污泥處理能源的利用——沼氣發(fā)電及其熱能回收

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簡介： 本文系統(tǒng)介紹了高碑店污水處理廠，污泥處理設(shè)計過程中，如何有效地回收利用沼氣發(fā)電系統(tǒng)的余熱作為污泥中溫消化的熱源。達(dá)到節(jié)約能源，減少電耗和降低污水處理成本的目的。
關(guān)鍵字：沼氣發(fā)電 能源利用 余熱回收 熱平衡

1 污泥處理及能源利用概況

　　高碑店污水處理廠二期工程設(shè)計水量50萬m³／d，初沉泥和二沉池的混合污泥量為4417m³／d，污泥含水率97％，污泥處理工藝采用重力濃縮，二級中溫消化帶式壓濾機(jī)脫水，并利用消化產(chǎn)生的沼氣發(fā)電并入城市電網(wǎng)，發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的余熱作為一級消化熱源，鍋爐房蒸汽為補(bǔ)充熱源。
　　高碑店污水處理廠二期工程設(shè)置八座消化池，四座為一個系列，共兩個系列，每一系列有一級消化池三座，二級消化池一座，消化池產(chǎn)沼氣2.2～2.6萬m³／d。其中甲烷含量占57％～62％，熱值5000Kcal／m³，消化池產(chǎn)氣總熱量為540萬Kcal／h。三臺沼氣發(fā)電機(jī)總發(fā)電量2000KW，所發(fā)電量并入市政公用電網(wǎng)。
　　為維持污泥中溫消化所需的溫度，需要對污泥進(jìn)行加熱。加熱污泥的熱量需要由外部熱源提供，高碑店污水處理廠利用污泥消化產(chǎn)生的沼氣進(jìn)行發(fā)電，沼氣發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行中產(chǎn)生的大量余熱，作為加熱污泥的熱源，這將節(jié)約大量的熱能，達(dá)到節(jié)省能源，降低能耗的目的。圖1為能源利用流程圖。

2 能源利用途徑

　　高碑店污水處理廠工程沼氣發(fā)電系統(tǒng)選用三臺奧地利JMS316－BL型沼氣發(fā)電機(jī)，發(fā)電機(jī)總?cè)萘考s2000KW，單臺發(fā)電機(jī)容量為625KW。該系統(tǒng)在運(yùn)行過程中有三個部分產(chǎn)生的熱能可回收利用，它們是：燃?xì)饣旌蠠崮堋⒏滋姿疅崮芎蜐櫥蜔崮芗拔矚忉尫诺臒崮?。?所示為各部分熱能回收量與回收率，圖2為沼氣發(fā)電機(jī)組熱能回收系統(tǒng)，圖3為單臺沼氣發(fā)電機(jī)組能量平衡圖。

沼氣發(fā)電系統(tǒng)熱能回收量與回收率 單位：kw（萬kcal） 表1序號項(xiàng)目回收量回收率備注1燃?xì)饣旌蠠崮?8（8.4）5.8%　2缸套水和潤滑油熱能283(24.3)16.6%

　　由圖2可知，進(jìn)入發(fā)電機(jī)的冷水，流量39.4m³／h，溫度為70℃，吸收沼氣發(fā)電機(jī)的熱能后流量不變，溫度升為90℃，進(jìn)入余熱利用系統(tǒng)。由圖3可知由沼氣產(chǎn)生的總能量中有40％轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能，60％轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?。其?0％機(jī)械能中的38.3％轉(zhuǎn)換為電能；60％熱能中的50.3％作為余熱可回收利用，總能量回收效率可達(dá)88.6％。該回收率高于一般的沼氣發(fā)電機(jī)。

3 熱平衡系統(tǒng)

　　該熱平衡是通過某種調(diào)節(jié)手段，使供熱系統(tǒng)提供的熱量恰好與需熱系統(tǒng)所需熱量相同。供熱系統(tǒng)的熱量為沼氣發(fā)電系統(tǒng)產(chǎn)生的余熱和蒸汽鍋爐補(bǔ)充熱量的總和；需熱系統(tǒng)的熱量是指消化池正常運(yùn)行時所需熱量。
　　3.1 供熱系統(tǒng)運(yùn)行工況
　　3.1.1 沼氣發(fā)電機(jī)
　　沼氣發(fā)電系統(tǒng)余熱熱量計算，
　　　　Q＝CA△t （1）
　　其中，Q－供（需）熱量（Kcal／h）
　　　　　C－介質(zhì)的傳熱系數(shù)（Kcal／m³℃）
　　　　　A－介質(zhì)流量（m³／h）
　　　　　△t－介質(zhì)溫度的變化（℃）
　　如前所述，余熱利用了燃?xì)饣旌?、缸套水、潤滑油及尾氣四部分熱能，單臺發(fā)電機(jī)組熱能總值為856KW（73.6萬Kcal／h）。單臺機(jī)組在不同負(fù)荷情況下所提供的熱量是變化回收的，見表2。同樣，沼氣發(fā)電系統(tǒng)供熱量也隨機(jī)組臺數(shù)的變化而變化。

單臺機(jī)級能量隨負(fù)荷變化表 單位kw(萬kcal) 表2 沼氣發(fā)電系統(tǒng)熱能回收量與回收率 單位：kw（萬kcal） 表1項(xiàng)目100%負(fù)荷75%負(fù)荷50%負(fù)荷總輸入能量1703 (146.5)1321 (113.6)969 (83.3)總回收熱能856 (73.6)675 (58.0)491 (42.2)其中:

　　從能量分配得知，三臺發(fā)電機(jī)滿負(fù)荷運(yùn)行時，沼氣進(jìn)氣總能量為3×1703＝5109KW（439.4萬Kcal／h，100％），總發(fā)電量為3×652＝1956KW（168.2萬Kcal／h，38.3％），熱回收總量為3×856＝2568KW（220.8萬Kcal／h，50％），尾氣損失能量為3×139＝417KW（35.9萬Kcal／h，8.1％），機(jī)組輻射損失能量為3×56＝168KW（14.4萬Kcal／h，3.3％）。三臺機(jī)組滿負(fù)荷運(yùn)行時可利用的最大熱能為2568KW（220.8萬Kcal／h，50.3％）。
　　3.1.2 蒸汽鍋爐汽水交換
　　沼氣發(fā)電系統(tǒng)所產(chǎn)生的余熱隨其運(yùn)行臺數(shù)與負(fù)荷的不同而變化，加熱污泥所需熱量相對較穩(wěn)定，當(dāng)余熱提供熱量不能滿足消化池所需熱量時，可利用蒸汽鍋爐作為補(bǔ)充熱源。補(bǔ)充熱源是由蒸汽鍋爐產(chǎn)生的蒸汽，通過汽水熱交換器產(chǎn)生熱水供給泥水熱交換器使用，以補(bǔ)充熱量不足部分。補(bǔ)充熱量為消化池污泥全年最冷月需熱量226.8萬Kcal／h。（見表6）
　　3.2 需熱系統(tǒng)工況
　　加熱是污泥中溫厭氧消化的重要條件，為保證消化池在35℃條件下正常運(yùn)行，采用污泥池外間接加熱法。螺旋板式泥水熱交換器對污泥加熱。
　　3.2.1 加熱污泥的耗熱量計算
　　新鮮污泥溫度變化。如圖4。

按照消化池的投泥次數(shù)，每天投泥4次，每次1小時，每次投泥量90m³／h，得出單池新鮮污泥平均耗熱量Q泥。如表3所示。

單位:1000Kacl/h 表3 沼氣發(fā)電系統(tǒng)熱能回收量與回收率 單位：kw（萬kcal） 表1月份123456

泥耗熱量

月份

泥耗熱量

　　3.2.2 消化池池體耗熱量計算
　　根據(jù)北京市氣溫及地溫的變化，按照公式：
　　　　Q_池＝FK（T_D－T_A） （2）
　　其中，Q_池：消化池池體耗熱量（Kcal／h）
　　　　　F：池蓋、池壁及池底的散熱面積（m²）
　　　　　K：池蓋、池壁及池底的散熱系數(shù)（Kcal／m²·h·℃）
　　　　　T_D：消化溫度（℃）
　　　　　T_A：池外介質(zhì)溫度（℃）
　　得出消化池池體耗熱量，見表4。

單位:萬Kcal/h 表4月份123456池體耗熱理351823460229224229601741413762月份789101112池體耗熱量119331294215896214622756733401

　　污泥平均耗熱量與池體耗熱量之和，同事考慮10%的管道損耗，得出六座一級消化池所需熱量。見表5及圖5。

單位:萬Kcal/h 表5月份123456

消化池所需熱量

月份

消化池所需熱量

　　消化池冬季所需最大加熱量為226.8萬Kcal／h。夏季最小加熱量為138.3萬Kcal／h。
　　3.3 熱平衡系統(tǒng)的聯(lián)接
　　3.3.1 供熱系統(tǒng)能量傳遞
　　圖5表示污泥處理熱平衡系統(tǒng)。
　　冬季三臺發(fā)電機(jī)組滿負(fù)荷運(yùn)行，余熱量基本滿足消化池所需熱量。若發(fā)電機(jī)組未滿負(fù)荷運(yùn)行，可通過汽水熱交換器補(bǔ)充熱量。當(dāng)夏季發(fā)電機(jī)組提供的余熱量大于消化池所需熱量時，發(fā)電機(jī)組啟動自身保護(hù)系統(tǒng)－緊急風(fēng)冷器，將余熱釋放。以下為四種典型的加熱系統(tǒng)流程。
　?。?）全部利用發(fā)電機(jī)組余熱加熱污泥系統(tǒng)（見圖6）。
　　沼氣發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的余熱可滿足加熱消化污泥所需的熱能，而無需外界補(bǔ)充熱源，即消化池加熱系統(tǒng)與沼氣發(fā)電機(jī)熱交換系統(tǒng)相聯(lián)。
　?。?）沼氣發(fā)電機(jī)未運(yùn)行的加熱污泥系統(tǒng)（見圖7）。
　　當(dāng)運(yùn)行初期沼氣發(fā)電機(jī)未運(yùn)行或未正常運(yùn)行時，消化污泥需要加熱，需使用外界補(bǔ)充熱源，用汽水熱交換器提供熱水至泥水熱交換器加熱污泥，即消化池加熱系統(tǒng)與汽水熱交換器熱交換系統(tǒng)相聯(lián)。
　　當(dāng)產(chǎn)氣量少或消化池檢修時，沼氣發(fā)電機(jī)未滿負(fù)荷運(yùn)行（50％或70％），臺數(shù)減少以及冬季最冷的情況下，單憑沼氣發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的余熱不能滿足加熱消化污泥所需的熱能時，需加用外界補(bǔ)充熱源，即消化池加熱系統(tǒng)與沼氣發(fā)電機(jī)熱交換系統(tǒng)和汽水熱交換器串聯(lián)系統(tǒng)相聯(lián)。

　　(3) 利用發(fā)電機(jī)組余熱和補(bǔ)充熱源的加熱污泥系統(tǒng)(見圖8)。

　?。?）污泥消化非正常運(yùn)行的加熱污泥系統(tǒng)（見圖9）。

　　當(dāng)沼氣發(fā)電機(jī)余熱熱水經(jīng)泥水熱交換器回至發(fā)電機(jī)冷卻水人口處，其溫度大于70℃，不滿足發(fā)電機(jī)冷卻要求或消化池本身污泥系統(tǒng)未運(yùn)行時，需用發(fā)電機(jī)自身配套水水熱交換器，通過緊急風(fēng)冷器冷卻。
　　3.3.2供需熱系統(tǒng)內(nèi)部能量調(diào)節(jié)
　　從能量的需求看，沼氣發(fā)電機(jī)系統(tǒng)產(chǎn)生的余熱能夠滿足污泥加熱的要求，但由于泥水熱交換器對進(jìn)水溫度有特殊要求：
　　① 進(jìn)水溫度不大于75℃。若大于75℃，污泥易結(jié)垢，影響傳熱效率。
　?、?進(jìn)、出水溫差不宜大于8℃，否則熱交換器傳熱效率降低。
　　而沼氣發(fā)電系統(tǒng)冷卻水出水溫度為90℃，兩者之間差別見表6。

設(shè)備對溫度及流量的要求 表6 項(xiàng)目泥水熱交換器沼氣發(fā)電機(jī)組進(jìn)水溫度(℃)7570出水溫度（℃）68.7 90流量（m³/h）60*639.4*3熱量（萬Kcal/h）226.8236

　　沼氣發(fā)電系統(tǒng)所產(chǎn)生的高溫?zé)崴荒軐ξ勰嘀苯舆M(jìn)行加熱。因此，需要設(shè)置溫度和流量調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)，見圖10。通過該系統(tǒng)將泥水熱交換器出口較低溫度的水與發(fā)電機(jī)組較高溫度的冷卻水混合，達(dá)到泥水熱交換器進(jìn)口水溫的要求。按式（3）、（4）、（5）可以算出不同條件下進(jìn)出水的溫度和流量。這一過程可全部自控完成。

　　　　q₂＝q₁＋q₃ （3）
　　　　Q＝q₂＊1000 （t_w1－t_w2） （4）
　　　　q₂t_w2＝q₁t_e＋q₃t_w1 （5）
　　其中，　q₁：發(fā)電機(jī)出水流量（m³／h）
　　　　　　q₂：泥水熱交換器進(jìn)水流量（m³／h）
　　　　　　q₃：回流量（m³／h）
　　　　　　t_w1：泥水熱交換器出水溫度（℃）
　　　　　　t_w2：泥水熱交換器進(jìn)水溫度（℃）
　　　　　　t_e：發(fā)電機(jī)出水溫度（℃）
　　　　　　Q：泥水熱交換器的供熱量（Kcal／h）
　　采用上述方法無需特殊設(shè)備，節(jié)省投資，自動調(diào)節(jié)，管理方便。
　　3.4 熱平衡系統(tǒng)的特點(diǎn)
　?、僭谡＿\(yùn)行情況下，發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的余熱能滿足消化池污泥加熱的熱量，節(jié)能綜合利用率高，總能量回收率達(dá)到88.6％，熱能回收50.3％。
　?、跓崞胶庀到y(tǒng)既相對獨(dú)立又相互補(bǔ)充，可以滿足各種工況下污泥加熱的要求，組合靈活。
　　③泥水熱交換器采用螺旋板式換熱器，傳熱系數(shù)為1000Kcal／m²·h·℃。傳熱效率高，檢修管理方便。對熱交換器進(jìn)水口溫度進(jìn)行控制，防止過熱結(jié)垢現(xiàn)象。
　?、茉谙匦锜峒鞍l(fā)電系統(tǒng)余熱供熱之間水量或水溫不匹配的情況下，設(shè)置簡單的調(diào)節(jié)裝置（回流閥），即滿足熱量轉(zhuǎn)換又滿足泥水熱交換器及發(fā)電機(jī)組進(jìn)水口水溫的要求，使得熱能有效合理利用，并便于操作管理。
　?、葸B續(xù)污泥加熱，運(yùn)行簡便。

4 設(shè)計中應(yīng)注意的問題

　?、僮骱孟丶盁嵫h(huán)系統(tǒng)管道的保溫，減少熱量損失。
　?、诳刂颇嗨疅峤粨Q器進(jìn)水溫度，控制溫度在75℃以下，以防止過熱結(jié)垢。
　?、畚勰嘀袚]發(fā)性固體的種類及在消化池的分解程度，直接影響甲烷含量及產(chǎn)氣率，影響能量利用。
　　④沼氣發(fā)電機(jī)的電力并人市政電網(wǎng)，其負(fù)荷可以平穩(wěn)運(yùn)行。沼氣系統(tǒng)中設(shè)有貯氣柜，可調(diào)節(jié)產(chǎn)氣率的變化，也為沼氣發(fā)電機(jī)提供平穩(wěn)運(yùn)行條件。因此應(yīng)控制每臺發(fā)電機(jī)，盡量在100％高負(fù)荷條件下運(yùn)行，從而提高總能量回收率。
　　⑤消化池運(yùn)行初期未產(chǎn)生沼氣時，需使用外熱源蒸汽鍋爐，通過汽水熱交換器用熱水加熱污泥。

5 經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益

　　沼氣是污泥消化的副產(chǎn)品，若剩余氣體直接排放，會污染環(huán)境；沼氣發(fā)電機(jī)尾氣是發(fā)電時的副產(chǎn)品，若直接排放，會造成熱污染。因此，利用沼氣發(fā)電余熱回收利用，可減少空氣污染和熱污染。通過能源利用，可節(jié)電、節(jié)煤、降低污水處理成本，達(dá)到綜合利用的目的。

6 結(jié)論

　?、倮谜託獍l(fā)電系統(tǒng)產(chǎn)生的余熱加熱污泥的方法在一定規(guī)模的污水處理廠中非常適用。
　?、谕ㄟ^建立熱平衡系統(tǒng)，分析需熱與供熱之間的矛盾，使得沼氣發(fā)電系統(tǒng)所產(chǎn)生的余熱獲得充分的利用。每年可節(jié)約燃煤約5100噸。
　?、墼诎l(fā)電機(jī)發(fā)電量為2000KW的條件下：
　　電能利用率達(dá)38.3％；
　　熱能利用率達(dá)50.3％；
　　能量總回收率達(dá)88.6％；
　　每年可節(jié)約用電1750萬度。通過沼氣發(fā)電機(jī)余熱利用，可節(jié)省全廠30％以上的用電量。
　　④通過沼氣發(fā)電和余熱利用，降低污水處理成本。