CN109385308A - 一种燃煤耦合生活垃圾热解的双床发电系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种燃煤耦合生活垃圾热解的双床发电系统及方法，包括流化床燃煤系统、固定床垃圾气化系统、合成气处理系统；流化床的携热床料经过物料循环进入气化炉，以提供气化所需能量；气化产生的垃圾焦炭通过回料腿至流化床与煤粉混烧，以保证物料平衡并转化固定碳，气化炉合成气经冷却净化后用作可燃气。本发明耦合燃烧、气化两过程，通过气化将生活垃圾转化成可燃气及焦炭，并在燃煤炉内掺烧焦炭以替代部分原煤，实现了热、电、气多联产的功能，节省燃煤的同时高效处理了生活垃圾，避免了垃圾直接焚烧造成的二噁英等污染物，并解决了因物性参数差异煤无法与垃圾直接掺烧的问题。

Description

一种燃煤耦合生活垃圾热解的双床发电系统及方法
技术领域
本发明属于固废处置领域，特别涉及一种燃煤耦合生活垃圾热解的双床发电系统及方法。
背景技术
随着城市化进程的加快，“垃圾围城”的问题日趋突出，如何实现垃圾的资源化无害化处置成为亟待解决的问题。目前应用最广泛的处置方法是垃圾焚烧发电，但现阶段其处理量仍然无法满足需求。新建符合标准的垃圾焚烧发电厂需要耗费巨量资金且面临着“邻避效应”等问题，同时垃圾焚烧过程产生的二噁英等有害物质，对环境造成不可避免的二次污染。
垃圾的热解气化技术是另一种热处理方式，其原理是利用垃圾中有机物的热不稳定性，在无氧或者缺氧条件下加热，使之在高温条件下分解，形成可燃气，液态焦油，固体可燃焦炭。热解法相比焚烧法更利于能源的高效再利用，且对环境更友好。热解过程是在还原性气氛下进行的，烟气排放量小，粉尘夹带少，且还原性气氛下SOx、NOx和HCl的生成也会受到一定限制，同时较低的空气当量比抑制二噁英的生成。
另一方面，随着政府对环境问题的愈发重视，燃煤电厂正在逐渐被淘汰，其汽轮机大多无法满负荷运行。利用燃煤电厂的锅炉及其成熟的烟气处理系统来处置垃圾具有广阔的应用前景。然而生活垃圾水分高，热值低，几何尺寸大，其物性参数与煤粉差异过大，无法有效地与煤粉直接掺烧。而垃圾焦炭机械强度较小，经过破碎其物性参数更接近于煤，易于与煤混烧。
因此，有必要设计一种燃煤耦合垃圾气化的系统及方法，将垃圾转化为焦炭并与煤掺烧，同时生成合成气，实现热电产品与化工产品的多联产。
发明内容
本发明的目的是实现生活垃圾的高效稳定气化，并将气化后的垃圾焦炭送入燃煤锅炉与煤掺烧，在不影响燃煤锅炉系统的情况下替代一部分燃煤负荷，达到利用垃圾资源多联产并降低二次污染。
为此，本发明的第一个技术方案是：一种燃煤耦合生活垃圾热解的双床发电系统，包括
用于将垃圾焦炭与煤粉掺烧，产生蒸汽以供热或发电的循环流化床燃煤系统；
用于将干燥后的生活垃圾转化为焦炭及合成气的固定床垃圾气化系统；
用于将合成气冷却净化，分离出焦油等杂质并得到可燃气的合成气处理系统；
所述循环流化床燃煤系统包括流化床燃烧炉、燃烧炉出口旋风分离器和回料腿，流化床燃烧炉顶部的出口与燃烧炉出口旋风分离器连接相通；
所述固定床垃圾气化系统包括固定床气化炉和气化炉出口旋风分离器，固定床气化炉左侧上方与燃烧炉出口旋风分离器相连接，左侧下方通过回料腿连接流化床燃烧炉；所述固定床气化炉顶部与气化炉出口旋风分离器连接相通，气化炉出口旋风分离器连接合成气处理系统。
优选地，所述循环流化床燃煤系统还包括燃烧炉螺旋给料机，流化床燃烧炉左侧下方设有煤粉给料口，与燃烧炉螺旋给料机相连；所述流化床燃烧炉左侧下方与回料腿相连接，流化床燃烧炉底部设有下渣口。
优选地，所述的固定床垃圾气化系统还包括焦炭破碎机和气化炉螺旋给料机，固定床气化炉右侧上方设有垃圾给料口，与气化炉螺旋给料机相连；所述固定床气化炉左侧下方设有焦炭出料口，与焦炭破碎机相连，焦炭破碎机与回料腿相连接；固定床气化炉下方设有气化剂入口。
优选地，所述合成气处理系统包括电子除油器、CO2吸附塔、脱水塔及换热器，气化炉出口旋风分离器依次连接电子除油器、CO2吸附塔、脱水塔及换热器。
优选地，所述合成气处理系统中，空气从风机获得动力，并在换热器处，与从电子除油器排出的合成气进行热交换，升温后作为流化气及气化剂分别通入流化床燃烧炉和固定床气化炉，同时通过流量控制阀门控制其流量。
本发明的第二个技术方案是：一种燃煤耦合生活垃圾热解的双床发电方法，包括以下步骤：
1)煤粉通过燃烧炉螺旋给料机从流化床燃烧炉的煤粉给料口进入，在流化气的氧化作用下发生燃烧反应，燃烧产生的烟气夹带着携热床料进入燃烧炉出口旋风分离器，在离心力的作用下气固分离，携热床料落入固定床气化炉，烟气则进入烟气处理系统；流化床燃烧炉出口烟气温度达到890℃；
2)干燥破碎后的生活垃圾通过气化炉螺旋给料机从固定床气化炉右侧上方进料后，与携热床料在固定床气化炉底部混合传热，并发生脱挥发分反应及气化还原反应；气化产生的垃圾焦炭排入焦炭破碎机，破碎后经过回料腿进入流化床燃烧炉与煤粉掺烧；气化产生的以CO2、CO、H2、H2O及CH4为主的粗合成气则进入气化炉出口旋风分离器，分离出灰渣后进入合成气处理系统，固定床气化炉出口的合成气温度约在500℃～700℃；
3)从回料腿进入流化床燃烧炉的垃圾焦炭与煤粉充分混合燃烧，固定碳被转化，焦炭与煤产生的炉渣从流化床燃烧炉的下渣口排出；燃烧产生的热量用来生产蒸汽用以供热或发电；
4)从气化炉出口旋风分离器出来的粗合成气先经过电子除油器去除焦油，再经过换热器，与从风机鼓出的空气进行换热；其次经过CO2吸附塔，合成气所含的大部分CO2被吸附；最后在脱水塔去除水分得到热值较高的可燃气。
优选地，所述步骤1)中落入固定床气化炉的携热床料温度达到850℃。
优选地，所述步骤2)中的生活垃圾经过破碎干燥等预处理后，送入固定床气化炉的垃圾原料含水率小于20％。
优选地，所述步骤4)中电子除油器获得的焦油输送至固定床气化炉进料口，进入固定床气化炉进行二次裂解气化。
相比现有技术，本发明的有益效果如下：
(1)本发明充分利用了现有的燃煤电厂锅炉及其烟气处理设备，以此为基础只需耦合普通的固定床气化炉，减少了大量的资金投入。
(2)本发明将煤粉掺烧垃圾焦炭使设备满负荷运载，减少耗煤的同时高效处置生活垃圾，并且通过耦合燃烧和气化两过程实现了热电气的多联产。
(3)本发明循环流化床燃烧和固定床气化过程的双床设计，以床料为热载体,在两炉膛之间循环，解决了固定床热解气化吸热反应的热源输入问题以及单床热解焦炭的再利用问题，同时通过控制床料循环量,达到了准确控制气化炉内温度的目的，保证了系统的持续稳定运行。
(4)本发明将垃圾在还原性条件下进行热解气化，烟气排放量小，粉尘夹带少，且还原性气氛下SOx、NOx和HCl的生成也会受到一定限制，同时较低的空气当量比抑制二噁英的生成，大幅减少了垃圾直接焚烧带来的二次环境污染。
附图说明
以下结合附图和本发明的实施方式来作进一步详细说明
图1为本发明的系统结构示意图。
图中标记为：1.流化床燃烧炉、2.固定床气化炉、3.流化床出口旋风分离器、4.回料腿、5.焦炭破碎机、6.气化炉出口旋风分离器、7.电子除油器、8.CO2吸附塔、9.脱水塔、10.换热器、11.流量控制阀门、12.送风机、13.返料器、14.燃烧炉螺旋给料机、15.气化炉螺旋给料机、a.垃圾、b.煤粉、c.焦炭、d.可燃气、e.焦油、f.蒸汽、g.烟气、h.气化剂、i.流化床炉渣、j.灰渣、k.流化气。
具体实施方式
参见附图。本实施例包括循环流化床燃煤系统、固定床垃圾气化系统及合成气处理系统。其中，燃煤系统设计基于功率135MW的HG-480/13.7L.MG31型循环流化床锅炉，气化系统设计基于固定床实验数据。
所述的循环流化床燃煤系统包括：流化床燃烧炉1、燃烧炉出口旋风分离器3、回料腿4及燃烧炉螺旋给料机14。在流化床燃烧炉1的炉膛左壁面下部设有煤粉给料口，与燃烧炉螺旋给料机14连接，炉膛右壁面下部与回料腿4连接。流化床燃烧炉1底部设有下渣口，流化气k通过下渣口正上方的布风板从底部通入炉膛。流化床燃烧炉顶部的出口与燃烧炉出口旋风分离器3连接相通。
所述的固定床垃圾气化系统包括：固定床气化炉2、气化炉出口旋风分离器6、焦炭破碎机5及气化炉螺旋给料机15。在固定床气化炉的炉膛右壁面上部设有垃圾给料口，与气化炉螺旋给料机15连接。左壁面上部与流化床出口旋风分离器3连接，左壁面下部的焦炭出料口与焦炭破碎机5连接。气化炉底部设有气化剂入口，炉膛顶部的出口与气化炉出口旋风分离器6连接相通。
所述的合成气处理系统包括：电子除油器7、CO2吸附塔8、脱水塔9及换热器10。气化炉合成气经气化炉出口旋风分离器6气固分离后，依次通过电子除油器7，换热器10、CO2吸附塔8及脱水塔9，得到纯度较高的可燃气d。
本实施例中煤粉b从燃烧炉螺旋给料机14进入流化床燃烧炉1，生活垃圾a从气化炉螺旋给料机15给料进入固定床气化炉2；从气化炉出料的垃圾焦炭c经过焦炭破碎机5破碎后，粒径变小，机械强度降低，易于与煤粉掺烧；经破碎后送入流化床的垃圾焦炭c粒径小于30mm。
所述的合成气处理系统中，空气从送风机12获得动力，并在换热器10处，与从电子除油器7排出的合成气进行热交换，升温后作为流化气k及气化剂h分别通入流化床燃烧炉1和固定床气化炉2，同时通过流量控制阀门11控制其流量。
具体操作包括以下步骤：
步骤1)：初级筛分合格的煤粉b再经过破碎后粒径达到7mm以下，通过燃烧炉螺旋给料机15从流化床燃烧炉1左壁面上部的煤粉给料口给入，同时炉膛内覆有粒径≤1mm的床料砂；
步骤2)：空气从送风机12获得动力，经过换热器10后升温至约200℃，通过流化床燃烧炉1底部的布风板通入流化床燃烧炉1。经助燃油点火后，煤粉b在流化气k的氧化作用下发生燃烧反应，燃烧产生的烟气g夹带着携热床料进入燃烧炉出口旋风分离器3，在离心力的作用下气固分离，携热床料颗粒经过返料器13落入固定床气化炉2，烟气g则进入烟气处理系统；
步骤3)：流化床燃烧炉1设定床温为890℃，实际运行时床温维持在800℃～920℃左右，炉膛出口烟气的设定温度达到890℃。旋风分离器采用保温、耐火及耐磨的材料，以减小热损，使落入固定床气化炉2的携热床料颗粒温度达到850℃左右。增加床料量，提高物料的循环量，可降低床温。增大排渣量，床压下降，物料量减少，可使床温升高；
步骤4)：预处理后(原生垃圾筛分磁选后破碎)的生活垃圾a通过气化炉螺旋给料机15从气化炉右壁面上方的给料口进入固定床气化炉2。气化剂h与携热床料在固定床气化炉2底部混合传热，并发生脱挥发分反应及气化还原反应。送入气化炉的垃圾原料含水率小于45％。
步骤5)：气化产生的垃圾焦炭c排入焦炭破碎机5，破碎后经过回料腿4进入流化床燃烧炉1与煤粉b掺烧。经破碎后送入流化床的垃圾焦炭粒径小于30mm。气化产生的以CO2、CO、H2、H2O及CH4为主的粗合成气则进入气化炉旋风分离器6，分离出灰渣j后进入合成气处理系统；
步骤6)：通过控制固定床气化炉2的床料量与生活垃圾a的给料量比例来调控固定床气化炉2的温度，使气化炉床温及出口合成气温度控制在500℃～700℃。表1基于实验数据，对不同温度下垃圾热解气化的产物特性进行分析，可为气化炉床温控制提供参考。
表1不同气化温度的产物分布及特性

Claims (9)

1.一种燃煤耦合生活垃圾热解的双床发电系统，其特征在于：包括
用于将垃圾焦炭与煤粉掺烧，产生蒸汽以供热或发电的循环流化床燃煤系统；
用于将干燥后的生活垃圾转化为焦炭及合成气的固定床垃圾气化系统；
用于将合成气冷却净化，分离出焦油等杂质并得到可燃气的合成气处理系统；
所述循环流化床燃煤系统包括流化床燃烧炉、燃烧炉出口旋风分离器和回料腿，流化床燃烧炉顶部的出口与燃烧炉出口旋风分离器连接相通；
所述固定床垃圾气化系统包括固定床气化炉和气化炉出口旋风分离器，固定床气化炉左侧上方与燃烧炉出口旋风分离器相连接，左侧下方通过回料腿连接流化床燃烧炉；所述固定床气化炉顶部与气化炉出口旋风分离器连接相通，气化炉出口旋风分离器连接合成气处理系统。
2.如权利要求1所述的一种燃煤耦合生活垃圾热解的双床发电系统，其特征在于：所述循环流化床燃煤系统还包括燃烧炉螺旋给料机，流化床燃烧炉左侧下方设有煤粉给料口，与燃烧炉螺旋给料机相连；所述流化床燃烧炉左侧下方与回料腿相连接，流化床燃烧炉底部设有下渣口。
3.如权利要求1所述的一种燃煤耦合生活垃圾热解的双床发电系统，其特征在于：所述的固定床垃圾气化系统还包括焦炭破碎机和气化炉螺旋给料机，固定床气化炉右侧上方设有垃圾给料口，与气化炉螺旋给料机相连；所述固定床气化炉左侧下方设有焦炭出料口，与焦炭破碎机相连，焦炭破碎机与回料腿相连接；固定床气化炉下方设有气化剂入口。
4.如权利要求1所述的一种燃煤耦合生活垃圾热解的双床发电系统，其特征在于：所述合成气处理系统包括电子除油器、CO2吸附塔、脱水塔及换热器，气化炉出口旋风分离器依次连接电子除油器、CO2吸附塔、脱水塔及换热器。
5.如权利要求4所述的一种燃煤耦合生活垃圾热解的双床发电系统，其特征在于：所述合成气处理系统中，空气从风机获得动力，并在换热器处，与从电子除油器排出的合成气进行热交换，升温后作为流化气及气化剂分别通入流化床燃烧炉和固定床气化炉，同时通过流量控制阀门控制其流量。
6.一种权利要求1所述双床发电系统的双床发电方法，其特征在于：包括以下步骤：
1)煤粉通过燃烧炉螺旋给料机从流化床燃烧炉的煤粉给料口进入，在流化气的氧化作用下发生燃烧反应，燃烧产生的烟气夹带着携热床料进入燃烧炉出口旋风分离器，在离心力的作用下气固分离，携热床料落入固定床气化炉，烟气则进入烟气处理系统；流化床燃烧炉出口烟气温度达到890℃；
2)干燥破碎后的生活垃圾通过气化炉螺旋给料机从固定床气化炉右侧上方进料后，与携热床料在固定床气化炉底部混合传热，并发生脱挥发分反应及气化还原反应；气化产生的垃圾焦炭排入焦炭破碎机，破碎后经过回料腿进入流化床燃烧炉与煤粉掺烧；气化产生的以CO2、CO、H2、H2O及CH4为主的粗合成气则进入气化炉出口旋风分离器，分离出灰渣后进入合成气处理系统，固定床气化炉出口的合成气温度约在500℃～700℃；
3)从回料腿进入流化床燃烧炉的垃圾焦炭与煤粉充分混合燃烧，固定碳被转化，焦炭与煤产生的炉渣从流化床燃烧炉的下渣口排出；燃烧产生的热量用来生产蒸汽用以供热或发电；
4)从气化炉出口旋风分离器出来的粗合成气先经过电子除油器去除焦油，再经过换热器，与从风机鼓出的空气进行换热；其次经过CO2吸附塔，合成气所含的大部分CO2被吸附；最后在脱水塔去除水分得到热值较高的可燃气。
7.如权利要求6所述的双床发电方法，其特征在于：所述步骤1)中落入固定床气化炉的携热床料温度达到850℃。
8.如权利要求6所述的双床发电方法，其特征在于：所述步骤2)中的生活垃圾经过破碎干燥等预处理后，送入固定床气化炉的垃圾原料含水率小于20％。
9.如权利要求6所述的双床发电方法，其特征在于：所述步骤4)中电子除油器获得的焦油输送至固定床气化炉进料口，进入固定床气化炉进行二次裂解气化。
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