張亮

(武漢凱迪工程技術研究總院有限公司，武漢430223)

　　摘要：“垃圾圍城”現象給中國城市發展帶來的環境污染問題日益嚴重，當前城市生活垃圾處理的主流方式是焚燒，但存在垃圾熱值低、運行不經濟以及焚燒技術帶來潛在的環境二次污染問題。本文提出一種城市垃圾與農林廢棄物混合燃料分布式發電系統屬于再生能源利用的一種形式，通過分布式發電系統能實現垃圾減量化、資源化、無害化，不產生二次污染（如二噁英），比單一垃圾焚燒發電系統發電效率更高，系統更靈活，余熱產品更豐富，經濟效益更好，是十三五規劃能源創新領域重點推薦的技術路線。

　　0引言

　　“垃圾圍城”現象給中國城市發展帶來的環境污染問題日益嚴重，焚燒已經成為城市生活垃圾處理的主流方式。但是另一方面，一些地方的垃圾焚燒發電出現“鄰避”效應，也就是人們擔心這類項目對環境、身體健康等產生負面影響，不希望建在自家門，因此導致項目落地難^[1]。同時由于由于含水率高、發熱值低、成分復雜，焚燒過程中需要外加化石燃料，在一定程度上增加了能源需求負荷，使得處理成本居高不下。特別是中小城市每天的垃圾量不夠300噸的規模，因而投資企業無法達到Ⅰ類垃圾焚燒發電廠要求，使得投資回報率和內部收益率無法滿足其同行業最低要求，企業無法正常運營和生存^[2]。

　　而生物質燃料屬于一種可再生能源，利用生物質能發電，不僅可以開發新能源，節約煤炭，改善我國能源結構，減少污染物排放，而且可以充分利用當地資源，增加農民收入，增強企業經濟效益和生存能力，具有重要意義^[3]。

　　國家能源局頒發《生物質能發展“十三五”規劃》“發展布局和建設重點”中提出“鼓勵建設垃圾焚燒熱電聯產項目。加快應用現代垃圾焚燒處理及污染防治技術，提高垃圾焚燒發電環保水平。加強宣傳和輿論引導，避免和減少鄰避效應。”本文采用城市垃圾與農林廢棄物混合燃料分布式發電系統屬于再生能源利用的一種形式，通過分布式發電系統實現垃圾減量化、資源化、無害化，不產生二次污染（如二噁英），且能避免垃圾單獨焚燒發電帶來的各種環保指標差及經濟性差的問題，是十三五規劃能源創新重點推薦的技術路線。

　　1城市垃圾與生物質混合燃料分布式能源系統總體方案

　　1.1系統總體方案配置圖

　　分布式能源系統是指布置在用戶附近，采用發電機組發電，并利用發電余熱進行供冷、供熱的能源系統，主要設備包括垃圾氣化裝置、發電機組、余熱利用裝置等，對特定用戶，進行合理的系統配置是分布式供能系統成功的關鍵因素之一。

　　本文所述分布式系統擬采用混合燃料部分干燥后送入氣化爐，生產中熱值合成氣，合成氣適當凈化處理，潔凈合成氣輸入燃氣內燃機發電，而內燃機高溫排氣及缸套冷卻水具有豐富余熱，擬采用余熱爐回收熱能為周邊居民或工廠供熱，系統配置圖1所示。

　　1.2分布式發電能源系統的優勢

　　與垃圾焚燒系統相比存在顯著優勢：

　?、俜植际桨l電系統純發電效率高于垃圾焚燒發電。

　?、诜植际桨l電系統比單一垃圾焚燒發電系統靈活，且余熱產品豐富，經濟效益好。

　　③分布式發電環保性強，能變廢為寶，且沒有二次污染，是真正的垃圾綠色處理方式。

　　④分布式發電采用內燃機發電，減少常規蒸汽發電對水源的需求，電廠選址范圍更廣。

　　2分布式發電能源系統關鍵工藝分析

　　2.1燃料預處理系統

　　燃料預處理系統是通過將垃圾與生物質燃料混合，依據垃圾平均熱值的波動，向垃圾中摻混熱值較高的生物質燃料，達到燃料熱值恒定的目的。垃圾與生物質秸稈燃料熱值如表1所示。

　　采用垃圾與秸稈按5:5或者4:6比例進行摻混能實現燃料熱值穩定在2200kcal/kg及以上，無需使用化石燃料。本文采用150t/天垃圾與150t/天生物質燃料摻混，即每天處理燃料總量達到300噸，發電規模在8~10MW，而該規模正是垃圾或生物質分布式發電最佳經濟規模^[4]。

　　2.2氣化爐工藝系統

　　從理論上講，任何一種氣化工藝都可以構成生物質氣化發電系統。但從氣化發電的質量和經濟性出發，氣化爐必須達到生產燃氣熱值要高而且質量穩定，以提高內燃機的輸出功率，增大整個系統的效率。另外設計氣化爐本體及加料排渣系統，應充分考慮原料特性，實現連續運行。

　　當前能進行生物質燃料氣化的爐型見表2，可見能達到中熱值氣體的氣化爐有單流化床與雙流化床，表3重點比較循環流化床與雙流化床差別，從熱值角度來看，只有雙流化床能實現不用純氧情況下達到高熱值燃氣的要求。

　　雙流化床氣化裝置主要是由燃燒爐和氣化爐組成，物料的氣化和燃燒被分離開來，燃料不與空氣直接接觸，因此氣化產氣不會與燃燒煙氣相混，得到幾乎不含N2的高純度可燃氣體，其系統原理圖如圖2。

　　雙流化床氣化燃氣為含氫量較高的中熱值氣體，并且焦油含量低于40g/Nm3，其氣化條件在溫度790℃，S/B=1，流化數為1.44。產氣質量與氣化溫度正相關，溫度越高焦油含量越低，氣化溫度至少需要達到700℃；產氣質量與S/B成正相關，S/B越高焦油含量越低，S/B的最佳運行區間為0.6~1；產氣質量與流化數成負相關，流化數越大焦油含量越高，建議流化數不超過1.5；白云石有最好的催化效果，得到最佳的產氣質量和最少的焦油含量，但橄欖石兼具催化性和耐磨性，更適用于流化床氣化系統。

　　2.3內燃機系統

　　相比于燃氣輪機，燃氣內燃機具有更好的部分負荷特性，主要體現在燃氣內燃機的余熱利用效率隨負荷率的降低有所提高，而燃氣輪機的余熱利用效率隨原動機負荷率的降低而降低。從當前我國的工業水平來看，設備可以完全國產化，適合于發展分散的、獨立的生物質能源利用體系，可以形成我國自己的產業，在發展中國家大范圍處理生物質中有廣闊的前景。

　　3垃圾焚燒與分布式能源系統技術經濟對比

　　3.1發電參數與效率對比

　　在國內垃圾焚燒發電廠中，依然采用傳統的蒸汽發電方式，即朗肯循環發電方式，該方式存在大量低溫冷凝損失，特別是純凝發電機組需要大量循環冷卻水帶走冷源損失，存在效率低，對水源需求量大等諸多弊端。基于垃圾焚燒爐的特殊情況，垃圾焚燒鍋爐的蒸汽參數主要主要選用中溫中壓工況（4.0MPa，400℃），而中溫次高壓工況(6.5MPa，450℃）只有廣州李坑垃圾焚燒發電一家采用。蒸汽參數直接影響到余熱鍋爐的制造成本、運行成本、熱效率和焚燒廠的經濟效益?；趪鴥壤贌?5年運行情況分析報告來看，實際上，國內外已建成的垃圾焚燒廠中，余熱鍋爐約90%以上采用中溫中壓參數。近年來，隨著優質耐腐蝕材料價格降低和運營管理水平提高，中溫次高壓次高溫參數的應用有增加趨勢，但總體而言發電效率普遍較低。

　　本工藝垃圾與生物質混合發電采用常壓循環流化床氣化技術，氣化溫度790℃，氣化生成中熱值（2200kcal/nm3)燃氣送入燃氣內燃機，燃氣在內燃機內高溫燃燒，產生高溫煙氣直接推動氣缸做功而發電，國產常規內燃機能達到28-30%的發電效率，而進□內燃機更是能達到38%發電效率。因而，采用垃圾與生物質混合分布式能源系統采用高溫卡諾循環系統，突出了小機組、高效率的特點，冷端高溫排氣的廢熱還可用于制冷與供熱，使得產品多元化，這集中體現了分布式能源系統的優勢。（表5)

　　3.2二次污染物（二噁英）控制技術對比

　　在垃圾焚燒處理過程中，遇到最大的技術瓶頸是焚燒爐內如何控制或避免二噁英的生成。解決措施是“3T”原則，即溫度（Temperature)、停留時間（Time)和紊流(Turbulent)。操作中一般采用：在1000℃時，爐內氣體停留時間要超過1s；而在850℃時，要超過2s。此外，需要在燃燒室中制造紊流，使得空氣與燃料可以混合均勻，進一步保證燃燒的完全，推薦的紊流的雷諾數要超過10000。此外，由于垃圾成分、熱值的變化及爐內燃燒工況的波動，劇毒物質二噁英爐內生成將不可避免，因而出爐的煙氣同時考慮采用半干法洗滌塔+布袋除塵器+吸附劑吸附的污染物凈化設備來保證二噁英排放達標，使之不會對環境造成污染，不會影響周邊居民的身心健康。

　　而本工藝分布式發電機系統采用垃圾與生物質混合氣化發電，雖然燃氣在爐內停留時間達到5s以上，但氣化爐內溫度為750℃，不會使得二噁英完全裂解，燃氣中必然含有二噁英，而含有二噁英燃氣隨后會送入內燃機缸內高溫燃燒，通過內燃機燃燒技術進行二次高溫燃燒，燃燒溫度超過1000℃，且內燃機燃燒工況穩定，二次再燃能完全消除二噁英。

　　3.3系統運行對比

　　以垃圾為原料的發電廠運行中遇到的主要問題在于垃圾種類較多、熱值變化較大，在常規焚燒爐內為了確保爐溫恒定，運行過程中必須時刻監測爐溫變化，實時調整燃料量及供風量，導致負荷變化劇烈，使得整體運行非常不平穩，嚴重時偏離設計工況較遠，極大影響系統效率及單位燃料發電量。

　　本工藝分布式發電系統采用垃圾與生物質混合料作為入爐燃料，可以實現在燃料入爐前通過生物質燃料配比方式實現混合燃料熱值的基本恒定，減少對后續工藝系統的影響，特別是采用雙流化床氣化工藝，燃料在雙床之間能更好的實現自平衡，促進整體系統平穩運行，能保證系統設計效率。

　　同時，本工藝系統由多臺內燃機為動力源組成整體發電、制冷、供熱分布系統，完全可以根據燃料收集量來合理分配內燃機工作數量，同時雙床中的燃燒爐也能依據用戶需要靈活調節制冷與供熱負荷。

　　4結論

　　《可再生能源發展“十三五”規劃》指出到“十三五”末期，我國垃圾焚燒發電裝機容量約達到750萬千瓦，相比2015年底約480萬千瓦的量，增幅超過五成。本文所采用“垃圾+秸稈”分布式發電能源項目，其單純的發電效率相對垃圾焚燒發電，且還能能實現熱電聯產，通過熱效率提高來降低系統的運行成本，提高垃圾與生物質燃料發電廠的盈利能力，促進行業健康發展，是當前解決“垃圾圍城”現象的最有效工藝系統，是垃圾減量化、資源化的必由之路，應用前景非常廣泛。

　　參考文獻：

　　[1]邢獻軍.生活垃圾混燒秸稈類生物質顆粒[J].農業工程學報，2016，4.

　　[2]米鐵.生物質流化床氣化過程的試驗研究及示范[J].農村能源，2001，1.

　　[3]張衛.垃圾焚燒發電廠鍋爐參數技術的選用[J].廣東電力，2012，2.

　　[4]張嶸.分布式能源內燃機容量選擇[J].發電與空調，2006，7.

　　[5]楊魯斌.生物質雙流化床氣化的實驗研究與理論模型建立，碩士學位論文，014.