汽发电，实现热电转换。
汽轮机：
型式：凝汽式
额定流量：6500kg／h
主汽门前蒸汽温度：340℃
主汽门前绝对压力：1.28MPa(A)
发电机：
额定功率：1000kW
出线电压：400V
转速：1500r／min
频率：50Hz
1.6热控系统
本工程自动控制以可靠为原则采用先进、成熟、实用的自控系统，配专用可编程序控制器、专用智能仪表、变频器。控制设备可手动、自动切换。
微机监控装置主要功能：
●主要热力参数控制
●CRT屏幕显示系统及报警画面
●现场数据自动采集，制表打印、事件记录
●热工检测、联锁、保护、报警等功能全程控制包括：
●A、B气化炉交替气化，燃烧炉不问断地燃烧自动调节
●冷却水处理系统、冷却水位自动调节系统
●气化炉自动投料、灰化系统，自动出灰系统
●蒸汽汽轮发电部分
2系统简介
垃圾焚烧发电站主要由垃圾焚烧前处理系统、气化炉进料及出灰系统、焚烧系统、烟气净化处理系统和发电设备组成。其中焚烧系统和烟气净化处理系统较为突出，介绍如下：
2.1焚烧系统
2.1.1气化、燃烧炉(图2)
 图2 热解气化炉原理图 |
2.1.2喷燃炉
A、B两炉的气体交替地汇集于喷燃炉，由电脑控制所需燃烧空气和燃油量，在设定温度下使来自气化炉的可燃气体燃烧。系统配备自动点火器、轻油雾化器。
2.1.3燃烧炉
燃烧炉补燃二次空气量由电脑操控。燃烧炉加装垃圾渗沥水雾化装置，由温控确定渗沥水装置的投切。
2.2烟气净化处理系统
2.2.1中和反应装置和活性炭加入装置
在余热锅炉与布袋除尘器之间设置消石灰活性炭喷注装置。根据在线烟气分析仪信号，实时调节消石灰量。
2.2.2布袋除尘器
采用技术成熟的低压脉冲袋式布袋除尘器PlC控制器控制。
3关键问题
3.1系统匹配
国内气化热解炉已投运多台，也有配余热利用装置的，如气气热交换器。可是，在交替投运的气化热解炉系统上加装卧式水管锅炉、气气热交换器、布袋除尘器后，尽管配置设备质量尚好，但在设备总体上仍发生一些参数匹配的问题。
3.1.1气化热解炉的运行特殊性
由气化热解炉的运行特点可知：A、B炉交替投运方式与常规连续运行的焚烧炉有着较大的差别，即烟气成分有着很大的不连续性。正常启动时，先开启引、送风机，点燃喷燃炉油雾化器，气体温度达400℃左右。大约40rain后，气化热解炉点火启动。在物料加热温度逐渐升到600℃左右，不同温度区域便有不同组分的气体挥发出来最先挥发的气体为水蒸汽，随物料不断干燥、继续升温，水蒸汽成分消失，有机挥发分成分增加，物料渐渐炭化，直到完全热解、灰化。特别是气化炉刚刚投运时，炉内物料随温度升高而释放大量水蒸气。这时候炉内温度缓慢上升，其时间的长短视物料水分多少而定。在这段时间内，投轻油，燃烧废气，进行除臭处理，预热燃烧炉、管道等设备。若系统不设烟气旁路系统，则烟道下游的设备进口烟温必然很低，落在烟气酸露点区域，导致设备的损坏，轻则设备积灰、腐蚀；重则堵塞、烂穿。
3.1.2烟温控制点
垃圾成分极其复杂，对焚烧系统的运行稳定性影响极大，尤其是烟气温度的变化。显然，余热利用设备、布袋除尘器的烟气温度控制特别重要一般地说，尾气排放温度控制在150℃～180℃间是比较合理的。同样，当气化热解系统排烟温度低于下限时，很容易发生设备结露、堵塞，甚至腐蚀，布袋除尘器的烟气阻力剧增。
3.1.3吹扫系统
尽管气化热解炉有烟尘较少的特点，但在余热利用设备上仍应予重视。
3.1.4中和系统
目前，干法中和装置的喷粉量缺少反馈信号的控制。因而，无法判明烟气酸气量，这也往往导致烟气尾部设备酸腐蚀现象的发生。
3.1.5布袋除尘器运行参数
布袋除尘器最适合于焚烧烟气的净化。根据烟气的成分确定运行参数，经济地选择布袋材料是保证设备使用寿命的必要条件。气化热解系统的特殊性必须与布袋除尘器运行要求一致时，才能物尽其用，收到最佳效果。当然，布袋除尘器最忌火星烟尘，尤其是运行初期布袋过滤饼太薄时。防火星问题应在系统上予以解决。另外，布袋除尘器应配备蒸汽伴管或电加热装置，防止卸灰不畅。
3.2锅炉的高温腐蚀
焚烧烟气中的酸气(HC1、SO2等)对锅炉受热面的安全运行影响很大。特别是余热锅炉工质参数提高到一定值以上时，锅炉受热面管壁金属温度与腐蚀速度有着直接关联。在常规焚烧炉上工质蒸汽温度提高到过热温度350℃以上时，腐蚀速度加剧。
国内对碳钢材料的高温腐蚀进行了大量研究，已获得锅炉过热器入口温度950℃～800℃时的高温腐蚀特性和管壁沾污特性的数据。然而，在气化热解炉加装水管蒸汽锅炉的系统上将会产生怎样的问题还有待进一步研究。
3.3运行管理
气化热解炉对各类垃圾的焚烧有着良好的适应性。它可以通过不同热值垃圾的掺混，均衡炉料的热量。它可以燃烧干、湿交替混进的物料，对于热值太低的垃圾，可在气化炉底部先放一层煤，后放焚烧物。这一特性已在气化热解炉上得到验证。可是，在气化热解炉上实现垃圾资源再生利用时，应遵照稳定、可靠、经济的原则加强设备的运行管理，必须制定严格的操作规程。气化热解炉运行表明，违背了正常的管理操作程序，就容易导致运行事故及设备的损坏。
4技术经济分析
4.1技术指标
设备运行时水、电、油消耗量见表3。
表3 |
4.2经济效益分析
根据本技术方案，在农村城镇地区建立独立的能源自给体系，即生物质、固体废弃物直接转换电能，再生能源可供居民使用。这种自然资源或固体废弃物转换成清洁能源的循环体系大大支持城镇现代化的进程，既清洁地区环境，又利用资源，化废为宝，其社会效益显而易见。
生物质气化－蒸汽轮机发电系统项目经济效益估算：
发电能力1000kW
年运行时间8000h
电力输出(除厂用电外)600万度／年
生物质价格80元／t
生物质消耗1.4kg／kWh
生物质成本89.6万元／年
人工管理费32万元／年
维修费30万元／年
发电成本0.236元／kWh
售电价0.50元／kWh
利税148万元／年
由计算可见，尽管小发电效率不高，由于设备可靠性好，投运率高，且运行管理人员少，因而生物质气化.汽轮发电机组的发电成本约为0.25元／kWh。设备投产后，每年可收益约148万元。
垃圾处理的经济收益：
按城镇地域人口的垃圾产出量估算，日处理量约10t。生活垃圾处理费价格为300元／t～40元／t，工业垃圾处理费平均价约1000元／t，则每年至少可收入130万元。项目投资可在投产后4年～5年内回收。
在农村城镇建设生物质气化、汽轮发电机组的经济性格外引人注目。
5结语
综上所述，该机组能有效地处理农村大量剩余生物质，如秸秆、薪柴、谷壳、城镇生活垃圾等各类垃圾；也可处理液态废料，如油类、溶剂等，可处理高水分垃圾；可用烟煤铺垫补充垃圾热值，干湿搭配，可谓食谱宽广。
该机组设计额定日处理垃圾约50t／天。这种气化热解装置能适应固体废弃物散装、包装的收集特点，不需要垃圾前处理，大大简化处理系统。
静态气化热解装置上已获得优异的环保排放指标，实测二恶英0.18ngTEQ／Nm，低于国家标准允许排放的五分之一。垃圾气化热解处理是当代最洁净的焚烧技术之一。
在农村城镇建设发电能力100kw的生物质气化－汽轮发电机性的经济性引人注目，项目投资可在投产后4年～5年内回收。
固废物气化热解、余热利用一体化，充分体现出经济价值。它必将为我国农村城镇现代化作出应有的贡献。
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