陈俊宇 陆泽宁 高键生 曹馨月 陈丹 陈衡
（华北电力大学）
摘要：随着经济发展和城市化进程的推进，城市垃圾的生产量不断增加。在垃圾分类开始推广，垃圾焚烧发电技术日趋成熟的背景下，针对城市垃圾中的厨余垃圾不宜直接焚烧的特点，本文提出一种将厨余垃圾产生沼气与垃圾焚烧耦合的集成发电系统。此方案采用一套发电设备，同时实现了厨余垃圾和固体废弃物的资源化，降低了投入成本，解决了沼气单体发电能力不足，经济效益低的问题，具有较高的实用性。
关键词：垃圾资源化；厨余垃圾；集成发电；燃料侧耦合
0 引言
厨余垃圾作为重要组成部分，占城市生活垃圾的49%~65%[1]，且不适合进行焚烧，一般采用厌氧发酵技术将其中的有机物转化为甲烷、二氧化碳、腐殖质及无机营养物，其中沼气可作为清洁能源进行利用。然而，目前沼气发电技术却面临单体项目规模小，盈利水平低，收入模式单一等挑战。中小城市由于垃圾量少，其单体沼气发电规模不甚可观[2]。
本文针对国内沼气发电上述现状，通过调研干式厌氧产沼工程的数据和垃圾焚烧发电机组的设计和参数，利用Ebsilon仿真软件对机组进行建模，提出一种将沼气与垃圾焚烧发电机组在燃料侧进行耦合的方案，来提升沼气发电的经济效益、降低成本，使垃圾资源化的工程更加协同化和便捷化，并对系统的展开热力学分析，对系统的整体性能进行评价。
1 系统热效率
对于整个发电系统而言，系统热效率的定义为：系统对外输出总功与系统消耗总能量的比值。其表达式如下：
式中
、——主蒸汽、汽包中抽汽的流量，t/h；
、、——主蒸汽、汽包抽汽、锅炉给水的比焓值，kJ/kg；
——发电机功率，kW；
、——管道效率、锅炉效率，%。
为进一步探究集成系统能量转化效率，本文当对沼气和垃圾焚烧分别进行考虑。其中垃圾焚烧发电的热效率可用式(1.2)表示，厨余垃圾产沼效率和沼气燃烧发电热效率分别用式(1.3)和(1.4)表示，则厨余垃圾转化为电的总效率为。
式中
——未耦合沼气时的发电机功率，kW；
式中的、、、、均为未耦合沼气时的参数。
式中
、——每小时处理厨余垃圾、生成沼气的量，t/h；
、——厨余垃圾、沼气的低位热值，kJ/kg。
2 集成发电系统方案设计和评估
2.1 沼气耦合垃圾焚烧发电系统方案设计
该系统示意图如图2-1所示，首先由厨余垃圾的沼气储存在沼气罐中。主体为常规的垃圾焚烧发电机组，其中焚烧炉燃料为城市固体垃圾和沼气罐中通入的沼气。该系统的工作过程为：高温烟气进入余热锅炉中加热锅炉给水，锅炉给水经省煤器进入汽包，再经过水冷壁在汽包中产生中温中压的饱和蒸汽，汽包中的大部分饱和蒸汽经过过热器变为过热蒸汽进入汽轮机驱动汽轮发电机组发电，一小部分作为一、二次风空气预热器的汽源。余热利用后的烟气经半干式洗烟塔和布袋收尘器处理后由烟囱排入大气。
图2-1 垃圾焚烧耦合沼气发电系统
进炉焚烧的垃圾低位热值设定值为7000kJ/kg(1674kcal/kg)，厨余垃圾的低位热值为4598kJ/kg(1100kcal/kg)，经过净化处理的沼气的成分如表2-1所示，其低位热值经计算为29432.26kJ/kg。
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2.2 建模与计算
2.2.1 主要性能参数
模型搭建完成后，经过计算，主要性能参数如下表2-2所示。
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2.2.2 回热系统参数
系统的回热系统采用了“一低一除氧”的布置，其计算参数如表2-3所示。
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2.3 系统效率分析
通过计算分析，系统的效率如下表2-4所示。
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从数据中可以看到，沼气的耦合提高了垃圾焚烧发电机组的热效率，从原来的20.94%提高到了21.66%。
3 结论
根据建模计算的数据，集成系统的机组总功率可达到12.205MW，系统总热效率达到21.66%，沼气的参与燃烧使得机组的热效率提高了1.66%。此方案技术具有较强的可行性，当垃圾量存在缺口，未达到额定负荷的情况下，沼气的耦合可起到弥补缺口的作用，长期来看，对机组运行有着积极良好的作用。
本文提出的集成系统将产沼工程与垃圾焚烧发电机组相结合，采用一套发电系统，有效地减少了成本投入和占地面积，解决了沼气单体发电能力不足，经济效益低下的问题，是共享经济和循环经济的体现。因此，沼气与垃圾焚烧发电耦合，不失为主流垃圾焚烧发电厂设计的一种补充形式。
参考文献：
[1]王小铭, 陈江亮, 谷萌, 焦秀瑶, 蔡洪英, 张莹, 周怡然, 魏云梅, Nemanja Stanisavljevic, 刘元元. “无废城市”建设背景下我国餐厨垃圾管理现状、问题与建议[J]. 环境卫生工程, 2019, 27(06): 1-10+15.
[2]闫伦江. 控制甲烷排放,推进沼气发电行业可持续发展[N]. 中国环境报, 2020-08-13(003).
[3]王修彦. 工程热力学[M]. 北京: 机械工业出版社, 2007.