一种基于垃圾填埋场资源综合利用的低碳垃圾衍生燃料制备系统及方法与流程

1.本发明适用于已封存的生活垃圾填埋场或投运5年及以上的尚在运营生活垃圾填埋场，涉及综合能源技术领域，具体为一种基于垃圾填埋场资源综合利用的低碳垃圾衍生燃料制备系统及方法。

背景技术：

2.根据《2021年中国统计年鉴》，截止2020年底，2020年全国生活垃圾清运量达到23511.7万吨，全国仍有644座生活垃圾填埋场，其中卫生填埋处理量达到7771.5万吨，占比为33％，全国各地或多或少仍部分依赖于卫生填埋方式处理生活垃圾。而随着各省市生活垃圾焚烧处置比例的提升和产能的提高，生活垃圾分类的深入进行以及全面铺开，垃圾填埋场发挥的作用将逐渐减小。2020年7月，国家三部委联合印发的《城镇生活垃圾分类和处理设施补短板强弱项实施方案》要求：“到2023年基本实现原生生活垃圾
‘
零填埋
’”
、“原则上地级以上城市以及具备焚烧处理能力的县(市、区)，不再新建原生垃圾填埋场”、“对需要进行封场的填埋场，要有序开展规范化封场整治和改造，加强填埋场渗滤液和残渣处置”。
3.目前，我国多个大型垃圾填埋场已关闭封场或即将封场，如上海老港综合填埋场、国内最大的西安灞桥江村沟垃圾填埋场，可以预见，生活垃圾填埋场的污染控制乃至综合治理已提上日程。
4.而垃圾填埋场的填埋气是生活垃圾填埋后经微生物分解后产生的以甲烷和二氧化碳为主要成分的混合气体，一般甲烷比例在 45％～65％，二氧化碳比例在35％～55％，其余为空气、硫化氢和微量气体，低位热值在18～24mj/m3。而垃圾填埋气是造成温室效应的主要因素，其中甲烷的温室效应是二氧化碳的21倍。此外，ch4是易燃易爆气体，填埋场存在因填埋气导排不当而引发爆炸的危险。焚烧发电是垃圾填埋气最主要的利用方式，既能解决填埋场臭气的环境影响，又能实现能源化利用，达到改善环境和节约能源的双重效益。国外如美国、英国、法国、芬兰、日本、瑞典等都有大型垃圾填埋气发电站在运行，美国1981年就建成了第一座垃圾填埋气体发电厂，国内如中国水业集团在全国就有33个垃圾填埋场填埋气发电项目，总设计装机容量已达156mw。
5.而填埋场太阳能光伏电站建设方面，国外已有部分的应用案例，如2012年德国某废弃垃圾填埋场建设了2mw光伏电站，2015美国在新泽西垃圾填埋场完成21.32mw光伏并网项目，2018年美国建成封闭垃圾填埋场最大的18.1mw太阳能光伏电站。而国内较多文献中仅述及上海老港垃圾填埋场投资建设了4mw光伏发电系统项目，但未能检索到其投产信息，其他了解到均尚处于设计研究阶段。
6.因此，随着生活垃圾“零填埋”和垃圾填埋场综合治理行动的陆续推进，如何有效整合垃圾填埋气、填埋场太阳能等资源，高效处置垃圾填埋场封存垃圾，对于生活垃圾填埋场的综合整治具有重大战略意义。

技术实现要素：

7.本发明的目的是克服现有技术中的不足，提供一种基于垃圾填埋场资源综合利用的低碳垃圾衍生燃料制备系统及方法。本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
8.在已封存的生活垃圾填埋场或投运5年及以上的尚在运营的生活垃圾填埋场中，可充分利用其所在区域的太阳能资源、垃圾填埋气资源建设分布式光伏发电模块1和垃圾填埋气发电模块2，并引入垃圾衍生燃料生产模块3，将垃圾填埋场的入场生活垃圾和陈腐垃圾制备成垃圾衍生燃料，构建一种基于垃圾填埋场资源综合利用的低碳垃圾衍生燃料制备系统及方法。
9.布式光伏发电模块1和垃圾填埋气发电模块2作为垃圾衍生燃料生产模块3和填埋场电气系统4的主供电源，不足部分由垃圾衍生燃料变压器5和填埋场变压器10通过填埋场电网接入系统9实现外部电网供电。
10.垃圾填埋气发电模块2利用所在填埋场产生的垃圾填埋气进行燃烧做功发电，其主要由填埋气收集系统、填埋气预处理系统、填埋气发电系统和填埋气火炬系统组成。
11.垃圾衍生燃料生产模块3主要包括垃圾衍生燃料变压器5、预处理车间6、干化车间7和成品车间8。
12.填埋场电气系统4主要包括填埋场电网接入系统9、填埋场变压器10和填埋场用电负荷11。
13.作为优选：所述分布式光伏发电模块1主要是填埋场地面光伏发电机组或填埋场建(构)筑物屋顶光伏发电机组，其装机规模主要取决于可利用面积。
14.作为优选：所述垃圾填埋气发电模块2主要选用内燃机发电机组作为核心发电设备，其中填埋气预处理系统主要包括气体脱硫设备和脱水设备，填埋气火炬系统主要为火炬燃烧设备。垃圾填埋气发电模块2装机规模主要取决于填埋场已填埋垃圾量。
15.作为优选：所述垃圾衍生燃料生产模块3正常运行情况下，优先由分布式光伏发电模块1和垃圾填埋气发电模块2进行供电，不足部分通过垃圾衍生燃料变压器5和填埋场电网接入系统9由外部电网供电；如垃圾衍生燃料生产模块3因检修维护等情况而无法消纳电能，分布式光伏发电模块1和垃圾填埋气发电模块2产生的电能则通过垃圾衍生燃料变压器5和填埋气变压器10由填埋气用电负荷11作进一步消纳，电能仍有多余则通过填埋场电网接入系统9接入外部电网。垃圾衍生燃料生产模块3中干化车间7的干化工艺设计充分考虑垃圾填埋气发电模块2的内燃机排气余热回收利用。垃圾衍生燃料生产模块3的产能主要取决于所在填埋场每日入场垃圾量和已填埋垃圾量。
16.作为优选：所述填埋场用电负荷11主要包括填埋场办公用电设备、渗滤液处理站12的用电设备、填埋场照明及其他生产用电设备。
17.作为优选：所述填埋场渗滤液处理站12是所在填埋场配套常规渗滤液处理设施，垃圾衍生燃料生产模块3产生的渗滤液同样进入填埋场渗滤液处理站12进行环保处理。
18.作为优选：所述烟气-水换热器13一般为外部走烟气、内部走水的鳍片管换热器，烟气-水换热器13的烟气入口与垃圾填埋气发电模块2的内燃机排气入口相连，烟气-水换热器13的烟气出口通过烟囱排入大气；烟气-水换热器13中被烟气加热的循环水进入垃圾衍生燃料模块3，从垃圾衍生燃料模块3中释放完热量的循环水则回到烟气
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水换热器13的循环水冷端，由此形成垃圾衍生燃料生产模块3与烟气-水换热器之间的水循环管路。烟
气-水换热器13设有烟气旁路或者循环水旁路。
19.这种基于垃圾填埋场资源综合利用的低碳垃圾衍生燃料制备系统及方法，包括以下步骤：
20.步骤一：当分布式光伏发电模块1和垃圾填埋气发电模块2中至少有一个模块能够正常发电时，对垃圾衍生燃料生产模块3的用电设备进行正常用电，当垃圾衍生生产模块3出现检修或产能较低等情况，无法消纳或全额消纳分布式光伏发电模块1和垃圾填埋气发电模块2所发电能时，则通过垃圾衍生燃料变压器5和填埋场变压器10 对填埋场用电负荷11进行供电，不足部分由填埋气电网接入系统9 通过外部电网供应，如填埋场用电负荷11也无法全额消纳分布式光伏发电模块1和垃圾填埋气发电模块2所发电能时，则剩余电量通过填埋场变压器10和填埋场电网接入系统9并入外部电网。此时，在垃圾填埋气发电模块2正常运行情况下，还能通过烟气-水换热器13 将内燃气排气余热回收后用于垃圾衍生燃料生产模块3的生产工艺，进一步降低垃圾衍生燃料生产模块3的能耗。
21.步骤二：当分布式光伏发电模块1和垃圾填埋气发电模块2均无法正常发电时，垃圾衍生燃料生产模块3和填埋场用电负荷11均通过填埋气电网接入系统9由外部电网供应电能。此时，因垃圾填埋气发电模块2无法正常运行，烟气-水换热器13也处于停运状态。
22.步骤三：垃圾填埋气发电模块2正常运行时，垃圾填埋气经填埋气收集系统收集后，进入填埋气预处理系统进行脱硫、脱水及过滤除杂后，进入填埋气发电系统中燃烧发电。其中，填埋气发电系统的内燃机排气进入烟气-水换热器13中加热循环水以实现烟气余热回收，烟气-水换热器13中被加热后的循环水则进入垃圾衍生燃料生产模块 3中释放热量，放热后的循环水则继续回到烟气-水换热器13中吸收烟气余热，形成循环水系统。当填埋气过量或者填埋气发电系统设备故障时，则通过填埋气火炬系统将多余的填埋气进行燃烧处理，确保系统安全性。
23.步骤四：垃圾衍生燃料生产模块3正常运行时，持续将入场生活垃圾和填埋场开挖的陈腐垃圾送入预处理车间6进行预处理，再进入干化车间7中通过机械干化或者机械生物干化工艺进行脱水干化处理，最终进入成品车间8经分选、磁选、成型等工艺后生产出垃圾衍生燃料，其中生产过程中的不可燃垃圾重新回填至垃圾填埋场，渗滤液则进入填埋场配套的常规渗滤液处理站进行统一环保处理。
24.步骤五：当垃圾衍生燃料生产模块3的产能有所变化时，烟气
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水换热器通过调节烟气旁路或者水旁路及时调节进入垃圾衍生燃料生产模块3的总热量，充分平衡垃圾填埋气发电模块2的内燃机排气余热回收量与垃圾衍生燃料生产模块3的放热量。
25.本发明的有益效果是：
26.1、创新性地将可再生能源发电工艺、垃圾填埋气发电工艺和垃圾衍生燃料生产工艺有机耦合，充分利用生活垃圾填埋场的区域能源资源及环保设施系统，构建一套集可再生能源接入、碳减排和垃圾高值化利用为一体的低碳垃圾衍生燃料制备系统，助力垃圾填埋场区域率先实现碳达峰。
27.2、分布式光伏发电模块和垃圾填埋气发电模块可作为垃圾衍生燃料生产模块的主供电源，产生的电能直接用于垃圾衍生燃料生产工艺，不仅可有效降低垃圾衍生燃料生产的用电成本和制备单位垃圾衍生燃料的碳减排量，进一步提升垃圾衍生燃料的低碳属性；同时，垃圾填埋气发电模块还能有效减排垃圾填埋场以甲烷为主要成分的垃圾填埋
气，显著减少填埋场温室气体排放，助力碳达峰碳中和行动，具有显著的经济效益、环境效益和社会效益。
28.3、垃圾衍生燃料生产模块可高效环保处置生活垃圾和陈腐垃圾，不仅可以实现生活垃圾的高值化利用和外运焚烧处置，还可加快生活垃圾填埋场的综合治理进程，大大降低陈腐垃圾的处置成本，减轻政府财政负担，同时制备的垃圾衍生燃料可作为低碳燃料替代煤炭等化石能源消耗，具有显著的减煤降碳、减污增效的双重作用。
附图说明
29.图1为本发明的原理图，图2为内燃机排气余热利用示意图。
30.图中：1.分布式光伏发电模块、2.垃圾填埋气发电模块、3.垃圾衍生燃料生产模块、4.填埋场电气系统、5.垃圾衍生燃料变压器、6. 预处理车间、7.干化车间、8.成品车间、9.填埋场电网接入系统、10. 填埋场变压器、11.填埋场用电负荷、12.填埋场渗滤液处理站、13.烟气-水换热器。
具体实施方式
31.下面结合实施例对本发明做进一步描述。下述实施例的说明只是用于帮助理解本发明。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
32.所述一种基于垃圾填埋场资源综合利用的低碳垃圾衍生燃料制备系统及方法，包括：分布式光伏发电模块1、垃圾填埋气发电模块 2、垃圾衍生燃料生产模块3和填埋场电气系统4；垃圾衍生燃料生产模块3主要包括垃圾衍生燃料变压器5、预处理车间6、干化车间 7和成品车间8；填埋场电气系统4主要包括填埋场电网接入系统9、填埋场变压器10和填埋场用电负荷11。
33.所述分布式光伏发电模块1利用垃圾填埋场封存场地建设光伏发电机组，光伏装机规模由封存场地条件和可利用面积决定，分布式光伏发电模块1产生电能优先满足垃圾衍生燃料生产模块3的用电需求，无法全额消纳时其次满足填埋场用电负荷，仍无法全额消纳时最终通过填埋场电网接入系统9并入电网。
34.所述垃圾填埋气发电模块2的填埋气发电系统优选内燃机发电机组，内燃机发电装机主要取决于填埋场累积垃圾填埋量，一般垃圾填埋5～6年后填埋气产气率达到峰值，因此优选已封存的垃圾填埋场，其次选择投运5年及以上的尚在运营的生活垃圾填埋场。与分布式光伏发电模块1相同，产生电能优先满足垃圾衍生燃料生产模块3 的用电需求，无法全额消纳时其次满足填埋场用电负荷，仍无法全额消纳时最终通过填埋场电网接入系统9并入电网。
35.所述垃圾衍生燃料生产模块3通过预处理车间6、干化车间7和成品车间8一系列工序，优先将垃圾填埋场的新鲜入场垃圾加工生产成为热值较高的垃圾衍生燃料，也便于运输至垃圾电厂进行焚烧处置。同时，为助推封存垃圾填埋场的生态修复和综合治理，充分释放土地资源。垃圾衍生燃料生产模块3的产能主要取决于所在填埋场每日入场垃圾量和已填埋垃圾量。
36.所述填埋场用电负荷11主要为填埋场照明、地磅、办公用电，渗滤液处理站12的泵、风机等，包括了填埋场所需承担电费的全部电气设备。
37.所述填埋场渗滤液处理站12同步处理由垃圾衍生燃料生产模块3产生的渗滤液，由于垃圾衍生燃料生产模块3所加工的垃圾量均在填埋场设计范畴内，不会增加填埋场渗滤液设计处理负荷。
38.所述烟气-水换热器13主要为外部走烟气、内部走水的鳍片管换热器，考虑到换热器效率和设计尺寸，设计出水温度一般不超过90℃，同时，烟气-水换热器13的出口烟气温度不得高于150℃，烟气-水换热器的总吸热量取决于垃圾衍生燃料生产模块3中的干化热量需求，为保证烟气-水换热器的水循环吸热量始终能够匹配垃圾衍生燃料生产模块3中的放热量需求，优先在烟气-水换热器13烟气侧设置旁路，通过调节烟气量及时调整烟气-水换热器13的吸热量。
39.本技术方案通常应用于已封存的生活垃圾填埋场或投运5年及以上的尚在运营生活垃圾填埋场，以某投运5年以上，入场填埋能力为200吨/日的垃圾填埋场为例，已累积填埋生活垃圾50万吨以上，填埋场可利用资源禀赋及发电能力测算如下：
40.资源禀赋1：可收集垃圾填埋气平均流量为133m3/h，测算填埋气发电能力约为200kw。
41.资源禀赋2：填埋场建筑物面积约为500m2，测算光伏发电能力约为40kw。
42.资源禀赋3：封存地块面积约为5000m2，测算光伏发电能力约为400kw。
43.资源禀赋4：新增垃圾衍生燃料生产模块厂房屋顶面积约为 1100m2，测算光伏发电能力约为850kw。
44.由上述测算可知，该垃圾填埋场可建设分布式光伏发电模块的装机规模为1.29mw，可配置垃圾填埋气发电模块的装机规模为 200kw，总发电装机规模为1.49mw；按照入场填埋能力200吨/日，已填埋垃圾36.5万吨测算，可建设生产规模为200吨/日的垃圾衍生燃料生产模块，每日生产所需用电量约为1.4万kwh，平均用电功率为583kw；分布式光伏正常发电的时段为7:00～18:00，其余时段基本无法发电，而垃圾填埋气发电模块无检修维护情况下，可24小时连续发电。配套的填埋气渗滤液处理站渗滤液规模为200吨/日，可同时接收填埋场及垃圾衍生燃料生产模块产生的渗滤液。
45.填埋场用电负荷功率合计约为70kw，包括办公用电设备功率约为10kw、渗滤液处理站的用电功率约为50kw、填埋场照明约为 5kw、地磅等其他设备用电功率约为5kw。
46.通过上述一种基于垃圾填埋场资源综合利用的低碳垃圾衍生燃料制备系统及方法，每日可处置入场垃圾和陈腐垃圾约400吨，每年可生产垃圾衍生燃料约7.3万吨，投运5年内即可处理完所在填埋场全部陈腐垃圾。
47.白天分布式光伏发电模块和垃圾填埋气发电模块所发电量除满足垃圾衍生燃料生产模块和填埋场电气系统用电外，如有多余电量则送入电网；晚上仅有垃圾填埋气发电模块发电，无法维持垃圾衍生燃料生产模块全部生产用能，需要时刻从外部电网补充供电。每年通过分布式光伏发电模块和垃圾填埋气发电模块自发自用，余电上网形式，可为垃圾衍生燃料生产模块和填埋场节约外部电网供电约211万 kwh，同时余电上网量约168万kwh。

技术特征：

1.一种基于垃圾填埋场资源综合利用的低碳垃圾衍生燃料制备系统及方法，其特征在于：包括分布式光伏发电模块1、垃圾填埋气发电模块2、垃圾衍生燃料生产模块3和填埋场电气系统4；垃圾衍生燃料生产模块3主要包括垃圾衍生燃料变压器5、预处理车间6、干化车间7和成品车间8；填埋场电气系统4主要包括填埋场电网接入系统9、填埋场变压器10和填埋场用电负荷11；所述分布式光伏发电模块1和垃圾填埋气发电模块2作为垃圾衍生燃料生产模块3和填埋场电气系统4的主供电源，不足部分由垃圾衍生燃料变压器5和填埋场变压器10通过填埋场电网接入系统9实现外部电网供电；所述垃圾填埋气发电模块2利用所在填埋场产生的垃圾填埋气进行燃烧做功发电，其主要由填埋气收集系统、填埋气预处理系统、填埋气发电系统和填埋气火炬系统组成；所述垃圾衍生燃料生产模块3将所在垃圾填埋场的新鲜入场垃圾和陈腐垃圾统一通过预处理车间6、干化车间7和成品车间8等最终加工成垃圾衍生燃料，处理过程中的不可燃垃圾重新回填至垃圾填埋场，渗滤液则进入填埋场渗滤液处理站12进行统一环保处理。2.根据权利要求1所述的一种基于垃圾填埋场资源综合利用的低碳垃圾衍生燃料制备系统及方法，其特征在于：所述分布式光伏发电模块1主要是填埋场地面光伏发电机组或建构筑物屋顶光伏发电机组，产生电能采用自发自用，余电上网形式。3.根据权利要求1所述的一种基于垃圾填埋场资源综合利用的低碳垃圾衍生燃料制备系统及方法，其特征在于：所述垃圾填埋气发电模块2中的填埋气发电系统多选用内燃机发电机组，产生电能采用自发自用，余电上网形式，填埋气发电系统产生的内燃机排气则进入烟气-水换热器13加热循环水，最终排入大气；填埋气预处理系统主要包括脱硫、脱水和去杂工艺，填埋气火炬系统主要用于焚烧处理过量或紧急排放的填埋气。4.根据权利要求1所述的一种基于垃圾填埋场资源综合利用的低碳垃圾衍生燃料制备系统及方法，其特征在于：所述垃圾衍生燃料生产模块3正常运行情况下，优先由分布式光伏发电模块1和垃圾填埋气发电模块2进行供电，不足部分通过垃圾衍生燃料变压器5和填埋场电网接入系统9由外部电网供电；垃圾衍生燃料生产模块3中干化车间7的干化工艺设计充分考虑垃圾填埋气发电模块2的内燃机排气余热回收利用；如垃圾衍生燃料生产模块3因检修维护等情况而无法消纳电能，分布式光伏发电模块1和垃圾填埋气发电模块2产生的电能则通过垃圾衍生燃料变压器5和填埋气变压器10由填埋气用电负荷11进行消纳，电能仍有多余则通过填埋场电网接入系统9接入外部电网。5.根据权利要求1所述的一种基于垃圾填埋场资源综合利用的低碳垃圾衍生燃料制备系统及方法，其特征在于：所述填埋场用电负荷11主要包括填埋场建筑办公用电设备、填埋场渗滤液处理站12的用电设备、填埋场照明及其他生产用电设备。6.根据权利要求1所述的一种基于垃圾填埋场资源综合利用的低碳垃圾衍生燃料制备系统及方法，其特征在于：所述填埋场渗滤液处理站12是所在填埋场配套常规渗滤液处理设施，垃圾衍生燃料生产模块3产生的渗滤液同样进入填埋场渗滤液处理站12进行环保处理。7.根据权利要求1所述的一种基于垃圾填埋场资源综合利用的低碳垃圾衍生燃料制备系统及方法，其特征在于：所述烟气-水换热器13的烟气入口与垃圾填埋气发电模块2的内燃机排气入口相连，烟气-水换热器13的烟气出口通过烟囱排入大气；烟气-水换热器13中
被烟气加热的循环水进入垃圾衍生燃料模块3，从垃圾衍生燃料模块3中释放完热量的循环水则回到烟气-水换热器13的循环水冷端，由此形成垃圾衍生燃料生产模块3与烟气-水换热器之间的水循环管路。

技术总结

本发明提供了一种基于垃圾填埋场资源综合利用的低碳垃圾衍生燃料制备系统及方法，主要包括分布式光伏发电模块、垃圾填埋气发电模块、垃圾衍生燃料生产模块，适用于已封存的垃圾填埋场或投运5年及以上的尚在运营垃圾填埋场，该系统创新性地将分布式光伏发电模块、垃圾填埋气发电模块和垃圾衍生燃料生产模块进行有机耦合，充分利用生活垃圾填埋场的区域能源资源及环保设施系统，打造集可再生能源接入、碳减排和垃圾高值化利用为一体的低碳垃圾衍生燃料制备系统，助力垃圾填埋场区域率先实现碳达峰。同时，垃圾衍生燃料生产模块制备的垃圾衍生燃料可作为低碳燃料替代煤炭、柴油等化石能源，具有显著的减煤降碳、减污增效的双重作用。重作用。