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时小军，王雪炎，储开建，李波，汪明浩
（光大环保能源（江阴）有限公司，江苏江阴214400）
摘要：光大环保能源（江阴）有限公司（以下简称我司）污水处理系统每天可产生约16000m³沼气，且经化验沼气中甲烷含量：69.35%、二氧化碳：29.76%、硫化氢：10881mg/m³、高位发热量：25.76MJ/m³、低位发热量：23.20MJ/m³，则年产生量约16000/24×8000=5333333m³。折合标煤约25760kJ/m³×5333333m³/29310kJ/kg=4687365kg。为利用垃圾发酵产生的沼气余热，进行沼气入炉系统技术改造。
1研发背景
目前在通过对生活垃圾进行处理，利用焚烧垃圾产生的低位热量发电的同时，垃圾中的污水、污泥等渗滤液进入渗滤液处理系统进行处理，在渗沥液处理过程中产生大量的沼气，根据目前生产运行实际情况以及理论测算，污水处理系统每天可产生约16000m³沼气，且经化验沼气中甲烷含量：69.35%、二氧化碳：29.76%、硫化氢：10881mg/m³、高位发热量：25.76MJ/m³、低位发热量：23.20MJ/m³，则年产生量约16000/24×8000=5333333m³。折合标煤约25760kJ/m³×5333333m³/29310kJ/kg=4687365kg。
由于沼气中的甲烷的温室效应是二氧化碳的21倍，所以根据现有条件，对产生的沼气仅采用原始收集对空点燃处理。如果对沼气进行综合利用，燃烧发电，不仅可以提供清洁能源，还可减轻沼气燃烧造成的大气污染，有利于环境保护，回收可利用资源，给企业带来一定的效益，见表1。
2主机及主要辅机配置情况简介
我司一二期垃圾焚烧系统共配置3台400t/d垃圾焚烧炉排炉，三期垃圾焚烧系统共配置2台500t/d垃圾焚烧炉排炉，为光大环境科技公司自主研发生产的多级炉排垃圾焚烧炉，余热锅炉由无锡华光锅炉厂设计制造。
本次技改主机设备主要技术参数如下：
锅炉制造厂：光大环保科技发展（北京）有限公司余热锅炉为卧式、中温中压、单汽包、自然循环锅炉，位于焚烧炉的上部，见表2。
3实施情况
主要工艺设备技改内容：根据沼气量核算数据表沼气核算峰值为433m³/h，考虑地域特点，设计范围为160-867m³/h，以适应全年不同负荷时的运行工况。考虑总体负荷不高，从经济性与适用性出发，该方案设计为入一二期三台炉掺烧，分别为3×400炉型，在燃烧稳定的情况下，可以随意配置掺烧锅炉的数量。燃烧器设置三套，#1#2#3炉各一套，均从一通道炉排四区侧墙通过预埋套管安装到炉墙侧面，沼气助燃风机设置三套，每台炉匹配一套助燃风机。考虑锅炉系统分属于两套DCS系统的特点，控制部分设计两套PLC，渗滤液处理系统一套，负责输送沼气；3×400系统一套，负责各自入炉掺烧。
沼气收集系统图如图1。
沼气入炉系统图如图2。
沼气入炉运行画面如图3。
4经济指标
4.1技术指标
技改后，正常运行方式为厌氧罐沼气通过罗茨风机输送至锅炉进行燃烧，沼气利用率达100%，当系统故障全面跳停时，此时厌氧罐火炬将接收沼气入炉系统总MFT保护信号，火炬点火器自动点火，恢复火炬运行。
沼气入炉投运前后数据统计。
由表3和表4可知，1月29日至2月2日期间日沼气入炉量，见图4。
1月30日至2月2日期间日均入炉沼气量为9821.67m³（水处理中心厌氧系统未满负荷运行）。
因此，理论上：日沼气产量对应的热量=25.76MJ/m³×9821.67m³=253×106kJ，根据锅炉效率80.5%，可利用热量为253×106kJ×80.5%=203.665×106kJ，因锅炉主蒸汽额定压力4.0MPa，额定温度400℃，对应焓值为3212kJ/kg，则日增加产汽量=203.665×106kJ/3212kJ/kg/1000=63.4t。
因沼气量限制，目前两台炉投入沼气入炉系统运行，按照一二期两台炉额定蒸发量2×32.3t/h=64.6t/h计算，日额定蒸发量=64.6t/h×24h=1550.4t。若维持额定蒸发量，日沼气贡献产汽量占比=63.4t/1550.4t=4.1%，则日沼气产量对热负荷的贡献为4.1%。
沼气入炉后，折算成机械负荷（垃圾量）=63.4t/（485kwh/t/200kwh/t）=26.14t，占比=26.14t/800t=3.27%，见图5。
一二期沼气入炉系统投运后，日均总产汽量平均上升55.6t。
考虑锅炉运行周期长以及受热面积灰结焦等因素，锅炉效率有一定下降，理论增加产汽量63.4t与实际平均增加产汽量55.6t存在偏离属于正常现象。
同期对比沼气入炉技改前后入炉垃圾量，见图6。
一二期沼气入炉系统投运后，入炉垃圾量平均下降13.8t。
同期对比沼气入炉技改前后平均吨垃圾发电量，见图7。
一二期沼气入炉系统投运后，日均吨垃圾发电量上升19.264Kwh/t。
同期对比沼气入炉技改前后平均石灰单耗，见图8。
一二期沼气入炉系统投运后，日均石灰单耗上升0.72kg/t。
按日处理垃圾量1200t，则日消耗石灰增加=1200t×0.72kg/t=0.864t。
折算每方沼气用量消耗石灰量=0.864t/9821.67m³=0.088kg/m³。
4.2效益指标
本次改造材料费施工总费用为208万元。
按年运行8200小时计算，年增加产汽量为（55.6/24）×8200=18997t；每吨蒸汽发电按215Kwh计算，年增加发电量18997×215=4084283Kwh；电费收入按0.5元/Kwh计算，年增加电费收入为：4084283×0.5=204.21万元。
年增加石灰投入=0.864/24×8200=295.2t；每吨石灰采购价为570元，年增加石灰投入成本=16.83万元。
年增加总收入为：204.21-16.83=187.38万元。
ROI（投资回报率）187.38/208×100%=90.09%。
约13个月即可收回全部改造费用，该技改投资回报率较高。
本次沼气入炉改造后，日沼气量对锅炉热负荷贡献4.1%，对锅炉机械负荷贡献3.27%，因目前我司入厂垃圾量存在一定缺口，机组长期未达到额定负荷运行，此次沼气入炉改造一定程度上弥补了部分垃圾量缺口，对机组运行起到了积极作用。
4.3安全指标
正常运行时，两台炉投用即可满足867m³/h的沼气入炉负荷，完全可以满足沼气产生的需要，系统压力会稳定在2-25kpa之间。当出现厌氧系统故障，造成断供气或剧烈波动时，会超出系统承受范围，可能因系统无来气，造成炉侧压力低至0.5kpa使单炉MFT保护动作切除一台入炉系统，确保沼气系统仍有一台入炉系统能够正常使用。当来气恢复后，若由于入炉系统未能及时投入，而又造成高至30kpa，总MFT保护动作，系统全面跳停时，此时厌氧罐火炬将接收沼气入炉系统总MFT保护信号，火炬点火器自动点火，避免厌氧系统安全阀动作导致沼气外排造成安全环境事故。
5结束语
此次新增沼气入炉系统直接消除了厌氧罐烟囱，此方式利用现有垃圾焚烧余热锅炉，热负荷约增加4.1%，机械负荷约增加3.27%，对现有锅炉影响不大，具有较强的可行性。且在我司入厂垃圾量存在一定缺口，机组长期未达到额定负荷运行情况下，此次沼气入炉改造一定程度上弥补了部分垃圾量缺口，对机组运行起到了积极作用。
虽能源利用率略低，但沼气利用小时数长，设备简单、投资较低、风险小，运营成本低，对技术要求不高，设备故障率低、维护量小，不需要设备专人运行维护。不仅可以提供清洁能源，还可减轻沼气燃烧造成的大气污染，有利于环境保护，回收可利用资源，给企业带来一定的效益，值得在行业内进行推广。
参考文献
[1]NDGJ16原89.火力发电厂热工自动化设计技术规定[S].
[2]G-RK-95-52.锅炉炉膛安全监控系统技术规范书[S].
[3]焓熵图[Z]. |
