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由于我國經(jīng)濟的快速增長(cháng),城市的污水處理量  與日劇增,相應污泥的量也隨之增多2),近年來(lái),  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  害的功能成為應用最為廣泛的污泥處理方式  3-4大部分污水廠(chǎng)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(dòng)機的余熱用于消化池  和污泥的加熱,不足熱量則由配備的輔助熱源補充  而高溫消化(55℃)因其衛生條件好、消化時(shí)間短、產(chǎn)氣量較多等優(yōu)點(diǎn)逐漸成為未來(lái)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、燃氣鍋爐將污泥加熱至反應溫度,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推廣普及應用的制約因素。

本文設計在污水廠(chǎng)內鋪設太陽(yáng)能集熱器和高溫水源熱泵,采集太陽(yáng)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(yáng)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)現污泥的高溫紅泥膜沼氣池厭氧紅泥膜沼氣池發(fā)酵?；谔?yáng)能高溫水源熱泵供熱的方案下,對污泥高溫紅泥膜沼氣池厭氧紅泥膜沼氣池發(fā)酵系統進(jìn)行綜合評價(jià),期望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(chǎng)服務(wù)面積24km2,工程設計規模為16萬(wàn)m3,1期工程于1993年竣工投產(chǎn)運行,處理工藝采用A-B法,日處理規模8萬(wàn)m3,在2010年擴

建工程增加8萬(wàn)的處理能力。污水處理工藝改為MSBR工藝法,出水水質(zhì)全部達到現行國家城市生  活污水一級B排放標準。該污水廠(chǎng)采用額定功率500kW的燃氣發(fā)電機組,共設有4臺發(fā)電機組。2污泥中溫消化熱電聯(lián)產(chǎn)工藝分析

該水廠(chǎng)采用“中溫紅泥膜沼氣池厭氧消化+熱電聯(lián)產(chǎn)”工藝,通過(guò)清潔能源沼氣發(fā)電自用以節省能源;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(guò)程如下:初沉  池產(chǎn)生的污泥經(jīng)過(guò)預濃縮池重力濃縮后與MsBR池處  理后經(jīng)重力濃縮和機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(chǎng)內發(fā)電自用;在冬天無(wú)法滿(mǎn)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)現有系統如圖1。

3運行參數分析

據資料顯示,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(chǎng)污泥采用的就是中溫紅泥膜沼氣池發(fā)酵,發(fā)電機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的運行。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,筆者在現有熱電聯(lián)產(chǎn)系統的基礎上進(jìn)行了改進(jìn)設計,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(yáng)能高溫水源熱泵供熱系統,為高溫紅泥膜沼氣池發(fā)酵補充熱量6-。

目前我國幾乎沒(méi)有污水廠(chǎng)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(chǎng)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(guān)文獻可知,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%)。依據內燃機的性能曲線(xiàn),發(fā)電機的運行負荷增加使得內燃機的平均發(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%)。由于全年系統運行影響因素較多,筆者根據中溫時(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(dòng)性大小,將污水廠(chǎng)全年運行數據劃分為4個(gè)階段,并根據以上推論通過(guò)

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

由圖2-圖5可知,中溫系統污泥能夠基本靠發(fā)電機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,造成回收的機組余熱  量大于系統需熱量?；厥盏臋C組余熱量較中溫系統

多32%~50%,高溫系統的總需熱量較大,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(guò)45℃),循環(huán)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(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(yáng)能耦合熱電聯(lián)產(chǎn)系統

4.1系統方案設計

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(yáng)能+高溫水源熱泵供熱系統。

該系統的兩種運行模式如下

(1)太陽(yáng)能聯(lián)合高溫水源熱泵運行模式:太陽(yáng)能充足時(shí),太陽(yáng)能集熱器加熱熱水,這時(shí)關(guān)閉閥門(mén)  a,打開(kāi)閥門(mén)b,控制循環(huán)熱水全部進(jìn)入太陽(yáng)能集熱器,于是循環(huán)熱水通過(guò)閥門(mén)b,在板式換熱器內與太陽(yáng)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(mǎn)足發(fā)電機組外循環(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熱源(28℃-32℃),與高溫水源熱泵換熱后排入大海。

(2)高溫水源熱泵獨立運行模式:夜間或者陰  雨天等太陽(yáng)能不足的情況下,太陽(yáng)能集熱器不能加  熱循環(huán)熱水,此時(shí)關(guān)閉閥門(mén)b,開(kāi)啟閥門(mén)a,使外循環(huán)  水不與太陽(yáng)能系統的儲熱水箱進(jìn)行換熱,而是全部  直接通過(guò)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(yáng)能系統  太陽(yáng)能集熱器是一種吸收太陽(yáng)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(yáng)能集熱器和真空管型太陽(yáng)能集熱器。本設計中采  用真空管型太陽(yáng)能集熱器,真空管型太陽(yáng)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(yáng)能集熱器仍然能夠集熱,而且它的集熱效率能達到60%~70%。

受到安裝場(chǎng)地面積限制,現使太陽(yáng)能集熱器面積為6915.4m2,在光照充足時(shí)承擔系統部分需熱負荷,其余熱負荷由高溫水源熱泵補充。4個(gè)階段太陽(yáng)能集熱器供熱量如表1所示。

4.3高溫水源熱泵系統

該污水廠(chǎng)的污水通過(guò)污水處理工藝得到的最后出水為中水,其無(wú)毒無(wú)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(chǎng)日產(chǎn)中水在14萬(wàn)噸左右;高溫紅泥膜沼氣池厭氧紅泥膜沼氣池發(fā)酵系統中,中水需要將從污泥套管換熱器出來(lái)后的50℃左右的熱水換熱至44℃左右,如果直接排海,會(huì )造成大量的熱量浪費。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充系統總需熱量,高溫水源熱泵能效比cop=3.8,出水溫度在67℃~72℃之間2。

5系統方案的綜合評價(jià)

5.1系統能量分析  根據熱力學(xué)第一定律,系統的熱能和機械能在  轉移或轉換時(shí)能量的總量必定守恒?，F將高溫系線(xiàn)  的各個(gè)子系統的能量參數計算出來(lái),圖7為系統的能量分析。

由圖可知,4個(gè)階段的系統日總需熱量在4萬(wàn)  5.8萬(wàn)kWh,差異較明顯;由于太陽(yáng)能輻射量變化  不大,太陽(yáng)能供熱量較穩定,在每天1.2萬(wàn)~1.6萬(wàn)  kWh;在4個(gè)階段中高溫水源熱泵都承擔了大部分  的系統總需熱負荷,循環(huán)水與中水換熱流失到中水  里的系統熱量得到有效回收,會(huì )消耗部分電量,使系統凈發(fā)電量減少。

5.2經(jīng)濟效益分析

5.2.1系統的改進(jìn)初投資

系統改進(jìn)初投資主要是對該系統引入的高溫水  源熱泵,太陽(yáng)能集熱器等設備的成本、設備安裝費、

配套費等進(jìn)行分析計算。根據市場(chǎng)調研得知,高溫水源熱泵的價(jià)格約為0.6元,W,太陽(yáng)能集熱器按照600元·m2計算,板式換熱器與套管換熱器均按300元·m2計算,熱泵配套費按180元kW計算系統改進(jìn)初投資的具體計算數據見(jiàn)表2

5.2.2費用年值  費用年值法是將項目初投資的現值按照時(shí)間價(jià)  值等額分攤到各使用年限中去的動(dòng)態(tài)經(jīng)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,計算  得到年固定費用為723萬(wàn)元,年運行費用為194萬(wàn)  元,費用年值為266.3萬(wàn)元。

5.2.3年電費收益

收益指來(lái)自發(fā)電所獲得的凈發(fā)電收益與費用年  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(lái)計  算,電價(jià)按0.89元·度計,則年發(fā)電收入為  687.15萬(wàn)元。年電費收益為420萬(wàn)元,同時(shí)求得中  溫系統的收益為459萬(wàn)元,高溫系統的年電費收益較中溫系統少8.5%。

5.3環(huán)境效益分析

基于環(huán)境效益的評價(jià)指標成為評價(jià)一個(gè)方案系統優(yōu)劣不可缺少的標準。污水廠(chǎng)的沼氣熱電聯(lián)產(chǎn)系統相對于單產(chǎn)系統來(lái)說(shuō)主要體現在CO2,SO2,NO以及煙塵的減排量;系統總的凈發(fā)電量為72萬(wàn)kWh因此,對減少煤炭燃燒所帶來(lái)的效益E進(jìn)行估算,該系統環(huán)境效益E約為224.7萬(wàn)元,同時(shí)求得中溫系統的環(huán)境效益E約為132.1萬(wàn)元,高溫系統較中溫系統的環(huán)境效益提高70.1%。

6結論

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

減少一次能源的消耗量,與傳統供熱系統相比,既節約能源又清潔環(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,減少系統熱量流失。  (3)太陽(yáng)能集熱器由于受到安裝面積和初投資  的限制,只能承擔本系統中24%~38%的系統總需  熱量。高溫水源熱泵不僅能承擔大部分的熱量負  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(yáng)能-高溫水源熱泵供熱系統的初投資較  大,造成實(shí)際的年電費收益略少于中溫系統,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)境效益較中溫系統提高70.1%。

摘自《中國沼氣》第4期 劉杰 王軍 萬(wàn)鵬 郭煒