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周洪权 （上海环境卫生工程设计院有限公司，上海 200000） 摘 要：生活垃圾焚烧厂渗滤液经厌氧处理后产生的沼气经过一系列预处理工艺处理后，分别通过沼气火炬燃烧、沼气回炉焚烧以及沼气内燃机组发电三种途径进行利用。文章分别介绍了各种利用途径的适用情况，以及在使用过程中可能存在的问题，此外，重点介绍了沼气发电工艺的经济效益和环境效益，认为单独采用沼气发电机组孤岛运行，在一定规模的焚烧厂内应用最合理，且经济效益十分显著。 关键词：生活垃圾；焚烧；沼气发电 1 概述生活垃圾焚烧厂渗沥液采用厌氧工艺处理过程中会产生一定量的沼气，这部分沼气的主要成分主要成分为甲烷（CH4）、二氧化碳（CO2）和少量的硫化氢（H2S）、水（H2O）、氨氮（NH3）、氢气（H2）、氮气（N2）、氧气（O2）和一氧化碳（CO）等。其中沼气约45%、CO2约 40%、N2约 10%、H2S＜ 0.5%； 供 气 压 力 为30000～40000Pa；低位热值约18MJ/m3。 目前已运行的焚烧厂对生活垃圾渗滤液产生的沼气通常采用火炬燃烧、回炉焚烧和沼气发电这三种方式处理。其中，采用火炬燃烧对沼气进行处理，工艺流程简单，运行稳定可靠，但经济性较差，热量无法有效的利用。沼气回炉焚烧，是将沼气作为辅助燃料，理论上可增加焚烧厂的总体发电量。沼气发电利用沼气内燃机组，以沼气为燃料，带动内燃机和发电机发电。该处理方式经济效益较为明显，每立方沼气可发电1.7～1.8kWh，可完全覆盖渗滤液处理厂的设备用电。虽然此方案一次性投资成本较大，但从长远利益考虑是最经济合理的。 2 沼气预处理工艺生活垃圾焚烧厂渗沥液处理过程产生的沼气还含有硫化氢（H2S）、水（H2O）以及颗粒物等杂质，使用前需要对沼气进行预处理。渗沥液厌氧工艺产生的沼气常见的预处理工艺如图1所示，垃圾渗滤液沼气收集后存放于湿式储柜，储柜收集的沼气含硫量达到7000ppm左右。对于沼气量较大、含硫量较高的沼气，推荐采用湿法脱硫的工艺对沼气中的硫化氢进行脱除，出口沼气含硫量仅为200ppm左右。经过脱硫的沼气进入后续的沼气预处理装置，实现增压、过滤、除湿等效果，经过预处理后的沼气才可用于火炬燃烧、回炉焚烧和沼气发电。在沼气产气量过大、或设备检修等情况时可通过应急燃烧火炬，对沼气进行无害化燃烧。  图1 厌氧工艺产生沼气的预处理工艺 3 沼气利用技术3.1 火炬燃烧 考虑到渗沥液厌氧处理产生沼气品质较差和产量不稳定因素，通常也会采用火炬燃烧的处理方式。沼气火炬由燃烧室、引射器喷嘴、支撑结构、点火及火焰监测系统、阻火器、主执行器、冷凝水排放、PLC控制柜等主要部件组成。火炬采用大型全封闭式钢结构，确保沼气能够在室外自然环境下稳定燃烧。该方法的优点是节省投资，设备的维护和操作简单方便，适用于沼气量较小且不稳定的系统，缺点则是沼气的热值得不到利用。 3.2 回炉焚烧 垃圾渗沥液厌氧处理产生的沼气可通过沼气燃烧器送入焚烧炉燃烧，它作为额外的燃料进入焚烧系统，以实现对资源的回收利用。回炉焚烧的沼气一般利用沼气燃烧器回炉焚烧，沼气燃烧器的安装位置通常位于辅助燃烧器附近，如图2所示。沼气通过燃烧器回炉燃烧，在垃圾热值较低时，可作为辅助燃料，提高垃圾焚烧过程的炉膛温度。但实际运行过程中，焚烧炉正常燃烧时并不需要助燃，沼气燃烧带来的额外热量在一定程度上会造成炉内温度过高，导致受热面结焦等一系列问题。另外，沼气回炉将增加锅炉蒸发量，相应增加汽轮机的输出，沼气投入的这部分热量理论上可以增加汽轮发电机组的发电量，但正常运行时焚烧炉基本处于满负荷状态，很难实现发电量增加。如果新建焚烧厂项目，在焚烧炉的设计时考虑沼气燃烧的这部分热量，那么沼气回炉焚烧也是一个较好的利用方式。  图2 沼气回炉燃烧示意图 3.3 沼气发电 对于沼气量能够在一定时期达到一个较稳定的产量时，可利用预处理后的沼气进行发电。沼气发电采用燃气内燃机，适用于沼气产量较小的场所。以沼气为燃料，将燃料与空气注入气缸混合压缩，点火引其燃烧做功，推动活塞运行，通过气缸连杆和曲轴，驱动发电机发电。沼气发电系统还配套了一些辅助系统，如冷却水系统、润滑油补充系统和排气系统等。此外，沼气发电系统还配有应急火炬，当沼气发电设备无法正常运行时，可通过火炬燃烧的方式进行应急处理。 以日处理生活垃圾规模为1000t的焚烧厂为例，渗沥液的产生量达到250t/d，按照沼气每去除1000mgCOD产生0.35标准升甲烷的理论产气量计算，沼气中的甲烷含量一般为60%～70%，计算取中间值65%。渗沥液UASB工艺进水COD含量为45000mg/L，出水COD含量为7000mg/L，每小时沼气平均产气量为250×（45000-7000）×0.35/0.65/1000/24=213Nm3/h。根据国内已实施沼气发电厂的运行经验以及沼气产气量进行设备选型，对于日均沼气量为213Nm3/h的项目，推荐采用单台发电功率为500kW燃气内燃机组。由此选择了两种进口机组的发动机型号，分别是卡特彼勒G3508LE和GE颜巴赫J212GB。 由于沼气产量随着季节变化和外界其他因素影响较大，国产机组的运行效率通常较低，根据国内外机组实际情况，进口机组的运行效率较国产机组高10%左右，燃气内燃机发电机组热效率按50%计算。沼气低位热值约为18MJ/Nm3，每小时发电量为（18×1000×213）/3600×50%=532.5kWh。扣除预估自用电率15%，沼气上网发电量每小时约为453kWh，按年运行8000h计算年上网发电量为362.1万kWh。每年可以增加收入362.1×0.65＝235.4万元，28年特许经营期共计为6590万元。 4 结束语通过对沼气三种利用方式进行比较，认为沼气单独采用沼气发电机组孤岛运行，在一定规模的焚烧厂内应用最合理，且经济效益十分显著。沼气发电可为垃圾焚烧厂提供一部分厂用电，降低焚烧厂的厂区自用电比例，在焚烧炉机组停机或检修的情况下，利用沼气轮机发电为厂区内的生活生产提供电量。同时，沼气也是一种可再生能源，燃烧后CO2排放量是同样发电量火力电厂CO2排放量的40%，几乎不产生SO2、粉尘颗粒物等大气污染物。沼气发电系统孤岛运行，对焚烧厂的整体运行不会造成影响，且无需额外配备运行人员，完全可以利用渗沥液处理系统运行人员，日常运行维护量较小，设备的运行控制可以通过DCS实现远程控制。因此，无论从循环经济的角度，还是沼气发电系统的投资收益比来考虑，认为沼气通过燃气内燃机发电是较大规模焚烧厂渗沥液厌氧工艺产生沼气的最佳利用途径。 参考文献： [1]张璐,李武,桂宏桥,等.垃圾焚烧发电厂渗滤液处理系统中的能源回收[C].中国环境科学学会2013年学术年会论文集.2013:3768-3773. [2]杨晓秋,蒋健翔,万先凯,等.造纸废水厌氧处理产沼气发电研究[J].环境污染与防治,2010(9):46-49. [3]李军,陈竹,王占磊.生活垃圾焚烧厂沼气处理方案的比较分析[J].环境卫生工程,2011,19(4):10-11+14. [4]石凯军.垃圾焚烧发电厂沼气回收利用实践及分析[J].绿色科技,2016,(10):195-198+202. [5]季冉,庞炳颖.垃圾焚烧发电厂中的渗沥液处理工艺概述[J].工程技术研究,2017,(7):202-203. 中图分类号：S216.4 文献标志码：A 文章编号：2096-2789（2017）09-0064-02 *基金项目：上海市国资委技术创新和能级提升项目（2013019）；上海市科技攻关计划（13231201901、15DZ1205901） 作者简介：周洪权（1978-），男，工程师，研究方向：垃圾焚烧处理。 |
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