垃圾衍生燃料气化与大型燃煤机组环保高效耦合发电系统的制作方法

本实用新型涉及垃圾衍生燃料气化与大型燃煤机组环保高效耦合发电系统，属于城市生活垃圾等固废环保及资源综合利用领域。

背景技术：

目前，传统垃圾焚烧电厂的环保排放存在较大问题，一方面原生垃圾含水率高且含有不可燃惰性组分，导致其热值较低，一般在1000-1200kcal/kg，燃料燃烧特性不佳，无法时刻维持“3t e”的燃烧条件(3t：850℃以上燃烧温度、2s以上停留时间、充分混合燃烧，e：过量的燃烧空气)，不利于二噁英的抑制和分解；另一方面垃圾中的氯元素、重金属等有害元素入炉，在高温焚烧后会造成垃圾焚烧锅炉的腐蚀，直接影响锅炉的燃烧稳定及环保达标控制，且较高含量的氯元素增加了二噁英生成的几率。

而为保证烟气中的二噁英及重金属排放达标，传统垃圾焚烧电厂必须使用大量的活性炭对烟气中的二噁英和重金属进行强制脱除，这种环保处置方式不仅成本高，且由于烟气中二噁英吸附在活性炭中而未能完全分解，仍存在二噁英释放进入大气环境的安全隐患，同时，使用后的活性炭属于危废，需要进行专门处置，又增加电厂的环保处置成本及风险。另外，垃圾焚烧飞灰中含有二噁英，且其富集的重金属浸出会造成二次环境污染，传统垃圾电厂需要对飞灰进行固化后外运填埋或送至水泥窑协同处置。同时，按照6％氧量折算，现有垃圾电厂烟气污染排放标准中，颗粒物、二氧化硫和氮氧化物排放限值分别30mg/m³、120mg/m³和375mg/m³，而大型超低排放燃煤机组的相应排放标准分别为5mg/m³、35mg/m³和50mg/m³，两者控制限值及排放指标差距较大。

大型煤粉锅炉由于煤粉热值高，燃烧特性好，火焰中心区温度高达1400℃以上，炉膛出口温度基本也在1100℃以上，完全满足“3t e”的燃烧条件，可实现二噁英在煤粉锅炉内的完全抑制和彻底分解。同时，大型燃煤机组自身已配有完备的环保设施并时刻接受环保部门的在线监测，可保证垃圾燃煤耦合发电过程中产生的颗粒物、二氧化硫、氮氧化物等烟气污染物达到超低排放要求，相较于垃圾焚烧机组，采用超低排放的大型燃煤机组在烟气污染物排放标准上，含氧量按6％折算，颗粒物、二氧化硫和氮氧化物分别降低了83％、71％和87％，分别达到5mg/m³、35mg/m³和50mg/m³，大大低于《生活垃圾焚烧污染控制标准》(gb18485-2014)的排放限值要求。

大型燃煤电厂的发电效率高达40％以上，同样远远优于传统垃圾焚烧电厂平均发电效率(约22％)，而随着近几年可再生能源的大力发展，燃煤机组运行负荷率普遍在70％以下，30％以上的冗余负荷也保证了垃圾耦合处置的机组条件。

尽管大型煤粉锅炉拥有垃圾环保处置方面巨大的技术、环保和设备优势，为垃圾耦合燃煤处置提供了可行性方向。但是，大型煤粉锅炉燃料的入炉尺寸基本要求在200μm以下，而未经充分脱水及细选的垃圾无法进行彻底的粉碎，国内外现有的垃圾机械破碎技术尚无法达到垃圾直接输入大型煤粉炉的要求。因此，必须采用气化技术将垃圾转化为可燃气后，才能达到大型煤粉锅炉的入炉耦合焚烧条件，而原生垃圾直接高温气化不仅效率低且会导致气化炉运行不稳定，需要将其制备成具有较低水分和较高热值的特性稳定的垃圾衍生燃料才能实现高效稳定的气化。

国内目前关于垃圾气化耦合燃煤发电的专利较少，其中，申请公布号为cn107384484a的实用新型专利公开了一种垃圾气化耦合燃煤电站发电装置及发电工艺，利用包括垃圾初步处理单元、垃圾热解气化单元、垃圾飞灰熔融单元、燃煤电站发电单元的发电装置，将循环流化床气化炉热解气化垃圾产生的高温燃气送入燃煤锅炉燃烧耦合发电，垃圾飞灰在熔融室中熔融，可用作建筑材料或直接掩埋，占地面积小，无重金属浸出，激冷后用作建材或直接填埋。但是，该实用新型专利提出的常规分拣、挤压脱水造粒及烘干工艺尽管能够一定程度降低垃圾水分并提高垃圾热值，但并没有对有害元素做到很好地控制，易对燃煤机组造成安全稳定运行及环保排放等方面的影响。同时，气化飞灰需要气固分离装置捕集后再进行熔融处置，不仅增加了设备投入，且直接利用热值较低的垃圾气化可燃气与来自锅炉空预器的高温空气混合燃烧无法稳定提供更高的熔融温度条件，无法保证全时段二噁英的连续稳定分解及重金属固化。最后，来自气化炉的燃气和来自熔融室的高温烟气送入燃煤锅炉，烟气中掺入了较多的过量空气，会较大影响锅炉运行效率。

技术实现要素：

本实用新型的目的是克服现有技术中的不足，提供一种垃圾焚烧主要污染物超低排放、二噁英近零排放、飞灰资源化处置、发电效率高且运行稳定可靠的垃圾衍生燃料气化与大型燃煤机组环保高效耦合发电系统。

这种垃圾衍生燃料气化与大型燃煤机组环保高效耦合发电系统，包括垃圾衍生燃料生产模块、垃圾衍生燃料气化模块和气化耦合燃煤发电模块；

垃圾衍生燃料生产模块包括预处理车间、干化车间、分选车间和成型车间，预处理车间、干化车间、分选车间和成型车间依次相连；

垃圾衍生燃料气化模块包括给料仓、气化炉、燃气冷却器、气化剂加热器、气化剂鼓风机和燃气引风机；成型车间出口与给料仓进口连接，气化炉的进料口与给料仓的出料口相连接，气化炉的风室进口与气化剂加热器的出口连接，并且气化剂加热器的进口与气化剂鼓风机的出口连接，气化炉的可燃气出口与燃气冷却器的燃气进口相连接，燃气冷却器的燃气出口通过燃气引风机及管道进入气化耦合燃煤发电模块；

气化耦合燃煤发电模块包括燃烧器、大型煤粉锅炉、超低排放系统环保岛和烟囱；垃圾衍生燃料气化模块的燃气引风机出口连接至大型煤粉锅炉进口端的燃烧器，大型煤粉锅炉出口依次连接至超低排放系统环保岛和烟囱。

作为优选：垃圾衍生燃料生产模块具有模块化设计特点，生产规模主要取决于所在地区的垃圾处置需求量，既可集中处置，又可多点分散式布置后统一运输处置。

作为优选：所述垃圾衍生燃料气化模块，一般为保证垃圾处置的连续性及稳定性，一套垃圾衍生燃料气化模块通常对应两套气化耦合燃煤发电模块，且两套气化耦合燃煤发电模块正常运行时原则上为一运一备。

作为优选：燃气冷却器的冷却介质出口通过管路与气化剂加热器的冷却介质进口相连，气化剂加热器的冷却介质出口通过管路与燃气冷却器的冷却介质进口相连，形成燃气冷却器与气化剂加热器之间的循环管路。

作为优选：气化炉主要为固定床气化炉或流化床气化炉，主要通过高温气化工艺将垃圾衍生燃料转化为可燃气、气化飞灰和气化炉渣，且其还原性环境可最大程度抑制二噁英生成。

作为优选：燃烧器为燃气燃烧器，并根据飞灰熔融固化温度要求选择合理的锅炉安装位置及安装数量。

作为优选：燃气引风机为防爆型风机，最高可承受500℃介质温度。

作为优选：所述大型煤粉锅炉为亚临界及以上参数大型煤粉锅炉，利用良好的“3t e”燃烧条件，拥有1200-1400℃的高温环境，可实现二噁英的有效抑制和彻底分解，实现二噁英近零排放。同时，可实现垃圾气化飞灰的充分高温煅烧，有利于飞灰中二噁英等有机物彻底分解和重金属的固化稳定。

本实用新型的有益效果是：

本实用新型引入垃圾衍生燃料生产模块和垃圾衍生燃料气化模块，成功实现了垃圾与大型煤粉锅炉的资源化、减量化和无害化耦合焚烧处置。首先，利用垃圾衍生燃料生产模块可实现垃圾中氯、重金属等有害元素的入炉控制，在气化焚烧前就可实现垃圾的源头优化提质；其次，气化过程的还原性气氛和大型煤粉锅炉良好的“3t e”条件也可以有效实现二噁英的近零排放；最后，依托大型燃煤机组的超低排放环保设施，具有良好的环保技术优势，可实现垃圾焚烧烟气主要污染物的超低排放。

附图说明

图1为垃圾衍生燃料气化与大型燃煤机组环保高效耦合发电系统的流程示意图。

附图标记说明：1.预处理车间；2.干化车间；3.分选车间；4.成型车间；5.给料仓；6.气化炉；7.燃气冷却器；8.气化剂加热器；9.气化剂鼓风机；10.燃气引风机；11.燃烧器；12.大型煤粉锅炉；13.超低排放系统环保岛；14.烟囱。

具体实施方式

下面结合实施例对本实用新型做进一步描述。下述实施例的说明只是用于帮助理解本实用新型。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以对本实用新型进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本实用新型权利要求的保护范围内。

实施例1

在本实施例中，结合附图，对本专利的结构进行详细描述。

如图1所示，本实施例1提供一种垃圾衍生燃料气化与大型燃煤机组环保高效耦合发电系统，构建一种集烟气超低排放、二噁英近零排放、飞灰无害化、减量化及资源化处置以及垃圾高效焚烧发电为一体的垃圾气化飞灰耦合燃煤焚烧发电技术，包括垃圾衍生燃料生产模块、垃圾衍生燃料气化模块、气化耦合燃煤发电模块。

垃圾衍生燃料生产模块，包括预处理车间1、干化车间2、分选车间3、成型车间4，预处理车间1、干化车间2、分选车间3和成型车间4依次相连。原生垃圾经预处理车间1预处理后，进入干化车间2进行快速除水干燥，之后送入分选车间3进行不可燃及金属物料有效分离，最后送入成型车间4制造出优质的垃圾衍生燃料。

垃圾衍生燃料气化模块，包括给料仓5、气化炉6、燃气冷却器7、气化剂加热器8、气化剂鼓风机9、燃气引风机10；气化炉6的进料口与给料仓5的出料口相连接，气化炉6的风室进口与气化剂加热器8的出口连接，并且气化剂加热器8的进口与气化剂鼓风机9的出口连接，气化炉6的可燃气出口与燃气冷却器7的燃气进口相连接，燃气冷却器7的燃气出口通过燃气引风机10及管道进入气化耦合燃煤发电模块。垃圾衍生燃料生产模块制备的垃圾衍生燃料由给料仓5送入气化炉6中经高温气化后生成可燃气、气化飞灰和气化炉渣，可燃气与气化飞灰的混合高温气体经燃气冷却器7、燃气引风机10和燃烧器11送入气化耦合燃煤发电模块，气化炉渣则直接作为一般固废进行资源利用，可直接用作建材原料或辅料。

气化耦合燃煤发电模块，包括燃烧器11、大型煤粉锅炉12、超低排放系统环保岛13、烟囱14，垃圾衍生燃料气化模块的燃气引风机10出口连接至大型煤粉锅炉12进口端的燃烧器11，大型煤粉锅炉12出口依次连接至超低排放系统环保岛13和烟囱14。垃圾衍生燃料气化模块产生的可燃气及气化飞灰混合高温气体通过燃烧器11送入大型煤粉锅炉12与煤粉进行耦合焚烧，可燃气耦合燃烧产生的烟气，随燃煤焚烧烟气进入超低排放系统环保岛13一并进行高效环保处置。气化飞灰在大型煤粉锅炉12中高温煅烧后，一部分随煤渣从锅炉底部排出，另一部分随锅炉烟气进入超低排放系统环保岛13逐步被捕集到粉煤灰中进行资源化利用。

所述垃圾衍生燃料生产模块的处置规模一般为200-2000吨/日原生垃圾，当所在地区垃圾资源较少时，可在相邻县域建设多个垃圾衍生燃煤生产模块，如可允许邻近大型燃煤机组建设，则可充分利用大型燃煤机组的冷、热源进一步优化垃圾衍生燃料生产模块的制作工艺，也能进一步降低生产成本；如不允许邻近大型燃煤机组建设，则一般布置在当地垃圾填埋场周边，合理利用就近垃圾填埋场的渗滤液处理系统一并处置垃圾衍生燃料生产过程中产生的渗滤液及干化冷凝液。

所述干化车间2利用生物干化、强制通风等方式实现垃圾的经济高效干化处置，同时干化车间还设有除臭装置和干化冷凝装置；在成型车间4在加工成型前通常会加入固氯剂等添加剂，且固氯剂一般为生石灰等含钙化合物，综合考虑垃圾衍生燃料生产模块的建设投资、运营成本及垃圾衍生燃料气化模块的入炉标准及要求，考虑到气化炉尤其是循环流化床对于燃料适应性强，成型车间无需对干化后垃圾进行成型处理，仅需添加粉煤灰作为固氯剂对氯元素和硫元素进行源头控制，添加二氧化硅或氧化铝等有效降低垃圾灰熔点，气化过程重金属充分熔融固化稳定。

所述垃圾衍生燃料气化模块，一般为保证垃圾处置的连续性及稳定性，一套垃圾衍生燃料气化模块通常对应两套气化耦合燃煤发电模块，规模一般按照垃圾气化可燃气热值掺烧比不超过10％进行设计，且两套气化耦合燃煤发电模块正常运行时为一运一备，互为备用。

所述气化炉6为循环流化床气化炉，保持负压运行。所述燃气冷却器7为气化可燃气走管外，循环介质走管内的管壳式换热器。所述气化剂加热器8为气化剂走管外，循环介质走管内的管壳式换热器。所述气化剂鼓风机9的进口为气化剂，气化剂为空气，并通过气化剂加热器8进行预热后送入气化炉，气化剂鼓风机采用变频电机，在气化炉运行负荷波动时，进行变工况调节，并降低变工况时的能耗。所述燃气引风机10为防爆型轴流风机，最高可承受温度在500℃。

所述燃烧器11为旋流燃气燃烧器，其出口设置挡板可适当调节喷入角度，可在锅炉运行负荷变化时，一定范围内调节气化飞灰随气化燃气喷入炉膛的角度。采用亚临界、超临界或超超临界参数大型煤粉锅炉，利用良好的“3t e”燃烧条件(全负荷1200℃以上炉膛出口温度)，可实现二噁英的有效抑制和彻底分解，实现二噁英近零排放。同时，大型煤粉锅炉最高燃烧温度可达1400℃以上，可实现垃圾气化飞灰中二噁英等有机物的彻底分解，并有利于飞灰中重金属的固化稳定。

所述超低排放系统环保岛13可实现将垃圾气化耦合焚烧烟气环保处置后颗粒物、二氧化硫和氮氧化物等主要污染物实现燃煤机组超低排放标准，达到5mg/m³、35mg/m³和50mg/m³，满足《火电厂大气污染排放标准gb13223-2011》表2“以气体为燃料的燃气轮机组的大气污染物特别排放限值”。

实施例2

在本实施例中，结合附图，对本专利的具体实施方式进行详细描述。

本技术方案通常应用于垃圾衍生燃料气化与燃煤机组耦合发电工艺。该技术方案实施前，需要了解所需垃圾的典型组分、水分、热值、灰成分及灰熔点，垃圾衍生燃料的氟含量、氯含量、重金属含量、热值和水分等入炉指标，气化燃气的组分、产气率、热值、最大耦合热值掺烧比等参数，需耦合的大型煤粉锅炉的煤燃料特性、煤粉燃烧器布置情况、炉膛燃烧温度区间及年运行负荷率等资料和参数，根据了解的资料及参数信息，确定合适的垃圾衍生燃料生产工艺环节、合适的气化炉、燃气引风机、燃气冷却器及燃烧器；并确定燃烧器的数量及最佳安装位置、小时最大可处理垃圾量、小时最大可耦合气化可燃气流量及携带喷入的气化飞灰量。

如图1所示，本实用新型提供的垃圾衍生燃料气化与大型燃煤机组环保高效耦合发电系统，原生垃圾进入垃圾衍生燃料生产模块，按照确定的入炉指标标准，经预处理、分选、干化及成型等工艺环节，生产适合气化的统一垃圾衍生燃料；垃圾衍生燃料进入气化炉6进行高温气化之后分为两路，一路高温气化可燃气携带气化生成的飞灰通过燃气冷却器7、燃气引风机10和燃烧器11进入大型煤粉锅炉12进行耦合焚烧，另一路气化炉渣则通过气化炉本体排渣装置排出作为一般固废直接进行资源化利用。燃气冷却器7可将气化可燃气与气化飞灰的混合高温气体降低至400-500℃，同时保证气化可燃气中的焦油等物质不析出，避免对燃气冷却器7、燃气引风机10和燃气输送管道等造成堵塞腐蚀等影响。

大型煤粉锅炉12的燃烧器区域温度普遍在1200-1400℃，为保证燃烧器11布置既不影响大型煤粉锅炉正常运行及气化可燃气的充分燃烧，又能达到对气化飞灰较好地高温煅烧及熔融固化，燃烧器11布置在炉膛合适位置，并设置出口挡板。

气化燃气焚烧烟气随煤粉燃烧烟气一并进入大型煤粉锅炉12尾部布置的超低排放系统环保岛13等达到超低排放要求后，进入烟囱14达标排向大气。

以下结合应用实例对该系统的具体应用加以说明：

以原生垃圾处置规模为500t/d的垃圾衍生燃料气化与大型燃煤机组环保高效耦合发电系统为例。垃圾衍生燃料入炉热值在2000-2200kcal/kg，含水率在35％以下，入炉尺寸在152mm以下，灰分含量约25％，灰熔点约1180℃，气化燃气流量约23400nm³/h，气化燃气热值约977kcal/nm³，气化炉气化温度维持在650-750℃，可燃气耦合热值掺烧比约4％。耦合的大型煤粉锅炉为亚临界压力、单炉膛、一次再热、自然循环单汽包、前后墙对冲燃烧型煤粉锅炉，平均运行负荷率在65％左右，经计算分析及数值模拟，燃烧器适合布置在燃尽风下层燃烧器下方，通过该种布置，将温度为450-480℃的气化可燃气喷入处于燃烧稳定状态的大型煤粉锅炉。

通过垃圾气化耦合燃煤发电，垃圾处置烟气中的颗粒物、二氧化硫和氮氧化物等主要污染物实现燃煤机组超低排放标准，分别控制在5mg/m³、35mg/m³和50mg/m³限值内；二噁英烟气排放浓度约0.005ngteq/m³以下，远低于《生活垃圾焚烧污染控制标准》(gb18485)规定限值(0.1ngteq/m³)。

耦合燃烧充分的同时，不同负荷下燃烧器层平均烟温均能达到1280℃以上，保障了气化飞灰熔融固化的温度条件，可使飞灰中的二噁英降低至0.02ngteq/m³以下。

本实用新型将大型煤粉锅炉作为飞灰高温熔融固化装置，气化飞灰可随气化可燃气一并通入大型煤粉锅炉，无需通过气化飞灰除尘装置额外捕集飞灰后再进行二次高温熔融固化，除了能直接节省除灰装置的投入，利用煤粉锅炉全负荷时段连续稳定的1200-1400℃的高温环境，还可连续可靠实现飞灰中的二噁英及有机物完全分解，并有利于重金属的固化稳定。

本实用新型的原生垃圾经过资源化气化并与燃煤机组耦合焚烧，借助大型燃煤机组中大型煤粉锅炉的较高锅炉运行效率及汽轮发电机组的较强发电效率，可将吨垃圾发电能力提高50％以上，达到最佳的垃圾资源化能源利用效率。