符合能量梯級利用原則的污水廠污泥沼氣熱電聯產系統研究

崔濡川, 周恩澤, 劉 杰

(青島理工大學 環境與市政工程學院， 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，一方面開發了清潔的可再生能源，另一方面減少了大量有機廢物的排放，實現廢物的資源化利用。污水廠中污泥資源豐富，經厭氧消化可得到大量沼氣。目前國內外污水廠沼氣工程的主要應用方式是沼氣熱電聯產，系統產生的電能用于水廠生產，對內燃機排放的高溫煙氣余熱進行回收后用于污泥加熱形成閉式循環[1]。

德國是當今世界上沼氣工程技術發展和實踐應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]。德國在沼氣工程領域一直處于世界領先的地位，截至2014年，德國已建成的沼氣工程項目已達到10786個，占整個歐洲的62.6%[4]，目前德國沼氣工程中有98%的項目采取了產氣發電上網的系統形式[5]。在污水廠中，沼氣熱電聯產發電技術是應用得最廣泛的。這主要是因為污水廠是城鎮規模很大的耗電單位，一般可占到城鎮耗電量的0.6%～1%，同時污泥含有大量的熱能和有機化學能，其潛在的能量通常高于污水處理廠運行所需的電能。因此提高污泥發酵沼氣熱電聯產的發電量對于提升系統性能，提高沼氣利用率，降低污水廠生產電耗意義重大。目前德國污水廠電能自給電量可達到58%以上，高溫系統甚至可達到70%，沼氣利用率可高達98%[3]。

目前國內已有較多污水廠采用了污泥中溫發酵沼氣熱電聯產系統，少數項目采用了污泥高溫發酵沼氣熱電聯產系統，這些污水廠電能的自給電量一般只能達到30%～40%，沼氣利用率達到70%左右[6]。對比于德國沼氣工程現狀，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。筆者通過對國內的多個污水廠沼氣熱電聯產的運行現狀進行分析研究，發現目前的系統運行情況多數僅限于完成閉式循環，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，有必要在系統設計中充分考慮能量的品位不同，應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酵沼氣熱電聯產系統的提出

1.1 系統的構成及運行模式

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。

本文針對目前國內污水廠沼氣熱電聯產系統運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產系統流程。系統簡圖如圖1所示。

相比于原有系統，改進后系統增加了小型抽凝式汽輪機組利用余熱鍋爐產生的蒸汽進行中溫發電自用，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，并提升了系統的能源利用率。回收的潛熱與內燃機的缸套冷卻水聯合對污泥進行加熱及保溫，系統中增加的蓄熱水箱可以根據各季節需熱量不同調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間。

圖1 符合能量梯級利用的污水廠中溫發酵沼氣熱電聯產系統流程圖

1.2 系統評價方法

經濟性指標及熱力學指標是衡量該改進后系統性能的主要標準。該系統經濟性指標主要是指余熱鍋爐產生的中壓蒸汽送入發電機組中多發的電能，其發電量主要用于水廠生產自用，可節省一部分運行費用。該系統熱力學指標主要是用能源利用率及火用效率進行衡量。

沼氣通入發電機組產生的高溫煙氣通入余熱鍋爐產生中壓蒸汽(3.43 MPa，435℃)后送入新增汽輪機組中進行中溫發電自用，發電排汽參數為0.007 MPa，39℃[7]。余熱鍋爐各階段產生的蒸汽量及發電量可由公式(1)和(2)進行計算：

(1)

W=(h'-h'')×D

(2)

式中:η為鍋爐熱回收率；Q1進入鍋爐的總熱量，kJ·h-1；ibz，igs為飽和蒸汽及鍋爐給水的焓值；kJ·kg-1；h'為發電機組入口蒸汽焓，kJ·kg-1；h''為發電機組排汽蒸汽焓，kJ·kg-1；W為系統發電量，kW;D為系統產生的蒸汽量，kg·h-1。

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

(3)

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

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

(4)

2 工程實例

2.1 污水廠現狀

現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廢水，設計日處理規模可達到16萬噸，實際處理量為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酵沼氣熱電聯產系統，目前系統運行正常。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，設計日污泥處理量為2000 m3，設計發酵溫度為38℃。目前系統全年平均產氣量為每m3污泥(含水率96%)產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行中溫發酵。

污泥中溫消化需熱量包括污泥發酵需熱量、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，散熱較為嚴重，可近似視該部分熱量為發酵污泥在環境溫度中的散熱量，管道熱損失可按發酵需熱量的5%進行計算。污泥發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酵溫度的需熱量，其中剩余污泥與發酵溫度相同，新鮮污泥溫度與該時期污水溫度相同，受各季節環境溫度影響較大。目前設計情況是根據環境溫度的變化結合機組運行臺數將全年運行數據劃分為6個階段。各階段對應時間及污泥需熱量如表1所示。

表1 現有系統全年階段劃分及各階段新鮮污泥溫度與發酵需熱量

2.2 現有的沼氣熱電聯產系統流程

現流程中的余熱回收流程是將內燃機燃燒后排放的高溫煙氣送入到余熱鍋爐中，利用余熱鍋爐產生的低壓蒸汽加熱中水，并與內燃機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行發酵產生沼氣，系統流程如圖2所示。

從目前運行水平來看，污泥發酵的產氣量最多

圖2 污泥厭氧消化與沼氣熱電聯產系統圖

可保證3臺機組同時運行，發電效率一般在50%～90%。污水廠所使用的沼氣內燃機為額定功率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 現有系統性能分析

根據公式(1)～(4)中的熱力學指標計算公式對現有系統進行計算，全年6個階段的計算結果如表2所示。

表2 現有系統全年各階段能源利用率及火用效率 (%)

在現行系統中，各階段的火用效率和能源利用率偏低，這主要是因為利用余熱鍋爐產生的低壓蒸汽加熱中水這一過程存在一定的火用損失，導致系統火用效率較低；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致熱浪費嚴重。與此同時，通過表1發現現有系統的發酵溫度冬季常處于34℃，在春夏季節則處于38℃，沒有根據各季節環境溫度的不同調整用于加熱污泥的熱量，使得發酵溫度波動較大，不利于機組的運行。

3 基于能量梯級利用原則的改進系統

3.1 改進后熱電聯產系統流程

針對該污水廠實際生產中的問題，結合所提出的符合能量梯級利用原則的沼氣熱電聯產系統對現行系統進行改進，增加了150 kW小型抽凝式發電機兩臺，1000 m3蓄熱水箱，煙氣冷凝式換熱器，100 kW污水源熱泵1臺。改進后系統流程如圖3所示。

圖3 污水廠改進后系統流程圖

改進后余熱回收流程是利用余熱鍋爐產生中溫中壓蒸汽送入發電機組中進行進一步發電，將余熱鍋爐排煙通過煙氣冷凝式換熱器對煙氣潛熱進行深度回收，得到的熱水與內燃機缸套冷卻水在集水器中混合送到水箱中。水箱根據污泥發酵所需實際熱量調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行保溫。加熱后的熱水重新經流量分配返還到兩部分回路中。

蓄熱水箱是維持該系統穩定的核心組件，在運行過程中，可以根據泥-水換熱器出口水溫來判斷污泥發酵的實際需熱量。當熱量充足時，此時換熱器出口水溫升高，可加大煙氣冷凝器側的水流量，利用蓄熱水箱儲存一部分熱量。當污泥需熱量變化較大或回收熱量不足時，換熱器出口水溫降低，首先根據溫度降低程度調整蓄熱水箱進出口的流量，對消化池及時進行補熱，必要時開啟污水源熱泵系統以保證污泥發酵過程的持續穩定的運行。同時蓄熱水箱為外盤水管提供循環水，對消化池進行保溫以降低池體散熱量。

3.2 改進后系統運行標準工況

中溫發酵的高效溫度區間為35℃～38℃[3]，該溫度是甲烷菌第1個最佳活性溫度區間，在該溫度區間內污泥產氣量相對較高，且污泥產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]。在本文設計中綜合考慮蓄熱水箱的容積及煙氣冷凝器的出水溫度，設定適合本工程的污泥中溫發酵的高效溫度區間應為35℃～36℃。相比現有系統，改進后系統可根據各季節污泥需熱量不同調整加熱水的流量，使發酵溫度在全年范圍波動較小，有利于污泥發酵過程的平穩進行，發電系統運行穩定。

同時為盡可能回收煙氣中的余熱資源，設計余熱鍋爐排煙溫度為150℃，設計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℃。以此為基礎根據污泥發酵需熱量及換熱器設計要求對系統各節點參數進行設計計算，系統中各階段主要運行參數設計如表3所示，改進后系統運行狀況表4所示。

表3 改進后系統中各階段主要運行參數

3.3 改進后系統評價

根據改進后系統流程對全年的運行情況進行預測計算，污泥中溫發酵溫度穩定，波動較小。整套流程除去污水源熱泵機組在熱量回收不足階段需要補熱所耗電量，全年凈多發電量165.21萬KWh，據青島地區工業分時電價進行折算污水廠每年可節約電費152.1萬元。改進該系統設備需投資147萬元，考慮安裝及輔機的投資，預計2.2年即可回收所有投資，經濟效益顯著。系統運行及凈發電效益情況見表4所示：

污水廠的沼氣熱電聯產系統的環保效益相對于燃煤發電系統來說主要體現在CO2，SO2，NOx以及煙塵的減排量。改進后系統相對于燃煤發電，可節約558噸標準煤。取標煤的CO2，SO2，NOx以及煙塵的排放系數分別取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]，經濟及環保效益顯著。

根據經濟性指標及熱力學指標對改進后系統進行分析評價，可以發現改進后系統在火用效率及能源利用效率提升明顯，計算結果如表5所示。

表4 改進后系統全年各階段運行及發電效益情況

4 結論

通過對比改進前后系統的發酵溫度及系統性能指標，可發現改進后的熱電聯產系統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，系統的能源利用率及火用效率可以達到更高的水平，整個系統的經濟效益及環境效益顯著。整體優勢體現在以下幾點：

表5 改進后系統全年各階段能源利用率及火用效率及提升

(1)改進后系統根據各季節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酵溫度在全年范圍內保持在35℃～36℃。相比現有系統的發酵溫度，改進后系統的污泥在全年發酵溫度波動較小且一直處于高效平穩的溫度區間，機組運行性能穩定。

(2)改進后的系統的經濟效益顯著及環境效益。在全年生產過程中，改進后系統利用排煙換熱產生的中溫中壓蒸汽可多發電能165.21萬kWh，系統運行2.2年即可回收所有投資，可有效降低水廠的運行費用。同時該過程多發的電能相比于燃煤發電過程可節約558噸標準煤，減少了煙氣中的硫氧化物及氮氧化物對城市環境的污染，環境效益及經濟效益明顯。

(3)改進后的系統的能源利用率和火用效率提升較為明顯。煙氣改進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火用效率相比原有系統均有一定的提升。在全年范圍內系統能源利用率最多提升20.37%，火用效率最多提升7.02%。