CN109294624B - 垃圾熔融气化耦合燃煤发电系统及其工艺方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种垃圾熔融气化耦合燃煤发电系统，其特征在于，包括预处理单元，用于对存储在垃圾存储仓库内的垃圾原料进行分选破碎；垃圾干化单元，用于对分选破碎后的垃圾原料进行间接干燥脱水；气化单元，用于将干燥脱水后的垃圾熔融气化形成燃气，并排渣；燃气降温净化单元，通过对气化单元产生的燃气进行余热回收实现燃气的降温处理，同时用于对燃气进行脱氯处理。本发明的另一个技术方案是提供了一种垃圾熔融气化耦合燃煤发电方法。本发明系统运行稳定可靠、易于大型化放大、环保节能。

Description

垃圾熔融气化耦合燃煤发电系统及其工艺方法
技术领域
本发明涉及一种垃圾熔融气化耦合燃煤发电系统及其工艺方法，属于固体废弃物处理技术领域。
背景技术
采用直接焚烧处理生活垃圾不可避免地带来一些二次污染物，特别是二噁英、重金属等。二噁英是最毒的一类化合物，其中毒性最强的2,3,7,8-四氯代二苯并-对-二噁英(2，3，7，8-TCDD)，其毒性是氰化钾(KCN)的1000倍，是迄今为止发现的最具致癌潜力的物质；灰渣中的重金属如铅、汞、铬、砷、镉等经过淋滤后进入水中逐步通过生物链的富集最终对人体产生危害。这些毒害污染物的排放不仅引起人们对垃圾焚烧处理技术的担忧，甚至影响社会的健康发展。国内已出现较多当地居民集体抵制垃圾焚烧电厂的事件，其推广和应用受到限制。
我国是垃圾包袱最重的国家，人均垃圾年产量超500公斤。近年来，随着各大城市的不断发展，城市居民生活垃圾产生量也随之增长，至2015年全国年垃圾清运总量已超过8.6亿吨，并按8％的幅度增长。历年全国无序堆放的垃圾总量多达160亿吨，占用土地9亿平方米，严重污染大气和地下水资源，更有引发气体爆炸事故的发生，严重阻碍了城市经济与环境间的快速和谐发展。此外，我国是一个资源和能源短缺的国家，如何实现城市垃圾资源化、能源化利用，在解决城市垃圾出路的同时，发展循环经济，是实现经济发展方式转变的一个有效途径。
为解决上述严重问题，国内外在垃圾处理上提出了许多解决方案，如垃圾经过分选后填埋、制肥、裂解制油、生化处理等。其中已经付诸实施的焚烧处理、卫生填埋、高温堆肥都存在着一定的不足。如卫生填埋，相对焚烧处理，投资和运行费用较低，但填埋场占地相当大，大量有机物和电池等物质的填埋，使卫生填埋场渗滤液防渗透、收集处理系统负荷和技术难度大，投资高，填埋操作复杂，管理困难，处理后污水也难以达标排放。此外，填埋场的甲烷、硫化氢等废气也必须处理好，以确保防爆和环保要求。焚烧技术在实现垃圾减量化的同时，获得热能，但最容易生成二噁英，灰渣需特殊处理；热解技术对抑制二噁英最有利，但需要外加热源，热解产物产生的焦炭和灰渣需要特殊处理，后续利用设备复杂；气化技术可将垃圾彻底转化为用途广泛的燃气，但常规的气化设备仍有二噁英产生，且灰渣也需特殊处理。总之，上述垃圾转化处理技术还不能实现彻底的无害化和资源化。
欧美、日本等发达国家正在积极开展垃圾气化技术应用，该技术直接将垃圾在贫氧气氛或少量水蒸气气氛下高温热处理生成具有一定热值的合成气，用于后期的发电或化工用途。相比于传统的垃圾直接焚烧处理，气化技术将垃圾直接转化为可燃气，能源利用效率高，不产生二噁英等有害物质，因此被认为是一种更为环保高效的处理途径。
综上所述，垃圾处理量的逐年增加和垃圾处理技术的不成熟已经严重不匹配，垃圾的清洁高效处理已经摆成为全球性的环境和技术问题，成为城市化建设进程摆在眼前的一道坎。
发明内容
本发明的目的是：实现垃圾的减量化、无害化、资源化和稳定化。
为了达到上述目的，本发明的一个技术方案是提供了一种垃圾熔融气化耦合燃煤发电系统，其特征在于，包括：
预处理单元，用于对存储在垃圾存储仓库内的垃圾原料进行分选破碎；
垃圾干化单元，用于对分选破碎后的垃圾原料进行间接干燥脱水；
气化单元，用于将干燥脱水后的垃圾熔融气化形成燃气，并排渣；
燃气降温净化单元，通过对气化单元产生的燃气进行余热回收实现燃气的降温处理，同时用于对燃气进行脱氯处理；
燃气降温净化单元产生的降温脱氯后的燃气及垃圾乏气送入燃煤锅炉进行燃烧，垃圾乏气为垃圾原料进行间接干燥脱水产生的废气及垃圾存储仓库产生的废气；
预处理单元、垃圾干化单元、气化单元燃及气降温净化单元依次连接。
优选地，所述垃圾干化单元包括滚筒间接干燥机，滚筒间接干燥机的垃圾入口与所述预处理单元的出口连接；滚筒间接干燥机的废气出口连接燃煤锅炉的气体进口。
优选地，所述滚筒间接干燥机利用蒸汽对分选破碎后的垃圾原料进行间接干燥脱水，该蒸汽来自所述燃气降温净化单元回收余热的自产蒸汽和与所述燃煤锅炉相连的发电系统的蒸汽。
优选地，所述滚筒间接干燥机采用蒸汽温度为150℃～200℃，操作温度为120℃～180℃。
优选地，所述燃气降温净化单元回收余热的自产蒸汽及所述发电系统的蒸汽为350～450℃过热蒸汽，过热蒸汽经过干燥器冷凝水喷淋减温得到所述滚筒间接干燥机所需要的蒸汽。
优选地，所述气化单元包括垃圾输送装置、气化炉、排渣装置、旋风分离器以及气化用的送风装置，垃圾输送装置将所述垃圾干化单元产出的干燥后的垃圾送入气化炉，气化炉利用排渣装置排渣，同时，送风装置的空气送入气化炉后，垃圾在气化炉内熔融气化形成燃气，燃气再通过旋风分离器进行除尘，除尘后的燃气被送入燃气降温净化单元。
优选地，所述气化炉包括下段焚烧室及上段气化室，其中，下段焚烧室的操作温度为1200～1600℃，保证一段焚烧室温度大于垃圾灰熔点形成熔融液态渣，上段气化室温度900～1200℃，气化炉出口燃气温度900～1000℃。
优选地，所述下段焚烧室设置有2～8个氧气喷枪，分别布置于下段焚烧室两侧和上方位置，同时在下段焚烧室下方壁面与水平面形成一倾斜度，倾斜夹角8～45°，以便熔渣流向渣口。
优选地，所述燃气降温净化单元包括一级余热回收及二级余热锅炉，高温燃气经过一级余热回收后温度降至700～800℃，然后经喷钙脱氯，再去二级余热锅炉降温至400～500℃；
本发明的另一个技术方案是提供了一种垃圾熔融气化耦合燃煤发电方法，其特征在于：采用上述的垃圾熔融气化耦合燃煤发电系统，包括以下步骤：
第一步：原垃圾在常温条件下经过预处理单元分选破碎后输送至垃圾干化单元的滚筒间接干燥机，在饱和蒸汽的干燥下进行脱水干燥至含水量15～35％，饱和蒸汽冷凝后循环利用，干燥产生的乏气去燃煤锅炉燃烧处理，其中，垃圾干化所需蒸汽为垃圾气化高温燃气冷却自产蒸汽和取自燃煤发电系统辅汽联箱过热蒸汽经过喷水降温得到的150～180℃饱和蒸汽，冷凝水部分作为喷淋水，剩余部分回锅炉给水系统
第二步：间接干燥后的垃圾经过斗提机输送至垃圾气化大料仓，由大料仓通过两级螺旋分别送至气化单元的气化炉的上段气化室和下段焚烧室，焚烧温度控制在1200℃以上，确保熔渣熔融流动，上段气化室出口温度控制在900～1000，其中：垃圾气化过程所需氧气为纯氧或者富氧空气；
第三步：气化产生固体底渣从气化炉底部排出进入渣池激冷形成玻璃渣，产生的可燃气经旋风分离器除尘后经过余热回收系统，所分离下来的灰渣回一段垃圾熔融焚烧室；
第四步：高温可燃气再由燃气降温净化单元的一级余热锅炉内冷却至700～800℃后去石灰石脱氯系统脱氯，再进燃气降温净化单元的二级余热锅炉冷却至400～500℃后送锅炉燃烧。
本发明通过将垃圾熔融气化获得可燃气掺混原煤送入燃煤锅炉燃烧，在不影响燃煤锅炉系统情况下替代一部分燃煤负荷，实现垃圾的环保燃烧发电。本发明系统运行稳定可靠、易于大型化放大、环保节能。相比现有技术，本发明还具有如下有益效果：
(1)本发明采用垃圾干化熔融气化和燃煤电站锅炉耦合，充分利用已有燃煤电站系统余热和废热进行回收利用，用于垃圾脱水干化，提高了能量利用效率，且垃圾燃烧后烟气的脱硫、脱硝、除尘等过程全部借助于原有燃煤电站系统已有设备，大大降低系统投资和运行成本；
(2)本发明所用的垃圾干燥热源除了垃圾气化过程自产蒸汽之外，采用燃煤锅炉发电系统中辅汽联箱低品位蒸汽，能量利用实现了最优化梯级设计，提高了系统能量利用效率；
(3)本发明采用两段式熔融气化炉，利用纯氧或者富氧进行一段室高温焚烧，产生局部1200℃以上高温，使垃圾熔融形成液态渣后流入渣池激冷形成玻璃渣，实现无害化，同时在气化室对垃圾进行气化处理，产生可燃气，实现垃圾资源化利用；
(4)垃圾气化过程在900～1200℃条件下进行，彻底分级垃圾中有毒有害物质，包括垃圾中病原体、细菌和寄生物，实现清洁转化利用的目的，并通过对燃气进行脱氯处理，解决了垃圾焚烧过程的二噁英排放问题；
(5)气化后高温烟气进行余热回收，产生蒸汽用于垃圾干燥脱水，可燃气送燃煤锅炉燃烧利用，实现了全过程垃圾无害化处理。
附图说明
图1为本实施例提供的垃圾熔融气化耦合燃煤发电系统结构示意图；
附图标记说明：
1－垃圾原料；2－筛分破碎机；3－滚筒间接干燥机；4－斗提机；5－垃圾仓；6a、6b－螺旋给料机；7－气化炉；8－下渣口；9a、9b、9c、9d－氧气喷枪；10－渣池；11－氧气；12a、12b－旋风分离器；13－一级余热锅炉；14－二级余热锅炉；15－锅炉给水；16－喷钙脱氯装置；17－氯化钙收集罐；18－乏气；19－蒸汽；20－燃气；21－冷凝水；22－过热蒸汽；23－高温燃气；24－燃气烧嘴；25－燃煤锅炉；26－炉渣；27－锅炉尾部烟道；28－烟气；29－混合器。
具体实施方式
下面结合具体实施案例，进一步阐述本发明。
本发明提供了一种垃圾熔融气化耦合燃煤发电系统，充分利用燃煤锅炉发电系统的富余低品位等级蒸汽，利用该部分热源对垃圾进行干化处理后再进行气化处理，产生的燃料气送锅炉系统燃烧。
图1为本实施例提供的垃圾熔融气化耦合燃煤发电系统结构示意图，所述的垃圾熔融气化耦合燃煤发电系统主要由预处理单元、垃圾干化单元、气化单元和燃气降温净化单元等工段设备组成。
湿垃圾原料1进入垃圾原料仓，垃圾经过筛分破碎机2预加工后，再送滚筒间接干燥机3，滚筒间接干燥机3利用蒸汽对垃圾进行干化处理，滚筒间接干燥机3所采用的蒸汽来自于后续降温的自产蒸汽19及燃煤锅炉发电系统的蒸汽22。蒸汽22及蒸汽19在混合器29内混合供给给滚筒间接干燥机3。当从燃煤发电主机系统抽取的蒸汽22为过热蒸汽时，使用滚筒间接干燥机3自身产生的冷凝水21进行喷水降温，随后供给给滚筒间接干燥机3。
滚筒间接干燥机3产生的乏气被直接送入燃煤锅炉25的炉膛直接焚烧。
滚筒间接干燥机3的操作温度为150℃～180℃，在保证干燥效果的前提下防止垃圾挥发分的大量析出，干燥后的垃圾含水量降低至35％以下。滚筒间接干燥机3干燥过程采用蒸汽进行喷水减温后温度150℃～200℃。
滚筒间接干燥机3产出的干燥垃圾经由斗提机4送入垃圾仓5内，垃圾仓5内的垃圾与碎煤、石灰石等进行混合后，分别经由螺旋给料机6a、6b被送入气化炉7的下段焚烧室及上段气化室。气化炉7气化所用的氧气为纯氧或者富氧空气，全部由下段焚烧室的各个氧气喷枪9a、9b、9c、9d喷入，在下段焚烧室内保证达到1200℃以上高温焚烧环境。被送入气化炉7的混合物在气化炉7内得到充分气化，产生高温燃气23。高温燃气23经由旋风分离器12a除尘后再送入一级余热锅炉13降温至700～750℃(一级余热锅炉13通入锅炉给水15)，然后送喷钙脱氯装置16脱氯，再经由旋风分离器12b除尘后送二级余热锅炉14降温至400～500℃，最后由燃气燃烧器送进燃煤锅炉炉膛完全燃烧。旋风分离器12a脱除的粉尘由气化炉7回收，旋风分离器12b脱除的粉尘及喷钙脱氯装置16多余的氯化钙由氯化钙收集罐17回收。
气化后的熔融渣从气化炉7的下渣口8排出后经由渣池10激冷形成玻璃渣。
燃煤锅炉25燃烧产生的烟气热量绝大部分被锅炉水冷壁吸收产生水蒸汽去汽轮机发电系统。尾部烟气28经原燃煤电厂烟气净化系统净化后排空，整个垃圾熔融气化耦合燃煤发电利用过程不会造成二次污染。
本实施例提供的垃圾干化耦合燃煤发电系统工作时，步骤为：
第一步：原垃圾在常温条件下经过分选破碎后输送至间接干燥器，在饱和蒸汽的干燥下进行脱水干燥至含水量15～35％，饱和蒸汽冷凝后循环利用，干燥产生的乏气去燃煤锅炉燃烧处理；
第二步：间接干燥后的垃圾经过斗提机输送至垃圾气化大料仓，由大料仓通过两级螺旋分别送至上段气化室和下段焚烧室，焚烧温度控制在1200℃以上，确保熔渣熔融流动，气化室出口温度控制在900～1000；
第三步：气化产生固体底渣从气化炉底部排出进入渣池激冷形成玻璃渣，产生的可燃气经旋风分离器除尘后余热回收系统，所分离下来的灰渣回一段垃圾熔融焚烧室；
第四步：高温可燃气再一级余热锅炉内冷却至700～800℃后去石灰石脱氯系统脱氯，再进二级余热锅炉冷却至400～500℃后送锅炉燃烧；
第五步：垃圾气化过程所需氧气为变压吸附等技术产生的纯氧或者富氧空气；
第六步：垃圾间接干化所需蒸汽为垃圾气化高温燃气冷却自产蒸汽和取自燃煤发电系统辅汽联箱过热蒸汽经过喷水降温得到的150～180℃饱和蒸汽，冷凝水部分作为喷淋水，剩余部分回锅炉给水系统。
以上过程中没有垃圾处理过程的二次污染排放，所有垃圾灰经过高温灼烧，底渣形成熔融后以玻璃渣形态排出，确保无二次污染，并将重金属等物质富集与炉渣中，燃气燃烧发热被水冷壁吸收用于发电，实现了垃圾等可燃固体废弃物的干化燃烧耦合发电，达到了垃圾的减量化、稳定化、资源化和无害化的目的。
下面以一套日处理垃圾量700吨的垃圾熔融气化耦合发电系统为例，说明本发明的应用效果。垃圾原料为城市垃圾，含水量～40％。
采用两台单炉处理垃圾350t/d的气化炉设计方案。
干燥后垃圾的性质参数如下：
项目 单位 垃圾
C ％ 24.05
H ％ 3.74
O ％ 11.88
N ％ 0.75
S ％ 0.17
Cl ％ 0.44
水分 ％ 20
固定碳 ％ 8.49
挥发分 ％ 32.55
灰分 ％ 38.97
低位热值 kJ/kg 10229
采用垃圾熔融气化的设计方案：
Figure BDA0001784318920000071
Figure BDA0001784318920000081
气化后的参数如下：
Figure BDA0001784318920000082
燃气经过余热锅炉冷却降温至400℃后进燃煤锅炉充分燃烧。
从以上数据可以得出，本发明采用垃圾熔融气化耦合燃煤发电系统设计，在垃圾原料多样化条件下实现了垃圾资源化、稳定化、减量化和无害化处理，其不产生二噁英、臭气等二次污染物排放问题，环境友好性非常高。与垃圾直燃发电相比，耦合系统的投资成本和运行成本大大降低，垃圾以燃气的形式掺混原煤进锅炉燃烧，对原燃煤锅炉发电系统的影响几乎可以忽略，还可代替部分原煤。与垃圾干化直燃发电系统相比，本发明可降低系统环保二次处理成本50％，不会对燃煤锅炉系统造成影响。
综上所述，本发明提供的系统具有明显的技术创新优势，适用于垃圾的集中处理，垃圾底渣以玻璃渣形式可悲回收利用，不造成二次污染，与电厂进行匹配后实现垃圾间接燃烧发电，实现垃圾的减量化、稳定化、无害化和资源化目标，应用前景十分广阔。
以上所述，仅为本发明的较佳实施例，并非对本发明任何形式上和实质上的限制，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明方法的前提下，还将可以做出若干改进和补充，这些改进和补充也应视为本发明的保护范围。凡熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，当可利用以上所揭示的技术内容而做出的些许更动、修饰与演变的等同变化，均为本发明的等效实施例；同时，凡依据本发明的实质技术对上述实施例所作的任何等同变化的更动、修饰与演变，均仍属于本发明的技术方案的范围内。

Claims (5)

1.一种垃圾熔融气化耦合燃煤发电系统，其特征在于，包括：
预处理单元，用于对存储在垃圾存储仓库内的垃圾原料进行分选破碎；
垃圾干化单元，用于对分选破碎后的垃圾原料进行间接干燥脱水；所述垃圾干化单元包括滚筒间接干燥机，滚筒间接干燥机的垃圾入口与所述预处理单元的出口连接；滚筒间接干燥机的废气出口连接燃煤锅炉的气体进口；所述滚筒间接干燥机利用蒸汽对分选破碎后的垃圾原料进行间接干燥脱水，该蒸汽来自所述燃气降温净化单元回收余热的自产蒸汽和与所述燃煤锅炉相连的发电系统的蒸汽；
气化单元，用于将干燥脱水后的垃圾熔融气化形成燃气，并排渣；所述气化单元包括垃圾输送装置、气化炉、排渣装置、旋风分离器，气化炉包括下段焚烧室及上段气化室，其中，下段焚烧室的操作温度为1200～1600℃，保证下段焚烧室温度大于垃圾灰熔点形成熔融液态渣，上段气化室温度900～1200℃，气化炉出口燃气温度900～1000℃；所述垃圾干化单元产出的干燥后的垃圾经过斗提机输送至垃圾气化大料仓，由大料仓通过两级螺旋分别送至气化单元的气化炉的上段气化室和下段焚烧室，在下段焚烧室内保证达到1200～1600℃高温焚烧环境，气化炉气化所用的氧气为纯氧或者富氧空气，全部由下段焚烧室的各个氧气喷枪喷入，垃圾在气化炉内熔融气化形成燃气，燃气经过上段气化室后从气化炉顶部由气化炉出口排出，再通过旋风分离器进行除尘，除尘后的燃气被送入燃气降温净化单元，气化炉利用排渣装置排渣，气化产生固体底渣从气化炉底部排出进入渣池激冷形成玻璃渣；
燃气降温净化单元，通过对气化单元产生的燃气进行余热回收实现燃气的降温处理，同时用于对燃气进行脱氯处理；所述燃气降温净化单元包括一级余热锅炉及二级余热锅炉，燃气经过一级余热锅炉后温度降至700～800℃，然后经喷钙脱氯，再去二级余热锅炉降温至400～500℃；
燃气降温净化单元产生的降温脱氯后的燃气及垃圾乏气送入燃煤锅炉进行燃烧，垃圾乏气为垃圾原料进行间接干燥脱水产生的废气及垃圾存储仓库产生的废气；
预处理单元、垃圾干化单元、气化单元燃及气降温净化单元依次连接。
2.如权利要求1所述的一种垃圾干化耦合燃煤发电系统，其特征在于：所述滚筒间接干燥机采用蒸汽温度为150℃～200℃，操作温度为120℃～180℃。
3.如权利要求1所述的一种垃圾干化耦合燃煤发电系统，其特征在于：所述燃气降温净化单元回收余热的自产蒸汽及所述发电系统的蒸汽为350～450℃过热蒸汽，过热蒸汽经过干燥器冷凝水喷淋减温得到所述滚筒间接干燥机所需要的蒸汽。
4.如权利要求1所述的一种垃圾熔融气化耦合燃煤发电系统，其特征在于：所述下段焚烧室设置有2～8个氧气喷枪，分别布置于下段焚烧室两侧和上方位置，同时在下段焚烧室下方壁面与水平面形成一倾斜度，倾斜夹角8～45°，以便熔渣流向渣口。
5.一种垃圾熔融气化耦合燃煤发电方法，其特征在于：采用如权利要求1～4任一项所述的垃圾熔融气化耦合燃煤发电系统，包括以下步骤：
第一步：垃圾原料在常温条件下经过预处理单元分选破碎后输送至垃圾干化单元的滚筒间接干燥机，在饱和蒸汽的干燥下进行脱水干燥至含水量15～35％，饱和蒸汽冷凝后循环利用，干燥产生的乏气去燃煤锅炉燃烧处理，其中，垃圾干化所需蒸汽为垃圾气化高温燃气冷却自产蒸汽和取自燃煤发电系统辅汽联箱过热蒸汽经过喷水降温得到的150～180℃饱和蒸汽，冷凝水部分作为喷淋水，剩余部分回锅炉给水系统；
第二步：间接干燥后的垃圾经过斗提机输送至垃圾气化大料仓，由大料仓通过两级螺旋分别送至气化单元的气化炉的上段气化室和下段焚烧室，下段焚烧室的操作温度为1200～1600℃，确保熔渣熔融流动，上段气化室的气化炉出口的燃气温度控制在900～1000℃，其中：垃圾气化过程所需氧气为纯氧或者富氧空气；
第三步：气化产生固体底渣从气化炉底部排出进入渣池激冷形成玻璃渣，气化产生的燃气经旋风分离器除尘后经过燃气降温净化单元；
第四步：燃气由燃气降温净化单元的一级余热锅炉内冷却至700～800℃后去石灰石脱氯系统脱氯，再进燃气降温净化单元的二级余热锅炉冷却至400～500℃后送燃煤锅炉燃烧。
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