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時小軍，王雪炎，儲開建，李波，汪明浩
（光大環保能源（江陰）有限公司，江蘇江陰214400）
摘要：光大環保能源（江陰）有限公司（以下簡稱我司）污水處理系統每天可產生約16000m³沼氣，且經化驗沼氣中甲烷含量：69.35%、二氧化碳：29.76%、硫化氫：10881mg/m³、高位發熱量：25.76MJ/m³、低位發熱量：23.20MJ/m³，則年產生量約16000/24×8000=5333333m³。折合標煤約25760kJ/m³×5333333m³/29310kJ/kg=4687365kg。為利用垃圾發酵產生的沼氣余熱，進行沼氣入爐系統技術改造。
1研發背景
目前在通過對生活垃圾進行處理，利用焚燒垃圾產生的低位熱量發電的同時，垃圾中的污水、污泥等滲濾液進入滲濾液處理系統進行處理，在滲瀝液處理過程中產生大量的沼氣，根據目前生產運行實際情況以及理論測算，污水處理系統每天可產生約16000m³沼氣，且經化驗沼氣中甲烷含量：69.35%、二氧化碳：29.76%、硫化氫：10881mg/m³、高位發熱量：25.76MJ/m³、低位發熱量：23.20MJ/m³，則年產生量約16000/24×8000=5333333m³。折合標煤約25760kJ/m³×5333333m³/29310kJ/kg=4687365kg。
由于沼氣中的甲烷的溫室效應是二氧化碳的21倍，所以根據現有條件，對產生的沼氣僅采用原始收集對空點燃處理。如果對沼氣進行綜合利用，燃燒發電，不僅可以提供清潔能源，還可減輕沼氣燃燒造成的大氣污染，有利于環境保護，回收可利用資源，給企業帶來一定的效益，見表1。
2主機及主要輔機配置情況簡介
我司一二期垃圾焚燒系統共配置3臺400t/d垃圾焚燒爐排爐，三期垃圾焚燒系統共配置2臺500t/d垃圾焚燒爐排爐，為光大環境科技公司自主研發生產的多級爐排垃圾焚燒爐，余熱鍋爐由無錫華光鍋爐廠設計制造。
本次技改主機設備主要技術參數如下：
鍋爐制造廠：光大環保科技發展（北京）有限公司余熱鍋爐為臥式、中溫中壓、單汽包、自然循環鍋爐，位于焚燒爐的上部，見表2。
3實施情況
主要工藝設備技改內容：根據沼氣量核算數據表沼氣核算峰值為433m³/h，考慮地域特點，設計范圍為160-867m³/h，以適應全年不同負荷時的運行工況。考慮總體負荷不高，從經濟性與適用性出發，該方案設計為入一二期三臺爐摻燒，分別為3×400爐型，在燃燒穩定的情況下，可以隨意配置摻燒鍋爐的數量。燃燒器設置三套，#1#2#3爐各一套，均從一通道爐排四區側墻通過預埋套管安裝到爐墻側面，沼氣助燃風機設置三套，每臺爐匹配一套助燃風機。考慮鍋爐系統分屬于兩套DCS系統的特點，控制部分設計兩套PLC，滲濾液處理系統一套，負責輸送沼氣；3×400系統一套，負責各自入爐摻燒。
沼氣收集系統圖如圖1。
沼氣入爐系統圖如圖2。
沼氣入爐運行畫面如圖3。
4經濟指標
4.1技術指標
技改后，正常運行方式為厭氧罐沼氣通過羅茨風機輸送至鍋爐進行燃燒，沼氣利用率達100%，當系統故障全面跳停時，此時厭氧罐火炬將接收沼氣入爐系統總MFT保護信號，火炬點火器自動點火，恢復火炬運行。
沼氣入爐投運前后數據統計。
由表3和表4可知，1月29日至2月2日期間日沼氣入爐量，見圖4。
1月30日至2月2日期間日均入爐沼氣量為9821.67m³（水處理中心厭氧系統未滿負荷運行）。
因此，理論上：日沼氣產量對應的熱量=25.76MJ/m³×9821.67m³=253×106kJ，根據鍋爐效率80.5%，可利用熱量為253×106kJ×80.5%=203.665×106kJ，因鍋爐主蒸汽額定壓力4.0MPa，額定溫度400℃，對應焓值為3212kJ/kg，則日增加產汽量=203.665×106kJ/3212kJ/kg/1000=63.4t。
因沼氣量限制，目前兩臺爐投入沼氣入爐系統運行，按照一二期兩臺爐額定蒸發量2×32.3t/h=64.6t/h計算，日額定蒸發量=64.6t/h×24h=1550.4t。若維持額定蒸發量，日沼氣貢獻產汽量占比=63.4t/1550.4t=4.1%，則日沼氣產量對熱負荷的貢獻為4.1%。
沼氣入爐后，折算成機械負荷（垃圾量）=63.4t/（485kwh/t/200kwh/t）=26.14t，占比=26.14t/800t=3.27%，見圖5。
一二期沼氣入爐系統投運后，日均總產汽量平均上升55.6t。
考慮鍋爐運行周期長以及受熱面積灰結焦等因素，鍋爐效率有一定下降，理論增加產汽量63.4t與實際平均增加產汽量55.6t存在偏離屬于正常現象。
同期對比沼氣入爐技改前后入爐垃圾量，見圖6。
一二期沼氣入爐系統投運后，入爐垃圾量平均下降13.8t。
同期對比沼氣入爐技改前后平均噸垃圾發電量，見圖7。
一二期沼氣入爐系統投運后，日均噸垃圾發電量上升19.264Kwh/t。
同期對比沼氣入爐技改前后平均石灰單耗，見圖8。
一二期沼氣入爐系統投運后，日均石灰單耗上升0.72kg/t。
按日處理垃圾量1200t，則日消耗石灰增加=1200t×0.72kg/t=0.864t。
折算每方沼氣用量消耗石灰量=0.864t/9821.67m³=0.088kg/m³。
4.2效益指標
本次改造材料費施工總費用為208萬元。
按年運行8200小時計算，年增加產汽量為（55.6/24）×8200=18997t；每噸蒸汽發電按215Kwh計算，年增加發電量18997×215=4084283Kwh；電費收入按0.5元/Kwh計算，年增加電費收入為：4084283×0.5=204.21萬元。
年增加石灰投入=0.864/24×8200=295.2t；每噸石灰采購價為570元，年增加石灰投入成本=16.83萬元。
年增加總收入為：204.21-16.83=187.38萬元。
ROI（投資回報率）187.38/208×100%=90.09%。
約13個月即可收回全部改造費用，該技改投資回報率較高。
本次沼氣入爐改造后，日沼氣量對鍋爐熱負荷貢獻4.1%，對鍋爐機械負荷貢獻3.27%，因目前我司入廠垃圾量存在一定缺口，機組長期未達到額定負荷運行，此次沼氣入爐改造一定程度上彌補了部分垃圾量缺口，對機組運行起到了積極作用。
4.3安全指標
正常運行時，兩臺爐投用即可滿足867m³/h的沼氣入爐負荷，完全可以滿足沼氣產生的需要，系統壓力會穩定在2-25kpa之間。當出現厭氧系統故障，造成斷供氣或劇烈波動時，會超出系統承受范圍，可能因系統無來氣，造成爐側壓力低至0.5kpa使單爐MFT保護動作切除一臺入爐系統，確保沼氣系統仍有一臺入爐系統能夠正常使用。當來氣恢復后，若由于入爐系統未能及時投入，而又造成高至30kpa，總MFT保護動作，系統全面跳停時，此時厭氧罐火炬將接收沼氣入爐系統總MFT保護信號，火炬點火器自動點火，避免厭氧系統安全閥動作導致沼氣外排造成安全環境事故。
5結束語
此次新增沼氣入爐系統直接消除了厭氧罐煙囪，此方式利用現有垃圾焚燒余熱鍋爐，熱負荷約增加4.1%，機械負荷約增加3.27%，對現有鍋爐影響不大，具有較強的可行性。且在我司入廠垃圾量存在一定缺口，機組長期未達到額定負荷運行情況下，此次沼氣入爐改造一定程度上彌補了部分垃圾量缺口，對機組運行起到了積極作用。
雖能源利用率略低，但沼氣利用小時數長，設備簡單、投資較低、風險小，運營成本低，對技術要求不高，設備故障率低、維護量小，不需要設備專人運行維護。不僅可以提供清潔能源，還可減輕沼氣燃燒造成的大氣污染，有利于環境保護，回收可利用資源，給企業帶來一定的效益，值得在行業內進行推廣。
參考文獻
[1]NDGJ16原89.火力發電廠熱工自動化設計技術規定[S].
[2]G-RK-95-52.鍋爐爐膛安全監控系統技術規范書[S].
[3]焓熵圖[Z]. |
