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專業論文
污泥處理能源的利用——沼氣發電及其熱能回收 |
文件大小：格式：發布時間：2008-06-30瀏覽次數：次
| 【中文關鍵詞】 | 污泥處理能源的利用——沼氣發電及其熱能回收 |
| 【全部正文】 | 摘要： 本文系統介紹了高碑店污水處理廠，污泥處理設計過程中，如何有效地回收利用沼氣發電系統的余熱作為污泥中溫消化的熱源。達到節約能源，減少電耗和降低污水處理成本的目的。 關鍵字： 沼氣發電 能源利用 余熱回收 熱平衡 1 污泥處理及能源利用概況 高碑店污水處理廠二期工程設計水量50萬m3／d，初沉泥和二沉池的混合污泥量為4417m3／d，污泥含水率97％，污泥處理工藝采用重力濃縮，二級中溫消化帶式壓濾機脫水，并利用消化產生的沼氣發電并入城市電網，發電機產生的余熱作為一級消化熱源，鍋爐房蒸汽為補充熱源。 高碑店污水處理廠二期工程設置八座消化池，四座為一個系列，共兩個系列，每一系列有一級消化池三座，二級消化池一座，消化池產沼氣2.2～2.6萬m3／d。其中甲烷含量占57％～62％，熱值5000Kcal／m3，消化池產氣總熱量為540萬Kcal／h。三臺沼氣發電機總發電量2000KW，所發電量并入市政公用電網。 為維持污泥中溫消化所需的溫度，需要對污泥進行加熱。加熱污泥的熱量需要由外部熱源提供，高碑店污水處理廠利用污泥消化產生的沼氣進行發電，沼氣發電系統運行中產生的大量余熱，作為加熱污泥的熱源，這將節約大量的熱能，達到節省能源，降低能耗的目的。圖1為能源利用流程圖。 2 能源利用途徑 高碑店污水處理廠工程沼氣發電系統選用三臺奧地利JMS316－BL型沼氣發電機，發電機總容量約2000KW，單臺發電機容量為625KW。該系統在運行過程中有三個部分產生的熱能可回收利用，它們是：燃氣混合熱能、缸套水熱能和潤滑油熱能及尾氣釋放的熱能。表1所示為各部分熱能回收量與回收率，圖2為沼氣發電機組熱能回收系統，圖3為單臺沼氣發電機組能量平衡圖。 沼氣發電系統熱能回收量與回收率 單位：kw（萬kcal） 表1 序號 項目 回收量 回收率 備注 1 燃氣混合熱能 98（8.4） 5.8% 2 缸套水和潤滑油熱能 283(24.3) 16.6% 3 尾氣熱能 475(40.9) 27.9% 總輸入熱能1703(146.5) 4 總回收熱能 856(73.6) 50.3% 由圖2可知，進入發電機的冷水，流量39.4m3／h，溫度為70℃，吸收沼氣發電機的熱能后流量不變，溫度升為90℃，進入余熱利用系統。由圖3可知由沼氣產生的總能量中有40％轉變為機械能，60％轉變為熱能。其中40％機械能中的38.3％轉換為電能；60％熱能中的50.3％作為余熱可回收利用，總能量回收效率可達88.6％。該回收率高于一般的沼氣發電機。 3 熱平衡系統 該熱平衡是通過某種調節手段，使供熱系統提供的熱量恰好與需熱系統所需熱量相同。供熱系統的熱量為沼氣發電系統產生的余熱和蒸汽鍋爐補充熱量的總和；需熱系統的熱量是指消化池正常運行時所需熱量。 3.1 供熱系統運行工況 3.1.1 沼氣發電機 沼氣發電系統余熱熱量計算， Q＝CA△t （1） 其中，Q－供（需）熱量（Kcal／h） C－介質的傳熱系數（Kcal／m3℃） A－介質流量（m3／h） △t－介質溫度的變化（℃） 如前所述，余熱利用了燃氣混合、缸套水、潤滑油及尾氣四部分熱能，單臺發電機組熱能總值為856KW（73.6萬Kcal／h）。單臺機組在不同負荷情況下所提供的熱量是變化回收的，見表2。同樣，沼氣發電系統供熱量也隨機組臺數的變化而變化。 單臺機級能量隨負荷變化表 單位kw(萬kcal) 表2 沼氣發電系統熱能回收量與回收率 單位：kw（萬kcal） 表1 項目 100%負荷 75%負荷 50%負荷 總輸入能量 1703 (146.5) 1321 (113.6) 969 (83.3) 總回收熱能 856 (73.6) 675 (58.0) 491 (42.2) 其中: 燃氣混合熱能 98 (8.4) 40 (3.4) 2 (0.2) 缸套水和潤滑油熱能 283 (24.3) 271 (23.3) 233 (20.0) 尾氣熱能 475 (40.9) 364 (31.3) 256 (22.0) 從能量分配得知，三臺發電機滿負荷運行時，沼氣進氣總能量為3×1703＝5109KW（439.4萬Kcal／h，100％），總發電量為3×652＝1956KW（168.2萬Kcal／h，38.3％），熱回收總量為3×856＝2568KW（220.8萬Kcal／h，50％），尾氣損失能量為3×139＝417KW（35.9萬Kcal／h，8.1％），機組輻射損失能量為3×56＝168KW（14.4萬Kcal／h，3.3％）。三臺機組滿負荷運行時可利用的最大熱能為2568KW（220.8萬Kcal／h，50.3％）。 3.1.2 蒸汽鍋爐汽水交換 沼氣發電系統所產生的余熱隨其運行臺數與負荷的不同而變化，加熱污泥所需熱量相對較穩定，當余熱提供熱量不能滿足消化池所需熱量時，可利用蒸汽鍋爐作為補充熱源。補充熱源是由蒸汽鍋爐產生的蒸汽，通過汽水熱交換器產生熱水供給泥水熱交換器使用，以補充熱量不足部分。補充熱量為消化池污泥全年最冷月需熱量226.8萬Kcal／h。（見表6） 3.2 需熱系統工況 加熱是污泥中溫厭氧消化的重要條件，為保證消化池在35℃條件下正常運行，采用污泥池外間接加熱法。螺旋板式泥水熱交換器對污泥加熱。 3.2.1 加熱污泥的耗熱量計算 新鮮污泥溫度變化。如圖4。 按照消化池的投泥次數，每天投泥4次，每次1小時，每次投泥量90m3／h，得出單池新鮮污泥平均耗熱量Q泥。如表3所示。 單位:1000Kacl/h 表3 沼氣發電系統熱能回收量與回收率 單位：kw（萬kcal） 表1 月份 1 2 3 4 5 6 泥耗熱量 309 287 276 263 228 217 月份 7 8 9 10 11 12 泥耗熱量 204 197 213 254 270 281 3.2.2 消化池池體耗熱量計算 根據北京市氣溫及地溫的變化，按照公式： Q池＝FK（TD－TA） （2） 其中，Q池：消化池池體耗熱量（Kcal／h） F：池蓋、池壁及池底的散熱面積（m2） K：池蓋、池壁及池底的散熱系數（Kcal／m2•h•℃） TD：消化溫度（℃） TA：池外介質溫度（℃） 得出消化池池體耗熱量，見表4。 單位:萬Kcal/h 表4 月份 1 2 3 4 5 6 池體耗熱理 35182 34602 29224 22960 17414 13762 月份 7 8 9 10 11 12 池體耗熱量 11933 12942 15896 21462 27567 33401 污泥平均耗熱量與池體耗熱量之和，同事考慮10%的管道損耗，得出六座一級消化池所需熱量。見表5及圖5。 單位:萬Kcal/h 表5 月份 1 2 3 4 5 6 消化池所需熱量 226.8 212.0 201.4 188.5 162.0 152.7 月份 7 8 9 10 11 12 消化池所需熱量 142.5 138.3 151.1 181.6 196.4 207.3 消化池冬季所需最大加熱量為226.8萬Kcal／h。夏季最小加熱量為138.3萬Kcal／h。 3.3 熱平衡系統的聯接 3.3.1 供熱系統能量傳遞 圖5表示污泥處理熱平衡系統。 冬季三臺發電機組滿負荷運行，余熱量基本滿足消化池所需熱量。若發電機組未滿負荷運行，可通過汽水熱交換器補充熱量。當夏季發電機組提供的余熱量大于消化池所需熱量時，發電機組啟動自身保護系統－緊急風冷器，將余熱釋放。以下為四種典型的加熱系統流程。 （1）全部利用發電機組余熱加熱污泥系統（見圖6）。 沼氣發電機產生的余熱可滿足加熱消化污泥所需的熱能，而無需外界補充熱源，即消化池加熱系統與沼氣發電機熱交換系統相聯。 （2）沼氣發電機未運行的加熱污泥系統（見圖7）。 當運行初期沼氣發電機未運行或未正常運行時，消化污泥需要加熱，需使用外界補充熱源，用汽水熱交換器提供熱水至泥水熱交換器加熱污泥，即消化池加熱系統與汽水熱交換器熱交換系統相聯。 當產氣量少或消化池檢修時，沼氣發電機未滿負荷運行（50％或70％），臺數減少以及冬季最冷的情況下，單憑沼氣發電機產生的余熱不能滿足加熱消化污泥所需的熱能時，需加用外界補充熱源，即消化池加熱系統與沼氣發電機熱交換系統和汽水熱交換器串聯系統相聯。 (3) 利用發電機組余熱和補充熱源的加熱污泥系統(見圖8)。 （4）污泥消化非正常運行的加熱污泥系統（見圖9）。 當沼氣發電機余熱熱水經泥水熱交換器回至發電機冷卻水人口處，其溫度大于70℃，不滿足發電機冷卻要求或消化池本身污泥系統未運行時，需用發電機自身配套水水熱交換器，通過緊急風冷器冷卻。 3.3.2供需熱系統內部能量調節 從能量的需求看，沼氣發電機系統產生的余熱能夠滿足污泥加熱的要求，但由于泥水熱交換器對進水溫度有特殊要求： ① 進水溫度不大于75℃。若大于75℃，污泥易結垢，影響傳熱效率。 ② 進、出水溫差不宜大于8℃，否則熱交換器傳熱效率降低。 而沼氣發電系統冷卻水出水溫度為90℃，兩者之間差別見表6。 設備對溫度及流量的要求 表6 項目 泥水熱交換器 沼氣發電機組 進水溫度(℃) 75 70 出水溫度（℃） 68.7 90 流量（m3/h） 60*6 39.4*3 熱量（萬Kcal/h） 226.8 236 沼氣發電系統所產生的高溫熱水不能對污泥直接進行加熱。因此，需要設置溫度和流量調節控制系統，見圖10。通過該系統將泥水熱交換器出口較低溫度的水與發電機組較高溫度的冷卻水混合，達到泥水熱交換器進口水溫的要求。按式（3）、（4）、（5）可以算出不同條件下進出水的溫度和流量。這一過程可全部自控完成。 q2＝q1＋q3 （3） Q＝q2＊1000 （tw1－tw2） （4） q2tw2＝q1te＋q3tw1 （5） 其中， q1：發電機出水流量（m3／h） q2：泥水熱交換器進水流量（m3／h） q3：回流量（m3／h） tw1：泥水熱交換器出水溫度（℃） tw2：泥水熱交換器進水溫度（℃） te：發電機出水溫度（℃） Q：泥水熱交換器的供熱量（Kcal／h） 采用上述方法無需特殊設備，節省投資，自動調節，管理方便。 3.4 熱平衡系統的特點 ①在正常運行情況下，發電機產生的余熱能滿足消化池污泥加熱的熱量，節能綜合利用率高，總能量回收率達到88.6％，熱能回收50.3％。 ②熱平衡系統既相對獨立又相互補充，可以滿足各種工況下污泥加熱的要求，組合靈活。 ③泥水熱交換器采用螺旋板式換熱器，傳熱系數為1000Kcal／m2•h•℃。傳熱效率高，檢修管理方便。對熱交換器進水口溫度進行控制，防止過熱結垢現象。 ④在消化池需熱及發電系統余熱供熱之間水量或水溫不匹配的情況下，設置簡單的調節裝置（回流閥），即滿足熱量轉換又滿足泥水熱交換器及發電機組進水口水溫的要求，使得熱能有效合理利用，并便于操作管理。 ⑤連續污泥加熱，運行簡便。 4 設計中應注意的問題 ①作好消化池及熱循環系統管道的保溫，減少熱量損失。 ②控制泥水熱交換器進水溫度，控制溫度在75℃以下，以防止過熱結垢。 ③污泥中揮發性固體的種類及在消化池的分解程度，直接影響甲烷含量及產氣率，影響能量利用。 ④沼氣發電機的電力并人市政電網，其負荷可以平穩運行。沼氣系統中設有貯氣柜，可調節產氣率的變化，也為沼氣發電機提供平穩運行條件。因此應控制每臺發電機，盡量在100％高負荷條件下運行，從而提高總能量回收率。 ⑤消化池運行初期未產生沼氣時，需使用外熱源蒸汽鍋爐，通過汽水熱交換器用熱水加熱污泥。 5 經濟效益和環境效益 沼氣是污泥消化的副產品，若剩余氣體直接排放，會污染環境；沼氣發電機尾氣是發電時的副產品，若直接排放，會造成熱污染。因此，利用沼氣發電余熱回收利用，可減少空氣污染和熱污染。通過能源利用，可節電、節煤、降低污水處理成本，達到綜合利用的目的。 6 結論 ①利用沼氣發電系統產生的余熱加熱污泥的方法在一定規模的污水處理廠中非常適用。 ②通過建立熱平衡系統，分析需熱與供熱之間的矛盾，使得沼氣發電系統所產生的余熱獲得充分的利用。每年可節約燃煤約5100噸。 ③在發電機發電量為2000KW的條件下： 電能利用率達38.3％； 熱能利用率達50.3％； 能量總回收率達88.6％； 每年可節約用電1750萬度。通過沼氣發電機余熱利用，可節省全廠30％以上的用電量。 ④通過沼氣發電和余熱利用，降低污水處理成本。 |
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