垃圾焚烧发电厂沼气回收利用实践及分析

石凯军

(中国城市建设研究院有限公司，北京 100120)



垃圾焚烧发电厂沼气回收利用实践及分析

石凯军

(中国城市建设研究院有限公司，北京 100120)

摘要：指出了垃圾焚烧发电厂的渗沥液在处理过程中产生的沼气净化后是一种高质量的清洁燃料，可供回收利用，介绍了沼气处理的主要工艺，通过比较沼气回收利用各种技术的可行性、稳定性、安全性、经济性，得出了在焚烧炉侧墙设置沼气燃烧器是最优的回收利用方案，并提供了工程实践案例。

关键词：垃圾焚烧发电厂； 沼气净化； 沼气发电机组； 沼气燃烧器

1引言

生活垃圾焚烧发电技术是目前实现生活垃圾“减量化、资源化、无害化”的主要途径，在破解垃圾围城难题的同时利用垃圾焚烧产生的热量发电，实现了垃圾作为再生资源的回收与利用。垃圾在垃圾池内储存时会析出大量的渗沥液，厂内渗沥液处理站的厌氧反应器会产生大量的沼气，沼气经脱硫净化后主要由甲烷、二氧化碳气体组成，其中甲烷的含量一般占55 %～75 %，二氧化碳含量占25 %～40 %，其他气体占5 %～10 %。沼气的热值约为20800～23600 kJ/Nm3，是一种高质量的清洁燃料。沼气的综合利用将会有效降低生产成本，实现能源回收利用，提高经济效益和环境效益。

2沼气处理主要工艺

2.1沼气发电机组

构成沼气发电机组的主要设备有沼气发动机、发电机和热回收装置。沼气经脱硫净化后由贮气罐供给燃气发动机，从而驱动与沼气内燃机相连接的发电机而产生电力。沼气发动机排出的冷却水和废气中的热量通过热回收装置进行回收后，作为沼气发生器的加温热源。

目前国内沼气发动机有全部使用沼气的单燃料发电机组及使用沼气-柴油的双燃料发电机组，沼气发电机组容量从8 kW到5000 kW均已先后通过鉴定和投产。沼气发电机组的热效率较高，一般为30 %～35 %。其发电简易流程见图1。

图1沼气发电简易流程

2.2沼气引入垃圾焚烧炉燃烧

此类方式有两种形式：一种方法是将沼气通过管道送至垃圾池，沼气混入一次风由一次风机送炉燃烧。但沼气中甲烷浓度过高时极易发生爆炸，具有较高的危险性，因此不推荐使用。

另一种方法是在焚烧炉侧壁设置沼气燃烧器或沼气喷枪。区别在于设置喷枪时沼气在炉膛内燃烧，当垃圾焚烧炉燃烧状况不稳定时，沼气可能有点火燃烧不及时的风险。沼气燃烧器可靠性、稳定性较高，沼气经燃烧器燃烧后将热量带入炉膛，随同垃圾燃烧的热量一同被余热锅炉吸收利用，产生多余的蒸汽进入汽轮发电机组做功。这种处理方式的热效率和垃圾焚烧厂的热效率相同，一般为20 %～23 %。

2.3火炬燃烧

火炬燃烧是比较简单的沼气处理方式，沼气经脱硫净化后由贮气罐供给沼气火炬，沼气火炬分为CDM火炬、封闭落地火炬、半封闭火炬、开放式火炬等4种。焚烧流量范围从50 m3/h到3000 m3/h不等。

沼气火炬虽能有效处理沼气、提高场所安全、减少恶臭污染，但沼气作为一种洁净能源不能被有效利用。因此，火炬燃烧适合于产气量较小的工厂或场所，或者作为沼气发电机组与沼气入炉燃烧的备用工艺，当沼气发电机组或者垃圾焚烧炉检修时处理沼气(图2)。

3综合分析

垃圾焚烧发电厂设置沼气发电机组和沼气燃烧器技术上都比较成熟，主要差异表现在经济性上。目前国内焚烧厂的规模基本以600 t/d～2000 t/d为主，以1500 t/d的垃圾焚烧发电厂为例，渗沥液的产生量按照垃圾量17 %估算约为255 t/d，厌氧反应器产生的沼气按照《升流式厌氧污泥床反应器污水处理工程技术规范》(HJ—2013-2012)第6.5.1的建议，反应器沼气产率取0.45～0.5 Nm3/kgCODcr，考虑进水水质和温度变化引起的沼气产量的波动，为保证连续运行并结合工程经验，确定沼气产率取0.45 Nm3/kgCOD 。则：

沼气产量=255×(S0-S1)×0.45=199.1 Nm3/h

其中：S0—厌氧反应器设计进水CODcr—59500 mg/L

S1—厌氧反应器设计出水CODcr—17850 mg/L。

图2　垃圾焚烧发电厂沼气火炬

沼气成分因水质不同有较大差异，沼气甲烷含量可按55 %计，其他成分气体热值忽略不计，其中纯甲烷扣除水蒸气凝结热后，具有35800 kJ/Nm3的热值。则： 沼气热值=35800×0.55=19690 kJ/Nm3

3.1投资方面的比较

两种处理方式前端沼气净化和储存工艺基本相同，主要区别为设置沼气发电机组时除了设备费用还需要在厂内建设沼气发电机房，增加土建的费用。以1500 t/d垃圾焚烧发电厂为例，需配置1台0.35 MW的沼气发电机组或者3台0.4 MW的沼气燃烧器。初期投资费用比较详见表1。

表1　初期投资费用比较

表1中的设备费用为目前市场均价费用，安装、土建工程费用套用定额得出，可以看出，沼气发电机组初期投资比设置燃烧器多花费197.7万元。

3.2发电收益的比较

沼气发电机组发电量按照热效率30 %计算，年运行时间保证8000 h，则：

年发电量=19690 kJ/Nm3×199.1 Nm3/h×30 %/3600 s×8000 h=2613519 kW·h

发电量也可以通过单燃料内燃机的耗气量来计算，燃用沼气的单燃料内燃机的耗气量为每0.736 kW·h耗气量约为0.4～0.5 Nm3，取0.736 kW·h/0.45 Nm3,则：

年发电量=V·(0.736/0.45)

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

沼气入炉燃烧发电量按照垃圾焚烧发电厂热效率21 %计算，年运行时间保证8000 h，则：

年发电量=19690 kJ/Nm3×199.1Nm3/h×21 %/3600 s×8000 h=1829494 kW·h

根据目前沼气上网电价0.75 元/kW·h，通过调研大部分项目的运行经验，沼气发电机组运行费用约0.20 元/(kW·h)，运行费用不仅包含人员费用，还包括设备检修维护费用。则：

沼气发电机组年收益=2605113 kW·h×(0.75-0.20)元/(kW·h)=1432812.2元

沼气燃烧器的运营维护费用较设置沼气发电机组大为降低，运行费用约0.02 元/(kW·h)，则：

沼气燃烧器年收益=1829494 kW·h×(0.75-0.02)元/(kW·h)=1335530.6元

两种方式收益差距=1432812.2-1335530.6=97281.6元

即设置沼气发电机组每年收益比燃烧器约高9.73万元，按照运营期30年考虑，则运营期收益增加291.9万元。考虑减去设置沼气发电机组初期投资多花费的197.7万元，则运营期比设置沼气燃烧器多收益100万元，考虑通货膨胀等因素，增加的收入意义不大。另外在厂内建设沼气发电机房占用了垃圾焚烧发电厂的总体使用面积，影响了其他建构筑物的布局。

综合考虑，对于垃圾焚烧发电厂而言，设置沼气燃烧器处理厌氧反应器产生的沼气是比较理想的方式。

3.3对焚烧厂运行的影响

沼气经沼气燃烧器燃烧热量入炉后增加了焚烧炉的热负荷，按照1500 t/d的垃圾焚烧发电厂设置3台500 t/d的焚烧炉配置，垃圾热值为6280 kJ/kg，则单台焚烧炉的燃烧图如图3。

从图3可以看出，500 t/d的焚烧炉的额定热负荷为36.342 MW，按照沼气产量199.1 Nm3/h、热值19690 kJ/Nm3、每炉设置1台沼气燃烧器，则每台焚烧炉增加的热负荷为0.363 MW,约为焚烧炉额定热负荷的1 %。对焚烧炉的影响较小，同时可适当考虑增加余热锅炉的受热面设计，基本对运行不产生影响。

4工艺设计

4.1沼气净化系统

沼气从厌氧反应器出来后，含有饱和水、H2S和CO2等其他物质，H2S对设备和管道具有较强的腐蚀性，同时燃烧时产生SO2等有害气体污染环境，因此规范中规定H2S的含量必须低于20 mg/m3。沼气脱硫采用以氧化铁为脱硫剂的干法脱硫，它是在常温下沼气通过脱硫剂床层，沼气中的H2S与活性氧化铁接触，生成硫化铁和硫化亚铁，然后含有硫化物的脱硫剂与空气中的氧接触，当有水存在时，铁的硫化物又转化为氧化铁和单体硫。这种脱硫再生过程可循环进行多次，直至氧化铁脱硫剂表面的大部分孔隙被硫或其他杂质覆盖而失去活性为止。一旦脱硫剂失去活性，则需要将脱硫剂从塔内卸出，摊晒在空地上，然后均匀地在脱硫剂上喷洒少量稀氨水，利用空气中的氧，进行自然再生。

脱硫原理为：

Fe2O3·H2O+H2S→Fe2S3·H2O+3H2O

再生原理为：

Fe2S3·H2O+3/2O2→Fe2O3+3S+609 kJ

脱硫塔体床层应根据脱硫量设计为单床层、双床层或多床层。脱硫剂的反应温度应控制在生产厂家提供的最佳温度范围内，一般当沼气温度低于10 ℃时，脱硫塔应有保温防冻和增温措施，当沼气温度大于35 ℃时，应对沼气进行降温。脱硫装置进出气管可采用上进下出或下进上出方式。脱硫装置底部应设置排污阀门和沼气安全泄压阀等设备。

图3500 t/d焚烧炉典型燃烧

脱硫塔内装有中央圆孔的吊筐。叠置起来的吊筐在净化塔中心形成的圆柱形沼气通道，如图4上箭头表示的方向。沼气由塔底进入中心通道，并均匀分布进入各个吊筐中，通过脱硫剂层后进入吊筐与塔壁形成的空隙内，而由塔侧壁排出。气体以正常的速度通过脱硫剂时，每米厚脱硫剂的阻力为125～255 mmH2O。

图4　塔式干法脱硫装置示意

沼气与脱硫剂接触时间，一般取50～300 s。脱硫后沼气中含硫化氢量应降低到10～20 mg/m3。脱硫器的直径D，一般按H/D=2～3选取，其他尺寸按图5标注尺寸关系计算。脱硫剂宜分层填装，要求再生或更换方便。

沼气脱水是因为导气管中如果积累了水会溶解H2S而腐蚀管道，此外当沼气被加压储存时，有可能会因为凝结水而冻坏储气罐。脱水方法则采用冷分离法，即在热交换系统中通过冷却器冷却气体而除去冷凝水。

图5　脱硫器尺寸

这种方法由于是在热交换器的表面冷却，通常比露点低0.5～1 ℃，为了取得更低的露点，必须在冷凝之前先压缩气体，然后再释放到需要的压力。图6所示为冷凝装置，a、b为介质出入口，c为冷却水入口，d为冷却水出口，e为放空口。图7所示为分离装置，为了使沼气的气液两相达到工艺指定的分离要求，常在塔内按照水平及竖直滤网，当沼气以一定的压力从装置上部以切线方式进入后，沼气在离心力作用下进行旋转，然后依次通过水平滤网及竖直滤网，促使沼气中的水蒸汽与沼气分离，而后器内的水滴沿内壁向下流动寄存于底部并定期排出。

4.2贮气罐与增压风机

沼气净化后送入贮气罐，贮气罐的有效容积按照半天的容气量考虑。沼气通过管道及增压风机由储气罐送至沼气燃烧器控制阀组，增压风机要求必须选用变频防爆型，设备一用一备。

图6　冷凝装置

图7　分离装置

以1500 t/d垃圾焚烧发电厂为例，增压风机的流量按照沼气产量的1.2倍考虑：

增压风机的压力需根据燃烧器压力要求及管道压力损失并考虑1.3倍的余量确定，按照一般沼气燃烧器3000 Pa，管道损失按照1000 Pa估算：

沼气管道可按照《火力发电厂油气管道设计规程》(DL/T5240-2005)6.2.1、6.2.2条规定设计。

4.3沼气入炉燃烧

沼气由增压风机送至沼气燃烧器阀组，沼气燃烧器操作阀组由现场控制盘控制或焚烧炉ACC根据燃烧情况控制。压缩空气由厂内压缩空气站提供，起火检冷却作用。工艺流程详见图8。

为保证沼气完全的燃烧，由助燃风机提供燃烧所需要的空气，对于烷烃类燃气，燃烧所需的理论空气量可根据下式计算。

图8沼气入炉燃烧工艺流程

助燃风机的流量和压力选择应在满足完全燃烧的基础上考虑一定的余量。

沼气燃烧器一般通过安装法兰安装在辅助燃烧器附近，当投入运行时，燃烧头伸入炉膛内，沼气燃烧情况由火焰监测器监视。沼气燃烧器的结构见图9。

5结语

通过工艺设计的可行性分析认为，沼气经沼气燃烧器入炉燃烧最为可靠，在解决沼气直排污染环境的同时实现了能源的回收利用，具有稳定的经济效益，是沼气回收利用的最佳方案。

图9沼气燃烧器结构

参考文献：

[1]白良成. 生活垃圾焚烧处理工程技术[M]. 北京：中国建筑工业出版社，2009.

[2]张泉根. 燃油燃气锅炉房设计手册[M]. 北京：机械工业出版社，1998.

[3]朱悦. 城市生活垃圾焚烧发电厂沼气利用工艺探讨[J]. 上海环境科学，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

作者简介：石凯军(1985—)，男，助理工程师，主要从事城市生活垃圾焚烧处理及环保相关的工作。

中图分类号：TK62

文献标识码：A

文章编号：1674-9944(2016)10-0195-04