引言
隨著科學技術(shù)的發(fā)展,能源消耗速度只增不減,對于新能源的開發(fā)以及可再生能源的回收利用變得尤為重要。隨著人們生活水平的不斷提高,生活垃圾處理問題亟待解決,而生活垃圾焚燒發(fā)電技術(shù)是目前實現(xiàn)生活垃圾綠色回收利用的主要途徑,通過厭氧發(fā)酵和過濾手段實現(xiàn)沼氣發(fā)電。沼氣是一種非常廉價且容易獲得的新能源,熱量值非常高,可達20000kJ/Nm3,是一種質(zhì)量非常高的清潔燃料。綜合應用沼氣能夠大大降低生產(chǎn)成本,同時還能提高電廠經(jīng)濟效益和環(huán)境效益。
1沼氣預處理工藝
生活垃圾焚燒后會產(chǎn)生滲瀝液,產(chǎn)生的沼氣中也會含有硫化氫(H2s)、水(H2o)以及顆粒物等雜質(zhì),因此需要對沼氣進行預處理。由于預處理系統(tǒng)處理的沼氣屬于易燃易爆氣體,所以預處理系統(tǒng)設有填埋氣發(fā)動機,在運行時要求流量可控、壓力穩(wěn)定、溫度適宜。該預處理系統(tǒng)具備以下功能:(1)降低粉塵等固體雜質(zhì)的含量:(2)降低氣體硫化氫含量:(3)自動增壓和超壓保護功能可以穩(wěn)定系統(tǒng)氣體的出口壓力,保證其溫度和流量:(4)在線監(jiān)測及報警功能可以保證系統(tǒng)長期安全可靠的運行。
2沼氣發(fā)電預處理系統(tǒng)特點
(1)系統(tǒng)采用防爆設計,配備防爆設備儀表:(2)采用全不銹鋼設備,確保設備使用年限:(3)設全自動在線監(jiān)測系統(tǒng)和緊急旁路,確保處理系統(tǒng)安全:(4)根據(jù)發(fā)動機的用氣量,自動變頻,減少輔機耗電量,降低運行費用:(5)全自動無人值守,節(jié)約人力成本:(6)自動/手動切換,適應各種情況需要。
本文就1000t/d垃圾處理量的焚燒廠為例進行分析,滲瀝液處理裝置產(chǎn)生的沼氣為9000m3/d,將沼氣經(jīng)過除濕裝置除去沼氣中的水分后過濾,再通過壓縮機將過濾后的清潔沼氣送入儲罐,沼氣的熱顆粒值取20MJ/m3。
34種沼氣處理方案
3.1通過沼氣燃燒器重新回到焚燒爐進行焚燒
該方案通過沼氣燃燒器將滲瀝液處理過程中產(chǎn)生的沼氣進行焚燒,整套系統(tǒng)的熱量增加,充分實現(xiàn)了資源的回收利用[1]。沼氣在焚燒爐內(nèi)燃燒使鍋爐的蒸發(fā)量猛增,同時也大大增加了汽輪發(fā)電機組的發(fā)熱量。假設發(fā)電廠的熱效率為21.5%,沼氣低位熱值為20MJ/m3,每小時的發(fā)電量為448kwh,沼氣上網(wǎng)發(fā)電量為408kwh,年上網(wǎng)發(fā)電總量為3.22×106kwh,30年特許經(jīng)營期總額約為6300萬元。
3.2將沼氣排放入坑并通過抽風機回爐焚燒
該方案通過在滲瀝液收集間設置通風設施,進而將滲瀝液處理過程中產(chǎn)生的沼氣等有毒有害氣體排放到垃圾坑進行"活埋",且垃圾坑內(nèi)需時刻保持負壓狀態(tài),再經(jīng)抽取后進入焚燒爐燃燒。理論上沼氣被送進焚燒爐后會釋放自身熱量。該方案的年發(fā)電量、熱效率等與方案1相同[2],30年特許經(jīng)營期總額同樣約為6300萬元。
該方案的缺陷是,垃圾坑中原有的垃圾又會產(chǎn)生沼氣,沼氣的主要成分甲烷會與空氣中的氧氣發(fā)生氧化反應,在完全反應的情況下,甲烷與氧氣的反應體積比為1:2,參照空氣中的氧氣含量可得出,11CH4燃燒需要空氣約9.51。所以甲烷約占混合氣體的9.5%。當甲烷在空氣中的體積分數(shù)達到或超過9.5%時,就會發(fā)生強烈爆炸。而生活垃圾堆放過于集中會形成一種厭氧環(huán)境,從而使垃圾中的沼氣不斷積累,并且不斷釋放,當甲烷在空氣中的含量達到爆炸極限或遇到明火,極易發(fā)生爆炸。
3.3通過無點火設施的沼氣回噴裝置回爐燃燒
該方案通過設置沼氣回噴裝置使沼氣入爐燃燒,沼氣需要通過回噴槍進入到垃圾中有火焰的部分,并且通過二次燃燒空氣的供給,使氧氣濃度不斷升高,在這種情況下,垃圾將會完全燃盡,不會有剩余。所以要把回噴槍設置在爐排燃燒段側(cè)壁但比垃圾高出一部分的位置。又因為此處溫度過高(1000℃左右),所以回噴槍通常由不銹鋼或合金鋼制作。
在需要使用時通過低壓手段向爐內(nèi)提供沼氣,不使用時將氣體通過冷卻空氣冷卻,避免沼氣導管的損傷。與此同時,停止輸入時要將管道內(nèi)的殘留沼氣清理干凈。另外,還需要準備一套火炬燃燒處理裝置,當焚燒爐停止燃燒時,將沼氣送到火炬高空進行后續(xù)處理。經(jīng)過一系列運行,沼氣燃燒會釋放大量熱量。年發(fā)電量、熱效率等與方案1基本持平,即30年特許經(jīng)營期總額約為6300萬元。
3.4通過裝置沼氣發(fā)電燃氣內(nèi)燃機發(fā)電機組進行回爐焚燒
沼氣發(fā)電機組主要由沼氣發(fā)動機、熱回收裝置和發(fā)動機構(gòu)成。沼氣脫硫后通過儲氣罐向燃氣發(fā)動機運輸,驅(qū)動發(fā)電機產(chǎn)生電力。通過熱回收裝置對沼氣發(fā)動機排出的冷卻水和散發(fā)的熱量進行回收后作為熱源。
燃氣內(nèi)燃機適用于沼氣產(chǎn)量相對較小的場所,以沼氣為燃料,使內(nèi)燃機和發(fā)電機持續(xù)發(fā)電[4]。根據(jù)國內(nèi)外機組的運行經(jīng)驗,假定燃氣內(nèi)燃機發(fā)電機組的熱效率為33%,那么每小時發(fā)電量就為687kwh,沼氣上網(wǎng)發(fā)電量約為583kwh,年上網(wǎng)總發(fā)電量為4.66×106kwh,則每年收入可以增加302萬元。與前3種方案不同,該方案的30年特許經(jīng)營期總額為9060萬元。
4沼氣綜合利用方案比較
不難看出,上述4種方案的收益相差很小。針對前期建設工程投入來說,方案2所需費用最小,方案1與方案3所需費用居中,而方案4所需費用最大:針對運行維護成本來說,方案2不需要維護費用,方案1和方案3需要維護費用,但維護費用相對較小,而方案4則需要高額的維護成本:就收益來說,方案2綜合各方面來看收益最大,但是該方案存在較大的安全隱患,方案1和方案3高收益的背后隱藏著巨大的安全隱患,方案4收益最大但成本最多,二者中和之后的收益并無優(yōu)勢。
54種方案的總結(jié)
方案1:首先沼氣的回爐燃燒可以將熱量回收,從而增加總收益。沼氣燃燒器有很多優(yōu)點,例如:以燃油(生物油、重油、柴油、醇基燃料等）為燃料實現(xiàn)零污染排放,清潔環(huán)保:燃燒效率高,氣化燃燒方式加上多級設計,燃燒效率可以高達98%:操作簡單,自動點火無需人工。
方案2:將沼氣運送至垃圾坑,無論是操作性還是可行性都非常高,但垃圾坑固有的氧氣會給實施帶來很大困擾,因為混合氣濃度無法掌控,可能引發(fā)爆炸。
方案3:首先沼氣回噴方案的收益與方案1大體相同,但是燃燒爐的燃燒情況無法掌控。與此同時,回噴槍的使用也有一定要求,操作方面相對于方案1較復雜。
方案4:沼氣熱利用效率最高,但需要非常高的經(jīng)費,且執(zhí)行繁瑣,即使能夠成功運作也需要昂貴的保養(yǎng)費用。
就方案本身特點而言,方案1能夠?qū)φ託猱a(chǎn)生的熱量進行有效回收,提升收益,且燃燒器具有穩(wěn)定性,相對可靠:方案2同樣可以回收熱量,但易發(fā)生爆炸:方案3雖然可以實現(xiàn)對沼氣熱量的回收,但焚燒爐的燃燒狀況明顯不穩(wěn)定,會有焚燒點火不及時的風險:方案4各方面效果雖然突出,但也帶來了昂貴的支出費用。
6結(jié)語
習總書記說過:"綠水青山就是金山銀山。"通過以上總結(jié)不難發(fā)現(xiàn),將生活垃圾通過沼氣燃燒器進行燃燒效用最大。本文介紹的沼氣工藝化處理,符合可持續(xù)發(fā)展理念,值得深入推廣。
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