基于气化和热解的医疗垃圾-废旧轮胎联合资源化利用系统性能分析

doi:10.12096/j.2096-4528.pgt.22122

发电技术 ›› 2024, Vol. 45 ›› Issue (4): 611-621.DOI: 10.12096/j.2096-4528.pgt.22122

基于气化和热解的医疗垃圾-废旧轮胎联合资源化利用系统性能分析

冯福媛, 李童宇, 李博, 陈衡, 潘佩媛, 徐钢, 刘彤

热电生产过程污染物监测与控制北京市重点实验室(华北电力大学)，北京市昌平区 102206

收稿日期:2023-11-18 修回日期:2024-02-18 出版日期:2024-08-31 发布日期:2024-08-27
通讯作者: 陈衡
作者简介:冯福媛(1998)，女，硕士研究生，主要研究方向为能量系统集成优化，ff1833595@163.com；
陈衡(1989)，男，博士，副教授，主要研究方向为多能互补系统集成与优化，本文通信作者，heng@ncepu.edu.cn。
基金资助:
国家自然科学基金项目(52106008)

Performance Analysis of Combined Medical Waste-Waste Tire Resource Utilization System Based on Gasification and Pyrolysis

Fuyuan FENG, Tongyu LI, Bo LI, Heng CHEN, Peiyuan PAN, Gang XU, Tong LIU

Beijing Key Laboratory of Emission Surveillance and Control for Thermal Power Generation (North China Electric Power University), Changping District, Beijing 102206, China

Received:2023-11-18 Revised:2024-02-18 Published:2024-08-31 Online:2024-08-27
Contact: Heng CHEN
Supported by:
National Natural Science Foundation of China(52106008)

摘要/Abstract

摘要：

目的随着固体废物产生量的逐年增加，传统的处理方法难以满足日益严格的环保要求和资源循环利用的需求。为实现固体废物资源的高效利用，提出一种基于气化和热解的医疗垃圾-废旧轮胎联合资源化利用系统。方法该系统充分结合等离子气化技术以及热解技术的优势，将医疗垃圾等离子气化发电技术与轮胎热解技术进行耦合，将气化和热解过程得到的合成气共同作为燃气轮机的燃料加以利用，同时，燃气透平产生的高温烟气为轮胎热解提供热源，之后再通过余热锅炉回收烟气热量。在无害化处理医疗垃圾-废旧轮胎的同时，实现了能量的梯级利用。在固定给料速率的条件下，对所提出系统进行了能量分析和经济性分析。结果该系统能实现23.59 MW总能量的输出，总能量利用效率达到52.56%，远高于传统的垃圾发电效率。该系统具有良好的经济收益，在20年的生命周期内，可以实现相对净现值72 797.81万元，且动态投资回收周期仅为3.13年。结论研究成果为固体废物资源的高效协同处理提供了新的技术路径。

关键词: 固废处理, 能源回收, 燃气轮机, 等离子气化, 轮胎热解, 蒸汽循环

Abstract:

Objectives With the annual increase in the generation of solid waste, traditional treatment methods have struggled to meet the increasingly stringent environmental requirements and the demands for resource recycling. In order to realize the efficient utilization of solid waste resources, a combined medical waste-waste tire resource utilization system based on gasification and pyrolysis was proposed. Methods The system fully combined the advantages of plasma gasification and pyrolysis technologies, coupling the medical waste plasma gasification power generation technology with tire pyrolysis technology. The syngas obtained from the gasification and pyrolysis processes was utilized together as the fuel of a gas turbine. At the same time, the high-temperature flue gas produced by the gas turbine provided the heat source for tire pyrolysis, after which the flue gas heat was recovered by a waste heat boiler. While harmlessly treating the medical waste-waste tires, the gradient utilization of energy was realized. The energy analysis and economic analysis of the proposed system were carried out under the condition of fixed feed rate. Results The system is able to achieve a total energy output of 23.59 MW, with a total energy utilization efficiency of 52.56%, which is much higher than the efficiency of conventional waste-to-energy generation. The system has good economic returns, and can realize a relative net present value of 727.978 1 million yuan in a 20-year life cycle, and the dynamic payback cycle is only 3.13 years. Conclusions The research results provide a new technical path for the efficient co-processing of solid waste resources.

Key words: solid waste treatment, energy recovery, gas turbine, plasma gasification, tire pyrolysis, steam cycle

中图分类号:

TK 09

冯福媛, 李童宇, 李博, 陈衡, 潘佩媛, 徐钢, 刘彤. 基于气化和热解的医疗垃圾-废旧轮胎联合资源化利用系统性能分析[J]. 发电技术, 2024, 45(4): 611-621.

Fuyuan FENG, Tongyu LI, Bo LI, Heng CHEN, Peiyuan PAN, Gang XU, Tong LIU. Performance Analysis of Combined Medical Waste-Waste Tire Resource Utilization System Based on Gasification and Pyrolysis[J]. Power Generation Technology, 2024, 45(4): 611-621.

图/表 17

图1 基于气化和热解的医疗垃圾-废旧轮胎联合资源化利用系统示意图

Fig. 1 Diagram of combined medical waste-waste tire resource utilization system based on gasification and pyrolysis

图2 基于气化和热解的医疗垃圾-废旧轮胎联合资源化利用系统仿真模型

Fig. 2 Simulation models for combined medical waste-waste tire resource utilization system based on gasification and pyrolysis

表1 典型医疗垃圾的物性参数

Tab. 1 Physical parameters of typical medical waste

参数		数值
工业分析	水分质量分数/%	0.32
	固定碳质量分数/%	0.55
	挥发分质量分数/%	99.13
	灰分质量分数/%	0.00
元素分析	碳质量分数/%	81.55
	氢质量分数/%	12.13
	氧质量分数/%	5.74
	氮质量分数/%	0.15
	硫质量分数/%	0.11
低位发热量/(MJ⋅kg^-1)		42.49

表2 等离子气化炉的参数

Tab. 2 Parameters of plasma gasifier

项目	数值
医疗垃圾进料量/(kg⋅s^-1)	1.00
氧气进口流量/(kg⋅s^-1)	0.34
氧气进口温度/℃	25.00
合成气出口流量/(kg⋅s^-1)	1.34
合成气出口温度/℃	1 105.14
等离子体火炬热功率%	85
等离子体火炬耗功/kW	1 830
空分耗功/kW	340
冷气效率/%	82.04

表3 等离子气化炉出口合成气的参数

Tab. 3 Parameters of syngas at the outlet of plasma gasifier

参数		数值
合成气组成成分	H₂摩尔分数/%	24.29
	CO摩尔分数/%	35.04
	CH₄摩尔分数/%	20.08
	H₂O摩尔分数/%	0.20
	N₂摩尔分数/%	0.01
	H₂S摩尔分数/%	0.05
	HCN摩尔分数/%	0.14
低位发热量/(MJ⋅kg方正汇总行^-1)		30.40

表4 废旧轮胎的物性参数

Tab. 4 Physical parameters of waste tire

参数		数值
工业分析	水分质量分数/%	1.50
	固定碳质量分数/%	30.00
	挥发分质量分数/%	55.00
	灰分质量分数/%	13.50
元素分析	碳质量分数/%	75.00
	氢质量分数/%	7.00
	氧质量分数/%	2.70
	氮质量分数/%	0.30
低位发热量/(MJ⋅kg^-1)		34.38

表5 轮胎热解子系统的参数

Tab. 5 Parameters of the tire pyrolysis subsystem

参数	数值
热解反应器的温度/℃	580.00
轮胎进料量/(kg⋅s^-1)	0.042 3
热解产物的冷却温度/℃	40.00
热解合成气的流量/(kg⋅s^-1)	0.002 2
热解油的流量/(kg⋅s^-1)	0.026 1
热解炭的流量/(kg⋅s^-1)	0.008 3

表6 燃气轮机子系统的参数

Tab. 6 Parameters of gas turbine subsystem

参数	数值
空气进气温度/℃	25.00
空气进气压力/MPa	0.10
空气进气流量/(kg⋅s^-1)	40.74
空气压缩机的机械效率/%	99.00
燃烧室进口压力/MPa	1.69
燃烧室出口温度/℃	1 249.51
燃气轮机机械效率/%	99.00
燃气轮机出口温度/℃	591.70

表7 蒸汽循环子系统的参数

Tab. 7 Parameters of steam cycle subsystem

参数	数值
高(中)压蒸汽温度/℃	543.0(258.0)
高(中)压蒸汽压力/MPa	12.40(1.03)
高(中)压汽轮机等熵效率/%	90.0(90.0)
高(中)压汽轮机机械效率/%	99.0(99.0)
凝汽器压力/MPa	0.004 8

表8 集成系统的能量分析

Tab. 8 Energy analysis of integrated system

参数	数值
医疗垃圾进料量/(kg⋅s^-1)	1.00
气化剂(氧气)流量/(kg⋅s^-1)	0.34
轮胎进料量/(kg⋅s^-1)	0.04
热解子系统输出的能量/MW	1.42
系统输出的电能/MW	24.32
等离子体火炬耗功/MW	1.83
空分装置耗功/MW	0.32
系统输出的净总能量/MW	23.59
系统的总能量输出效率/%	52.56

图3 集成系统的能量流动示意图

Fig. 3 Energy flow diagrams of the integrated system

图4 不同系统的能量利用效率

Fig. 4 Energy utilization efficiency of different systems

表9 经济性分析相关参数

Tab. 9 Parameters related to economic analysis

参数	数值
生命周期/a	20
建设周期/a	1
年运行时间/h	7 000
医疗垃圾处理补贴/(元/t)	3 080.03
玻璃样渣的价格/(元/t)	357.10
热解油的价格/(元/t)	776.88
热解炭的价格/(元/t)	471.44
上网电价/[元/(kW⋅h)]	0.65
运行成本/万元	10%总投资
贴现率/%	10
人民币对美元汇率	6.64

表10 基于经验公式法的成本估算

Tab. 10 Cost estimation based on empirical formula

部件	成本计算公式	变量注释	来源文献
气化炉/热解反应器	$2.9 × 106 × (3.6 × m) 0.7$	m为物料的质量流量	[13]
换热器	$1632 × A S G C 0.6375$	$A S G C$ 为换热面积	[34]
压缩机	$91526 × (W / 455) 0.67$	W为压缩机耗功	[34]
燃烧室	$48.64 × m a i r 0.995 - P o u t / P i n × (1 + e 0.018 × T o u t - 26.4)$	$m a i r 、 T o u t 、 P i n 、 P o u t$ 分别为空气流量、出口烟气温度、进口烟气压力、出口烟气压力	[34]
燃气轮机	$[- 98.328 × l n (W G T) + 1 318.5] × W G T$	$W G T$ 为燃气轮机发电功率	[34]
余热锅炉	$1000 × [a (Q / Δ T m l) 0.8 + b m s + c m g 1.2]$	$m s 、 m g 、 Δ T m l 、 Q$ 分别为蒸汽流量、烟气流量、传热温差、换热量；蒸发器，a=6.5，省煤器、过热器，a=13；b=21.276；c=1.184	[34]
蒸汽轮机	$6000 × W 0.7$	W为发电功率	[34]
凝汽器	$3000 × (Q c o n d / 10) 0.55$	$Q c o n d$ 为凝汽器放热量	[34]
发电机	$60 × W 0.95$	W为发电功率	[34]
泵	$2000 × W p u m p 0.65$	$W p u m p$ 为泵的耗功	[35]

表10 基于经验公式法的成本估算

Tab. 10 Cost estimation based on empirical formula

部件	成本计算公式	变量注释	来源文献
气化炉/热解反应器	$2.9 × 106 × (3.6 × m) 0.7$	m为物料的质量流量	[13]
换热器	$1632 × A S G C 0.6375$	$A S G C$ 为换热面积	[34]
压缩机	$91526 × (W / 455) 0.67$	W为压缩机耗功	[34]
燃烧室	$48.64 × m a i r 0.995 - P o u t / P i n × (1 + e 0.018 × T o u t - 26.4)$	$m a i r 、 T o u t 、 P i n 、 P o u t$ 分别为空气流量、出口烟气温度、进口烟气压力、出口烟气压力	[34]
燃气轮机	$[- 98.328 × l n (W G T) + 1 318.5] × W G T$	$W G T$ 为燃气轮机发电功率	[34]
余热锅炉	$1000 × [a (Q / Δ T m l) 0.8 + b m s + c m g 1.2]$	$m s 、 m g 、 Δ T m l 、 Q$ 分别为蒸汽流量、烟气流量、传热温差、换热量；蒸发器，a=6.5，省煤器、过热器，a=13；b=21.276；c=1.184	[34]
蒸汽轮机	$6000 × W 0.7$	W为发电功率	[34]
凝汽器	$3000 × (Q c o n d / 10) 0.55$	$Q c o n d$ 为凝汽器放热量	[34]
发电机	$60 × W 0.95$	W为发电功率	[34]
泵	$2000 × W p u m p 0.65$	$W p u m p$ 为泵的耗功	[35]

表11 基于规模因子法的成本估算

Tab. 11 Cost estimation based on scaled factor approach

部件	参考成本/(×10³美元)	参考规模	规模因子	来源文献
等离子体火炬	1 500.00	5.75 MW	0.91	[29]
1#分离器	33 650.00	4 232.70 kmol/h	0.65	[36]
空分装置	45 700.00	76.68 t/h	0.50	[36]

表12 新系统中各组成部分的投资成本

Tab. 12 Investment cost of each component in the novel system

组成		投资成本/万元
等离子气化子系统	气化炉	4 720.39
	等离子体火炬	350.63
	1#、2#、3#换热器	97.98
	1#分离器	3 603.28
	空分装置	3 833.84
	合计	12 606.12
热解子系统	热解反应器	515.72
	4#换热器	3.02
	合计	518.74
燃气轮机子系统	合成气压缩机	8.92
	空气压缩机	710.38
	燃烧室	53.54
	燃气轮机	6 505.89
	发电机	373.64
	合计	7 652.37
蒸汽循环子系统	余热锅炉	3 534.67
	蒸汽轮机	3 070.76
	凝汽器	116.36
	泵	45.42
	发电机	246.63
	合计	7 013.84
总计		27 791.07

表13 新系统的经济性分析结果

Tab. 13 Economic analysis results of the novel system

参数	数值
年净发电量/(MW⋅h)	155 152.26
年炉渣产量/t	4 536.00
年净发电收入/万元	9 942.57
年垃圾处理补贴/万元	7 761.68
年炉渣销售收入/万元	161.98
年热解油销售收入/万元	51.16
年热解炭销售收入/万元	9.86
年总收入/万元	17 927.25
总投资成本/万元	27 791.07
年运营成本/万元	2 779.10
动态回收周期/年	3.13
净现值/万元	72 797.81

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基于气化和热解的医疗垃圾-废旧轮胎联合资源化利用系统性能分析

Performance Analysis of Combined Medical Waste-Waste Tire Resource Utilization System Based on Gasification and Pyrolysis

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摘要/Abstract

引用本文

图/表 17

参考文献 36

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