基于污泥厭氧消化的吸收式熱泵-高溫水源熱泵供熱系統研究

劉 杰， 萬 鵬， 王 軍， 郭 煒

(青島理工大學 環境與市政工程學院， 山東 青島 266033)

隨著我國城鎮化快速發展，城市污水處理量與日劇增，產生的污泥量也隨之增多。近年來，污泥厭氧消化由于具備回收潛在能量和降低環境危害的功能成為應用最為廣泛的污泥處理方式[1-3]。大多污水廠厭氧消化為中溫消化(33℃)，產生的沼氣優先用于發電，并回收發電機組余熱為消化池供熱，不足熱量則由輔助熱源補充。高溫消化(55℃)具有衛生條件好、消化時間短、產氣量多等優點，但高溫消化對溫度要求高，需要的加熱量較大。目前主要利用燃煤、燃氣鍋爐將污泥加熱至反應溫度，這種處理工藝能耗高并造成大量污染物的排放。因此，采用清潔能源供熱成為高溫厭氧消化系統推廣應用的一種有效途徑。

本文系統設計采用煙氣型溴化鋰吸收式熱泵替換了污水廠內原有余熱鍋爐，并配備了高溫水源熱泵，系統回收發電機組高溫煙氣以及中水低位熱能加熱污泥，使其高溫厭氧消化產生沼氣實現熱電聯產；基于污泥消化所需熱量，合理利用高溫水源熱泵從中水里提取熱量加熱污泥,或利用中水帶走多余的熱量，從而實現污泥高溫厭氧消化。本文基于吸收式熱泵-高溫水源熱泵供熱系統方案，對污泥高溫厭氧消化系統進行綜合評價，以期為此系統推廣應用提供有利參考。

1 工程概況

該污水處理廠服務面積24 km2，設計日處理規模為16萬t，一期工程于1993年竣工投產運行，處理工藝采用A-B法，日處理規模8萬m3，在2010年改造擴建后增加8萬的處理能力。污水處理工藝改為MSBR工藝法，出水水質全部達到現行國家城市生活污水一級B排放標準。

2 現有處理工藝及運行參數分析

該水廠現采用“中溫厭氧消化+熱電聯產”工藝，消化產生的沼氣發電自用以節省能源，主要利用回收的發電余熱熱能維持污泥中溫厭氧消化運行。

污水處理和污泥厭氧消化工藝過程：初沉池產生的污泥經過預濃縮池重力濃縮后與MSBR池處理后經重力濃縮和機械濃縮后的剩余污泥混合，進入厭氧消化池進行中溫厭氧消化，一般消化溫度為35℃～38℃，產生的沼氣用于廠內發電自用；在冬天無法滿足需熱量時將產生的一部分沼氣用于加熱熱水鍋爐[4]。沼氣熱電聯產現有系統如圖1。

圖1 沼氣熱電聯產現有系統

據資料顯示[5-6]，我國污泥厭氧消化系統基本全都采用中溫消化，原因主要是中溫消化污泥所需要的熱量少，投資較小。文章中青島某污水廠污泥采用的就是中溫消化，發電機組的缸套水和余熱鍋爐回收的熱量可以基本維持中溫厭氧消化系統的運行。與中溫消化相比，高溫消化時污泥的消化時間短，產氣量多，筆者在現有熱電聯產系統的基礎上進行了改進設計，提出了基于污泥厭氧消化的吸收式熱泵-高溫水源熱泵供熱系統，為高溫消化提供熱量。

目前我國幾乎沒有污水廠采用污泥高溫消化系統，因此在本設計中筆者根據2016年該污水廠中溫運行的數據推算系統改用高溫消化后系統的運行情況。根據相關文獻[7-10]可知，在相同污泥量的情況下，高溫消化產氣量要比中溫消化產氣量提高約40%～60%(本文取50%)。根據內燃機的性能曲線，發電機的運行負荷增加使得內燃機的平均發電效率提高了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%)。由于全年系統運行影響因素較多，筆者依據中溫時測得新鮮污泥溫度、環境日平均溫度、單位污泥產沼氣量和沼氣中甲烷含量等影響因素的波動性大小，將污水廠全年運行數據劃分為4個階段，并根據以上推論通過能量守恒定律和質量守恒定律計算出高溫系統沼氣量A，發電量B,污泥消化需熱量C，回收余熱量D和系統凈需熱量E(正值代表需供熱量，負值代表富裕熱量),現將該污水廠的現有系統和污泥高溫厭氧消化系統各個階段運行情況進行對比，如圖2～圖5所示。

圖2 中溫系統與高溫系統的階段1運行情況對比

圖3 中溫系統與高溫系統的階段2運行情況對比

圖4 中溫系統與高溫系統的階段3運行情況對比

圖5 中溫系統與高溫系統的階段4運行情況對比

由圖2～圖5可知，中溫系統能夠基本靠發電機組的回收余熱保持污泥中溫消化，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，造成回收的機組余熱量大于系統需熱量。高溫系統回收的機組余熱量較中溫系統多30%～43%，但其總需熱量較大，一方面需要水溫較高，另一方面要滿足循環水進入分水器的水溫不超過45℃，循環水加熱完污泥之后需要繼續與中水換熱達到合適水溫(44℃)才能進入集水器，造成了熱量流失。

3 基于污泥厭氧消化的吸收式熱泵-高溫水源熱泵的熱電聯產系統

3.1 系統方案設計

圖6為基于污泥厭氧消化的煙氣型溴化鋰吸收式熱泵+高溫水源熱泵供熱系統。

圖6 煙氣型溴化鋰吸收式熱泵+高溫水源熱泵供熱系統

該系統的兩種運行模式如下：

(1)中水聯合熱泵運行模式：系統需熱量變化時，要滿足發電機組外循環水要求(43℃<冷卻水進口溫度<45℃)。當進口溫度大于45℃時，則開啟閥門a，c，d，e，g，h，k，l，關閉閥門b，f，i，m，n，通過板式換熱器1由高溫水源熱泵對部分系統熱量回收，中水經過板式換熱器2換走剩余的熱量后排入大海；當進口溫度小于43℃時，則開啟閥門b，g，h，k，i，m，n，關閉閥門a，d，c，e，f，l，中水經過板式換熱器換熱滿足進入分水器的循環水達到合適溫度，再與一部分中水混合后分別進入兩個熱泵的蒸發器，出水再次混合后排入大海。

(2)熱泵獨立運行模式：系統需熱量變化滿足發電機組外循環水要求，則開啟閥門a，c，d，e，f，關閉閥門b，h，g，k，i，m，l，n，從套管換熱器出水回收的部分系統熱量剛好用于滿足兩個熱泵的需熱要求。

3.2 吸收式熱泵系統

該污水廠的發電機組煙氣溫度在590℃左右，經過余熱鍋爐熱回收后溫度降到187℃左右，而煙氣型溴化鋰吸收式熱泵的排煙溫度在180℃左右。該污水廠的污水經過污水處理工藝后成為中水，其無毒無腐蝕，并且溫度在冬季高于環境溫度，在10℃～17℃之間，夏季低于環境溫度，在20℃～23℃之間。若中水作為吸收式熱泵的低溫熱源，可回收部分中水里的熱量，進一步提升循環水溫度。因此，采用吸收式熱泵替換原有的余熱鍋爐，吸收式熱泵的制熱量受供熱溫度和低溫熱源溫度波動影響，它的平均COP為1.7[11-12]。

3.3 高溫水源熱泵系統

在高溫厭氧消化系統中，中水可以把從污泥套管換熱器出來的50℃左右的熱水換熱至44℃左右，該污水廠日產中水在14萬噸左右，如果直接排海，造成大量熱量的浪費。采用板式換熱器換熱，使得換熱后的中水溫度為28℃～32℃，采取高溫水源熱泵從中水提取熱量，回收中水里的熱量補充系統總需熱量，高溫水源熱泵平均能效比COP為3.4，出水溫度在67℃～72℃之間[13]。

4 系統方案的綜合評價

4.1 熱力學分析

根據熱力學第一定律，系統的熱能和機械能在轉移或轉換時，能量的總量必定守恒。現將高溫消化系統中各個子系統的能量參數計算出來：系統總需熱量F,吸收式熱泵供熱量G,高溫水源熱泵供熱量H,高溫水源熱泵用電量I,中水回收熱量J,煙氣回收熱量K，圖7為系統的能量分析。

圖7 系統的能量分析

由圖7可知，4個階段的系統總需熱量在17～24萬kW·h-1d-1，差異較明顯，這主要是因為不同階段的環境溫度變化較大；由于中水溫度波動不大，吸收式熱泵供熱量較穩定，在4.0～5.1萬kW·h-1d-1；高溫水源熱泵在每個階段均提供了最多的熱量，使得其供熱量的變化趨勢與系統總需熱量的變化趨勢相似。在4個階段中，高溫水源熱泵均承擔了較多的系統總需熱負荷，循環水與中水換熱流失到中水里的系統熱量得到有效回收，但消耗了部分電量，使系統凈發電量減少，同時煙氣回收熱量較中溫消化系統中余熱鍋爐增加了約8%。

4.2 經濟效益分析

4.2.1 系統改進初投資

系統改進初投資主要是該系統引入的煙氣型溴化鋰吸收式熱泵機組，高溫水源熱泵機組等設備的成本、設備安裝費、配套費等。根據市場調研得知，煙氣型溴化鋰吸收式熱泵機組的價格約為0.7元·w-1，高溫水源熱泵機組的價格約為0.6元·w-1，板式換熱器與套管換熱器均按300元·m-2計算，熱泵配套費按180元·kW-1計算，系統改進初投資的具體計算數據見表1。

4.2.2 費用年值

費用年值法是將項目初投資的現值按照時間價值等額分攤到各使用年限中去的動態經濟分析方法。其包括年固定費用和年運行費用，年固定費用為系統初投資在使用年限內每年消耗的費用，年運行費用為設備折舊費、維修費等，計算得到年固定費用為98.4萬元，年運行費用為66.7萬元，費用年值為165.1萬元。

表1 系統改進初投資計算表

4.2.3 年電費收益

年電費收益指每年發電所獲得凈發電收益與費用年值的差值。全部沼氣用于發電(平均凈發電量19759 kW·h-1d-1，年發電時間取8000 h)，電價按每度0.85元計算，則年發電收入為554.2萬元。年電費收益為389.1萬元，同時求得中溫系統的收益為438.4萬元，高溫系統的年電費收益較中溫系統少11.2%。

4.3 環境效益分析

環境效益評價指標作為評價一個系統方案優劣不可缺少的標準。污水廠的沼氣熱電聯產系統相對于單產系統來說主要體現在CO2，SO2，NOx以及煙塵的減排量，同時估算表明高溫厭氧消化系統要比中溫厭氧消化系統多減排約35.7%；系統總的凈發電量為652萬kW·h，因此，對于減少煤炭燃燒所帶來的效益進行估算,該系統環境效益約為207.5萬元，同時求得中溫系統的環境效益約為132.1萬元，高溫系統較中溫系統的環境效益提高63.7%。

5 結論

(1)污泥高溫厭氧消化系統與污泥中溫厭氧消化系統相比，雖然消化時間短、產氣量多、凈發電量大，但是系統需熱量較大。

(2)采用吸收式熱泵+高溫水源熱泵系統為污泥供熱，可充分回收煙氣熱能和中水熱能等余熱資源，提高一次能源利用率，與傳統供熱系統相比，同時實現節能和環保。

(3)高溫水源熱泵回收了大量套管換熱器出水換熱到中水中的熱量，提升了循環水溫度，使套管換熱器的溫度達到67℃～72℃，合理利用了中水資源，減少系統熱量流失。

(4)吸收式熱泵由于中水溫度波動的影響，承擔了系統中17%～30%的系統總需熱量。高溫水源熱泵承擔了較多的熱量負荷，還提高了循環水的溫度，但高溫水源熱泵需要消耗發電量，減少凈發電量，造成收益減少。

(5)吸收式熱泵+高溫水源熱泵系統的初投資較大，造成實際的年電費收益略少于中溫系統，污染物減排量和環境效益較中溫系統分別提高約35.7%和63.7%。