生活垃圾絕氧熱解發(fā)電工藝構(gòu)建與評估

摘? ?要： 為了更好實現(xiàn)生活垃圾清潔焚燒，推進生活垃圾減量化、資源化、無害化處理，構(gòu)建一套400 t/d處理規(guī)模的生活垃圾絕氧熱解發(fā)電工藝?；诮^氧熱解發(fā)電工藝技術(shù)路線，提出由預(yù)處理單元、旋轉(zhuǎn)床熱解單元、油氣分離凈化單元、鍋爐及發(fā)電單元組成的技術(shù)框架。工藝投產(chǎn)后，生活垃圾年處理能力可達13.3萬噸，年發(fā)電5 508萬千瓦時，其中3 733萬千瓦時可用于外供。對工藝進行技術(shù)經(jīng)濟評估，表明財務(wù)內(nèi)部收益率為7%，投資回收期為11年。對財務(wù)內(nèi)部收益率進行敏感性分析，敏感性由高到低的因素依次為產(chǎn)品價格、經(jīng)營成本、建設(shè)投資。生活垃圾絕氧熱解發(fā)電項目建成后將具備一定的盈利能力、清償能力和抗風(fēng)險能力。

關(guān)鍵詞： 生活垃圾;絕氧熱解發(fā)電;預(yù)處理;旋轉(zhuǎn)床;財務(wù)內(nèi)部收益率;敏感性分析

中圖分類號：X705? ? 文獻標(biāo)識碼：A? ? 文章編號：2095-8412 （2020） 01-053-07

工業(yè)技術(shù)創(chuàng)新 URL： http： //www.china-iti.com? ? DOI： 10.14103/j.issn.2095-8412.2020.01.011

引言

當(dāng)前，我國城市化進程不斷加快，城市生活垃圾產(chǎn)生量逐年攀升，城市環(huán)境污染問題愈發(fā)嚴(yán)重。為改善城市人居環(huán)境，我國提出到2020年底，全國設(shè)市城市垃圾焚燒處理能力全部達到清潔焚燒標(biāo)準(zhǔn)的工作目標(biāo)。國家標(biāo)準(zhǔn)《生活垃圾焚燒污染控制標(biāo)準(zhǔn)》（GB 18485-2014）[1]對重金屬和二噁英類污染物控制指標(biāo)進行了規(guī)定。

清潔焚燒作為垃圾焚燒技術(shù)發(fā)展的必然趨勢，對現(xiàn)有和新建焚燒廠的二次污染控制提出了更高的要求。在提升焚燒工藝質(zhì)量和管理水平的同時，也需探索適宜生活垃圾焚燒的，滿足中等體量垃圾處理需求的，污染物排放控制水平與傳統(tǒng)技術(shù)持平或優(yōu)于傳統(tǒng)技術(shù)的其他工藝。

熱解發(fā)電工藝有望成為焚燒技術(shù)的有效補充，實現(xiàn)生活垃圾清潔化、高效化處理[2]。旋轉(zhuǎn)床絕氧熱解發(fā)電工藝以無害化和資源化為出發(fā)點，垃圾熱解產(chǎn)生的熱解氣、焦油和熱解炭進入后續(xù)鍋爐及發(fā)電單元，通過技術(shù)手段降低二噁英等污染物含量，有效減輕大氣污染問題[3]，所產(chǎn)生的電力作為最終產(chǎn)品。按入場垃圾處理量折算的上網(wǎng)電量，上網(wǎng)電價為0.65元/kWh;其余上網(wǎng)電量按所在地區(qū)同類同期燃煤發(fā)電機組上網(wǎng)電價執(zhí)行。

本文首先簡要介紹絕氧熱解發(fā)電工藝技術(shù)路線;其次基于技術(shù)路線，提出由預(yù)處理單元、旋轉(zhuǎn)床熱解單元、油氣分離凈化單元、鍋爐及發(fā)電單元組成的絕氧熱解發(fā)電工藝技術(shù)框架;最后從盈虧平衡分析、敏感性分析等角度對絕氧熱解發(fā)電工藝進行技術(shù)經(jīng)濟評估。

1? 技術(shù)路線

采用先進成熟的旋轉(zhuǎn)床熱解工藝、油氣分離凈化工藝和鍋爐發(fā)電工藝對生活垃圾進行無害化、資源化、減量化處理。

400 t/d生活垃圾運送進廠稱重后卸至入料坑內(nèi)，進入垃圾預(yù)處理單元儲存并堆濾。通過分揀，除去廢金屬、石塊及纏擾物等;通過篩分除去渣土。大塊物料破碎后，送入旋轉(zhuǎn)床熱解單元。分選出的石塊、渣土等無機物運出場外填埋;金屬等可外運銷售。

生活垃圾在旋轉(zhuǎn)床熱解單元中隔絕空氣的旋轉(zhuǎn)床內(nèi)加熱，有機物熱解為熱解氣、焦油和熱解炭。油氣混合物進入油氣分離凈化單元，凈化后獲得的一部分熱解氣作為旋轉(zhuǎn)床蓄熱式輻射管燃氣使用，另一部分熱解氣與分離出的焦油、旋轉(zhuǎn)床產(chǎn)生的熱解炭，以及少量煤炭一同進入循環(huán)流化床鍋爐產(chǎn)生蒸汽，在汽輪機發(fā)電機組發(fā)電。鍋爐產(chǎn)生的灰渣出廠外售或填埋處理。垃圾滲濾液和其他工藝污水入污水處理單元處理后達標(biāo)排放。

某地區(qū)生活垃圾主要成分如表1所示，生活垃圾絕氧熱解發(fā)電總工藝流程如圖1所示。

2? 技術(shù)框架

基于生活垃圾絕氧熱解發(fā)電工藝技術(shù)路線，提出技術(shù)框架，包括預(yù)處理單元、旋轉(zhuǎn)床熱解單元、油氣分離凈化單元、鍋爐及發(fā)電單元。

2.1? 預(yù)處理單元

生活垃圾由專用運輸車運至廠內(nèi)，經(jīng)地磅計量后，卸入預(yù)處理單元的汽車卸料平臺的卸料間，卸料間的垃圾產(chǎn)生的滲濾液經(jīng)排水溝流入滲濾液收集池，由污水泵送至污水處理站處理[4]。儲料間的垃圾經(jīng)垃圾抓斗起重機送至板式給料機，由板式給料機轉(zhuǎn)運至帶式輸送機，中間設(shè)置人工分選間，大件垃圾及建筑垃圾等由人工分揀出，存放于分選雜物間的垃圾槽中，定期由汽車外運至指定填埋場填埋。途經(jīng)帶式輸送機的垃圾送至破袋滾筒篩中。

破袋滾筒篩的篩上物轉(zhuǎn)至帶式輸送機，帶式輸送機上部設(shè)置的除鐵器將大塊金屬分揀出，卸至金屬貯槽中貯存，其他垃圾送至一級破碎機進行第一次破碎，第一次破碎后的垃圾再送至二級破碎機進行第二次破碎。破袋滾筒篩的篩下物經(jīng)篩下物輸送機輸送至渣土堆存間貯存，渣土等篩下物定期由汽車外運至指定填埋場填埋。經(jīng)二級破碎機破碎后的垃圾卸至帶式輸送機運至儲料間，堆濾時間為5～7 d。垃圾堆濾期間所產(chǎn)生的垃圾滲濾液和卸料間的滲濾液一并匯入滲濾液收集池，由污水泵送至污水處理系統(tǒng)處理。堆濾5～7 d后的垃圾由垃圾抓斗起重機抓送至雙螺旋給料機附帶的集料斗內(nèi)，經(jīng)無軸雙螺旋給料機轉(zhuǎn)至帶式輸送機，輸送至旋轉(zhuǎn)床進料口的料斗上。

2.2? 旋轉(zhuǎn)床熱解單元

旋轉(zhuǎn)床熱解單元的工藝過程為：裝料→加熱升溫→干餾排出油氣→剩余固體物出料。

旋轉(zhuǎn)床原料的來源為由預(yù)處理車間破碎后送至旋轉(zhuǎn)床裝料系統(tǒng)的有機質(zhì)和可燃物（廚余、織物、塑料、紙類、木竹等）。旋轉(zhuǎn)床入爐垃圾成分和輸入?yún)?shù)分別如表2和表3所示。

為確保旋轉(zhuǎn)床穩(wěn)定連續(xù)運行，要求粒徑大于50 mm且小于80 mm的入爐垃圾比例不大于10%，入爐垃圾金屬含量小于0.1%，入爐垃圾無機渣土含量小于5%。

從預(yù)處理車間輸送過來的垃圾經(jīng)過皮帶及旋轉(zhuǎn)床裝料系統(tǒng)向爐內(nèi)供料，根據(jù)爐底轉(zhuǎn)動速度自動控制料的流量，滿足連續(xù)布料的要求。

旋轉(zhuǎn)床爐底勻速轉(zhuǎn)動，爐內(nèi)垃圾依次經(jīng)過裝料區(qū)、預(yù)熱一區(qū)、預(yù)熱二區(qū)、反應(yīng)一區(qū)、反應(yīng)二區(qū)、反應(yīng)三區(qū)、反應(yīng)四區(qū)和出料區(qū)等區(qū)段。通過調(diào)節(jié)爐底轉(zhuǎn)動速度，可以改變爐內(nèi)垃圾在爐內(nèi)升溫干餾的時間。

生活垃圾熱解過程大致分為以下四個階段：

（1）預(yù)加熱和干燥階段。100℃以下生活垃圾被加熱至100～130℃，生活垃圾的內(nèi)在水分全部蒸發(fā)。

（2）預(yù)熱解階段。生活垃圾溫度上升至150℃左右時，干燥過程結(jié)束;溫度上升至150～300℃時，化學(xué)組成開始發(fā)生變化，不穩(wěn)定成分分解成CO2、CO以及少量乙酸等，標(biāo)志著熱解反應(yīng)的開始。

（3）固體分解階段。生活垃圾溫度上升至300～600℃時，發(fā)生復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)，大量揮發(fā)份析出，是熱解的主要階段。生成的液體產(chǎn)物有構(gòu)成熱解油的有機液體和水，氣體產(chǎn)物主要有CO、CO2、CH4、H2等，氣體產(chǎn)率隨著溫度的升高不斷增加。

（4）殘?zhí)糠纸怆A段。溫度繼續(xù)升高，C-O鍵、C-H鍵進一步斷裂，深層的揮發(fā)性物質(zhì)繼續(xù)向外層擴散，殘?zhí)恐亓肯陆挡⒅饾u趨于穩(wěn)定，同時一次熱解油也進行著多種多樣的二次裂解反應(yīng)。

旋轉(zhuǎn)床采用輻射管以輻射傳熱方式對物料進行加熱。預(yù)熱段和反應(yīng)段均布置足夠數(shù)量的輻射管。輻射管的特點是使燃燒在管內(nèi)進行，煙氣與爐膛內(nèi)的氣體完全隔絕，可保證熱解氣不被煙氣摻混。輻射管水平布置在爐頂之下、料層之上。輻射管燃燒后煙氣直接達標(biāo)排放。蓄熱式輻射管的熱效率可達80%以上，可顯著節(jié)約燃料[5]。

生活垃圾經(jīng)歷上述各階段后完成干餾過程。生活垃圾可燃物在隔絕空氣的條件下熱解，使所含的絕大部分有機物及揮發(fā)分析出。熱解后得到油氣和固體殘余物兩種產(chǎn)品，其中油氣送往油氣凈化單元，剩余的熱解炭通過出料螺旋及冷卻輸送機降溫后排出爐外，送至鍋爐單元發(fā)電。熱解氣雜質(zhì)含量如表4所示，熱解炭工業(yè)分析和元素分析結(jié)果如表5所示。

2.3? 油氣分離凈化單元

油氣分離凈化工藝流程如圖2所示，以下對關(guān)鍵步驟進行介紹。

2.3.1? 氣液分離和洗滌除塵

從旋轉(zhuǎn)床自流過來的煤氣和油水以85～89℃的飽和態(tài)進入煤氣洗滌塔，塔底激冷循環(huán)水依次自流進入機械化油水分離器槽、激冷循環(huán)水中間槽，然后由激冷循環(huán)水泵送至激冷循環(huán)水冷卻器，冷卻到60℃后送至旋轉(zhuǎn)床，激冷出爐荒煤氣。塔頂煤氣進入下游煤氣初冷器。

從旋轉(zhuǎn)床帶出的粉塵在機械化油水分離器槽中沉降分離后形成焦油渣，從刮渣機刮出焦油渣，用小車送電廠作為燃料。焦油與水也在機械化油水分離器槽中分離，頂部輕焦油自流進入焦油緩沖槽，然后經(jīng)焦油中間槽、輸送泵送電廠作為燃料。機械化油水分離器槽底部重焦油送到焦油中間槽入口，由焦油中間槽送焦油槽。

從激冷循環(huán)水泵抽出一路熱解水，以維持系統(tǒng)水平衡。抽出的剩余熱解水經(jīng)熱解水冷卻器冷卻到40℃左右進入熱解水槽，然后經(jīng)熱解水泵送至污水處理站。

在旋轉(zhuǎn)床前的激冷洗滌不能完全除去煤氣中的粉塵，余下的粉塵由煤氣洗滌塔內(nèi)霧化噴頭進行噴淋洗滌。洗滌水由洗滌泵從激冷循環(huán)水中間槽中抽出，送至煤氣洗滌塔噴灑洗滌煤氣。

2.3.2? 煤氣初冷

來自煤氣洗滌塔頂?shù)拿簹鈴捻敳窟M入煤氣橫管初冷器，煤氣橫管初冷器使用循環(huán)水和低溫水分兩段將煤氣冷卻到20℃后送至電捕焦油器。

被橫管初冷器冷卻下來的焦油和冷凝水進入初冷冷凝液槽，然后由初冷冷凝液泵送出，一部分用于橫管初冷器和電捕焦油器的沖洗，剩余的送至機械化油水分離器槽。

2.3.3? 電捕焦油和鼓風(fēng)

來自橫管初冷器的煤氣的焦油霧在電捕焦油器內(nèi)除去，煤氣焦油霧含量<30 mg/m3后進入煤氣鼓風(fēng)機加壓到約15 kPa。之后，用于旋轉(zhuǎn)床燃燒的一部分煤氣進入下游脫硫系統(tǒng)，多余的煤氣送往鍋爐發(fā)電單元。

2.3.4? 干法脫硫

來自煤氣鼓風(fēng)機的煤氣進入3臺并聯(lián)設(shè)置的干法脫硫塔。3臺干法脫硫塔相互間歇操作，其中1臺運行、1臺再生、1臺備用。干法脫硫塔同時對煤氣中殘存的焦油霧、萘有一定的吸附脫除作用，從干法脫硫塔出來的煤氣達到旋轉(zhuǎn)床燃燒的質(zhì)量要求后，進入煤氣緩沖罐，再進入熱解單元。

2.4? 鍋爐及發(fā)電單元

2.4.1? 燃料供應(yīng)

鍋爐燃料來源有二：一是生活垃圾處理后的熱解炭、焦油和熱解氣，二是助燃用的燃料煤，二者混合后送入鍋爐燃燒，鍋爐產(chǎn)生的中溫中壓蒸汽全部送入汽輪機進行發(fā)電。燃料量及性質(zhì)如表6所示。

2.4.2? 燃燒系統(tǒng)

鍋爐擬配1臺100%容量的離心式送風(fēng)機。送風(fēng)機進風(fēng)口吸收預(yù)處理單元的臭氣。送風(fēng)系統(tǒng)分為一次風(fēng)系統(tǒng)和二次風(fēng)系統(tǒng)。一次風(fēng)系統(tǒng)主要為循環(huán)流化床鍋爐提供流化介質(zhì)，使燃料在鍋爐爐膛實現(xiàn)流化狀態(tài)，為燃料給料系統(tǒng)提供輸送介質(zhì)。二次風(fēng)系統(tǒng)主要為循環(huán)流化床鍋爐提供燃燒助燃風(fēng)。送風(fēng)機出風(fēng)口分兩路，分別接至空氣預(yù)熱器一次冷風(fēng)和二次冷風(fēng)接口。

燃燒系統(tǒng)產(chǎn)生的高溫?zé)煔饬鹘?jīng)高效旋風(fēng)分離器。煙氣中大的飛灰顆粒被分離出來后返回爐膛，處理后的煙氣則流經(jīng)鍋爐尾部受熱面及半干法脫硫除塵系統(tǒng)后，由引風(fēng)機通過煙囪排入大氣。

鍋爐系統(tǒng)擬采用爐前一級給料。設(shè)置2個給料機，給料系統(tǒng)設(shè)計出力滿足鍋爐200%額定工況的燃料量要求，燃料由運煤系統(tǒng)輸送至爐前料斗。

循環(huán)流化床鍋爐采用SNCR爐內(nèi)脫硝系統(tǒng)，可達到NOx排放要求。爐后設(shè)置半干法脫硫除塵一體化裝置，脫硫除塵后滿足環(huán)保排放要求。

2.4.3? 熱力系統(tǒng)

主蒸汽系統(tǒng)擬采用母管制系統(tǒng)。主蒸汽管道上設(shè)置1個3 t/h的減溫減壓器，當(dāng)汽機故障時，可用于不間斷地向其他單元提供低壓蒸汽。

鍋爐配2臺電動給水泵，1用1備。低壓給水經(jīng)過除氧器由給水泵送至高壓加熱器，將給水加熱到150℃，最終送至鍋爐省煤器入口。

凝結(jié)水管道自凝汽器接至凝結(jié)水泵入口，凝結(jié)水泵出口管道經(jīng)汽封加熱器接至除氧器。

采用兩路非調(diào)整抽汽，一路為除氧器供熱及對外供汽，一路為高壓加熱器供汽。

為提供汽輪發(fā)電機空冷器、汽輪機冷油器和其他輔機設(shè)備冷卻所需的冷卻水源，擬采用工業(yè)水和循環(huán)水，對用水量較大的設(shè)備（如汽機冷油器、發(fā)電機空冷器等）采用循環(huán)水冷卻，對其他轉(zhuǎn)動機械（如軸承）采用工業(yè)水冷卻。

3? 技術(shù)經(jīng)濟評估

3.1? 能源結(jié)構(gòu)評估

全工藝流程達產(chǎn)后，年處理生活垃圾13.3萬噸，消耗啟動電力3.416萬千瓦時、原煤13 982.75噸、天然氣1.75萬立方米、柴油29.85噸、新水0.38萬噸。投產(chǎn)后，年發(fā)電5 508萬千瓦時，其中外供電力3 373萬千瓦時，鍋爐產(chǎn)生灰渣136.3噸/天（其中灰量99.7噸/天，渣量36.6噸/天），可作為水泥原料外銷。全流程能源結(jié)構(gòu)合理[6-7]。

3.2? 盈虧平衡分析和敏感性分析

該工業(yè)化項目的財務(wù)內(nèi)部收益率（稅后）為7%，高于財務(wù)基準(zhǔn)收益率5%，投資回收期為11年。

根據(jù)產(chǎn)品成本費用、銷售價格、產(chǎn)量（銷售量）、增值稅、營業(yè)稅金及附加對項目盈虧的作用，計算盈虧平衡點，進行盈虧平衡分析。以生產(chǎn)能力利用率表示的盈虧平衡點為51.19%，即生產(chǎn)負荷為51.19%時可以達到收支平衡，項目風(fēng)險等級為“較小”。

考慮項目實施過程中建設(shè)投資、產(chǎn)品價格、經(jīng)營成本等不確定因素的變化，分別對各因素進行降低20%、15%、10%、5%和提高5%、10%、15%、20%的變化，對財務(wù)內(nèi)部收益率（稅后）進行單因素敏感性分析和敏感度系數(shù)（Saf）分析，如表7所示。分析發(fā)現(xiàn)，產(chǎn)品價格對財務(wù)效益影響最敏感，經(jīng)營成本次之，建設(shè)投資敏感性最低。

總之，項目具備一定盈利能力、清償能力以及抗風(fēng)險能力。

4? 結(jié)論與討論

（1）以生活垃圾為原料，通過旋轉(zhuǎn)床絕氧熱解發(fā)電工藝，可實現(xiàn)高熱值熱解氣、熱解油及熱解炭的清潔生產(chǎn)。整個生活垃圾處理過程中無二噁英等二次污染物、飛灰等危險廢棄物產(chǎn)生，可徹底解決填埋占地面積大、堆肥產(chǎn)品銷路不暢和焚燒產(chǎn)生二次污染問題，環(huán)保性強、經(jīng)濟性好，真正實現(xiàn)生活垃圾減量化、資源化、無害化處理，有利于解決“生活垃圾圍城”、“鄰避效應(yīng)”等問題，破解生活垃圾威脅人類生存環(huán)境的困境。

（2）絕氧熱解發(fā)電工藝路線能夠處理400 t/d規(guī)模的生活垃圾。投產(chǎn)后，年發(fā)電5 508萬kWh，其中外供電力3 373萬kWh，實現(xiàn)了向社會供電。技術(shù)經(jīng)濟評估表明，該工藝路線完全具備工業(yè)化應(yīng)用的可行性。全工藝流程完全符合清潔生產(chǎn)要求;各項環(huán)保設(shè)施合理、有效，各污染物能夠?qū)崿F(xiàn)達標(biāo)排放;排放的廢氣污染物對區(qū)域環(huán)境影響較小，不會改變當(dāng)?shù)丨h(huán)境質(zhì)量等級，具有良好的環(huán)境效益、社會效益和經(jīng)濟效益。

參考文獻

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作者簡介：

李林（1979—），通信作者，男，河北涿州人，高級工程師，博士研究生。主要研究方向：固廢處理及煙氣治理工藝的基礎(chǔ)理論計算。

E-mail： 13031128987@163.com

（收稿日期：2019-11-23）

Establishment and Evaluation on Oxygen-Free Pyrolysis Power Generation Process for Domestic Wastes

LI Lin

（Beijing JC Energy and Environment Engineering Co.， Ltd.， Beijing 100040， China）

Abstract： In order to better realize the clean incineration and promote the reduction， recycling and harmlessness of domestic wastes， a set of oxygen-free pyrolysis power generation process with 400 t/d treatment scale is constructed. Based on the technology route of oxygen-free pyrolysis power generation， a technological framework composed of pretreatment unit， rotating bed pyrolysis unit， oil-gas separation and purification unit， boiler and power generation unit is proposed. After the process is put into operation， the domestic waste annual treatment capacity can reach 133 000 tons， the annual power generation is 55.8 million kWh， of which 37.33 million kWh can be used for external supply. The technological and economic evaluation of the process shows that the financial internal rate of return is 7% and the investment payback period is 11 years. The sensitivity analysis on the financial internal rate of return shows that the factors of sensitivity from high to low are product price， operation cost and construction investment. After the completion of the project， it will have certain profitability， solvency and risk resistance.

Key words： Domestic Waste; Oxygen-Free Pyrolysis Power Generation; Pretreatment; Rotating Bed; Financial Internal Rate of Return; Sensitivity Analysis