CN114989867A - 一种基于垃圾裂解的发电系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于垃圾裂解的发电系统，既解决了城市垃圾污染严重难以处理的问题，又把垃圾作为一种可再生能源进行发电和产品再生产，且具有较高的能量利用效率。包括通过管道依次连接的垃圾裂解装置、裂解气净化装置、裂解气转化装置、合成气变换装置、燃料电池发电装置，所述垃圾裂解装置用于对垃圾进行热裂解；所述裂解气净化装置用于脱除裂解气中的杂质；所述裂解气转化装置用于将裂解气中的甲烷转换为合成气，合成气包括一氧化碳、氢气、二氧化碳；所述合成气变换装置用于，用于将合成气中的一氧化碳与水反应产生氢气，以提高合成气中的氢气的含量；所述燃料电池发电装置以富含氢气的合成气作为原料，经过化学反应产生电能。

Description

一种基于垃圾裂解的发电系统
技术领域
本发明涉及垃圾焚烧发电技术领域，特别是涉及一种基于垃圾裂解的发电系统。
背景技术
目前，以有机固废为原料的发电技术路线是垃圾焚烧发电技术。燃烧系统是有机固废焚烧技术的核心，其工艺性和设计是否合理决定着垃圾处理的效果和焚烧厂运行的经济性，也对后续烟气处理有直接影响。垃圾要在焚烧炉中经充分燃烧后才能达到无害化和减量化目标。目前，有机固废焚烧技术主要分为移动炉排焚烧技术、流化床焚烧炉技术和回转窑焚烧技术三类，这三种技术早在20世纪上半叶就已经在使用。燃烧系统、热量回收系统和转动发电系统决定了整套系统的能量转化效率，当前主流的效率在20～30％间。但是，由于垃圾成分的波动，各地垃圾焚烧发电装置运行情况具有差异，能量效率差异也较大。这三类技术均需配备必要的环境处理设施，如酸性气体脱除、飞灰处理、二噁英吸收及垃圾渗滤液处理等设施。
另外，以等离子、微波等加热技术对有机固废进行裂解后，产生大量富含氢气和一氧化碳的裂解气，然后利用裂解气燃烧产生蒸汽驱动透平和发电机发电，或者直接燃烧驱动燃气轮机发电，异或形成整体煤气化联合循环发电系统(IGCC)也是当前有机固废发电有效技术路线。但是，其仍受限于热机效率和高昂的投资，应用受到限制。
发明内容
本发明的目的是为了解决垃圾焚烧发电热效率较低且无法做到依据经济状态调节电力—产品产出比的问题，提供一种基于垃圾裂解的发电系统，既解决了城市垃圾污染严重难以处理的问题，又把垃圾作为一种可再生能源进行发电和产品再生产，且具有较高的能量利用效率。
本发明的目的是这样实现的：
一种基于垃圾裂解的发电系统，包括通过管道依次连接的垃圾裂解装置、裂解气净化装置、裂解气转化装置、合成气变换装置、燃料电池发电装置，
所述垃圾裂解装置用于对垃圾进行热裂解；
所述裂解气净化装置用于脱除裂解气中的杂质；
所述裂解气转化装置用于将裂解气中的甲烷转换为合成气，合成气包括一氧化碳、氢气、二氧化碳；
所述合成气变换装置用于，用于将合成气中的一氧化碳与水反应产生氢气，以提高合成气中的氢气的含量；
所述燃料电池发电装置以富含氢气的合成气作为原料，经过化学反应产生电能。
优选地，还包括余热回收子系统，用于回收垃圾裂解装置、裂解气转化装置、合成气变换装置、燃料电池发电装置产生的热量。
优选地，所述余热回收子系统包括换热器系统、锅炉系统，所述换热器用于预热，所述锅炉系统用于产生蒸汽。
优选地，还包括透平发电装置，所述透平发电装置包括蒸汽透平、有机郎肯循环发电设备，所述蒸汽透平与锅炉系统连接，用于回收低品位能量发电。
优选地，还包括化工产品生产装置，所述化工产品生产装置连接于解气转化装置下游端，用于利用多余的一氧化碳、氢气合成化工产品。
优选地，所述垃圾裂解装置采用等离子裂解炉，等离子裂解炉的反应温度为1200～1700℃，垃圾裂解后产生的残渣从等离子裂解炉底部排除，裂解气从等离子裂解炉侧面排出；
所述裂解气净化装置采用串联式净化反应器，用于脱除裂解气中含硫、磷、砷、氯、氮的化合物杂质，脱除的工艺选择固定床干法或降温后湿法脱除；接着再进入余热回收子系统进行热量利用；
所述裂解气转化装置采用ATR转化炉；
所述合成气变换装置采用串联式变换反应器；
所述燃料电池发电装置包括依次串联的冷却装置、气液分离器、脱碳塔、燃料电池，所述冷却装置用于冷却合成气，气液分离器用于分离出合成气中的液体，脱碳塔用于脱除合成气中多余的二氧化碳，燃料电池采用富含氢气的合成气作为原料，经过化学反应产生电能。
优选地，所述余热回收子系统包括换热器B3、锅炉B4、换热器B8、锅炉B9、换热器B12、换热器B17，
换热器B3的加热通道连接于裂解炉下游端，用于回收裂解气热量，换热器B3的受热通道连接于裂解气转化装置上游端，用于预热进入裂解气转化装置的气体；
锅炉B4连接于换热器B3的加热通道下游端，用于回收热量后，向垃圾裂解装置、裂解气转化装置、透平发电装置提供蒸汽；
换热器B8加热通道连接于ATR转化炉下游端，用于回收合成气热量，换热器B8受热通道连接于裂解气转化装置上游端，用于预热进入裂解气转化装置的气体，换热器B8受热通道、换热器B3的受热通道并联；
锅炉B9连接于换热器B8加热通道下游端，用于回收热量后，向合成气变换装置、透平发电装置提供蒸汽；
换热器B12加热通道连接于串联式变换反应器下游端，换热器B12受热通道用于预热锅炉用水；
换热器B17加热通道连接于燃料电池B16下游端，换热器B17受热通道用于预热锅炉用水。
优选地，在合成气变换装置中，由裂解气转化模块送来的气体先与蒸汽混合，然后进入变换反应器，通过调节蒸汽的加入量控制变换的深度。
优选地，换热器B17加热通道下游端连接冷却装置B18、气液分离器B19、压缩机B20、气液分离器B14，循环气驰放防止惰性气体积累，分离下来的水进入系统补水罐。
由于采用了上述技术方案，本发明通过系统集成把有机固废裂解、甲烷重整、燃料电池、膨胀机、换热网络有机地结合在一起，实现了有机固废的资源化利用，且显著提升了系统的综合热效率；由于采用了有机固废裂解的技术路线，飞灰、二噁英等环境影响因素被排除；裂解气中的CH4被转换H2再采用燃料电池发电，使发电系统相对简单可靠；换热网络和膨胀机的引入，回收系统产生的余热，提高了系统发电的总体效率；燃料电池发电产生的水可以回收，以补充系统对水的使用；多余的裂解气可用于化学产品生产。
与传统的垃圾焚烧发电技术相比，本发明具有如下创新点：
1.垃圾经过等离子或微波等技术，被高温裂解；
2.采用的燃料电池组不需要高纯氢，氢气含量较高的合成气即可；
3.系统内产生的余热被用于副产蒸汽，蒸汽用于推动透平或膨胀机。
本发明对比已有技术具有以下显著优点：
1.本发明提出的系统具备很高的能量装换效率，整套系统产生的余热被充分利用，综合热效率高于60％，高于垃圾焚烧发电系统；
2.本发明未采用带有气缸活塞的热机，系统的噪音和振动要小于传统发电装置；
3.燃料电池发电无剧烈反应的燃烧过程，发电过程较为温和可控；
4.本发明提出的系统不存在飞灰、二噁英等环境影响因素；
5.本发明提出的系统可以根据市场行情调节电力与化工产生的比率，为企业带来最佳收益。
附图说明
图1为本发明系统的示意图；
图2为本发明实施例的流程图。
附图标记
附图中，1-垃圾裂解，对垃圾进行热裂解，可采用的加热方式有部分焚烧、等离子、微波等；
2-裂解气净化，脱除裂解气中的含有硫、氯、砷、磷、氮的化合物；
3-裂解气转化，将裂解气中的甲烷(CH4)转换为合成气，合成气包括一氧化碳(CO)、氢气(H2)、二氧化碳(CO2)；
4-合成气变换，提高合成气中的氢气(H2)的含量；
5-燃料电池发电，以富含H2的气体作为原料，经过化学反应产生电能；
6-余热回收，主要包括工艺物流间换热器、废热锅炉和汽包等设备构成换热网络，回收高温裂解气(合成气)的热量，副产蒸汽；
7-透平发电，使用蒸汽透平、膨胀机或有机郎肯循环等设备和技术，结合发电机进行发电，实现能量梯级利用；
8-化工产品生产，利用多余的H2和CO等合成甲醇、CH4等化工产品。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
本发明的基本思路是融合垃圾裂解、合成气制取、固体氧化物燃料电池、蒸汽发电技术、化工产品合成等实现高效率的能量转换发电和垃圾资源化利用。
实施例1
采用附图2所示的装置及流程实现基于垃圾裂解的发电系统，也是一种以有机固废为原料的化工-电力多联产系统。附图2中的双点划框内编号对应附图1中的各模块编号，各装置间的连接采用公知的管道、压缩机和机泵等技术连接，本发明不作具体描述。
针对垃圾裂解模块，附图2中采用了等离子裂解炉B1将有机固废裂解，反应温度1200～1700℃，垃圾裂解后产生的残渣从裂解炉B1底部排除，裂解气从裂解炉侧面排除；由于垃圾进料的含水量波动，且为防止结焦，裂解炉被通入适量的蒸汽。从裂解炉出来的裂解气具有很高的温度，需经过水夹套管B2送至换热器B3(第一换热器)回收热量，用于预热进入转化反应器B7的净化后气体，裂解气经过换热器B3后仍有较高温度，再进入锅炉B4(第一锅炉)回收热量，由锅炉B4及汽包B23产生的蒸汽进入蒸汽管网，用于驱动透平B22发电或为系统其他设备提供蒸汽。
针对裂解气净化模块，附图2中采用了净化反应器B5和净化反应器B6，裂解气中的含硫化合物及其他含磷、砷、氯、氮等化合物杂质被脱除，脱除的工艺可以选择固定床干法，也可选择降温后湿法脱除(如MDEA、NHD等)；接着再进入余热回收子系统进行热量利用。
针对气体转化装置，净化后的裂解气先进入转化反应器B7，将裂解气中的烃类(主要为CH4)转化为CO和H2。本实施例中，B7采用了自热式部分氧化催化(ATR)转化技术，因此需补入纯氧或空气至ATR转化炉中；转化反应器B7出口气体中H2含量可达60％左右，CO可达20％以上，裂解气转变为合成气；转化反应器B7出口温度可达1000℃，通过换热器B8(第二换热器)和锅炉B9(第二锅炉)回收热量后，锅炉B9和换热器B8产生蒸汽送至蒸汽透平发电装置驱动透平B22发电，多余蒸汽进入蒸汽管网为其他设备提供蒸汽。
在合成气变换装置中，由裂解气转化模块送来的气体先与适量的蒸汽混合，然后进入B10、B11变换反应器将CO与水转换为CO2和H2，通过调节蒸汽的加入量，可以控制变换的深度。
经过变换的气体，氢气含量可以提升至80％以上，冷却后进入燃料电池发电装置进行发电。变换后的气体首先经过换热器B12(第三换热器)预热锅炉水，然后气体进入冷却装置B13(第一冷却装置)进一步冷却并通过气液分离器B14(第一气液分离器)分离液体，然后气体进入脱碳塔B15脱除多余的CO2，再进入燃料电池B16进行发电，离开燃料电池B16的高温气体进入换热器B17(第四换热器)进行热量回收和冷却装置B18(第二冷却装置)冷却，最后回到气液分离器B19(第二气液分离器)中完成水气分离，气体进入压缩机B20压缩后循环至气液分离器B14，循环气驰放防止惰性气体积累；分离下来的水进入系统补水罐。
整个系统中，换热器B3、B8、B17、B12以及锅炉B4、B9等附加各种管线构成了系统的换热网络，实现余热回收利用，副产的蒸汽可送入透平发电装置进行发电，有利于提高整套系统的能量利用效率。锅炉B4、B9对应设置有汽包B23、B21。
本实施例中，透平发电装置采用蒸汽透平、有机郎肯循环发电设备，回收低品位能量发电。
工作流程：
有机固废首先进入裂解炉，在等离子或微波的加热至达1000℃以上，垃圾裂解为裂解气，主要成分为甲烷、一氧化碳、氢气、水蒸气等。裂解气在回收热量后，进入净化装置进行洗涤或吸附，脱除含有硫、氯、砷、磷、氮的化合物。然后，净化后的裂解气进入甲烷转化反应器，在镍基催化剂的作用下，加入水蒸气将裂解气中的甲烷转化为一氧化碳、氢气。其中部分裂解气进入变换装置，将一氧化碳与水反应，提高氢气含量；最后将该部分气体回收热量并送入燃料电池组发电。燃料电池组排出的未完全反应的气体，在回收热量分离可凝成分后与转化反应器排除的部分气体进行配比，使氢碳比在2.05-2.15间，送入化工生产装置进行甲醇合成。
所述的流程中，有机固废经过裂解、转化和变换成为富含H2的合成气，以燃料电池实现化学能到电能的转换。
本发明提供的系统包含对燃料电池组进行余热回收的设备，燃料电池组放出的热量用于发电或供热。
本发明提供的系统中产生的余热采用换热网络回收热量副产蒸汽或加热工艺气体，产出蒸汽用于发电或供热。
本发明将有机固废经过等离子、或微波等技术裂解后转化为气体，再通过气体成分的调节，最后利用燃料电池将其转化为电能，而不是直接燃烧，具备更高的能量转化效率和更小的温室气体排放，从而为有机固废提供了新的利用途径。
最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。

Claims (9)

1.一种基于垃圾裂解的发电系统，其特征在于：包括通过管道依次连接的垃圾裂解装置、裂解气净化装置、裂解气转化装置、合成气变换装置、燃料电池发电装置，
所述垃圾裂解装置用于对垃圾进行热裂解；
所述裂解气净化装置用于脱除裂解气中的杂质；
所述裂解气转化装置用于将裂解气中的甲烷转换为合成气，合成气包括一氧化碳、氢气、二氧化碳；
所述合成气变换装置用于，用于将合成气中的一氧化碳与水反应产生氢气，以提高合成气中的氢气的含量；
所述燃料电池发电装置以富含氢气的合成气作为原料，经过化学反应产生电能。
2.根据权利要求1所述的一种基于垃圾裂解的发电系统，其特征在于：还包括余热回收子系统，用于回收垃圾裂解装置、裂解气转化装置、合成气变换装置、燃料电池发电装置产生的热量。
3.根据权利要求2所述的一种基于垃圾裂解的发电系统，其特征在于：所述余热回收子系统包括换热器系统、锅炉系统，所述换热器用于预热，所述锅炉系统用于产生蒸汽。
4.根据权利要求3所述的一种基于垃圾裂解的发电系统，其特征在于：还包括透平发电装置，所述透平发电装置包括蒸汽透平、有机郎肯循环发电设备，所述蒸汽透平与锅炉系统连接，用于回收低品位能量发电。
5.根据权利要求4所述的一种基于垃圾裂解的发电系统，其特征在于：还包括化工产品生产装置，所述化工产品生产装置连接于解气转化装置下游端，用于利用多余的一氧化碳、氢气合成化工产品。
6.根据权利要求4所述的一种基于垃圾裂解的发电系统，其特征在于：
所述垃圾裂解装置采用等离子裂解炉，等离子裂解炉的反应温度为1200～1700℃，垃圾裂解后产生的残渣从等离子裂解炉底部排除，裂解气从等离子裂解炉侧面排出；
所述裂解气净化装置采用串联式净化反应器，用于脱除裂解气中含硫、磷、砷、氯、氮的化合物杂质，脱除的工艺选择固定床干法或降温后湿法脱除；接着再进入余热回收子系统进行热量利用；
所述裂解气转化装置采用ATR转化炉；
所述合成气变换装置采用串联式变换反应器；
所述燃料电池发电装置包括依次串联的冷却装置、第一气液分离器、脱碳塔、燃料电池，所述冷却装置用于冷却合成气，第一气液分离器用于分离出合成气中的液体，脱碳塔用于脱除合成气中多余的二氧化碳，燃料电池采用富含氢气的合成气作为原料，经过化学反应产生电能。
7.根据权利要求6所述的一种基于垃圾裂解的发电系统，其特征在于：
所述余热回收子系统包括第一换热器、第一锅炉、第二换热器、第二锅炉、第三换热器、第四换热器，
第一换热器的加热通道连接于裂解炉下游端，用于回收裂解气热量，第一换热器的受热通道连接于裂解气转化装置上游端，用于预热进入裂解气转化装置的气体；
第一锅炉连接于第一换热器的加热通道下游端，用于回收热量后，向垃圾裂解装置、裂解气转化装置、透平发电装置提供蒸汽；
第二换热器加热通道连接于ATR转化炉下游端，用于回收合成气热量，第二换热器受热通道连接于裂解气转化装置上游端，用于预热进入裂解气转化装置的气体，第二换热器受热通道、第一换热器的受热通道并联；
第二锅炉连接于第二换热器加热通道下游端，用于回收热量后，向合成气变换装置、透平发电装置提供蒸汽；
第三换热器加热通道连接于串联式变换反应器下游端，第三换热器受热通道用于预热锅炉用水；
第四换热器加热通道连接于燃料电池下游端，第四换热器受热通道用于预热锅炉用水。
8.根据权利要求7所述的一种基于垃圾裂解的发电系统，其特征在于：在合成气变换装置中，由裂解气转化模块送来的气体先与蒸汽混合，然后进入变换反应器，通过调节蒸汽的加入量控制变换的深度。
9.根据权利要求7所述的一种基于垃圾裂解的发电系统，其特征在于：第四换热器加热通道下游端连接第二冷却装置、第二气液分离器、压缩机、第一气液分离器，循环气驰放防止惰性气体积累，分离下来的水进入系统补水罐。
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