废弃物能源化案例：

PowerTopic#403|康明斯电力技术资料利用低热值往复式燃气发电机组的废弃物能源化案例：白皮书英国Ramsgate，康明斯电力能源解决方案业务部，燃气应用经理KeithPackham全力为您提供能源服务。™甲烷的温室效应要比CO2高出20多倍。利用这种资源进行发电，不仅能够为电力生产者带来经济效益，而且还有助于减缓全球变暖的趋势。人们开发利用垃圾填埋场、垃圾消化罐、煤层气和煤矿中的甲烷用于发电，已经持续了数十年，但这种应用一直局限在具备适宜经济条件的特定地点。然而，近些年的技术发展已开始更多地关注这种既有利用价值又具备环保优势的能源：•认识到甲烷是一种强效的“温室”气体，它可能会加剧热量在地球大气中的积累。•认识到天然形成的甲烷以及污水/垃圾填埋场形成的甲烷是一种有价值的能源，它能够转化为有用的电能，因此可抵消一部分发电用煤炭和石油的消耗量。•往复式燃气发电机组取得了新的技术进展，特殊的设计可实现燃气混合气的稀薄燃烧，减少维护工作量并解决了早期应用中难以解决的发动机磨损问题。往复式燃气发电机组的多重优势当今，以天然和人工甲烷为原料进行发电，往复式燃气发电机组无疑是所采用的主流技术；燃气轮机发电机组位居其次。根据美国环保局（EPA）的资料，往复式发电机组的数量比燃气轮机和其他形式发电机组的总和还多出三倍。之所以形成目前的局面，其中一些原因是往复式发电机组在以下方面占有优势：•往复式燃气发动机是一项非常成熟的技术，拥有众多全球性制造商和完善有效的供货及服务体系。•如果燃气中甲烷的含量不低于40%，这些新型低热值燃气发动机的运行工况可达到满载额定功率；而且在允许降低输出功率的情况下，更可使用甲烷含量仅为30–40%的极低热值的燃气作为燃料。•从已安装发电设备的每千瓦初期投资来看，往复式发电机组的成本大大低于燃气轮机技术。•虽说往复式发电机组不能完全免受燃料纯度的影响，但是对燃气中的杂质和污染物（如水蒸气、氨气、硫化物和硅氧烷等）具有更强的耐受性。PowerTopic#403|第2页与燃气轮机相比，往复式发电机组具有更高的发电效率，也不需要那么复杂的甲烷收集和加压系统。斯特林（Stirling）发动机、燃料电池和有兰金（Rankin）循环发动机等也具有很高的效率，对硅氧烷等杂质也有一定的耐受性，但由于过高的初期成本而只局限于试验场合使用。•以甲烷为燃料的往复式发动机，无须经过尾气处理过程即可满足排放法规的要求。甲烷巨大的全球发展潜力从全球来看，垃圾填埋场、污水处理厂和煤矿产生的甲烷是一种巨量的天然资源，可以大规模地转化为有用的电能。据欧盟估计，仅欧洲的垃圾填埋场每年就可产生高达940亿立方米的甲烷。而据EPA估计，美国的垃圾填埋场每年可提供2X1015Btu的能量。根据美国环保局“垃圾填埋场甲烷拓展项目”的统计，目前，美国大约有400个垃圾填埋场发电项目正在进行当中，另外有600座候选垃圾填埋场以供能源的生产。煤层气中的甲烷是其用于发电的另一种能源。仅在美国，预计煤层气的甲烷年产量可达到370亿立方米。确定具体地点的适宜性要确定特定项目的燃气是否适合用来进行废弃物发电，通常要从燃气组份分析开始着手。该分析不仅为了检测出甲烷的浓度和可能的产量，还要评估燃气中各种可能存在的杂质，以确定是否需要对此燃气进行预处理或更改发动机维护保养周期。参见图1。如果甲烷浓度不低于45%，完全可满足往复式发电机组对燃料的要求，并且机组能够持续输出满载额定功率。如果甲烷浓度在30-40%之间，发电机组则会有一些功率降。典型燃气发电机组的燃气耗量大致可表示为：CH4用量=0.28立方米/每千瓦小时x(100÷CH4%)该公式不是很精确，因为其基于管道质量天然气的假设，并且发动机的效率会因为燃气中不可燃气体含量的升高而降低。但该公式可以根据给定的发动机规格快速估算出所需的燃气用量。随着项目的进行，要采用专用的软件来获取燃气的实际热值，这样才可确定实际的发动机效率和燃气消耗量。这些数据将用于确定燃气供给系统（井、泵、过滤和预处理装置等）的详细设计方案。浓度ppm分子量常量浓度ppmH2S153422.423Si202822.425NOx1504622.4308Cl2070.9122.463Fl1.537.9922.43含量mg/Nm3分子量常量含量mg/Nm3H2S10003422.4659Si202822.416NOx214622.410Cl70.9122.40Fl37.9922.40图1：典型燃气组份分析，显示了硫化氢、硅氧烷、氮氧化物、氯和氟等物质的含量，以ppm和每立方米中的毫克数表示。全力为您提供能源服务。™|第3页燃气中的杂质决定着发动机的维护周期和维护成本燃气中杂质分析的过程通常需要相当长的时间，因为杂质的含量和组成直接决定着发动机维护保养的频率和级别。进行此分析的目的在于阐释经济风险，并与参与项目的各方共享这些数据。必须定期（每周一次）对燃气进行分析，并将结果与参与项目的各方共享。由于杂质的含量常随时间的推移而变化，所以相应的运营成本也会改变。各方之间达成的协议必须明确由谁对燃气杂质含量改变而引起运营或维护成本的变化买单。垃圾填埋气和煤层气中的典型杂质有以下几类：•硅（以硅氧烷的形式存在）。燃气中的硅氧烷可在发动机燃烧室的内表面析出，形成厚度达几毫米的硅酸盐层。硅还能够进入润滑系统，造成过度磨损。硅氧烷在燃气流中的存在将引发严重的维护问题。•硫化物（以硫化氢的形式存在）。当浓度过高时，将会沉积在发动机内，污染润滑油并会影响排气系统中的催化系统（如果有的话）工作。•氨气。通常存在于污水处理和垃圾填埋产生的燃气中，氨能够腐蚀如发动机冷却系统或轴承中的铜等特定金属。•其它杂质如水蒸气、颗粒、卤素和酸等都将会污染发动机的润滑油。这些杂质的组合将会随着产生燃气的垃圾成分不同而不同。康明斯电力的低热值发动机可耐受燃气中的多种典型杂质，尤其是硅氧烷、氨和酸类。由于康明斯电力的发电机组无需在增加尾气催化处理系统，即可完全符合当前英国排放法规的要求，因此，燃气中的硫含量一般不会造成严重的维护问题。为了解决杂质带来的问题，康明斯电力开发了多项技术来昀大限度地减少发动机维护和大修的工作量。这些技术包括：•专利碳切环–康明斯的低热值燃气发动机在其每个燃烧室的汽缸壁顶部嵌入了悬置的特制“碳切环”。这个环能够破碎积碳和硅沉积物，延长发动机的维护间隔时间并且使发动机的硅氧烷问题大大低于其它设计形式的发动机。•FCD（球墨铸铁）活塞–康明斯在其低热值燃气发动机中采用了FCD铸铁活塞，增强了其在含杂质燃料情况下的耐用性。其耐用性明显高于铝合金材质的活塞。•轴承材料–针对燃气流中的氨和酸类杂质，发动机轴承选用了更加耐腐蚀的材料。•中冷器–一般采用导热性能昀佳的铜质材料，在其上覆一层酚醛树脂，以保护其免受腐蚀。在极端的腐蚀环境中，可采用不锈钢来替代铜。•发动机润滑油–相对于典型的发动机机油，其设计更偏于碱性，以延长换油周期。一般来说，润滑油的选用应根据燃气流中杂质的属性和含量并针对每一种应用进行特殊设计。全力为您提供能源服务。™|第4页苏格兰爱丁堡—Viridor市政垃圾填埋场加纳利群岛大加纳岛拉斯帕尔马斯—SaltodelNegro的垃圾消化罐澳大利亚昆士兰州—Moronbah煤层气发电厂垃圾填埋气、煤层气和沼气项目康明斯电力在美国、英国和全球其它地区参与了许多废弃物能源化项目。下面以最近的三个项目为例，说明如何利用垃圾填埋场、煤层气和垃圾消化罐中产生的燃气。Viridor垃圾填埋场发电项目ViridorWasteManagement（Viridor废弃物管理公司）是英国最大的市政垃圾填埋场运营公司之一，管理着位于苏格兰爱丁堡市东部面积达193英亩的垃圾填埋场。Viridor采用了两台康明斯电力的低热值燃气发电机组，将腐败垃圾产生的甲烷转变为3.5MW的发电能力。随着垃圾填埋场规模的增大和甲烷产量的增加，还将新增两台发电机组，使总装机容量达到7MW。加纳利群岛垃圾处理厂从燃气发电中获益加那利群岛的SaltodelNegro市政垃圾处理厂，负责处理拥有38万人口的大加纳利岛拉斯帕尔马斯市产生的垃圾。其中一些垃圾在可产生甲烷的发酵罐内进行处理。产生的甲烷为基于两台康明斯电力燃气发电机组的热电联产（CHP）系统提供燃料，同时生产电力和热力。澳大利亚煤层气电站，为当地电网供电在昆士兰州的Moronbah，大型煤矿中的瓦斯被收集起来，经过处理后用管道输送到远在澳大利亚东北海岸的汤斯韦尔市。康明斯电力为ErgonEnergy公司提供了总装机容量12MW燃气发电站，该发电站为煤炭处理厂提供电力。Moranbah发电厂生产的电力主要用于其煤炭处理设施的供电，多余的电力则销售给当地的电网。结论废弃物能源化项目正在利用垃圾填埋场、垃圾处理厂和煤层中产生的甲烷为全球用户生产大量的电力，以此替代无法再生的化石能源，同时避免产生大量二氧化碳而加剧全球变暖的趋势。此外，甲烷的温室效至少比二氧化碳强20倍以上，利用其进行发电而消耗的温室气体更加意义重大。大多数废弃物能源化项目采用了往复式低热值发电机组进行发电。在各种垃圾填埋场、垃圾处理厂和煤层气项目中，均已证明这种类型的发电机组具有清洁环保、可靠耐用和经济性突出的特点。全力为您提供能源服务。™©2006|“康明斯电力”和“康明斯”均为康明斯公司的注册商标。“全力为您提供能源服务”是“康明斯电力”的商标。F-1704(11/06)ESB-225US