日本、美国垃圾发电模式

日本、美国垃圾发电模式

日本和美国等工业发达国家通过处理城市生活垃圾（以下简称“一般垃圾”）和工厂在加工过程中损失的废物（以下简称“废物”），考虑到保护生态环境，不采取直接焚烧和掩埋措施。相反，通过某种方法制备普通垃圾和废物，并通过适当的设备进行发电。1垃圾能源和发展1.1循环流化床锅炉发电利用城市一般垃圾当作燃料,采用能燃烧一般垃圾、树皮等低热值的循环流化床锅炉进行发电。日本目前以一般垃圾发电为主,全国约有180座,其中最大为50MW,10MW以上有15座,90%是10MW以下,发电总量近800MW。1.2将rpf燃料传统集中点作为rf发电RDF(RefuseDerivedFuel)燃料制造厂从一般垃圾中分拣出废塑料、废料渣、木屑、PVC等,经破碎、干燥、压形、固化,制造过程防二氧化物的发生,制成无害固体燃料,即RDF燃料。然后将RDF燃料运到发电厂进行RDF发电。RDF制造厂可因地分散建立,就地制成RDF燃料。它为粉笔状,直径15mm、长度50mm,发热量为14595~20016kJ/kg,制造过程灭菌,故可运到RDF燃料集中点进行RDF发电。美国芝加哥郊外的伊利诺斯洲的鲁宾逊(Robbins)是首次使用循环流化床锅炉的50000kW的大型RDF发电站,由世界水平的流化床锅炉厂家FostesWheeler公司制造,在1997年开始运行。日本1995年在群马县等4县及宇都兴产等地实施RDF发电,发电规模为10~30MW。1996~1997年在其他各地相继实施。1.3难利用建筑、地基材料的垃圾回收技术在制造厂设置可处理垃圾和提取能源的设备,将生产各阶段的垃圾所具有的热能有效地提取的技术称为MEET(Multi-stagedEnthalphyExtractionTechnology)工程。该技术可就地处理垃圾,并利用垃圾具有的热能将灰分溶解,固化为无害,加工成建筑、土木材料,并回收铁、铜、铝、矿渣等资源,同时还进行发电。其电力作为本制造厂的动力,多余的出售,既提高制造厂综合经济效益,又保护了环境。2植生产品发电效率高2.1一般垃圾发电需建设在城市,且垃圾充足的地方。而RDF发电,可由各分散点的RDF燃料制造点运输到RDF发电厂发电,供电给人口稀疏的广大地区,是极为有利的发电方式。2.2一般垃圾发电,因垃圾中含水率较高,增大过量空气系数才能燃烧。而RDF发电,因RDF燃料中含水率较低,燃烧稳定,可减少过量空气系数,一般可在1.2~1.3中间运行。2.3一般垃圾发电几乎为空冷,少数为水冷。而RDF发电为水冷。2.4一般垃圾发电用锅炉最高效率不超过70%,而RDF循环流化床锅炉最高效率可达90%~91.5%。2.5在日本琦玉县东部清扫合作公司第一工厂的一般垃圾发电对流传热处理设置SUS30JI(25Cr~20Ni)终端过热器,达到3.6MPa,380℃的蒸汽,是一般垃圾发电的最高值。而RDF发电可达9.8MPa,500℃,在电源开发公司的试验装置,进行了达9.8MPa,540℃的验证试验。2.6RDF流化床锅炉与一般垃圾发电的锅炉相比,前者燃烧后灰量较少,为9%左右,且灰里没有溶渣,是松散粒状,装卸方便,灰处理及运输费用较少;后者灰量较多,为14%~15%。2.7RDF燃料制造过程中添加了Ca成分,故在流化床炉内燃烧时,可脱盐酸,还可控制排气中氯成分。而一般垃圾发电则达不到。2.8日本全国约180个垃圾发电站中有85%的发电效率在10%以下,平均为6%~7%。RDF发电效率较高,可达30%。要提高发电效率必须采用RDF发电。但RDF在制造时将消耗电力,干燥需消耗化石燃料。为比较一般垃圾发电与RDF发电的有效出力,以垃圾量400t/d(人口35~40万的地区)为例,2个200t/d或1个400t/d的一般垃圾发电站同1个400t/d的RDF发电站进行比较,比较结果如表l。由表l知:1个400t/d一般垃圾发电站与1个200t/dRDF发电站相比,其有效出力无大差别;但2个200t/d一般垃圾发电站与1个200t/dRDF发电相比,RDF发电的有效出力几乎增加1倍,有很大的优越性。3德胜能源特点从环保考虑RDF发电是今后发展的方向,其特点如下:3.1德胜能源规模根据现有资料统计,RDF发电规模目前在人口35~40万、日处理一般垃圾400t、发电容量10MW左右,可实现设备的高效率运行。3.2开、汽机排汽的回收利用3.2.l蒸汽的高温、高压化RDF发电采用流化床炉,在炉内循环的流动粒子内氯气较少,可在流动粒子内设置过热器。该流化床炉有外部、内部循环2种,在外部循环型炉下部的流动粒子集中处设置过热器,在内部循环型炉隔墙分隔流动粒子层内设置过热器,从而获得高温、高压蒸汽。表2为日本重工厂家对蒸汽温度500℃的终端过热器的位置、材质、耐用年限的构想。3.2.2热循环当压力达到某值时,将汽机的蒸汽送回锅炉加热后再送回汽机,构成“再热循环”;将汽机蒸汽抽出一部分,其热被给水加热器利用,减少凝汽器带到外部的热量,构成“再生循环”;或者两者相结合的方法。3.2.3汽机排汽低压化增加汽机内部的有效热降,降低汽机排汽压力,即降低凝汽器的真空度,达到最大限度地利用蒸汽的能量。3.2.4提高锅炉效率RDF燃料用的锅炉要具有缩小空气过剩率,减少排汽量及降低锅炉出口排汽温度,减少排汽热损失等功能。为利用排汽热量,在省煤器尾部设置流动用、燃烧用空气预热器;因采用防氧化物和防低温腐蚀等措施,可最大限度地保持在150~160℃,以达到废热回收的同时又降低排汽温度的目的。3.2.5减少RDF发电的厂用电减少厂用电是实现高效率发电的极为重要的条件。为此采用流化床炉的RDF发电,日本各厂家设计出有外部循环、内部循环型系列产品,厂用电率控制在13%~15%,从而发电效率可达27%~30%,送电端效率可达23%~26%。3.3sdf能源主要组成系统3.3.1燃料辅助系统的配置日本在实现全部RDF发电过程中,由于RDF燃料制造设备不能同步完成,仍需煤作为辅助代替燃料。故要考虑设置燃烧炉、贮藏、运行设备。3.3.2空气调贮藏时间RDF发电一般是24h连续运行。因定期检修,年平均停运25~40天,此期间要考虑运来的RDF燃料的贮藏设备,贮藏量为1个月,贮藏设备要充分考虑雨水、结露、臭气、通风、防火等措施。3.3.3熟石灰和袋式除尘器在流化床炉里燃烧的RDF燃料排出气体同直接焚烧垃圾相比,性质很好,故排气处理设备简易。RDF燃料含有的Ca(OH)2控制了HCl、SOx的发生,在900~1000℃的高温燃烧,为尽量减少CO、二氧化物的发生,排气处理多数采用混入熟石灰加活性炭及袋式除尘器。根据需要如防NOx,采用喷入氨水并在袋式除尘器尾段设置脱硝催化剂。3.3.4电气方式设计日本因灰场不足,RDF燃料焚烧灰进行溶解处理方法,可采用化石燃料方式及电弧式、电阻式、等离子电气方式。为利用发出的电力,宜采用电气方式。考虑到用户用电情况,灰溶解白天为50%,夜间为100%。3.4分布区域的变革设置在既能制造100t/d左右的RDF燃料,又有很多垃圾来源的地点,使周围地区利用RDF发电的能源,构建成大规模的文化、福利、体育、居民区。4综合能源能力的特点和发展现状4.1高温燃烧精密度图1为MEET装置生产系统方框图,图2为设备构成及资源回收系统方框图。由图2知:将垃圾与高温空气投到灰溶解球形床气化炉内,在极短时间气化,垃圾中灰分成溶解状并无害被取出,气化气体经余热回收锅炉一次冷却后送到气体精炼装置内剔除硫、氯、煤尘及重金属等污染物质,制成精炼气体。该气体一部分送到高温空气加热器内燃烧,制成1000℃高温空气,吹到灰溶解球形床气化炉内,剩余部分作为工业炉、锅炉、燃气轮机的燃料并用于加工加热和发电等多种用途。当精炼气体处于高温状态燃烧时,即使不设脱硝装置也能降低燃烧气中NOx的浓度。目前实用化采用燃气轮机、燃气发动机、斯特令发动机等与小规模发电系统相匹配。MEET系统能有效地防止二氧化物的产生,其理由是:(l)气化炉内是高温还原气体介质,几乎不生成二氧化物;(2)燃烧精炼气体时,即使生成一些二氧化物,也可以分解;(3)回收燃烧气体热量时,为防止再生成二氧化物,喷雾状大量的水,迅速冷却燃烧排气,虽然丢掉了少量热回收,但由于采用利用高温空气燃烧的排气将空气预热,为此可通过蜂窝式蓄热体将燃烧排气的废热大部分回收的同时,还可防止二氧化物再生成。4.2meet-i装置正常运行为验证MEET工程,在东工人长津校园里设置垃圾处理量200kg/d的MEET-I装置正顺利运行。该装置设置了球形床气化炉、高温空气加热器及高温空气燃烧锅炉等主要部分。4.2.1球床的工炭化该炉如图3所示,在常规射流床底部设置高温耐热陶瓷球状填充床。将垃圾与1000℃高温空气投入射流床中,挥发物气化,灰分和炭在球床内一次被捕捉,在溶解灰里将炭缓缓气化,溶解灰由底部除渣口排出。球形床仅配置直径50~100mm的球,就获得溶解灰的高效率过滤、促进炭的气化及缓冲因投放垃圾引起发热的变动等3个作用。在球形床气化炉里,用0.5s使炭气化和灰溶解,这是高温空气的利用和球形床配置相结合的结果。为实现超小型灰溶解球形床气化炉,是一重要研究课题。4.2.2在模型2的燃烧气体加热高温空气加热器如图4所示,设置1对蜂窝式蓄热体,各蓄热体用15~30s交替通过气化后的燃烧气体和空气。约为1200℃的燃烧气体通过蜂窝时,燃烧气体的热能转移到蜂窝上,冷却后的燃烧气约为150℃由蜂窝流出。在加热的蜂窝中引入常温空气,加热到约1000℃。加热空气分两部分:一部分到系统外,另一部分送到对面蜂窝作为燃烧用空气,后者补充了常温空气作为气化后的燃烧气体。该加热器流量控制全部在低温侧,从而不用高压阀,故可在极短的转换周期内运行,用小的蜂窝可得到所需的传热性能。4.2.3燃烧尾气型高温空气燃烧锅炉如图5所示。它充分发挥陶瓷蜂窝式蓄热体的优点,形成蓄热再生式燃烧器。它有2个燃烧器,一个燃烧器处于燃烧工况时另一个燃烧器处于排气工况。因高温排气通过平行设置在燃烧装置里的陶瓷蜂窝,从而存蓄了排气里的蓄热。在10~30s后燃烧工况与排气工况互换,燃烧空气通过蓄热蜂窝可得到接近炉内燃烧排气温度1000℃的预热空气。传热管配置在炉内使蒸汽加热。该炉的优点有:(1)采用炉内排气再循环,实现低氧燃烧,从而可降低NOx值燃烧;(2)炉内燃烧气体温度分布均匀和绝热火焰温度上升,促进炉内传热;(3)因有辐射传热的传热效果从而不需对流传热,故锅炉可减小尺寸;(4)采用低发热量气体燃烧;(5)因高温燃烧时的气体分解及通过蜂窝可迅速冷却,可防止其再合成,从而控制二氧化物的形成。5城市垃圾处理存在的问题目前,我国不断加强城市环保工作,特别对大气、水、垃圾和噪声污染的综合治理作为重点项目。据统计,我国城市生活拉圾的年产出量为1亿t以上,且每年以8%递增。因此,城市垃圾的有效处理已迫在眉睫。我国将积极探索垃圾处理企业化经营途径,全国推行