生活垃圾绝氧热解发电工艺构建与评估

摘   要： 为了更好实现生活垃圾清洁焚烧，推进生活垃圾减量化、资源化、无害化处理，构建一套400 t/d处理规模的生活垃圾绝氧热解发电工艺。基于绝氧热解发电工艺技术路线，提出由预处理单元、旋转床热解单元、油气分离净化单元、锅炉及发电单元组成的技术框架。工艺投产后，生活垃圾年处理能力可达13.3万吨，年发电5 508万千瓦时，其中3 733万千瓦时可用于外供。对工艺进行技术经济评估，表明财务内部收益率为7%，投资回收期为11年。对财务内部收益率进行敏感性分析，敏感性由高到低的因素依次为产品价格、经营成本、建设投资。生活垃圾绝氧热解发电项目建成后将具备一定的盈利能力、清偿能力和抗风险能力。

关键词： 生活垃圾;绝氧热解发电;预处理;旋转床;财务内部收益率;敏感性分析

中图分类号：X705    文献标识码：A    文章编号：2095-8412 （2020） 01-053-07

工业技术创新 URL： http： //www.china-iti.com    DOI： 10.14103/j.issn.2095-8412.2020.01.011

引言

当前，我国城市化进程不断加快，城市生活垃圾产生量逐年攀升，城市环境污染问题愈发严重。为改善城市人居环境，我国提出到2020年底，全国设市城市垃圾焚烧处理能力全部达到清洁焚烧标准的工作目标。国家标准《生活垃圾焚烧污染控制标准》（GB 18485-2014）[1]对重金属和二噁英类污染物控制指标进行了规定。

清洁焚烧作为垃圾焚烧技术发展的必然趋势，对现有和新建焚烧厂的二次污染控制提出了更高的要求。在提升焚烧工艺质量和管理水平的同时，也需探索适宜生活垃圾焚烧的，满足中等体量垃圾处理需求的，污染物排放控制水平与传统技术持平或优于传统技术的其他工艺。

热解发电工艺有望成为焚烧技术的有效补充，实现生活垃圾清洁化、高效化处理[2]。旋转床绝氧热解发电工艺以无害化和资源化为出发点，垃圾热解产生的热解气、焦油和热解炭进入后续锅炉及发电单元，通过技术手段降低二噁英等污染物含量，有效减轻大气污染问题[3]，所产生的电力作为最终产品。按入场垃圾处理量折算的上网电量，上网电价为0.65元/kWh;其余上网电量按所在地区同类同期燃煤发电机组上网电价执行。

本文首先简要介绍绝氧热解发电工艺技术路线;其次基于技术路线，提出由预处理单元、旋转床热解单元、油气分离净化单元、锅炉及发电单元组成的绝氧热解发电工艺技术框架;最后从盈亏平衡分析、敏感性分析等角度对绝氧热解发电工艺进行技术经济评估。

1  技术路线

采用先进成熟的旋转床热解工艺、油气分离净化工艺和锅炉发电工艺对生活垃圾进行无害化、资源化、减量化处理。

400 t/d生活垃圾运送进厂称重后卸至入料坑内，进入垃圾预处理单元储存并堆滤。通过分拣，除去废金属、石块及缠扰物等;通过筛分除去渣土。大块物料破碎后，送入旋转床热解单元。分选出的石块、渣土等无机物运出场外填埋;金属等可外运销售。

生活垃圾在旋转床热解单元中隔绝空气的旋转床内加热，有机物热解为热解气、焦油和热解炭。油气混合物进入油气分离净化单元，净化后获得的一部分热解气作为旋转床蓄热式辐射管燃气使用，另一部分热解气与分离出的焦油、旋转床产生的热解炭，以及少量煤炭一同进入循环流化床锅炉产生蒸汽，在汽轮机发电机组发电。锅炉产生的灰渣出厂外售或填埋处理。垃圾渗滤液和其他工艺污水入污水处理单元处理后达标排放。

某地区生活垃圾主要成分如表1所示，生活垃圾绝氧热解发电总工艺流程如图1所示。

2  技术框架

基于生活垃圾绝氧热解发电工艺技术路线，提出技术框架，包括预处理单元、旋转床热解单元、油气分离净化单元、锅炉及发电单元。

2.1  预处理单元

生活垃圾由专用运输车运至厂内，经地磅计量后，卸入预处理单元的汽车卸料平台的卸料间，卸料间的垃圾产生的渗滤液经排水沟流入渗滤液收集池，由污水泵送至污水处理站处理[4]。储料间的垃圾经垃圾抓斗起重机送至板式给料机，由板式给料机转运至带式输送机，中间设置人工分选间，大件垃圾及建筑垃圾等由人工分拣出，存放于分选杂物间的垃圾槽中，定期由汽车外运至指定填埋场填埋。途经带式输送机的垃圾送至破袋滚筒筛中。

破袋滚筒筛的筛上物转至带式输送机，带式输送机上部设置的除铁器将大块金属分拣出，卸至金属贮槽中贮存，其他垃圾送至一级破碎机进行第一次破碎，第一次破碎后的垃圾再送至二级破碎机进行第二次破碎。破袋滚筒筛的筛下物经筛下物输送机输送至渣土堆存间贮存，渣土等筛下物定期由汽车外运至指定填埋场填埋。经二级破碎机破碎后的垃圾卸至带式输送机运至储料间，堆滤时间为5～7 d。垃圾堆滤期间所产生的垃圾渗滤液和卸料间的渗滤液一并汇入渗滤液收集池，由污水泵送至污水处理系统处理。堆滤5～7 d后的垃圾由垃圾抓斗起重机抓送至双螺旋给料机附带的集料斗内，经无轴双螺旋给料机转至带式输送机，输送至旋转床进料口的料斗上。

2.2  旋轉床热解单元

旋转床热解单元的工艺过程为：装料→加热升温→干馏排出油气→剩余固体物出料。

旋转床原料的来源为由预处理车间破碎后送至旋转床装料系统的有机质和可燃物（厨余、织物、塑料、纸类、木竹等）。旋转床入炉垃圾成分和输入参数分别如表2和表3所示。

为确保旋转床稳定连续运行，要求粒径大于50 mm且小于80 mm的入炉垃圾比例不大于10%，入炉垃圾金属含量小于0.1%，入炉垃圾无机渣土含量小于5%。

从预处理车间输送过来的垃圾经过皮带及旋转床装料系统向炉内供料，根据炉底转动速度自动控制料的流量，满足连续布料的要求。

旋转床炉底匀速转动，炉内垃圾依次经过装料区、预热一区、预热二区、反应一区、反应二区、反应三区、反应四区和出料区等区段。通过调节炉底转动速度，可以改变炉内垃圾在炉内升温干馏的时间。

生活垃圾热解过程大致分为以下四个阶段：

（1）预加热和干燥阶段。100℃以下生活垃圾被加热至100～130℃，生活垃圾的内在水分全部蒸发。

（2）预热解阶段。生活垃圾温度上升至150℃左右时，干燥过程结束;温度上升至150～300℃时，化学组成开始发生变化，不稳定成分分解成CO2、CO以及少量乙酸等，标志着热解反应的开始。

（3）固体分解阶段。生活垃圾温度上升至300～600℃时，发生复杂的化学反应，大量挥发份析出，是热解的主要阶段。生成的液体产物有构成热解油的有机液体和水，气体产物主要有CO、CO2、CH4、H2等，气体产率随着温度的升高不断增加。

（4）残炭分解阶段。温度继续升高，C-O键、C-H键进一步断裂，深层的挥发性物质继续向外层扩散，残炭重量下降并逐渐趋于稳定，同时一次热解油也进行着多种多样的二次裂解反应。

旋转床采用辐射管以辐射传热方式对物料进行加热。预热段和反应段均布置足够数量的辐射管。辐射管的特点是使燃烧在管内进行，烟气与炉膛内的气体完全隔绝，可保证热解气不被烟气掺混。辐射管水平布置在炉顶之下、料层之上。辐射管燃烧后烟气直接达标排放。蓄热式辐射管的热效率可达80%以上，可显著节约燃料[5]。

生活垃圾经历上述各阶段后完成干馏过程。生活垃圾可燃物在隔绝空气的条件下热解，使所含的绝大部分有机物及挥发分析出。热解后得到油气和固体残余物两种产品，其中油气送往油气净化单元，剩余的热解炭通过出料螺旋及冷却输送机降温后排出炉外，送至锅炉单元发电。热解气杂质含量如表4所示，热解炭工业分析和元素分析结果如表5所示。

2.3  油气分离净化单元

油气分离净化工艺流程如图2所示，以下对关键步骤进行介绍。

2.3.1  气液分离和洗涤除尘

从旋转床自流过来的煤气和油水以85～89℃的饱和态进入煤气洗涤塔，塔底激冷循环水依次自流进入机械化油水分离器槽、激冷循环水中间槽，然后由激冷循环水泵送至激冷循环水冷却器，冷却到60℃后送至旋转床，激冷出炉荒煤气。塔顶煤气进入下游煤气初冷器。

从旋转床带出的粉尘在机械化油水分离器槽中沉降分离后形成焦油渣，从刮渣机刮出焦油渣，用小车送电厂作为燃料。焦油与水也在机械化油水分离器槽中分离，顶部轻焦油自流进入焦油缓冲槽，然后经焦油中间槽、输送泵送电厂作为燃料。机械化油水分离器槽底部重焦油送到焦油中间槽入口，由焦油中间槽送焦油槽。

从激冷循环水泵抽出一路热解水，以维持系统水平衡。抽出的剩余热解水经热解水冷却器冷却到40℃左右进入热解水槽，然后经热解水泵送至污水处理站。

在旋转床前的激冷洗涤不能完全除去煤气中的粉尘，余下的粉尘由煤气洗涤塔内雾化喷头进行喷淋洗涤。洗涤水由洗涤泵从激冷循环水中间槽中抽出，送至煤气洗涤塔喷洒洗涤煤气。

2.3.2  煤气初冷

来自煤气洗涤塔顶的煤气从顶部进入煤气横管初冷器，煤气横管初冷器使用循环水和低温水分两段将煤气冷却到20℃后送至电捕焦油器。

被横管初冷器冷却下来的焦油和冷凝水进入初冷冷凝液槽，然后由初冷冷凝液泵送出，一部分用于横管初冷器和电捕焦油器的冲洗，剩余的送至机械化油水分离器槽。

2.3.3  电捕焦油和鼓风

来自横管初冷器的煤气的焦油雾在电捕焦油器内除去，煤气焦油雾含量<30 mg/m3后进入煤气鼓风机加压到约15 kPa。之后，用于旋转床燃烧的一部分煤气进入下游脱硫系统，多余的煤气送往锅炉发电单元。

2.3.4  干法脱硫

来自煤气鼓风机的煤气进入3台并联设置的干法脱硫塔。3台干法脱硫塔相互间歇操作，其中1台运行、1台再生、1台备用。干法脱硫塔同时对煤气中残存的焦油雾、萘有一定的吸附脫除作用，从干法脱硫塔出来的煤气达到旋转床燃烧的质量要求后，进入煤气缓冲罐，再进入热解单元。

2.4  锅炉及发电单元

2.4.1  燃料供应

锅炉燃料来源有二：一是生活垃圾处理后的热解炭、焦油和热解气，二是助燃用的燃料煤，二者混合后送入锅炉燃烧，锅炉产生的中温中压蒸汽全部送入汽轮机进行发电。燃料量及性质如表6所示。

2.4.2  燃烧系统

锅炉拟配1台100%容量的离心式送风机。送风机进风口吸收预处理单元的臭气。送风系统分为一次风系统和二次风系统。一次风系统主要为循环流化床锅炉提供流化介质，使燃料在锅炉炉膛实现流化状态，为燃料给料系统提供输送介质。二次风系统主要为循环流化床锅炉提供燃烧助燃风。送风机出风口分两路，分别接至空气预热器一次冷风和二次冷风接口。

燃烧系统产生的高温烟气流经高效旋风分离器。烟气中大的飞灰颗粒被分离出来后返回炉膛，处理后的烟气则流经锅炉尾部受热面及半干法脱硫除尘系统后，由引风机通过烟囱排入大气。

锅炉系统拟采用炉前一级给料。设置2个给料机，给料系统设计出力满足锅炉200%额定工况的燃料量要求，燃料由运煤系统输送至炉前料斗。

循环流化床锅炉采用SNCR炉内脱硝系统，可达到NOx排放要求。炉后设置半干法脱硫除尘一体化装置，脱硫除尘后满足环保排放要求。

2.4.3  热力系统

主蒸汽系统拟采用母管制系统。主蒸汽管道上设置1个3 t/h的减温减压器，当汽机故障时，可用于不间断地向其他单元提供低压蒸汽。

锅炉配2台电动给水泵，1用1备。低压给水经过除氧器由给水泵送至高压加热器，将给水加热到150℃，最终送至锅炉省煤器入口。

凝结水管道自凝汽器接至凝结水泵入口，凝结水泵出口管道经汽封加热器接至除氧器。

采用两路非调整抽汽，一路为除氧器供热及对外供汽，一路为高压加热器供汽。

为提供汽轮发电机空冷器、汽轮机冷油器和其他辅机设备冷却所需的冷却水源，拟采用工业水和循环水，对用水量较大的设备（如汽机冷油器、发电机空冷器等）采用循环水冷却，对其他轉动机械（如轴承）采用工业水冷却。

3  技术经济评估

3.1  能源结构评估

全工艺流程达产后，年处理生活垃圾13.3万吨，消耗启动电力3.416万千瓦时、原煤13 982.75吨、天然气1.75万立方米、柴油29.85吨、新水0.38万吨。投产后，年发电5 508万千瓦时，其中外供电力3 373万千瓦时，锅炉产生灰渣136.3吨/天（其中灰量99.7吨/天，渣量36.6吨/天），可作为水泥原料外销。全流程能源结构合理[6-7]。

3.2  盈亏平衡分析和敏感性分析

该工业化项目的财务内部收益率（税后）为7%，高于财务基准收益率5%，投资回收期为11年。

根据产品成本费用、销售价格、产量（销售量）、增值税、营业税金及附加对项目盈亏的作用，计算盈亏平衡点，进行盈亏平衡分析。以生产能力利用率表示的盈亏平衡点为51.19%，即生产负荷为51.19%时可以达到收支平衡，项目风险等级为“较小”。

考虑项目实施过程中建设投资、产品价格、经营成本等不确定因素的变化，分别对各因素进行降低20%、15%、10%、5%和提高5%、10%、15%、20%的变化，对财务内部收益率（税后）进行单因素敏感性分析和敏感度系数（Saf）分析，如表7所示。分析发现，产品价格对财务效益影响最敏感，经营成本次之，建设投资敏感性最低。

总之，项目具备一定盈利能力、清偿能力以及抗风险能力。

4  结论与讨论

（1）以生活垃圾为原料，通过旋转床绝氧热解发电工艺，可实现高热值热解气、热解油及热解炭的清洁生产。整个生活垃圾处理过程中无二噁英等二次污染物、飞灰等危险废弃物产生，可彻底解决填埋占地面积大、堆肥产品销路不畅和焚烧产生二次污染问题，环保性强、经济性好，真正实现生活垃圾减量化、资源化、无害化处理，有利于解决“生活垃圾围城”、“邻避效应”等问题，破解生活垃圾威胁人类生存环境的困境。

（2）绝氧热解发电工艺路线能够处理400 t/d规模的生活垃圾。投产后，年发电5 508万kWh，其中外供电力3 373万kWh，实现了向社会供电。技术经济评估表明，该工艺路线完全具备工业化应用的可行性。全工艺流程完全符合清洁生产要求;各项环保设施合理、有效，各污染物能够实现达标排放;排放的废气污染物对区域环境影响较小，不会改变当地环境质量等级，具有良好的环境效益、社会效益和经济效益。

参考文献

[1] 生活垃圾焚烧污染控制标准： GB 18485-2014 [S].

[2] 袁国安. 生活垃圾热解气化技术应用现状与展望[J].环境与可持续发展， 2019， 44（4）： 66-69.

[3] 樊高鹏. 固废热解技术发展现状[J]. 资源节约与环保， 2019（1）： 104.

[4] 唐宇， 汤红妍. 城市生活垃圾填埋场渗滤液处理工艺综述[J]. 工业技术创新， 2014， 1（3）： 362-373.

[5] 李华， 李林. 竹类生物质热解技术构建与评估[J]. 工业技术创新， 2017， 4（3）： 49-53.

[6] 马明生， 李兴杰. 生活垃圾热解工艺现状[J]. 中国有色冶金， 2018， 47（4）： 35-38.

[7] 王振宇， 邱墅， 何正斌， 等. 园林废弃物热解过程中的热量传递[J]. 北京林业大学学报， 2016， 38（6）： 116-122.

作者简介：

李林（1979—），通信作者，男，河北涿州人，高级工程师，博士研究生。主要研究方向：固废处理及烟气治理工艺的基础理论计算。

E-mail： 13031128987@163.com

（收稿日期：2019-11-23）

Establishment and Evaluation on Oxygen-Free Pyrolysis Power Generation Process for Domestic Wastes

LI Lin

（Beijing JC Energy and Environment Engineering Co.， Ltd.， Beijing 100040， China）

Abstract： In order to better realize the clean incineration and promote the reduction， recycling and harmlessness of domestic wastes， a set of oxygen-free pyrolysis power generation process with 400 t/d treatment scale is constructed. Based on the technology route of oxygen-free pyrolysis power generation， a technological framework composed of pretreatment unit， rotating bed pyrolysis unit， oil-gas separation and purification unit， boiler and power generation unit is proposed. After the process is put into operation， the domestic waste annual treatment capacity can reach 133 000 tons， the annual power generation is 55.8 million kWh， of which 37.33 million kWh can be used for external supply. The technological and economic evaluation of the process shows that the financial internal rate of return is 7% and the investment payback period is 11 years. The sensitivity analysis on the financial internal rate of return shows that the factors of sensitivity from high to low are product price， operation cost and construction investment. After the completion of the project， it will have certain profitability， solvency and risk resistance.

Key words： Domestic Waste; Oxygen-Free Pyrolysis Power Generation; Pretreatment; Rotating Bed; Financial Internal Rate of Return; Sensitivity Analysis