生活垃圾电厂节能技术的研究.docx
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生活垃圾电厂节能技术的研究
毕业设计（论文）
题目生活垃圾电厂系统节能技术的研究
系别
动力工程系
专业班级
热能与动力工程专业08K2班
学生姓名
李怀贤
指导教师
尹水娥
二○一二年六月
生活垃圾电厂系统节能技术的研究
摘要
随着城市建设和经济发展，城市生活垃圾产量增长迅速，焚烧法是最有效的方法。
焚烧垃圾发电是实现垃圾处置“无害化、减量化、资源化”的重要手段。
然而垃圾发电热效率的利用率仅为火力发电效率的一半。
这对于垃圾电厂系统节能研究来说意义非常重大。
本文在详细了解和分析城市生活垃圾电厂构成和运行原理基础上，对垃圾发电厂系统的各个子系统进行了节能潜力分析和研究。
主要分析子系统包括：
垃圾焚烧炉工艺；余热领用工艺；烟气净化工艺等。
结果表明：
焚烧炉的节能；锅炉排烟、排污水余热的利用；采用循环流化床锅炉焚烧；采用热循环利用；泵与风机的节能；锅炉除尘设备系统的节能；给水流量调节的节能等，而其中泵与风机的节能潜力巨大。
本文通过选取一台12NL-125型全容量立式凝结水泵进行节能计算，得出使用变频技术一年可节约38.203吨标准煤。
验证了对泵的变频调节方案是可行的。
关键词:
节能；垃圾发电厂；变频调速
THESTUDYOFENERGY-SAVINGTECHNOLOGYINMSWPOWERPLANTSYSTEMS
Abstract
Withtheurbanconstructionandeconomicdevelopment，therapidgrowthofmunicipalsolidwasteproduction，incinerationisthemosteffectivemethod．Theincinerationofwastegenerationisanimportantmeansofgarbagedisposal"harmless，minimization，resource"．However，theutilizationofwastepowergenerationthermalefficiencyisonlyhalfofthethermalefficiency．ThisisofgreatsignificancefortheMSWpowerplantsystems，energy-savingresearch．
Onthebasisofdetailedunderstandingandanalysisofmunicipalsolidwastepowerplants,thecompositionandoperationprincipleof,MSWpowerplantsystem,subsystemanalysisandresearchofenergysavingpotential.Themainanalysissubsystem,including:
wasteincineratortechnologyrecipients;wasteheatprocess;fluegaspurificationprocess.Theresultsshowedthat:
energyconservation;incineratorboilerexhaustgas,sewagewaterwasteheatutilization;circulatingfluidizedbedboilerburning;bythermalrecycling;energy-savingpumpandfan;energy-savingboilerdustremovalequipment;energy-savingwaterflowregulationpumpandfanenergysavingpotentialisenormous.
Thisarticlebyselectingafullcapacityof12NL-125VerticalCondensatePumpforenergycalculation,andobtainedtheuseofinvertertechnologycansave38.203tonsofcoalayear.Verifythatthepumpinvertercontrolschemeisfeasible.
KeyWords:
Energy-saving;MSWPowerPlant;FrequencyControl
目录
摘要I
AbstractII
1绪论1
1.1课题背景及研究意义1
1.2生活垃圾物简介1
1.3垃圾焚烧发电的意义及概况1
1.3.1垃圾焚烧发电的意义1
1.3.2垃圾焚烧处理概况2
1.4垃圾焚烧发电应用现状3
1.4.1国外发展现状3
1.4.2国内发展现状3
1.5论文研究内容4
2生活垃圾热处理体系基本原理5
2.1垃圾燃烧系统可行性分析5
2.2垃圾焚烧系统的基本原理5
2.3影响焚烧过程的因素6
2.4生活垃圾热处理工艺流程及设备6
2.4.1垃圾焚烧炉工艺7
2.4.2余热利用工艺8
2.4.3烟气净化工艺10
3垃圾发电系统节能分析14
3.1主要设备的节能14
3.1.1焚烧炉节能利用14
3.1.2锅炉排烟、排污水余热的利用15
3.1.3采用循环流化床锅炉垃圾焚烧技术15
3.1.4合理选择抽气机组15
3.2辅机设备的节能16
3.2.1泵与风机节能技术16
3.2.2锅炉除尘设备及系统节能16
3.2.3给水流量调节17
4泵的变频调节技术节能计算分析18
4.1泵的变频调节技术节能分析18
4.1.1泵的调节方式18
4.2.2两种方式的经济性分析18
4.2变频调节技术实例19
结论25
参考文献26
致谢28
1绪论
1.1课题背景及研究意义
全世界每年产生4.9亿吨垃圾，仅中国每年就产生近1.5亿吨城市垃圾。
目前中国城市生活垃圾累积堆存量已达70亿吨。
根据国家环保总局预测，2010年我国城市垃圾年产量将为1.52亿吨，2015年和2020年将达到2.1亿吨。
根据我国现行政策，城市生活垃圾焚烧发电技术将以机械炉排炉为主导，辅以煤—垃圾混烧流化床垃圾焚烧技术和其他技术[1]。
按照日处理1800吨二段往复式垃圾焚烧设备计算，年发电量可达1.6亿千瓦时，可节约标准煤4.8万吨，年减少氮氧化合物排放480吨、二氧化硫排放768吨[1]。
据了解，我国年产城市生活垃圾约1.5亿吨，其中填埋占70％，焚烧和堆肥等占10％，剩余20％难以回收。
其中垃圾发电率还不到10％，相当于每年白白浪费2800兆瓦的电力，被丢弃的“可再生垃圾”价值高达250亿元[2]。
而且垃圾电厂的全厂发电效率约为20%，为了降低垃圾处理成本，提高电厂的经济效益，有必要对系统进行节能技术的研究。
1.2生活垃圾物简介
生活垃圾是指人们在日常生活中或为日常生活提供服务的活动中产生的固体废物，以及法律、行政法规规定视为城市生活垃圾的固体废物[3]。
长期以来，在自然环境中的囤积数量已达到较高的程度，并对环境能够造成多方面的污染[4]。
主要表现在：
1）对大气的污染：
固体废物在堆放过程中，在温度、水分的作用下，某些有机物质发生分解，产生有害气体；一些腐败的垃圾废物散发腥臭味，造成对大气的污染。
以微粒状态存在的固体废物在风的吹动下，随风飘扬，扩散到大气中。
如粉煤灰的颗粒小，遇到风就会灰尘满天，使空气污浊，影响人体健康，玷污建筑物、花果树木，危害市容卫生。
2）对土壤的污染：
固体废物的存放不仅占用大量的土地，而且常常是群蝇乱舞，灰尘飞扬。
大量有毒废物，在风化作用下，到处流失，其渗出液所含的有毒物质会改变土质和土壤结构，使土壤遭到污染。
一些病菌通过这些植物传染给人，危害人的健康。
3）对水域的污染：
固体废物在雨水的作用下，可以很容易地流入江河湖海或通过土壤而渗到地下水中，造成严重污染与破坏。
更恶劣的是直接把固体废物倾倒入河流、湖泊、海洋，造成更严重的污染，引起大批水生生物中毒死亡。
1.3垃圾焚烧发电的意义及概况
1.3.1垃圾焚烧发电的意义
随着国民经济的发展和人民生活水平的提高，城市生活垃圾量大幅增加。
当前，我国垃圾累计堆存量已达60多亿吨，侵占土地面积超过5万公顷，有200多个城市陷入垃圾包围之中。
如果按照城市每个居民日均产生0.8至1.2公斤垃圾计算，我国城市垃圾年产生量约为1.5亿吨，而且以每8%～10%的比率在增加[5]。
我国大部分城市垃圾处理的主要方式是填埋和高温堆肥。
填埋处理方式存在三大缺点：
1）垃圾对土壤、地表水、地下水和大气造成长期严重污染；
2）侵占大量的土地资源，成本高，一些城市的垃圾卫生填埋处置费已明显高于垃圾焚烧的处置费；
3）垃圾堆放场所不仅是病菌滋生地，而且产生的沼气易发生爆炸，严重威胁居民的人身安全，也影响了城市形象。
高温堆肥是将城市生活垃圾收集成堆、保温储存、发酵，在人工控制条件下，利用微生物的生化作用，将垃圾中的有机物降解转化为稳定的腐殖质的生物化学过程称为垃圾的堆肥处理。
虽然堆肥处理技术简单、可靠，易于因地制宜,产品方案灵活。
但是却对垃圾的选择性差，生产成本高，工艺技术不成熟，生产规模小，堆出的肥效无法与化肥相比，但价格却往往高出化肥。
相比之下，垃圾焚烧处理是较好的资源回收利用方式，它具有以下优点：
1）厂房占地少，有利于节约土地资源；
2）设备运行全天候全封闭，文明程度高；
3）垃圾处理彻底，二次污染危害小；
4）垃圾焚烧的余热可产生蒸汽用于发电、供热，节约能源；
5）焚烧炉的适用范围很广，能处理多种垃圾，且大多数焚烧技术不需对垃圾进行预处理；
6）垃圾的减容减量化程度高，可减容90%，减重80%。
另外，资源回收利用效益相当可观，按发热值比较，我国每年产生的1.5亿吨城市垃圾，约相当于3000万吨标准煤，约为目前全国标煤年产量的2%。
由此看来，一座城市的垃圾，就像一座低品位的“露天煤矿”，可以进行无限期的开发，而垃圾焚烧发电是开发使用最经济、最有效的办法。
综上所述，垃圾焚烧发电最贴近垃圾处置的无害化、减量化、资源化三原则，在国际上已成为保护资源且拉动环保产业的重要项目[6]。
发达国家垃圾焚烧发电占垃圾无害化处理的比例已普遍超过80%，垃圾发电已是成熟的产业并进入了产业化、市场化的成熟期。
在我国垃圾发电技术才刚刚兴起，城市生活垃圾焚烧供热发电，作为资源综合利用节能技术项目，是环保产业的重要部分，也是一项公益性事业。
1.3.2垃圾焚烧处理概况
垃圾焚烧处理方法是早在1901年由美国人提出的。
当初，主要任务是使垃圾减容，由于当时垃圾燃烧的烟尘无法控制，一直未能得到广泛利用[7]。
到60年代，随着烟气处理技术的进步，这种焚烧处理垃圾方法在欧洲得到了普及和发展。
近十几年来，国内研究垃圾焚烧技术和开发垃圾发电设备的单位已有很多。
有的引进国外先进技术，有的自行开发，都处于起始阶段。
在国外发达国家，垃圾焚烧发电供热是一种广泛采用的城市垃圾处理方式[8]。
特别是针对垃圾的二次污染物进行了防治，同时提高锅炉效率和发电效率。
近年来我国也研制出了一些适合国情的垃圾处理技术及设施，如北京华星京联科技发展有限公司等联合研制的“新型回转炉排炉垃圾焚烧技术”这种新型垃圾焚烧装置技术构思新颖，投资少，运行费用低，属国内首例。
这标志着我国城市生活垃圾处理技术取得了重大突破。
1.4垃圾焚烧发电应用现状
1.4.1国外发展现状
垃圾焚烧技术在西方发达国家已有很长的发展历史，德国是世界上最早进行垃圾焚烧技术研究开发的国家[9]。
1965年垃圾焚烧炉只有7台，年处理垃圾71.8万，可供总人口14%的居民用电。
至1985年，焚烧炉已增至46台，年处理垃圾800万t以上，占垃圾总量的30%，可供总人口34%的居民用电。
法国到1996年，共有垃圾焚烧烧炉约300台，可处理40%以上城市垃圾。
美国经济发达，生活水平高，垃圾产生量大，垃圾中可再生资源比例极高[10]。
美国政府从80年代起先后投资20亿美元兴建了90座总处理能力为3000万t/d的垃圾电站到1995年已发展到400座焚烧厂，焚烧率达18%，预计到2015年将提高到50%。
日本的垃圾产生量很大，目前日本为世界上拥有垃圾焚烧厂最多的国家，至1996年有垃圾焚烧厂1854座，大城市的垃圾焚烧厂规模均在600t/d以上，并配有发电设备，垃圾焚烧处理总量为每日5.2万t，占垃圾总量的73%[11]。
1.4.2国内发展现状
梁沛然[12]认为高压变频器在火力发电厂和垃圾电厂多用于锅炉的风机、引风机、凝结水泵、给水泵等高压电机的调频调速，为提高电厂的用电率降低能源消耗起到了极大的作用。
张洪波[13]认为充分利用锅炉排污水热量，降低散热损失。
垃圾焚烧锅炉在正常运行过程中，需将炉水表面含盐分较高的炉水排出，一般在上锅筒设连续排污系统，排污率3%左右;此外锅炉还在底部设定期排污系统，将炉水底部渣、垢排出。
锅炉运行中因排污带走热量可设置集中排污扩容热能利用设备，将这部分热能有效利用，一般可分离0.2～0.4MPa饱和蒸汽用于热用户。
赵志秀[14]指出可以改变运行方式，目前电厂的主要辅机还是风机和水泵。
这些机械大部分都是恒速运转，在风道或管道中采取挡板或者截流阀来控制流量。
这种运行方式效率低,改变运行方式主要是指改变目前的挡板或者截流阀调节方式，而以调节风机或水泵的转速来控制流量，这样改变运行方式后，电厂的辅机大约平均节电30%～40%。
由于经济水平的限制，长期以来焚烧法处理垃圾在我国的应用还相对较少，发展也较缓慢。
从1988年我国第一座垃圾发电厂在深圳诞生以来，发展迅速。
哈尔滨垃圾焚烧发电厂采用日本流化床焚烧技术，实行电脑网络平台控制，日处理生活垃圾200余t，所排烟气达到相应的国家标准。
我国首座千吨级生活垃圾焚烧发电厂将选址浦东御桥工业小区开工兴建，占地1.2hm2，年处理量达36.5万t，生态环保、发电一举两得，除确保自身厂用电外，每年还可为申城供电1亿KW·h。
成都市计划近几年在主城区周围建立2～3座垃圾发电厂。
另外，四川、沈阳等地也相继建设了垃圾焚烧处理厂[15]。
1.5论文研究内容
1）查阅相关文献和资料，熟悉当前火电机组系统和垃圾焚烧发电系统的现状和技术特点。
2）基于火电机组系统节能技术分析垃圾焚烧发电系统节能技术的潜力。
3）根据分析，计算在此方案下的燃煤折算量。
2生活垃圾热处理体系基本原理
2.1垃圾燃烧系统可行性分析
垃圾含有可燃物质和不可燃物质两大部分，其中可燃部分包括皮革、竹木、破布、废弃纸张、塑料和动植物残余物等。
而不可燃部分为各类陶瓷碎片、玻璃、沙石、废弃金属等。
可燃份中其化学成分含有碳、氢、氧、氮、挥发性氯、燃料性硫等元素。
这些元素在燃烧过程中与空气中的氧进行反应，生成各种氧化物或部分元素的氢化物。
垃圾焚烧必须具备有一定的要求与条件：
要使生活垃圾维持燃烧，就要求其燃烧释放出来的热量足以提供加热垃圾到燃烧温度所需要的热量和发生燃烧反应所必须的活化能。
否则，要添加辅助燃料才能维持燃烧。
如果垃圾中低位发热值<3344KJ/Kg时，焚烧须掺煤或投油助燃；只有当垃圾中低位发热值>5000KJ/Kg时，燃烧效果才比较好。
为降低投资及运营成本，世界银行的垃圾焚烧投资指导政策中要求垃圾低位热值＞7000kJ/kg，任何季节不低于6000kJ/kg。
随着人民生活水平的提高，城市生活燃气化逐渐普及，城市生活垃圾中有机物含量大大提高，垃圾的热值也不断增加。
如北京市的垃圾热值在20世纪90年代末的年平均值是3349KJ/Kg，到现在年平均值已超过6000KJ/Kg，具备了良好的垃圾焚烧发电条件。
这些都为焚烧处理城市垃圾提供了可能性[16]。
2.2垃圾焚烧系统的基本原理
垃圾焚烧是一种对城市垃圾进行高温热化学处理的技术，将垃圾作为固体燃料送入炉膛内燃烧，在850～1100℃的高温条件下，垃圾中的可燃成分与空气中的氧进行剧烈的化学反应，释放出热量并转化为高温的燃烧气和少量性质稳定的固定残渣。
当垃圾有足够的热值时，垃圾能靠自身的能量维持自燃，而不用提供辅助燃料。
对于炉排式焚烧锅炉生活垃圾是在炉排上展开整个燃烧过程。
垃圾通过进料斗进入倾斜向下的炉排（炉排分为干燥区、燃烧区、燃尽区），由于炉排之间的交错运动，将垃圾向下方推动，使垃圾依次通过炉排上的各个区域（垃圾由一个区进入到另一区时，起到一个大翻身的作用），直至燃尽排出炉膛。
燃烧空气从炉排下部进入并与垃圾混合；高温烟气通过锅炉的受热面产生热蒸汽，同时烟气也得到冷却，最后烟气经烟气处理装置处理后排出。
炉排焚烧炉可以不需要对垃圾进行预处理，宽容性和适应性好。
对于循环流化床焚烧炉，循环流化床不设炉排，以惰性物取代，在炉内铺设一定厚度、一定粒径范围炉渣作为床料，通过底部布风板鼓入一定压力的空气，将床料吹起、滚动、搅拌、翻滚，被吹出炉膛的高温固体颗粒通过旋风分离器和返料器被送回炉膛，形成炉内物料的平衡，流化床内气固混合强烈，垃圾入炉后与炽热的床料迅速混合，垃圾被充分加热、干燥、燃烬。
流化床燃烧温度控制在850～900℃之间，可有效地提高出口蒸汽的参数，满足发电、供热要求[16]。
2.3影响焚烧过程的因素
影响生活垃圾焚烧过程的因素主要包括生活垃圾的性质、停留时间、温度、脱硫度和空气过量系数。
其中停留时间（Time）、温度（Temperature）、湍流度（Turbulence）和空气过量系数（Excessaircoefficient）称为“3T+1E”，是焚烧设计和运行的主要控制参数。
1）生活垃圾的性质
生活垃圾的热值、成分组成和颗粒粒度等是影响生活垃圾焚烧的主要因素。
生活垃圾热值越高，焚烧释放的热能越高，焚烧也就容易启动。
生活垃圾的粒度越小，生活垃圾与周围氧气的接触面积越大，焚烧过程中的传热及传质过程越好，燃烧越完全。
2）在炉排上的停留时间
生活垃圾的焚烧是气相和非均相燃烧的混合过程，因此生活垃圾的在炉内的停留时间必须大于理论上固体废物干燥、热分解及固定碳组分完全燃烧所需的总时间；同时还满足固体废物的挥发份在燃烧室中有足够的停留时间以保证完全燃烧，虽然停留时间越长燃烧效果越好，但停留时间过长也会使焚烧炉的处理量减少，焚烧炉的建设费用大。
3）燃烧室出口烟气温度
温度是指生活垃圾焚烧所能达到的最高焚烧温度，一般来说，位于生活垃圾层上方并靠近燃烧火焰区域内的温度最高，可达850～1000℃。
焚烧温度越高，燃烧越充分，二噁英等物质去除的也就越彻底。
4）湍流度
湍流度是表征生活垃圾与空气混合程度的指标，在生活垃圾焚烧过程中，当焚烧炉一定时，可以通过提高助燃空气量来提高焚烧炉中的流场湍流度，改善传质和传热效果。
5）过量空气系数
在焚烧室中，固体废弃物很难与空气形成理想混合，因此为了保证垃圾焚烧完全，实际空气量的供给量要明显高于理论空气需要量。
实际空气量与理论空气量的比值为过量空气系数。
但是如果助燃空气过剩系数太高，会导致炉温降低，影响固体废物的焚烧效果。
综上所述，可以发现“3T+1E”因素是相互制约、相互依赖，构成一个有机系统，因此，必须从系统的角度来控制选择以上参数。
2.4生活垃圾热处理工艺流程及设备
垃圾焚烧系统使可燃性固体废物氧化分解，达到去除毒性、回收能量及获得副产品的目的[17]。
垃圾焚烧的工艺流程是由垃圾运输车辆进厂。
经过汽车衡称重、计量后，沿垃圾运输通道进入垃圾卸料间，将垃圾卸入垃圾池。
垃圾在池内发酵、脱水后，由垃圾池内垃圾抓斗起重机对垃圾池内的垃圾进行倒运、搅浑，并将混合后的垃圾抓取、输送到料斗内，并进入炉膛，在焚烧炉内燃烧。
送风机经过空气预热器送入炉排下部成为热风，燃烧完的灰渣落入出灰装置，由输灰机送到灰坑，燃烧的火焰及高温烟气，经过锅炉，从而产生过热蒸气，并为汽轮发电机组提供汽源。
烟气经过锅炉后再通过脱酸装置、除尘器、脱硝装置后，由引风机将烟气送入烟囱排向大气。
如图2-1所示。
图2-1垃圾焚烧处理的工艺流程
2.4.1垃圾焚烧炉工艺
垃圾焚烧炉是垃圾焚烧厂的核心设备之一，其中垃圾焚烧炉定义为利用高温氧化方法处理生活垃圾的设备。
垃圾焚烧炉定义为垃圾焚烧炉和利用垃圾焚烧释放的热能进行有效换热并产生蒸汽、热水的热力设备即焚烧炉与余热锅炉的总称。
垃圾焚烧炉是通过物质宏观与微观的运动和能量的传递和转化，实现垃圾无害化、减量化和资源化的关键设备。
垃圾在垃圾焚烧锅炉内的物质运动与能量传递与转化的基本过程参见表2-2与2-3。
表2-2垃圾焚烧炉内的物质运动基本过程
基本物质宏观与微观运动过程
序号
原始物质
能量特征
物质运动表现形式
①
生活垃圾
吸热＜放热
水分蒸发；
有机物析出挥发分转化为高温烟气（含携带的固定碳）；
固定碳转化为炉渣；无机物与炉渣混合排出焚烧炉
②
锅炉给水
吸热
水→汽水混合物→饱和蒸汽→过热蒸汽
③
燃烧空气
助燃
参加反应部分进行燃烧过程；过量部分混入烟气
表2-3垃圾焚烧炉内能量传递与转化过程
序号
原始物质
能量特征
能量转化表现形式
（1）
生活垃圾
燃烧
化学能以热能形式释放，表现为具有高温的烟气与残余灰渣
（2）
高温烟气
能量传递
高温烟气的热能通过受热面传递给被加热介质（即工质），表现为烟气温度降低
（3）
水汽
能量转化
工质通过吸热由液态水转化为水蒸气，表现为蒸汽具有焓与熵
图2-3为流化床的结构图，一般先将石英砂用燃烧器加热至600～700℃。
然后加入炉内，再将垃圾粉碎到20cm以下再投入到炉内，垃圾和炉内的高温流动砂（650～750℃）接触混合，瞬时间气化并燃烧。
一般认为上部燃烧室的燃烧占40％左右，但容积却为流化层的4～5倍，同时上部的温度也比下部流化层高100～250℃，通常也称为二燃室。
不可燃物沉到炉底和部分流动砂一起被排出，然后将砂和不可燃物分离，砂回炉循环使用。
垃圾的灰分的75％左右作为飞灰随着烟气流向烟气处理设备。
流动砂可保持大量的热量，有利于再启动炉。
图2-3流化床结构图
2.4.2余热利用工艺
设置余热利用系统的主要目的是防止对环境的热污染和有效的热能回收，也是垃圾处理资源化的重要途径，不仅可满足垃圾焚烧厂自身设备运转的需要、降低运行成本，而且还能向外界提供热能和动力，通过焚烧－发电系统以取得一定的经济效益[18]。
余热利用的主要形式如下：
从汽水循环过程上看，在余热锅炉的省煤器、水冷壁及对流蒸发受热面内完成从锅炉给水（给水温度130～140℃）加热为饱和水，饱和水蒸发为饱和蒸汽的过程；在过热器内完成饱和蒸汽加热到一定温度的过热蒸汽过程。
图2-4为一个典型的余热锅炉汽水循环原理图。
图2-4余热锅炉汽水循环原理图
图2-5也是一个垃圾焚烧余热发电系统图。
垃圾焚烧炉和余热锅炉一般为一个组合体，在余热锅炉中，主要燃料是生活垃圾，转换能量的中间介质为水。
垃圾焚烧产生的热量被工质吸收，工质水在汽包内蒸发成蒸汽经锅炉过热器形成过热蒸汽进入汽轮机做功后汽水混合物进入凝汽器
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