日本、美國垃圾發(fā)電模式

日本、美國垃圾發(fā)電模式

日本和美國等工業(yè)發(fā)達(dá)國家通過處理城市生活垃圾（以下簡稱“一般垃圾”）和工廠在加工過程中損失的廢物（以下簡稱“廢物”），考慮到保護(hù)生態(tài)環(huán)境，不采取直接焚燒和掩埋措施。相反，通過某種方法制備普通垃圾和廢物，并通過適當(dāng)?shù)脑O(shè)備進(jìn)行發(fā)電。1垃圾能源和發(fā)展1.1循環(huán)流化床鍋爐發(fā)電利用城市一般垃圾當(dāng)作燃料,采用能燃燒一般垃圾、樹皮等低熱值的循環(huán)流化床鍋爐進(jìn)行發(fā)電。日本目前以一般垃圾發(fā)電為主,全國約有180座,其中最大為50MW,10MW以上有15座,90%是10MW以下,發(fā)電總量近800MW。1.2將rpf燃料傳統(tǒng)集中點(diǎn)作為rf發(fā)電RDF(RefuseDerivedFuel)燃料制造廠從一般垃圾中分揀出廢塑料、廢料渣、木屑、PVC等,經(jīng)破碎、干燥、壓形、固化,制造過程防二氧化物的發(fā)生,制成無害固體燃料,即RDF燃料。然后將RDF燃料運(yùn)到發(fā)電廠進(jìn)行RDF發(fā)電。RDF制造廠可因地分散建立,就地制成RDF燃料。它為粉筆狀,直徑15mm、長度50mm,發(fā)熱量為14595~20016kJ/kg,制造過程滅菌,故可運(yùn)到RDF燃料集中點(diǎn)進(jìn)行RDF發(fā)電。美國芝加哥郊外的伊利諾斯洲的魯賓遜(Robbins)是首次使用循環(huán)流化床鍋爐的50000kW的大型RDF發(fā)電站,由世界水平的流化床鍋爐廠家FostesWheeler公司制造,在1997年開始運(yùn)行。日本1995年在群馬縣等4縣及宇都興產(chǎn)等地實(shí)施RDF發(fā)電,發(fā)電規(guī)模為10~30MW。1996~1997年在其他各地相繼實(shí)施。1.3難利用建筑、地基材料的垃圾回收技術(shù)在制造廠設(shè)置可處理垃圾和提取能源的設(shè)備,將生產(chǎn)各階段的垃圾所具有的熱能有效地提取的技術(shù)稱為MEET(Multi-stagedEnthalphyExtractionTechnology)工程。該技術(shù)可就地處理垃圾,并利用垃圾具有的熱能將灰分溶解,固化為無害,加工成建筑、土木材料,并回收鐵、銅、鋁、礦渣等資源,同時(shí)還進(jìn)行發(fā)電。其電力作為本制造廠的動(dòng)力,多余的出售,既提高制造廠綜合經(jīng)濟(jì)效益,又保護(hù)了環(huán)境。2植生產(chǎn)品發(fā)電效率高2.1一般垃圾發(fā)電需建設(shè)在城市,且垃圾充足的地方。而RDF發(fā)電,可由各分散點(diǎn)的RDF燃料制造點(diǎn)運(yùn)輸?shù)絉DF發(fā)電廠發(fā)電,供電給人口稀疏的廣大地區(qū),是極為有利的發(fā)電方式。2.2一般垃圾發(fā)電,因垃圾中含水率較高,增大過量空氣系數(shù)才能燃燒。而RDF發(fā)電,因RDF燃料中含水率較低,燃燒穩(wěn)定,可減少過量空氣系數(shù),一般可在1.2~1.3中間運(yùn)行。2.3一般垃圾發(fā)電幾乎為空冷,少數(shù)為水冷。而RDF發(fā)電為水冷。2.4一般垃圾發(fā)電用鍋爐最高效率不超過70%,而RDF循環(huán)流化床鍋爐最高效率可達(dá)90%~91.5%。2.5在日本琦玉縣東部清掃合作公司第一工廠的一般垃圾發(fā)電對流傳熱處理設(shè)置SUS30JI(25Cr~20Ni)終端過熱器,達(dá)到3.6MPa,380℃的蒸汽,是一般垃圾發(fā)電的最高值。而RDF發(fā)電可達(dá)9.8MPa,500℃,在電源開發(fā)公司的試驗(yàn)裝置,進(jìn)行了達(dá)9.8MPa,540℃的驗(yàn)證試驗(yàn)。2.6RDF流化床鍋爐與一般垃圾發(fā)電的鍋爐相比,前者燃燒后灰量較少,為9%左右,且灰里沒有溶渣,是松散粒狀,裝卸方便,灰處理及運(yùn)輸費(fèi)用較少;后者灰量較多,為14%~15%。2.7RDF燃料制造過程中添加了Ca成分,故在流化床爐內(nèi)燃燒時(shí),可脫鹽酸,還可控制排氣中氯成分。而一般垃圾發(fā)電則達(dá)不到。2.8日本全國約180個(gè)垃圾發(fā)電站中有85%的發(fā)電效率在10%以下,平均為6%~7%。RDF發(fā)電效率較高,可達(dá)30%。要提高發(fā)電效率必須采用RDF發(fā)電。但RDF在制造時(shí)將消耗電力,干燥需消耗化石燃料。為比較一般垃圾發(fā)電與RDF發(fā)電的有效出力,以垃圾量400t/d(人口35~40萬的地區(qū))為例,2個(gè)200t/d或1個(gè)400t/d的一般垃圾發(fā)電站同1個(gè)400t/d的RDF發(fā)電站進(jìn)行比較,比較結(jié)果如表l。由表l知:1個(gè)400t/d一般垃圾發(fā)電站與1個(gè)200t/dRDF發(fā)電站相比,其有效出力無大差別;但2個(gè)200t/d一般垃圾發(fā)電站與1個(gè)200t/dRDF發(fā)電相比,RDF發(fā)電的有效出力幾乎增加1倍,有很大的優(yōu)越性。3德勝能源特點(diǎn)從環(huán)?？紤]RDF發(fā)電是今后發(fā)展的方向,其特點(diǎn)如下:3.1德勝能源規(guī)模根據(jù)現(xiàn)有資料統(tǒng)計(jì),RDF發(fā)電規(guī)模目前在人口35~40萬、日處理一般垃圾400t、發(fā)電容量10MW左右,可實(shí)現(xiàn)設(shè)備的高效率運(yùn)行。3.2開、汽機(jī)排汽的回收利用3.2.l蒸汽的高溫、高壓化RDF發(fā)電采用流化床爐,在爐內(nèi)循環(huán)的流動(dòng)粒子內(nèi)氯氣較少,可在流動(dòng)粒子內(nèi)設(shè)置過熱器。該流化床爐有外部、內(nèi)部循環(huán)2種,在外部循環(huán)型爐下部的流動(dòng)粒子集中處設(shè)置過熱器,在內(nèi)部循環(huán)型爐隔墻分隔流動(dòng)粒子層內(nèi)設(shè)置過熱器,從而獲得高溫、高壓蒸汽。表2為日本重工廠家對蒸汽溫度500℃的終端過熱器的位置、材質(zhì)、耐用年限的構(gòu)想。3.2.2熱循環(huán)當(dāng)壓力達(dá)到某值時(shí),將汽機(jī)的蒸汽送回鍋爐加熱后再送回汽機(jī),構(gòu)成“再熱循環(huán)”;將汽機(jī)蒸汽抽出一部分,其熱被給水加熱器利用,減少凝汽器帶到外部的熱量,構(gòu)成“再生循環(huán)”;或者兩者相結(jié)合的方法。3.2.3汽機(jī)排汽低壓化增加汽機(jī)內(nèi)部的有效熱降,降低汽機(jī)排汽壓力,即降低凝汽器的真空度,達(dá)到最大限度地利用蒸汽的能量。3.2.4提高鍋爐效率RDF燃料用的鍋爐要具有縮小空氣過剩率,減少排汽量及降低鍋爐出口排汽溫度,減少排汽熱損失等功能。為利用排汽熱量,在省煤器尾部設(shè)置流動(dòng)用、燃燒用空氣預(yù)熱器;因采用防氧化物和防低溫腐蝕等措施,可最大限度地保持在150~160℃,以達(dá)到廢熱回收的同時(shí)又降低排汽溫度的目的。3.2.5減少RDF發(fā)電的廠用電減少廠用電是實(shí)現(xiàn)高效率發(fā)電的極為重要的條件。為此采用流化床爐的RDF發(fā)電,日本各廠家設(shè)計(jì)出有外部循環(huán)、內(nèi)部循環(huán)型系列產(chǎn)品,廠用電率控制在13%~15%,從而發(fā)電效率可達(dá)27%~30%,送電端效率可達(dá)23%~26%。3.3sdf能源主要組成系統(tǒng)3.3.1燃料輔助系統(tǒng)的配置日本在實(shí)現(xiàn)全部RDF發(fā)電過程中,由于RDF燃料制造設(shè)備不能同步完成,仍需煤作為輔助代替燃料。故要考慮設(shè)置燃燒爐、貯藏、運(yùn)行設(shè)備。3.3.2空氣調(diào)貯藏時(shí)間RDF發(fā)電一般是24h連續(xù)運(yùn)行。因定期檢修,年平均停運(yùn)25~40天,此期間要考慮運(yùn)來的RDF燃料的貯藏設(shè)備,貯藏量為1個(gè)月,貯藏設(shè)備要充分考慮雨水、結(jié)露、臭氣、通風(fēng)、防火等措施。3.3.3熟石灰和袋式除塵器在流化床爐里燃燒的RDF燃料排出氣體同直接焚燒垃圾相比,性質(zhì)很好,故排氣處理設(shè)備簡易。RDF燃料含有的Ca(OH)2控制了HCl、SOx的發(fā)生,在900~1000℃的高溫燃燒,為盡量減少CO、二氧化物的發(fā)生,排氣處理多數(shù)采用混入熟石灰加活性炭及袋式除塵器。根據(jù)需要如防NOx,采用噴入氨水并在袋式除塵器尾段設(shè)置脫硝催化劑。3.3.4電氣方式設(shè)計(jì)日本因灰場不足,RDF燃料焚燒灰進(jìn)行溶解處理方法,可采用化石燃料方式及電弧式、電阻式、等離子電氣方式。為利用發(fā)出的電力,宜采用電氣方式?？紤]到用戶用電情況,灰溶解白天為50%,夜間為100%。3.4分布區(qū)域的變革設(shè)置在既能制造100t/d左右的RDF燃料,又有很多垃圾來源的地點(diǎn),使周圍地區(qū)利用RDF發(fā)電的能源,構(gòu)建成大規(guī)模的文化、福利、體育、居民區(qū)。4綜合能源能力的特點(diǎn)和發(fā)展現(xiàn)狀4.1高溫燃燒精密度圖1為MEET裝置生產(chǎn)系統(tǒng)方框圖,圖2為設(shè)備構(gòu)成及資源回收系統(tǒng)方框圖。由圖2知:將垃圾與高溫空氣投到灰溶解球形床氣化爐內(nèi),在極短時(shí)間氣化,垃圾中灰分成溶解狀并無害被取出,氣化氣體經(jīng)余熱回收鍋爐一次冷卻后送到氣體精煉裝置內(nèi)剔除硫、氯、煤塵及重金屬等污染物質(zhì),制成精煉氣體。該氣體一部分送到高溫空氣加熱器內(nèi)燃燒,制成1000℃高溫空氣,吹到灰溶解球形床氣化爐內(nèi),剩余部分作為工業(yè)爐、鍋爐、燃?xì)廨啓C(jī)的燃料并用于加工加熱和發(fā)電等多種用途。當(dāng)精煉氣體處于高溫狀態(tài)燃燒時(shí),即使不設(shè)脫硝裝置也能降低燃燒氣中NOx的濃度。目前實(shí)用化采用燃?xì)廨啓C(jī)、燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)、斯特令發(fā)動(dòng)機(jī)等與小規(guī)模發(fā)電系統(tǒng)相匹配。MEET系統(tǒng)能有效地防止二氧化物的產(chǎn)生,其理由是:(l)氣化爐內(nèi)是高溫還原氣體介質(zhì),幾乎不生成二氧化物;(2)燃燒精煉氣體時(shí),即使生成一些二氧化物,也可以分解;(3)回收燃燒氣體熱量時(shí),為防止再生成二氧化物,噴霧狀大量的水,迅速冷卻燃燒排氣,雖然丟掉了少量熱回收,但由于采用利用高溫空氣燃燒的排氣將空氣預(yù)熱,為此可通過蜂窩式蓄熱體將燃燒排氣的廢熱大部分回收的同時(shí),還可防止二氧化物再生成。4.2meet-i裝置正常運(yùn)行為驗(yàn)證MEET工程,在東工人長津校園里設(shè)置垃圾處理量200kg/d的MEET-I裝置正順利運(yùn)行。該裝置設(shè)置了球形床氣化爐、高溫空氣加熱器及高溫空氣燃燒鍋爐等主要部分。4.2.1球床的工炭化該爐如圖3所示,在常規(guī)射流床底部設(shè)置高溫耐熱陶瓷球狀填充床。將垃圾與1000℃高溫空氣投入射流床中,揮發(fā)物氣化,灰分和炭在球床內(nèi)一次被捕捉,在溶解灰里將炭緩緩氣化,溶解灰由底部除渣口排出。球形床僅配置直徑50~100mm的球,就獲得溶解灰的高效率過濾、促進(jìn)炭的氣化及緩沖因投放垃圾引起發(fā)熱的變動(dòng)等3個(gè)作用。在球形床氣化爐里,用0.5s使炭氣化和灰溶解,這是高溫空氣的利用和球形床配置相結(jié)合的結(jié)果。為實(shí)現(xiàn)超小型灰溶解球形床氣化爐,是一重要研究課題。4.2.2在模型2的燃燒氣體加熱高溫空氣加熱器如圖4所示,設(shè)置1對蜂窩式蓄熱體,各蓄熱體用15~30s交替通過氣化后的燃燒氣體和空氣。約為1200℃的燃燒氣體通過蜂窩時(shí),燃燒氣體的熱能轉(zhuǎn)移到蜂窩上,冷卻后的燃燒氣約為150℃由蜂窩流出。在加熱的蜂窩中引入常溫空氣,加熱到約1000℃。加熱空氣分兩部分:一部分到系統(tǒng)外,另一部分送到對面蜂窩作為燃燒用空氣,后者補(bǔ)充了常溫空氣作為氣化后的燃燒氣體。該加熱器流量控制全部在低溫側(cè),從而不用高壓閥,故可在極短的轉(zhuǎn)換周期內(nèi)運(yùn)行,用小的蜂窩可得到所需的傳熱性能。4.2.3燃燒尾氣型高溫空氣燃燒鍋爐如圖5所示。它充分發(fā)揮陶瓷蜂窩式蓄熱體的優(yōu)點(diǎn),形成蓄熱再生式燃燒器。它有2個(gè)燃燒器,一個(gè)燃燒器處于燃燒工況時(shí)另一個(gè)燃燒器處于排氣工況。因高溫排氣通過平行設(shè)置在燃燒裝置里的陶瓷蜂窩,從而存蓄了排氣里的蓄熱。在10~30s后燃燒工況與排氣工況互換,燃燒空氣通過蓄熱蜂窩可得到接近爐內(nèi)燃燒排氣溫度1000℃的預(yù)熱空氣。傳熱管配置在爐內(nèi)使蒸汽加熱。該爐的優(yōu)點(diǎn)有:(1)采用爐內(nèi)排氣再循環(huán),實(shí)現(xiàn)低氧燃燒,從而可降低NOx值燃燒;(2)爐內(nèi)燃燒氣體溫度分布均勻和絕熱火焰溫度上升,促進(jìn)爐內(nèi)傳熱;(3)因有輻射傳熱的傳熱效果從而不需對流傳熱,故鍋爐可減小尺寸;(4)采用低發(fā)熱量氣體燃燒;(5)因高溫燃燒時(shí)的氣體分解及通過蜂窩可迅速冷卻,可防止其再合成,從而控制二氧化物的形成。5城市垃圾處理存在的問題目前,我國不斷加強(qiáng)城市環(huán)保工作,特別對大氣、水、垃圾和噪聲污染的綜合治理作為重點(diǎn)項(xiàng)目。據(jù)統(tǒng)計(jì),我國城市生活拉圾的年產(chǎn)出量為1億t以上,且每年以8%遞增。因此,城市垃圾的有效處理已迫在眉睫。我國將積極探索垃圾處理企業(yè)化經(jīng)營途徑,全國推行