CN108587691A - 一种市政污泥加压气化燃气轮机发电的系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种市政污泥加压气化燃气轮机发电的系统及方法，本发明系统包括顺次相连的热干化装置、加压气化装置、净化装置、燃气轮机和热交换装置，燃气轮机还与发电机相连，热交换装置还与热干化装置和尾气处理装置相连。本发明方法包括将机械脱水污泥经热干化装置得到热干化污泥；热干化污泥输送到加压气化装置得到合成气，合成气经过净化装置得到净化合成气；净化合成气送入燃气轮机燃烧作功，燃气轮机的高温排气送入热交换装置，高温排气与冷凝水进行热交换，得到低温烟气和饱和蒸汽；饱和蒸汽送入热干化装置，饱和蒸汽与机械脱水污泥进行间接换热，得到热干化污泥和冷凝水，该冷凝水输送到热交换装置；低温烟气经过尾气处理后达标排放。
Description
技术领域
本发明涉及一种市政污泥加压气化燃气轮机发电的系统及方法，属于污泥气化发电技术领域。
背景技术
随着我国城市化进程的加快和生活水平的提高，公众对环境问题越来越关注，对环境质量的要求也日渐提高。城市生活污水的排放量日益增多，为了防止水域污染，改善生态环境，污水处理量迅速增加，污水处理过程中产生的污泥量也随之增多。我国的城市干污泥的排放量每年有600万吨左右，折合湿污泥(含水率80％)达3000万吨，其中80％没有得到无害化、稳定化处理。污泥的安全合理处理问题是我国水污染控制领域的薄弱环节，己成为制约我国城市可持续发展的重大问题。
我国目前的污泥处置方式中，土地填埋占63％、污泥耗氧发酵+农用占13.5％、污泥自然干化综合利用占5.4％、污泥焚烧占1.8％、污泥露天堆放占1.8％、污泥外运占14.4％。土地填埋成本较低，易于操作，但会占用大量的土地且污泥产生的渗滤液会威胁地下水资源。污泥焚烧对技术和经济要求比较高，其运行、维护等费用高，同时焚烧造成重金属在飞灰中富集，且会生成二恶英等剧毒物质。目前，国内真正实现安全处置的污泥比例不超过20％。
污泥气化发电是一种具有广阔应用前景的污泥无害化、减量化、稳定化和资源化处理技术。污泥气化反应能有效破坏和杀死病原体，污泥中的有机成分转化为可燃气体，剩余部分转化为残渣，减容效果明显。污泥气化产生的燃气直接用于燃气轮机发电，余热回收利用，用来干化污泥，实现了能量的梯级利用，有效提高了能量利用的品位和效率。与焚烧相比，污泥气化工艺的有害气体的排放明显减少，中低温气化还可有效降低飞灰中重金属的含量。因此，污泥气化发电技术是一种高效、清洁、环保的污泥处理工艺。
本领域的现有技术也提供了一些污泥气化发电的方法，如发明专利CN105198182A中公开了一种污泥制气发电方法及装置，其步骤：利用燃气发电机排放的尾气直接干化污泥，将干化后的污泥破碎成型，送入煤气发生炉与气化剂反应生成煤气，将煤气降温后净化，将净化后的煤气送入燃气发电机发电。该方法利用燃气轮机高温尾气直接与污泥接触来干化污泥，污泥中的有害成分被带入尾气中造成尾气的二次污染，因此后续尾气需要经过洗涤、脱硫后才能排放，成本大。另外，由于该方法选用较高的气化温度，气化产生的煤气需要降温后除尘净化，损失了煤气部分热量，使系统的能量利用效率降低。该发明中煤气发生炉的燃料层温度为600℃-1200℃，研究表明，自维持的气化炉中，气化温度较高时，合成气中的有效成分CO、CH4、H2等的体积分数明显减少，冷煤气效率也明显降低。有外部热源的气化炉中，较高的气化炉温度需要输入更多的外部能量，经济性差。并且高温气化时，有害气体排放明显增多，飞灰中重金属含量高。因此，最佳的气化温度不宜超过700℃。此外，该发明采用常压气化，所产生的合成气处于常压状态，热流密度小。由于燃气发电机对进口气体的压力和热流密度有较高要求，所以常压下的合成气进入燃气发电机发电需要先压缩到一定压力，发电效率较低。
公开号为CN 106630527 A的发明专利中公开了一种污泥热解等离子气化发电的方法和系统，该方法将污泥首先经过热解处理，将热解处理得到的气液混合物通入等离子气化室，得到合成气，将合成气通入换热装置进行换热处理，得到蒸汽，利用蒸汽发电。该发明中采用的等离子气化技术虽然有着高温、高热流密度和环保等优点，但其结构复杂、耗能巨大，多用于危险废弃物处理，对于污泥的气化，二次污染相对较小，不值得采用等离子气化技术，经济性差。另外，等离子气化技术目前尚不成熟，仍处于实验室研究阶段。该发明中采用汽轮机发电，汽轮机入口的蒸汽参数为380℃-440℃，发电效率低于燃气轮机。
发明内容
为了解决上述存在的问题，本发明公开了一种市政污泥加压气化燃气轮机发电的系统及方法，其具体技术方案如下：
一种市政污泥加压气化燃气轮机发电的系统，包括顺次相连的热干化装置、加压气化装置、净化装置、燃气轮机和热交换装置，所述燃气轮机还与发电机相连，所述热交换装置还与热干化装置和尾气处理装置相连。
所述热干化装置设置有机械脱水污泥入口、热干化污泥出口、饱和蒸汽入口和冷凝水出口，
所述加压气化装置设置有热干化污泥入口、合成气出口、灰渣出口和压缩空气入口，
所述净化装置设置有合成气入口、净化合成气出口，
所述燃气轮机设置有净化合成气入口、高温排气出口和输出功端，
所述发电机设置有输入功端和电能输出端。
所述热交换装置设置有高温排气入口、冷凝水入口、饱和蒸汽出口和低温烟气出口，
所述尾气处理装置设置有低温烟气入口和排放出口；
所述热干化装置的机械脱水污泥入口与机械脱水污泥输送管道连接，用于朝向热干化装置中输送机械脱水污泥，所述热干化装置的热干化污泥出口与加压气化装置的热干化污泥入口连接，将热干化污泥输送到加压气化装置中，所述热干化装置的饱和蒸汽入口与热交换装的饱和蒸汽出口连接，将热交换装置中的饱和蒸汽输送到热干化装置中，所述热干化装置的冷凝水出口与热交换装置的冷凝水入口连接，将热干化装置中的冷凝水输送到热交换装置中；
所述加压气化装置的合成气出口与净化装置的合成气入口连接，将加压气化装置中的合成气输送到净化装置中，加压气化装置的灰渣出口用于排出加压气化装置的灰渣，加压气化装置的压缩空气入口与压缩空气机连接，朝向加压气化装置中输送压缩空气；
所述净化装置的净化合成气出口与燃气轮机的净化合成气入口连接，用于将净化装置中的净化合成气输送到燃气轮机；
所述燃气轮机的高温排气出口与热交换装置的高温排气入口连接，用于将燃气轮机中的高温气输送到热交换装置中，燃气轮机的输出功端与发电机的输入功端连接，用于驱动发电机运行发电；所述发电机的电能输出端用于输出电能，供市民用电使用；
所述热交换装置的低温烟气出口与尾气处理装置的低温烟气入口连接，用于将热交换装置中的低温烟气输送到尾气处理装置中，所述尾气处理装置的排放出口用于排放处理后的尾气。
一种市政污泥加压气化燃气轮机发电的方法，包括以下操作步骤：
步骤一：将机械脱水污泥送入所述热干化装置中进行热干化，得到热干化污泥；
步骤二：将步骤一得到的热干化污泥输送到加压气化装置，并在加压气化装置中通入压缩空气，得到合成气，并将污泥灰渣排出；
步骤三：将步骤二得到的合成气送入净化装置中进行净化，得到净化合成气；
步骤四：将步骤三得到的净化合成气送入燃气轮机燃烧作功，燃气轮机带动与之联接的发电机发电；
步骤五：将步骤四中的燃气轮机的高温排气送入热交换装置，高温排气与冷凝水进行热交换，得到低温烟气和饱和蒸汽；
步骤六：将步骤五中的饱和蒸汽送入热干化装置，饱和蒸汽与机械脱水污泥进行间接换热，得到热干化污泥和冷凝水，该冷凝水输送到热交换装置中循环利用；
步骤七：将步骤六中的低温烟气经过尾气处理后达标排放。
所述步骤一得到的热干化污泥的含水率为10％-20％。
所述步骤二中加压气化装置的气化温度为500℃-700℃，加压气化装置压力为1.2MPa-1.7MPa，合成气的温度＜700℃。
所述燃气轮机的高温排气的温度为500℃-600℃，输送到热交换装置中产生0.5MPa-1.0MPa的饱和蒸汽，利用饱和蒸汽冷凝放热来对机械脱水污泥进行间接干化。
所述加压气化装置中通入压缩空气作为热干化污泥气化反应的气化剂，空气当量比为0.2-0.5，空气当量比是指实际通入气化装置的空气与完全燃烧需要的空气的比值。
本发明的有益效果是：
本发明采用500℃-700℃的流化床中低温气化，加压气化装置气化过程中物料混合剧烈，污泥与气化剂之间的传热传质强烈，可以实现500℃-700℃的中低温下较好的气化效果。中低温条件下气化，气化过程中有害气体排放少，飞灰中重金属含量低。合成气的温度＜700℃，可直接选用耐高温气体净化装置除尘净化，省去了污泥高温处理系统中的降温环节，避免由于降温带来的热量损失，提高了能量利用率；而加压气化装置中制得的合成气己具备一定的压力，提高了合成气的热流密度。由于燃气轮机对进口气体的压力和热流密度有一定要求，所以提高合成气的压力和热流密度对后续合成气进入燃气轮机利用都是有利的。
本发明对燃气轮机的高温排气进行热量回收，CNi05198182A中提到的一种污泥制气发电方法及装置中也对高温排气进行热量回收，是将燃气发电机的高温排气直接与污泥接触，对污泥进行干化，从而回收高温排气的热量。但是这样造成了排气受到污泥的二次污染，后续需要洗涤、脱硫等环节气体才能排放，大大增加了处理成本。而本发明中是利用燃气轮机高温排气与冷凝水交换热量制得饱和蒸汽，饱和蒸汽与机械脱水污泥进行间接换热。从而对机械脱水污泥进行热干化，避免了用排气直接干化造成的排气二次污染。并且本发明中利用燃气的高温排气制得的蒸汽品质较高，对机械脱水污泥的干化效率高，从而减少热干化装置换热面积，降低了热干化设备的工艺要求。
附图说明
图1是本发明的系统结构示意图，
图2是本发明的流程框图，
附图标记列表：1-热干化装置，2-加压气化装置，3-净化装置，4-燃气轮机，5-发电机，6-热交换装置，7-尾气处理装置。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式，进一步阐明本发明。应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。
图1是本发明的系统结构示意图，结合附图可见，本系统包括：热干化装置1、加压气化装置2、净化装置3、燃气轮机4、发电机5、热交换装置6和尾气处理装置7。
图2是本发明的流程框图，结合附图可见，所述热干化装置的机械脱水污泥入口与机械脱水污泥输送管道连接，用于朝向热干化装置中输送机械脱水污泥，所述热干化装置的热干化污泥出口与加压气化装置的热干化污泥入口连接，将热干化污泥输送到加压气化装置中，所述热干化装置的饱和蒸汽入口与热交换装的饱和蒸汽出口连接，将热交换装置中的饱和蒸汽输送到热干化装置中，所述热干化装置的冷凝水出口与热交换装置的冷凝水入口连接，将热干化装置中的冷凝水输送到热交换装置中；本发明采用0.5MPa-1MPa的饱和蒸汽对机械脱水污泥进行间接干化。
所述加压气化装置的合成气出口与净化装置的合成气入口连接，将加压气化装置中的合成气输送到净化装置中，加压气化装置的灰渣出口用于排出加压气化装置的灰渣，加压气化装置的压缩空气入口与压缩空气机连接，朝向加压气化装置中输送压缩空气。
所述净化装置的净化合成气出口与燃气轮机的净化合成气入口连接，用于将净化装置中的净化合成气输送到燃气轮机。
所述燃气轮机的高温排气出口与热交换装置的高温排气入口连接，用于将燃气轮机中的高温气输送到热交换装置中，燃气轮机的输出功端与发电机的输入功端连接，用于驱动发电机运行发电；所述发电机的电能输出端用于输出电能，供市民用电使用。
所述热交换装置的低温烟气出口与尾气处理装置的低温烟气入口连接，用于将热交换装置中的低温烟气输送到尾气处理装置中，所述尾气处理装置的排放出口用于排放处理后的尾气。热交换装置中，利用燃气轮机高温排气与冷凝水进行换热，制得饱和蒸汽。
本发明方法，包括以下操作步骤：
步骤一：将机械脱水污泥送入所述热干化装置中进行热干化，得到热干化污泥，热干化污泥的含水率为10％-20％；
步骤二：将步骤一得到的热干化污泥输送到加压气化装置，并在加压气化装置中通入压缩空气，得到合成气，并将污泥灰渣排出；热干化污泥在加压气化装置流化床中进行中低温加压气化，气化温度为500℃-700℃，气化压力为1.2MPa-1.7MPa；
步骤三：将步骤二得到的合成气送入净化装置中进行净化，得到净化合成气；
步骤四：将步骤三得到的净化合成气送入燃气轮机燃烧作功，燃气轮机带动与之联接的发电机发电；
步骤五：将步骤四中的燃气轮机的高温排气送入热交换装置，高温排气与冷凝水进行热交换，得到低温烟气和饱和蒸汽，饱和蒸汽压力为0.5MPa-1.0MPa；
步骤六：将步骤五中的饱和蒸汽送入热干化装置，饱和蒸汽与机械脱水污泥进行间接换热，冷凝放热，得到热干化污泥和冷凝水，该冷凝水输送到热交换装置中循环利用；
步骤七：将步骤六中的低温烟气经过尾气处理后达标排放。
本发明中，加压气化装置2中通入压缩空气作为热干化污泥气化反应的气化剂，空气当量比为0.2-0.5。
本发明采用流化床作为气化装置，气化过程中物料混合剧烈，污泥与气化剂之间的传热传质强烈，可以实现500℃-700℃的中低温下较好的气化效果。中低温条件下气化，气化过程中有害气体排放少，飞灰中重金属含量低，合成气的温度＜700℃，可直接选用耐高温气体净化器除尘净化，省去了高温气化条件下的降温环节，避免由于降温带来的热量损失，提高了能量利用率；而加压气化，气化装置中制得的合成气己具备一定的压力，显著提高了合成气的热流密度。由于燃气轮机对进口气体的压力有一定要求，因此通过加压气化将合成气的压力提高到相应值可以省去燃气轮机中的压缩环节，提高了发电效率。
本发明利用燃气轮机高温排气与冷凝水交换热量制得饱和蒸汽，饱和蒸汽与机械脱水污泥进行间接换热，从而对机械脱水污泥进行热干化，避免了用烟气直接干化造成的烟气二次污染。利用燃气的高温排气制得的蒸汽品质较高，对机械脱水污泥的干化效率高，从而减少热干化装置换热面积，降低了热干化装置的工艺要求。
实施例：
利用上述市政污泥加压气化燃气轮机发电的系统对某市政污泥进行处理。市政污泥的工业分析及元素分析如下所示：
表格中M表示干燥基中水分含量，A表示干燥基中灰分含量，V表示干燥基中挥发分含量，F表示干燥基中固定碳含量，Qgr表示干燥基的高位发热量；C表示干燥基中碳含量，H表示干燥基中氢含量，N表示干燥基中氮含量，S表示干燥基中全硫含量，O表示干燥基中氧含量。
具体处理过程如下：
初始的机械脱水污泥含水率为65％，将机械脱水污泥送入热干化装置，含水率从65％降到10％；将热干化污泥送往加压气化装置，气化装置的温度为650℃，压力为1.2MPa；气化装置出来的合成气送入净化装置，净化之后的合成气送入燃气轮机，燃气轮机的压比为11.8，燃气轮机燃烧室温度为1104℃，燃气轮机的高温排气温度为541℃；将高温排气送入热交换装置，高温排气与水交换热量产生0.5MPa的饱和蒸汽，蒸汽温度为151.87℃；高温排气的温度降到150℃去往尾气处理装置，处理后排放；热交换装置出来的饱和蒸汽送入热干化装置，利用饱和蒸汽冷凝放热将机械脱水污泥进行干化。
本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述技术手段所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。
以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。
Claims (6)
1.一种市政污泥加压气化燃气轮机发电的系统，其特征在于包括顺次相连的热干化装置、加压气化装置、净化装置、燃气轮机和热交换装置，所述燃气轮机还与发电机相连，所述热交换装置还与热干化装置和尾气处理装置相连。
2.根据权利要求1所述的一种市政污泥加压气化燃气轮机发电的系统，其特征在于所述热干化装置设置有机械脱水污泥入口、热干化污泥出口、饱和蒸汽入口和冷凝水出口，
所述加压气化装置设置有热干化污泥入口、合成气出口、灰渣出口和压缩空气入口，
所述净化装置设置有合成气入口、净化合成气出口，
所述燃气轮机设置有净化合成气入口、高温排气出口和输出功端，
所述发电机设置有输入功端和电能输出端，
所述热交换装置设置有高温排气入口、冷凝水入口、饱和蒸汽出口和低温烟气出口，
所述尾气处理装置设置有低温烟气入口和排放出口；
所述热干化装置的机械脱水污泥入口与机械脱水污泥输送管道连接，用于朝向热干化装置中输送机械脱水污泥，所述热干化装置的热干化污泥出口与加压气化装置的热干化污泥入口连接，将热干化污泥输送到加压气化装置中，所述热干化装置的饱和蒸汽入口与热交换装的饱和蒸汽出口连接，将热交换装置中的饱和蒸汽输送到热干化装置中，所述热干化装置的冷凝水出口与热交换装置的冷凝水入口连接，将热干化装置中的冷凝水输送到热交换装置中；
所述加压气化装置的合成气出口与净化装置的合成气入口连接，将加压气化装置中的合成气输送到净化装置中，加压气化装置的灰渣出口用于排出加压气化装置的灰渣，加压气化装置的压缩空气入口与压缩空气机连接，朝向加压气化装置中输送压缩空气；
所述净化装置的净化合成气出口与燃气轮机的净化合成气入口连接，用于将净化装置中的净化合成气输送到燃气轮机；
所述燃气轮机的高温排气出口与热交换装置的高温排气入口连接，用于将燃气轮机中的高温气输送到热交换装置中，燃气轮机的输出功端与发电机的输入功端连接，用于驱动发电机运行发电；所述发电机的电能输出端用于输出电能，供市民用电使用；
所述热交换装置的低温烟气出口与尾气处理装置的低温烟气入口连接，用于将热交换装置中的低温烟气输送到尾气处理装置中，所述尾气处理装置的排放出口用于排放处理后的尾气。
3.一种市政污泥加压气化燃气轮机发电的方法，其特征在于包括以下操作步骤：
步骤一：将机械脱水污泥送入所述热干化装置中进行热干化，得到热干化污泥；
步骤二：将步骤一得到的热干化污泥输送到加压气化装置，并在加压气化装置中通入压缩空气，得到合成气，并将污泥灰渣排出；
步骤三：将步骤二得到的合成气送入净化装置中进行净化，得到净化合成气；
步骤四：将步骤三得到的净化合成气送入燃气轮机燃烧作功，燃气轮机带动与之联接的发电机发电；
步骤五：将步骤四中的燃气轮机的高温排气送入热交换装置，高温排气与冷凝水进行热交换，得到低温烟气和饱和蒸汽；
步骤六：将步骤五中的饱和蒸汽送入热干化装置，饱和蒸汽与机械脱水污泥进行间接换热，得到热干化污泥和冷凝水，该冷凝水输送到热交换装置；
步骤七：将步骤六中的低温烟气经过尾气处理后达标排放。
4.根据权利要求3所述的市政污泥加压气化燃气轮机发电的方法，其特征在于所述步骤一得到的热干化污泥的含水率为10%-20%。
5.根据权利要求4所述的市政污泥加压气化燃气轮机发电的方法，其特征在于所述步骤二中加压气化装置的气化温度为500℃-700℃，加压气化装置压力为1.2 MPa -1.7MPa，合成气的温度＜700℃。
6.根据权利要求5所述的市政污泥加压气化燃气轮机发电的方法，其特征在于所述燃气轮机的高温排气的温度为500℃-600℃，输送到热交换装置中产生0.5 MPa-1.0 MPa的饱和蒸汽，利用饱和蒸汽冷凝放热来对机械脱水污泥进行间接干化。
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