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由于我國經(jīng)濟(jì)的快速增長,城市的污水處理量  與日劇增,相應(yīng)污泥的量也隨之增多2),近年來,  污泥紅泥膜沼氣池厭氧消化由于具備回收潛在能量和降低環(huán)境危  害的功能成為應(yīng)用最為廣泛的污泥處理方式  3-4大部分污水廠紅泥膜沼氣池厭氧消化為中溫消化(33℃),并且產(chǎn)  生的沼氣優(yōu)先用于發(fā)電,發(fā)動機(jī)的余熱用于消化池  和污泥的加熱,不足熱量則由配備的輔助熱源補(bǔ)充  而高溫消化(55℃)因其衛(wèi)生條件好、消化時(shí)間短、產(chǎn)氣量較多等優(yōu)點(diǎn)逐漸成為未來發(fā)展的方向。但高溫消化對溫度要求高,需要的加熱量大,目前主要利用燃煤、燃?xì)忮仩t將污泥加熱至反應(yīng)溫度,其處理工藝能耗高并造成了大量污染物的排放。因此,高能耗成為紅泥膜沼氣池厭氧消化系統(tǒng)推廣普及應(yīng)用的制約因素。

本文設(shè)計(jì)在污水廠內(nèi)鋪設(shè)太陽能集熱器和高溫水源熱泵,采集太陽能以及中水低位熱能作為輔助熱源加熱污泥,使其高溫紅泥膜沼氣池厭氧紅泥膜沼氣池發(fā)酵產(chǎn)生沼氣熱電聯(lián)產(chǎn);對于太陽能不足時(shí),利用高溫水源熱泵從中水里提取熱量加熱污泥,從而實(shí)現(xiàn)污泥的高溫紅泥膜沼氣池厭氧紅泥膜沼氣池發(fā)酵?；谔柲芨邷厮礋岜霉岬姆桨赶?對污泥高溫紅泥膜沼氣池厭氧紅泥膜沼氣池發(fā)酵系統(tǒng)進(jìn)行綜合評價(jià),期望為此系統(tǒng)推廣應(yīng)用提供有利參考。

1工程概況

該污水處理廠服務(wù)面積24km2,工程設(shè)計(jì)規(guī)模為16萬m3,1期工程于1993年竣工投產(chǎn)運(yùn)行,處理工藝采用A-B法,日處理規(guī)模8萬m3,在2010年擴(kuò)

建工程增加8萬的處理能力。污水處理工藝改為MSBR工藝法,出水水質(zhì)全部達(dá)到現(xiàn)行國家城市生  活污水一級B排放標(biāo)準(zhǔn)。該污水廠采用額定功率500kW的燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組,共設(shè)有4臺發(fā)電機(jī)組。2污泥中溫消化熱電聯(lián)產(chǎn)工藝分析

該水廠采用“中溫紅泥膜沼氣池厭氧消化+熱電聯(lián)產(chǎn)”工藝,通過清潔能源沼氣發(fā)電自用以節(jié)省能源;主要利用

發(fā)電余熱回收熱能維持中溫紅泥膜沼氣池厭氧消化運(yùn)行。  污水處理和污泥紅泥膜沼氣池厭氧紅泥膜沼氣池發(fā)酵工藝過程如下:初沉  池產(chǎn)生的污泥經(jīng)過預(yù)濃縮池重力濃縮后與MsBR池處  理后經(jīng)重力濃縮和機(jī)械濃縮后的剩余污泥混合,進(jìn)入紅泥膜沼氣池厭氧消化池進(jìn)行中溫紅泥膜沼氣池厭氧消化,一般消化溫度為35℃38℃C,產(chǎn)生的沼氣用于廠內(nèi)發(fā)電自用;在冬天無法滿足所需熱量的條件時(shí)將生成的一部分沼氣用于加熱水鍋爐5。沼氣熱電聯(lián)產(chǎn)現(xiàn)有系統(tǒng)如圖1。

3運(yùn)行參數(shù)分析

據(jù)資料顯示,我國污泥紅泥膜沼氣池厭氧紅泥膜沼氣池發(fā)酵系統(tǒng)幾乎全部  采用中溫紅泥膜沼氣池發(fā)酵,原因主要是中溫紅泥膜沼氣池發(fā)酵污泥所需要的  熱量少,投資較小。本文中青島某污水廠污泥采用的就是中溫紅泥膜沼氣池發(fā)酵,發(fā)電機(jī)組的缸套水熱量和煙氣鍋爐產(chǎn)生的熱量可以基本維持中溫紅泥膜沼氣池厭氧消化系統(tǒng)的運(yùn)行。與中溫消化相比,高溫消化時(shí)污泥的紅泥膜沼氣池發(fā)酵時(shí)間短,產(chǎn)氣量多,筆者在現(xiàn)有熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計(jì),提出了基于污泥紅泥膜沼氣池厭氧紅泥膜沼氣池發(fā)酵的太陽能高溫水源熱泵供熱系統(tǒng),為高溫紅泥膜沼氣池發(fā)酵補(bǔ)充熱量6-。

目前我國幾乎沒有污水廠采用污泥高溫消化系

統(tǒng),因此在本設(shè)計(jì)中筆者根據(jù)2016年該污水廠中溫運(yùn)行的數(shù)據(jù)推算系統(tǒng)改用高溫消化后系統(tǒng)的運(yùn)行情況。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)可知,在相同污泥量的情況下,高溫消化產(chǎn)氣量相較于中溫消化產(chǎn)氣量將提高40%-60%(本文取50%)。依據(jù)內(nèi)燃機(jī)的性能曲線,發(fā)電機(jī)的運(yùn)行負(fù)荷增加使得內(nèi)燃機(jī)的平均發(fā)電效率提高了4%,但高溫消化管路的熱損失有所提高(由中溫消化的5%提高到10%)。由于全年系統(tǒng)運(yùn)行影響因素較多,筆者根據(jù)中溫時(shí)測得新鮮污泥溫度、環(huán)境日平均溫度、單位污泥產(chǎn)沼氣量和沼氣中甲烷含量等影響因素的波動性大小,將污水廠全年運(yùn)行數(shù)據(jù)劃分為4個階段,并根據(jù)以上推論通過

能量守恒定律和質(zhì)量守恒定律計(jì)算出高溫系統(tǒng)沼氣  量A,發(fā)電量B,污泥消化需熱量C,回收余熱量D  和系統(tǒng)總需熱量E,現(xiàn)將該污水廠的現(xiàn)有系統(tǒng)和高  溫污泥紅泥膜沼氣池厭氧紅泥膜沼氣池發(fā)酵系統(tǒng)各個階段運(yùn)行情況進(jìn)行對比,  如圖2~圖5所示。

由圖2-圖5可知,中溫系統(tǒng)污泥能夠基本靠發(fā)電機(jī)組的回收余熱保持中溫紅泥膜沼氣池發(fā)酵,需要外界提供  的熱量較少,由于階段1和階段2的新鮮污泥的溫  度較高,污泥消化需熱量減少,造成回收的機(jī)組余熱  量大于系統(tǒng)需熱量。回收的機(jī)組余熱量較中溫系統(tǒng)

多32%~50%,高溫系統(tǒng)的總需熱量較大,一方面需要水溫較高,另一方面主要是循環(huán)水進(jìn)入分水器的水溫有要求(不超過45℃),循環(huán)水加熱完污泥之后需要繼續(xù)與中水換熱達(dá)到合適水溫(44℃)才能進(jìn)入集水器,造成熱量流失。

4基于污泥紅泥膜沼氣池厭氧紅泥膜沼氣池發(fā)酵的沼氣太陽能耦合熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)

4.1系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

圖6為基于污泥紅泥膜沼氣池厭氧紅泥膜沼氣池發(fā)酵的太陽能+高溫水源熱泵供熱系統(tǒng)。

該系統(tǒng)的兩種運(yùn)行模式如下

(1)太陽能聯(lián)合高溫水源熱泵運(yùn)行模式:太陽能充足時(shí),太陽能集熱器加熱熱水,這時(shí)關(guān)閉閥門  a,打開閥門b,控制循環(huán)熱水全部進(jìn)入太陽能集熱器,于是循環(huán)熱水通過閥門b,在板式換熱器內(nèi)與太陽能集熱器加熱的熱水進(jìn)行換熱,升高溫度,這部分熱水再進(jìn)入高溫水源熱泵被加熱到67℃C~72℃,然后循環(huán)熱水進(jìn)入套管換熱器加熱混合污泥。套管換熱器的出水溫度為53℃左右,不滿足發(fā)電機(jī)組外循環(huán)水要求(冷卻水進(jìn)口溫度<45℃,出口溫度<55℃C),所以需要將這部分熱量換熱給中水,使溫度降低至45℃,換熱后的中水可以作為高溫水源熱泵的低溫?zé)嵩?28℃-32℃),與高溫水源熱泵換熱后排入大海。

(2)高溫水源熱泵獨(dú)立運(yùn)行模式:夜間或者陰  雨天等太陽能不足的情況下,太陽能集熱器不能加  熱循環(huán)熱水,此時(shí)關(guān)閉閥門b,開啟閥門a,使外循環(huán)  水不與太陽能系統(tǒng)的儲熱水箱進(jìn)行換熱,而是全部  直接通過高溫水源熱泵,然后被加熱到加熱污泥所要求的溫度55℃。

4.2太陽能系統(tǒng)  太陽能集熱器是一種吸收太陽的輻射能并向工

質(zhì)傳遞熱量的裝置,目前最常用的主要有平板型太陽能集熱器和真空管型太陽能集熱器。本設(shè)計(jì)中采  用真空管型太陽能集熱器,真空管型太陽能集熱器采用真空保溫,出水溫度較平板型集熱器高,散熱損失比平板型集熱器少很多,即使在寒冷的冬季,真空管型太陽能集熱器仍然能夠集熱,而且它的集熱效率能達(dá)到60%~70%。

受到安裝場地面積限制,現(xiàn)使太陽能集熱器面積為6915.4m2,在光照充足時(shí)承擔(dān)系統(tǒng)部分需熱負(fù)荷,其余熱負(fù)荷由高溫水源熱泵補(bǔ)充。4個階段太陽能集熱器供熱量如表1所示。

4.3高溫水源熱泵系統(tǒng)

該污水廠的污水通過污水處理工藝得到的最后出水為中水,其無毒無腐蝕,并且冬季比環(huán)境溫度高,在10℃-17℃之間;夏季比環(huán)境溫度低,在20℃23℃之間;污水廠日產(chǎn)中水在14萬噸左右;高溫紅泥膜沼氣池厭氧紅泥膜沼氣池發(fā)酵系統(tǒng)中,中水需要將從污泥套管換熱器出來后的50℃左右的熱水換熱至44℃左右,如果直接排海,會造成大量的熱量浪費(fèi)。采用板式換熱器換熱,使得換熱后的中水溫度在28℃~32℃之間,采取高溫水源熱泵從中水中提取熱量,回收中水里的熱量補(bǔ)充系統(tǒng)總需熱量,高溫水源熱泵能效比cop=3.8,出水溫度在67℃~72℃之間2。

5系統(tǒng)方案的綜合評價(jià)

5.1系統(tǒng)能量分析  根據(jù)熱力學(xué)第一定律,系統(tǒng)的熱能和機(jī)械能在  轉(zhuǎn)移或轉(zhuǎn)換時(shí)能量的總量必定守恒。現(xiàn)將高溫系線  的各個子系統(tǒng)的能量參數(shù)計(jì)算出來,圖7為系統(tǒng)的能量分析。

由圖可知,4個階段的系統(tǒng)日總需熱量在4萬  5.8萬kWh,差異較明顯;由于太陽能輻射量變化  不大,太陽能供熱量較穩(wěn)定,在每天1.2萬~1.6萬  kWh;在4個階段中高溫水源熱泵都承擔(dān)了大部分  的系統(tǒng)總需熱負(fù)荷,循環(huán)水與中水換熱流失到中水  里的系統(tǒng)熱量得到有效回收,會消耗部分電量,使系統(tǒng)凈發(fā)電量減少。

5.2經(jīng)濟(jì)效益分析

5.2.1系統(tǒng)的改進(jìn)初投資

系統(tǒng)改進(jìn)初投資主要是對該系統(tǒng)引入的高溫水  源熱泵,太陽能集熱器等設(shè)備的成本、設(shè)備安裝費(fèi)、

配套費(fèi)等進(jìn)行分析計(jì)算。根據(jù)市場調(diào)研得知,高溫水源熱泵的價(jià)格約為0.6元,W,太陽能集熱器按照600元·m2計(jì)算,板式換熱器與套管換熱器均按300元·m2計(jì)算,熱泵配套費(fèi)按180元kW計(jì)算系統(tǒng)改進(jìn)初投資的具體計(jì)算數(shù)據(jù)見表2

5.2.2費(fèi)用年值  費(fèi)用年值法是將項(xiàng)目初投資的現(xiàn)值按照時(shí)間價(jià)  值等額分?jǐn)偟礁魇褂媚晗拗腥サ膭討B(tài)經(jīng)濟(jì)分析方  法。其包括年固定費(fèi)用和年運(yùn)行費(fèi)用,年固定費(fèi)用  為系統(tǒng)初投資在使用年限內(nèi)每年消耗的費(fèi)用,計(jì)算  得到年固定費(fèi)用為723萬元,年運(yùn)行費(fèi)用為194萬  元,費(fèi)用年值為266.3萬元。

5.2.3年電費(fèi)收益

收益指來自發(fā)電所獲得的凈發(fā)電收益與費(fèi)用年  值的差值。全部沼氣所發(fā)電的收入(平均凈發(fā)電量  23163kWh:d-1),按一年8000h發(fā)電的時(shí)間來計(jì)  算,電價(jià)按0.89元·度計(jì),則年發(fā)電收入為  687.15萬元。年電費(fèi)收益為420萬元,同時(shí)求得中  溫系統(tǒng)的收益為459萬元,高溫系統(tǒng)的年電費(fèi)收益較中溫系統(tǒng)少8.5%。

5.3環(huán)境效益分析

基于環(huán)境效益的評價(jià)指標(biāo)成為評價(jià)一個方案系統(tǒng)優(yōu)劣不可缺少的標(biāo)準(zhǔn)。污水廠的沼氣熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)相對于單產(chǎn)系統(tǒng)來說主要體現(xiàn)在CO2,SO2,NO以及煙塵的減排量;系統(tǒng)總的凈發(fā)電量為72萬kWh因此,對減少煤炭燃燒所帶來的效益E進(jìn)行估算,該系統(tǒng)環(huán)境效益E約為224.7萬元,同時(shí)求得中溫系統(tǒng)的環(huán)境效益E約為132.1萬元,高溫系統(tǒng)較中溫系統(tǒng)的環(huán)境效益提高70.1%。

6結(jié)論

(1)采用太陽能高溫水源熱泵供熱系統(tǒng)為污  泥供熱,可充分利用太陽能、中水能等可再生能源,

減少一次能源的消耗量,與傳統(tǒng)供熱系統(tǒng)相比,既節(jié)約能源又清潔環(huán)保。  (2)高溫水源熱泵能夠回收大量套管換熱器出  水換熱到中水中的熱量,且提升了循環(huán)水溫度,使套  管換熱器的溫度達(dá)到67℃-72℃。其中第3階段  能夠全部回收熱量,其余階段均部分回收中水中的熱量,減少系統(tǒng)熱量流失。  (3)太陽能集熱器由于受到安裝面積和初投資  的限制,只能承擔(dān)本系統(tǒng)中24%~38%的系統(tǒng)總需  熱量。高溫水源熱泵不僅能承擔(dān)大部分的熱量負(fù)  荷,而且還能夠提高循環(huán)水的溫度,但高溫水源熱泵  需要消耗發(fā)電量,減少凈發(fā)電量,造成收益減少。  (4)太陽能-高溫水源熱泵供熱系統(tǒng)的初投資較  大,造成實(shí)際的年電費(fèi)收益略少于中溫系統(tǒng),但紅泥膜沼氣池發(fā)酵  時(shí)間短、產(chǎn)氣量多,凈發(fā)電量較大,環(huán)境效益較中溫系統(tǒng)提高70.1%。

摘自《中國沼氣》第4期 劉杰 王軍 萬鵬 郭煒