崔濡川, 周恩澤, 劉 杰

(青島理工大學(xué) 環(huán)境與市政工程學(xué)院， 山東 青島 266000)

近年來沼氣作為清潔能源的一種得到了人們廣泛關(guān)注。沼氣的高效制備和綜合利用是一種雙向清潔的過程，一方面開發(fā)了清潔的可再生能源，另一方面減少了大量有機(jī)廢物的排放，實(shí)現(xiàn)廢物的資源化利用。污水廠中污泥資源豐富，經(jīng)厭氧消化可得到大量沼氣。目前國內(nèi)外污水廠沼氣工程的主要應(yīng)用方式是沼氣熱電聯(lián)產(chǎn)，系統(tǒng)產(chǎn)生的電能用于水廠生產(chǎn)，對內(nèi)燃機(jī)排放的高溫?zé)煔庥酂徇M(jìn)行回收后用于污泥加熱形成閉式循環(huán)[1]。

德國是當(dāng)今世界上沼氣工程技術(shù)發(fā)展和實(shí)踐應(yīng)用最為成功的國家之一，污泥的減量化水平及污水廠電能自給自足程度較高[2-3]。德國在沼氣工程領(lǐng)域一直處于世界領(lǐng)先的地位，截至2014年，德國已建成的沼氣工程項(xiàng)目已達(dá)到10786個(gè)，占整個(gè)歐洲的62.6%[4]，目前德國沼氣工程中有98%的項(xiàng)目采取了產(chǎn)氣發(fā)電上網(wǎng)的系統(tǒng)形式[5]。在污水廠中，沼氣熱電聯(lián)產(chǎn)發(fā)電技術(shù)是應(yīng)用得最廣泛的。這主要是因?yàn)槲鬯畯S是城鎮(zhèn)規(guī)模很大的耗電單位，一般可占到城鎮(zhèn)耗電量的0.6%～1%，同時(shí)污泥含有大量的熱能和有機(jī)化學(xué)能，其潛在的能量通常高于污水處理廠運(yùn)行所需的電能。因此提高污泥發(fā)酵沼氣熱電聯(lián)產(chǎn)的發(fā)電量對于提升系統(tǒng)性能，提高沼氣利用率，降低污水廠生產(chǎn)電耗意義重大。目前德國污水廠電能自給電量可達(dá)到58%以上，高溫系統(tǒng)甚至可達(dá)到70%，沼氣利用率可高達(dá)98%[3]。

目前國內(nèi)已有較多污水廠采用了污泥中溫發(fā)酵沼氣熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)，少數(shù)項(xiàng)目采用了污泥高溫發(fā)酵沼氣熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)，這些污水廠電能的自給電量一般只能達(dá)到30%～40%，沼氣利用率達(dá)到70%左右[6]。對比于德國沼氣工程現(xiàn)狀，我國在水廠自供電比例及沼氣利用率方面還有很大的提升空間。筆者通過對國內(nèi)的多個(gè)污水廠沼氣熱電聯(lián)產(chǎn)的運(yùn)行現(xiàn)狀進(jìn)行分析研究，發(fā)現(xiàn)目前的系統(tǒng)運(yùn)行情況多數(shù)僅限于完成閉式循環(huán)，在余熱回收過程中，煙氣的利用方式火用損失較大，且沒有有效回收煙氣水蒸氣潛熱，在能量的合理利用方面還有待完善，有必要在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中充分考慮能量的品位不同，應(yīng)用能量梯級利用原則以提出更合理的流程。

1 符合能量梯級利用原則的污泥中溫發(fā)酵沼氣熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的提出

1.1 系統(tǒng)的構(gòu)成及運(yùn)行模式

能量梯級利用原則基于熱能品位概念的“溫度對口、梯級利用”理念，作為普遍適用的熱能利用原理，可有效提升能源利用率，降低熱能利用過程的火用損失。

本文針對目前國內(nèi)污水廠沼氣熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)運(yùn)行過程中存在的對能量利用不夠合理的問題，遵從能量的梯級利用原則，提出了一套更為完善的沼氣熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)流程。系統(tǒng)簡圖如圖1所示。

相比于原有系統(tǒng)，改進(jìn)后系統(tǒng)增加了小型抽凝式汽輪機(jī)組利用余熱鍋爐產(chǎn)生的蒸汽進(jìn)行中溫發(fā)電自用，提升了余熱回收過程的火用效率。利用煙氣冷凝換熱器充分回收煙氣中的潛熱，使余熱回收過程溫度梯度更加平緩，并提升了系統(tǒng)的能源利用率。回收的潛熱與內(nèi)燃機(jī)的缸套冷卻水聯(lián)合對污泥進(jìn)行加熱及保溫，系統(tǒng)中增加的蓄熱水箱可以根據(jù)各季節(jié)需熱量不同調(diào)整煙氣冷凝換熱器部分的水流量，通過控制泥-水換熱器的入口水溫使得污泥始終處于較高效的溫度區(qū)間。

圖1 符合能量梯級利用的污水廠中溫發(fā)酵沼氣熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)流程圖

1.2 系統(tǒng)評價(jià)方法

經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)及熱力學(xué)指標(biāo)是衡量該改進(jìn)后系統(tǒng)性能的主要標(biāo)準(zhǔn)。該系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)主要是指余熱鍋爐產(chǎn)生的中壓蒸汽送入發(fā)電機(jī)組中多發(fā)的電能，其發(fā)電量主要用于水廠生產(chǎn)自用，可節(jié)省一部分運(yùn)行費(fèi)用。該系統(tǒng)熱力學(xué)指標(biāo)主要是用能源利用率及火用效率進(jìn)行衡量。

沼氣通入發(fā)電機(jī)組產(chǎn)生的高溫?zé)煔馔ㄈ胗酂徨仩t產(chǎn)生中壓蒸汽(3.43 MPa，435℃)后送入新增汽輪機(jī)組中進(jìn)行中溫發(fā)電自用，發(fā)電排汽參數(shù)為0.007 MPa，39℃[7]。余熱鍋爐各階段產(chǎn)生的蒸汽量及發(fā)電量可由公式(1)和(2)進(jìn)行計(jì)算：

(1)

W=(h'-h'')×D

(2)

式中:η為鍋爐熱回收率；Q1進(jìn)入鍋爐的總熱量，kJ·h-1；ibz，igs為飽和蒸汽及鍋爐給水的焓值；kJ·kg-1；h'為發(fā)電機(jī)組入口蒸汽焓，kJ·kg-1；h''為發(fā)電機(jī)組排汽蒸汽焓，kJ·kg-1；W為系統(tǒng)發(fā)電量，kW;D為系統(tǒng)產(chǎn)生的蒸汽量，kg·h-1。

能源利用率是指系統(tǒng)總的能量輸出與總輸入的比值，對于該系統(tǒng)則是指發(fā)電量、供熱量的總量與系統(tǒng)消耗的沼氣熱量的比值。該比值越高，則表示系統(tǒng)中的能源利用率越高，能源利用率用下式進(jìn)行分析計(jì)算：

(3)

式中：η1為系統(tǒng)的能源利用率；Q為系統(tǒng)供熱量，kW；Lz為沼氣產(chǎn)量，B為沼氣低位熱值，取20 MJ·m-3。

用火用效率作為一個(gè)衡量指標(biāo)來反應(yīng)出系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)換和利用程度，火用效率越接近1，表示系統(tǒng)中火用損失越小，火用效率的定義為：系統(tǒng)中收益的火用Exg與投入的火用Exh的比值[8]，即：

(4)

2 工程實(shí)例

2.1 污水廠現(xiàn)狀

現(xiàn)有一污水廠位于山東省青島市，匯水面積24萬平方公里，污水主要來源于生活污水及工業(yè)廢水，設(shè)計(jì)日處理規(guī)?？蛇_(dá)到16萬噸，實(shí)際處理量為14.5萬噸，處理工藝為MSBR法。

該廠自2015年開始啟動中溫污泥厭氧發(fā)酵沼氣熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)，目前系統(tǒng)運(yùn)行正常。水廠共有四座圓柱形消化池用于一級中溫厭氧消化，總體積為10335 m3，設(shè)計(jì)日污泥處理量為2000 m3，設(shè)計(jì)發(fā)酵溫度為38℃。目前系統(tǒng)全年平均產(chǎn)氣量為每m3污泥(含水率96%)產(chǎn)8.5 m3沼氣，略高于大部分的污水廠[6]。污泥厭氧消化過程是新鮮污泥鮮重與發(fā)酵剩余污泥鮮重按1∶3.7的比例混合后，送入泥-水換熱器中被加熱后輸送到消化池中進(jìn)行中溫發(fā)酵。

污泥中溫消化需熱量包括污泥發(fā)酵需熱量、消化池散熱量及輸配管道熱損失。目前消化池池體材料保溫性能較差，散熱較為嚴(yán)重，可近似視該部分熱量為發(fā)酵污泥在環(huán)境溫度中的散熱量，管道熱損失可按發(fā)酵需熱量的5%進(jìn)行計(jì)算。污泥發(fā)酵需熱量為將新鮮污泥與剩余污泥混合后的污泥加熱到發(fā)酵溫度的需熱量，其中剩余污泥與發(fā)酵溫度相同，新鮮污泥溫度與該時(shí)期污水溫度相同，受各季節(jié)環(huán)境溫度影響較大。目前設(shè)計(jì)情況是根據(jù)環(huán)境溫度的變化結(jié)合機(jī)組運(yùn)行臺數(shù)將全年運(yùn)行數(shù)據(jù)劃分為6個(gè)階段。各階段對應(yīng)時(shí)間及污泥需熱量如表1所示。

表1 現(xiàn)有系統(tǒng)全年階段劃分及各階段新鮮污泥溫度與發(fā)酵需熱量

2.2 現(xiàn)有的沼氣熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)流程

現(xiàn)流程中的余熱回收流程是將內(nèi)燃機(jī)燃燒后排放的高溫?zé)煔馑腿氲接酂徨仩t中，利用余熱鍋爐產(chǎn)生的低壓蒸汽加熱中水，并與內(nèi)燃機(jī)缸套冷卻水在集水器中混合后送入泥-水換熱器中加熱污泥，被加熱過的污泥輸送到消化池中進(jìn)行發(fā)酵產(chǎn)生沼氣，系統(tǒng)流程如圖2所示。

從目前運(yùn)行水平來看，污泥發(fā)酵的產(chǎn)氣量最多

圖2 污泥厭氧消化與沼氣熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)圖

可保證3臺機(jī)組同時(shí)運(yùn)行，發(fā)電效率一般在50%～90%。污水廠所使用的沼氣內(nèi)燃機(jī)為額定功率500 kW，額定煙氣流量2734 kg·h-1，排煙溫度530℃～590℃，本文中取煙氣溫度為550℃。

2.3 現(xiàn)有系統(tǒng)性能分析

根據(jù)公式(1)～(4)中的熱力學(xué)指標(biāo)計(jì)算公式對現(xiàn)有系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算，全年6個(gè)階段的計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表2 現(xiàn)有系統(tǒng)全年各階段能源利用率及火用效率 (%)

在現(xiàn)行系統(tǒng)中，各階段的火用效率和能源利用率偏低，這主要是因?yàn)槔糜酂徨仩t產(chǎn)生的低壓蒸汽加熱中水這一過程存在一定的火用損失，導(dǎo)致系統(tǒng)火用效率較低；其次目前余熱鍋爐排煙溫度仍較高，潛熱資源沒有被回收導(dǎo)致熱浪費(fèi)嚴(yán)重。與此同時(shí)，通過表1發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有系統(tǒng)的發(fā)酵溫度冬季常處于34℃，在春夏季節(jié)則處于38℃，沒有根據(jù)各季節(jié)環(huán)境溫度的不同調(diào)整用于加熱污泥的熱量，使得發(fā)酵溫度波動較大，不利于機(jī)組的運(yùn)行。

3 基于能量梯級利用原則的改進(jìn)系統(tǒng)

3.1 改進(jìn)后熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)流程

針對該污水廠實(shí)際生產(chǎn)中的問題，結(jié)合所提出的符合能量梯級利用原則的沼氣熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)對現(xiàn)行系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，增加了150 kW小型抽凝式發(fā)電機(jī)兩臺，1000 m3蓄熱水箱，煙氣冷凝式換熱器，100 kW污水源熱泵1臺。改進(jìn)后系統(tǒng)流程如圖3所示。

圖3 污水廠改進(jìn)后系統(tǒng)流程圖

改進(jìn)后余熱回收流程是利用余熱鍋爐產(chǎn)生中溫中壓蒸汽送入發(fā)電機(jī)組中進(jìn)行進(jìn)一步發(fā)電，將余熱鍋爐排煙通過煙氣冷凝式換熱器對煙氣潛熱進(jìn)行深度回收，得到的熱水與內(nèi)燃機(jī)缸套冷卻水在集水器中混合送到水箱中。水箱根據(jù)污泥發(fā)酵所需實(shí)際熱量調(diào)整水量后與集水器混合后將熱水送到泥-水換熱器中加熱污泥，如果消化池散熱量較大則將一部分熱水送到外盤水管中對消化池進(jìn)行保溫。加熱后的熱水重新經(jīng)流量分配返還到兩部分回路中。

蓄熱水箱是維持該系統(tǒng)穩(wěn)定的核心組件，在運(yùn)行過程中，可以根據(jù)泥-水換熱器出口水溫來判斷污泥發(fā)酵的實(shí)際需熱量。當(dāng)熱量充足時(shí)，此時(shí)換熱器出口水溫升高，可加大煙氣冷凝器側(cè)的水流量，利用蓄熱水箱儲存一部分熱量。當(dāng)污泥需熱量變化較大或回收熱量不足時(shí)，換熱器出口水溫降低，首先根據(jù)溫度降低程度調(diào)整蓄熱水箱進(jìn)出口的流量，對消化池及時(shí)進(jìn)行補(bǔ)熱，必要時(shí)開啟污水源熱泵系統(tǒng)以保證污泥發(fā)酵過程的持續(xù)穩(wěn)定的運(yùn)行。同時(shí)蓄熱水箱為外盤水管提供循環(huán)水，對消化池進(jìn)行保溫以降低池體散熱量。

3.2 改進(jìn)后系統(tǒng)運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)工況

中溫發(fā)酵的高效溫度區(qū)間為35℃～38℃[3]，該溫度是甲烷菌第1個(gè)最佳活性溫度區(qū)間，在該溫度區(qū)間內(nèi)污泥產(chǎn)氣量相對較高，且污泥產(chǎn)氣量隨溫度變化不大。對于一般的污泥厭氧消化池來說，溫度變化范圍不宜大于1℃[6]。在本文設(shè)計(jì)中綜合考慮蓄熱水箱的容積及煙氣冷凝器的出水溫度，設(shè)定適合本工程的污泥中溫發(fā)酵的高效溫度區(qū)間應(yīng)為35℃～36℃。相比現(xiàn)有系統(tǒng)，改進(jìn)后系統(tǒng)可根據(jù)各季節(jié)污泥需熱量不同調(diào)整加熱水的流量，使發(fā)酵溫度在全年范圍波動較小，有利于污泥發(fā)酵過程的平穩(wěn)進(jìn)行，發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定。

同時(shí)為盡可能回收煙氣中的余熱資源，設(shè)計(jì)余熱鍋爐排煙溫度為150℃，設(shè)計(jì)煙氣冷凝式換熱器排煙溫度為40℃[7]，泥-水換熱器及蓄熱水箱回水溫度34℃。以此為基礎(chǔ)根據(jù)污泥發(fā)酵需熱量及換熱器設(shè)計(jì)要求對系統(tǒng)各節(jié)點(diǎn)參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，系統(tǒng)中各階段主要運(yùn)行參數(shù)設(shè)計(jì)如表3所示，改進(jìn)后系統(tǒng)運(yùn)行狀況表4所示。

表3 改進(jìn)后系統(tǒng)中各階段主要運(yùn)行參數(shù)

3.3 改進(jìn)后系統(tǒng)評價(jià)

根據(jù)改進(jìn)后系統(tǒng)流程對全年的運(yùn)行情況進(jìn)行預(yù)測計(jì)算，污泥中溫發(fā)酵溫度穩(wěn)定，波動較小。整套流程除去污水源熱泵機(jī)組在熱量回收不足階段需要補(bǔ)熱所耗電量，全年凈多發(fā)電量165.21萬KWh，據(jù)青島地區(qū)工業(yè)分時(shí)電價(jià)進(jìn)行折算污水廠每年可節(jié)約電費(fèi)152.1萬元。改進(jìn)該系統(tǒng)設(shè)備需投資147萬元，考慮安裝及輔機(jī)的投資，預(yù)計(jì)2.2年即可回收所有投資，經(jīng)濟(jì)效益顯著。系統(tǒng)運(yùn)行及凈發(fā)電效益情況見表4所示：

污水廠的沼氣熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的環(huán)保效益相對于燃煤發(fā)電系統(tǒng)來說主要體現(xiàn)在CO2，SO2，NOx以及煙塵的減排量。改進(jìn)后系統(tǒng)相對于燃煤發(fā)電，可節(jié)約558噸標(biāo)準(zhǔn)煤。取標(biāo)煤的CO2，SO2，NOx以及煙塵的排放系數(shù)分別取0.67 t·tce-1,0.0165 t·tce-1,0.0156 t·tce-1,0.0096 t·tce-1，則每年可減少排放CO2373.86 t，SO29.27 t，NOx8.7 t以及煙塵5.36 t[6]，經(jīng)濟(jì)及環(huán)保效益顯著。

根據(jù)經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)及熱力學(xué)指標(biāo)對改進(jìn)后系統(tǒng)進(jìn)行分析評價(jià)，可以發(fā)現(xiàn)改進(jìn)后系統(tǒng)在火用效率及能源利用效率提升明顯，計(jì)算結(jié)果如表5所示。

表4 改進(jìn)后系統(tǒng)全年各階段運(yùn)行及發(fā)電效益情況

4 結(jié)論

通過對比改進(jìn)前后系統(tǒng)的發(fā)酵溫度及系統(tǒng)性能指標(biāo)，可發(fā)現(xiàn)改進(jìn)后的熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的熱能利用過程對于高品位余熱資源利用更加合理，符合“溫度對口，梯級利用”的能量梯級利用原則，系統(tǒng)的能源利用率及火用效率可以達(dá)到更高的水平，整個(gè)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益及環(huán)境效益顯著。整體優(yōu)勢體現(xiàn)在以下幾點(diǎn)：

表5 改進(jìn)后系統(tǒng)全年各階段能源利用率及火用效率及提升

(1)改進(jìn)后系統(tǒng)根據(jù)各季節(jié)污泥需熱量差異較大，利用蓄熱水箱控制泥-水換熱器入口溫度使發(fā)酵溫度在全年范圍內(nèi)保持在35℃～36℃。相比現(xiàn)有系統(tǒng)的發(fā)酵溫度，改進(jìn)后系統(tǒng)的污泥在全年發(fā)酵溫度波動較小且一直處于高效平穩(wěn)的溫度區(qū)間，機(jī)組運(yùn)行性能穩(wěn)定。

(2)改進(jìn)后的系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益顯著及環(huán)境效益。在全年生產(chǎn)過程中，改進(jìn)后系統(tǒng)利用排煙換熱產(chǎn)生的中溫中壓蒸汽可多發(fā)電能165.21萬kWh，系統(tǒng)運(yùn)行2.2年即可回收所有投資，可有效降低水廠的運(yùn)行費(fèi)用。同時(shí)該過程多發(fā)的電能相比于燃煤發(fā)電過程可節(jié)約558噸標(biāo)準(zhǔn)煤，減少了煙氣中的硫氧化物及氮氧化物對城市環(huán)境的污染，環(huán)境效益及經(jīng)濟(jì)效益明顯。

(3)改進(jìn)后的系統(tǒng)的能源利用率和火用效率提升較為明顯。煙氣改進(jìn)后的余熱利用過程對于煙氣余熱回收更加徹底，對于余熱利用途徑更加合理，符合“溫度對口，梯級利用”能量利用原則，各階段的能源利用率及系統(tǒng)火用效率相比原有系統(tǒng)均有一定的提升。在全年范圍內(nèi)系統(tǒng)能源利用率最多提升20.37%，火用效率最多提升7.02%。