污水處理廠生化沼氣利用的可行性分析

污水處理廠生化沼氣利用的可行性分析

北京排水集團(tuán)高碑店廢水處理廠是北京15個(gè)廢水處理廠（包括擬建廠）中最大的一家。也是目前中國(guó)最大的廢水處理廠。負(fù)責(zé)市中心和東部工業(yè)區(qū)內(nèi)10961公頃廢水的收集和處理。辦公人員240萬(wàn)人，廠區(qū)總面積68公頃，總處理規(guī)模100公頃（d）。高碑店污水處理廠位于北京市朝陽(yáng)區(qū)高碑店鄉(xiāng)界內(nèi),根據(jù)上游管網(wǎng)配套情況及資金狀況,按統(tǒng)一規(guī)劃分期建設(shè)的原則,分兩期實(shí)施。一期工程處理污水50萬(wàn)m3/d,總投資5.24億元,于1990年開工,1993年底建成通水,1998年底一期泥區(qū)運(yùn)行成功;二期工程處理污水50萬(wàn)m3/d,總投資11.2億元,于1995年開工,1999年9月建成通水,2002年底二期泥區(qū)運(yùn)行成功。自1993年底建成通水后,高碑店污水處理廠始終堅(jiān)持滿負(fù)荷運(yùn)行、全達(dá)標(biāo)排放的水平,取得了顯著的社會(huì)效益和環(huán)境效益。1對(duì)于大氣的危害及處理方法高碑店污水處理廠采用傳統(tǒng)活性污泥法二級(jí)處理工藝。污泥處理采用中溫及高溫兩級(jí)消化工藝,日產(chǎn)生化沼氣設(shè)計(jì)量為5.3萬(wàn)m3,目前約2.5萬(wàn)m3,其主要成分為甲烷(CH4)。其典型的組成為:CH460%,CO230%,N28%,CO0.3%,H2S0.1%,其他1.6%,LHV為5000~6000kcal/Nm3?？茖W(xué)研究認(rèn)定,作為溫室氣體的甲烷對(duì)大氣的危害是CO2的24.5倍。如對(duì)沼氣處理不當(dāng),排放到大氣中,其對(duì)局部環(huán)境和整個(gè)地球的環(huán)境危害極大,國(guó)際環(huán)保組織對(duì)各個(gè)國(guó)家的溫室氣體排放量都有一定的限制;同時(shí),以甲烷為主要成分的生化沼氣是非常理想的再生能源。目前在國(guó)內(nèi)城市污水處理行業(yè),生化沼氣利用途徑一般有三種:(1)沼氣鍋爐。利用沼氣燃燒產(chǎn)生熱源加熱消化污泥。這種利用途徑只能利用沼氣熱值的50%。(2)沼氣內(nèi)燃機(jī)-余熱回收-鼓風(fēng)機(jī)組。利用沼氣內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動(dòng)鼓風(fēng)機(jī),并利用余熱回收裝置回收沼氣內(nèi)燃機(jī)的余熱加熱消化污泥。這種利用途徑能充分利用沼氣熱值,一般可達(dá)沼氣熱值的85%~90%。(3)沼氣內(nèi)燃機(jī)-余熱回收-發(fā)電機(jī)組。利用沼氣內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電與廠內(nèi)供電并網(wǎng),并利用余熱回收裝置回收沼氣內(nèi)燃機(jī)的余熱加熱消化污泥。這種利用途徑能充分利用沼氣熱值,一般可達(dá)沼氣熱值的85%~90%。高碑店污水處理廠對(duì)生化沼氣采用“沼氣內(nèi)燃機(jī)-余熱回收-發(fā)電機(jī)組”利用途徑,共計(jì)7臺(tái)機(jī)組,總發(fā)電功率近4MW,總熱功率約5MW,能夠解決全廠40%的用電量和污泥消化50%的用熱量,是一種典型的小型“燃?xì)鉄犭娐?lián)供”模式。2油、除塵、除臭油、濕城市污水處理廠的生化沼氣屬易燃易爆氣體,在生產(chǎn)和利用過(guò)程中必須配有相應(yīng)的安保設(shè)施設(shè)備,一般為安全閥、阻火器、凝水器、水封、廢氣燃燒器等;同時(shí)利用生化沼氣作燃料的燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)對(duì)生化沼氣的質(zhì)量也有一定要求,典型值見表1,因此在進(jìn)入燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)之前還要對(duì)生化沼氣進(jìn)行一系列凈化處理。工程實(shí)踐中,生化沼氣凈化處理過(guò)程一般可歸納為沼氣脫硫、除油、除塵、除濕過(guò)程。根據(jù)燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)對(duì)生化沼氣的要求不同和工程實(shí)踐的差別,沼氣脫硫、除油、除塵、除濕過(guò)程的工藝線路及其設(shè)施設(shè)備配置是有所差別的。高碑店污水處理廠一期“沼氣內(nèi)燃機(jī)-余熱回收-發(fā)電機(jī)組”,共計(jì)4套,由美國(guó)某公司供貨,沼氣內(nèi)燃機(jī)型號(hào)為6GTLB,自帶簡(jiǎn)單進(jìn)氣過(guò)濾除塵、除濕、除油裝置,外配干式脫硫塔兩座,脫硫劑為鐵屑;進(jìn)氣壓力要求1.75~2.8bar(1bar=105Pa),而消化池產(chǎn)生沼氣壓力一般為0.02bar,不超過(guò)0.035bar,故相應(yīng)配置2臺(tái)沼氣增壓機(jī)(由美國(guó)某公司供貨,型號(hào)為Ro-FloModelH11SM),1座2000m3的高壓球罐(2.5~5.5bar)等,這種增壓處理伴生了一部分沼氣除濕功能。具體處理工藝線路見圖1。高碑店污水處理廠二期“沼氣內(nèi)燃機(jī)-余熱回收-發(fā)電機(jī)組”,共計(jì)3套,由奧地利某公司供貨,沼氣內(nèi)燃機(jī)型號(hào)為JMS316GS-B.L,自帶簡(jiǎn)單進(jìn)氣過(guò)濾除塵裝置,外配濕式脫硫塔兩座,脫硫劑為濃度50%的NaOH溶液;進(jìn)氣壓力要求0.05~0.1bar,故相應(yīng)配置2臺(tái)管道式沼氣增壓器直接增壓后進(jìn)沼氣內(nèi)燃機(jī)。具體處理工藝線路見圖2。一期干式脫硫?qū)倬摿?脫硫范圍小,但運(yùn)行成本低;二期堿液濕式脫硫?qū)俅置摿?脫硫范圍大,但安全性要求高,運(yùn)行成本也高?？傮w說(shuō)來(lái),一期沼氣凈化處理過(guò)程較二期復(fù)雜一些,相應(yīng)安保設(shè)施設(shè)備(如安全閥、水封、凝水器、阻火器等)數(shù)量也多一些,建設(shè)投資也高一些,但脫硫、除塵、除濕、除油等效果較好,這可以從沼氣內(nèi)燃機(jī)排氣管道廢積物數(shù)量和成分證實(shí)。3設(shè)備配置情況高碑店污水處理廠一期“沼氣內(nèi)燃機(jī)-余熱回收-發(fā)電機(jī)組”,機(jī)械功率513kW,熱功率約600kW;余熱回收裝置由美國(guó)某公司制造,熱媒介質(zhì)為軟化水,使用泥水熱交換器給消化池污泥加熱;發(fā)電機(jī)由美國(guó)某公司制造,型號(hào)8P6.5-2200,輸出電壓三相AC6300V,發(fā)電容量470kW;高壓并網(wǎng)開關(guān)柜由美國(guó)某公司制造,廠內(nèi)并網(wǎng),屬無(wú)限源負(fù)載;控制系統(tǒng)為隨機(jī)配套;工程設(shè)計(jì)單位是北京市市政設(shè)計(jì)研究總院,工程施工安裝單位是北京市市政四公司。具體配置狀況見圖3。高碑店污水處理廠二期“沼氣內(nèi)燃機(jī)-余熱回收-發(fā)電機(jī)組”工藝配置與一期相同,機(jī)械功率約710kW,熱功率約850kW;余熱回收裝置由北京某公司制造,產(chǎn)品系列號(hào)20023-5,換熱參數(shù):面積46m2,壓力0.55/1.09MPa,溫度550/120℃,熱媒介質(zhì)為軟化水,使用泥水熱交換器給消化池污泥加熱;發(fā)電機(jī)型號(hào)DIDBN-110/105/1-4,輸出電壓三相AC6300V,發(fā)電容量652kW;高壓并網(wǎng)開關(guān)柜由瑞典某公司供貨,廠內(nèi)并網(wǎng),屬無(wú)限源負(fù)載;控制系統(tǒng)由奧地利某公司隨機(jī)配套;工程設(shè)計(jì)單位是北京市市政設(shè)計(jì)研究總院;設(shè)備總承包單位是瑞典某公司;工程施工安裝單位是北京市市政四公司。4泥區(qū)正常運(yùn)行階段2002年高碑店污水處理廠一期“沼氣內(nèi)燃機(jī)-余熱回收-發(fā)電機(jī)組”于1999年初逐步投入運(yùn)行;二期“沼氣內(nèi)燃機(jī)-余熱回收-發(fā)電機(jī)組”于2001年初使用一期消化池沼氣逐步投入運(yùn)行。當(dāng)時(shí)沼氣產(chǎn)量不足,同時(shí)機(jī)組設(shè)備故障率也居高不下,發(fā)電量嚴(yán)重不足;隨著一期消化池沼氣產(chǎn)量逐步提高,機(jī)組設(shè)備也在逐步度過(guò)運(yùn)行磨合期,完好率有所提高,2001年共完成發(fā)電量420萬(wàn)kW·h(價(jià)值約250萬(wàn)元),產(chǎn)熱量約43億大卡(1大卡=4.2kJ),相當(dāng)于7000t0.4MPa壓力的水蒸汽熱量,價(jià)值約60萬(wàn)元;2002年共完成發(fā)電量650萬(wàn)kW·h(價(jià)值約390萬(wàn)元),產(chǎn)熱量約65億大卡(相當(dāng)于10000t0.4MPa壓力的水蒸汽熱量,價(jià)值約80萬(wàn)元);2002年底隨著二期消化池成功投入運(yùn)行,到2003年初,整個(gè)泥區(qū)沼氣產(chǎn)量快速提高,日產(chǎn)沼氣約25000m3,日發(fā)電量約4.8萬(wàn)kW·h,日產(chǎn)熱量約5000萬(wàn)大卡;隨著消化池溫度逐步提高和穩(wěn)定,污泥消化將更趨穩(wěn)定,2003年日平均產(chǎn)氣量可望達(dá)到31000m3,日平均發(fā)電量可望達(dá)到5.5萬(wàn)kW·h,日平均產(chǎn)熱量約6000萬(wàn)大卡,2003年全年發(fā)電量可望達(dá)到2000萬(wàn)kW·h(價(jià)值約1200萬(wàn)元),產(chǎn)熱量約220億大卡(相當(dāng)于37000t0.4MPa壓力的水蒸汽熱量,價(jià)值約300萬(wàn)元)。高碑店污水處理廠一期“沼氣內(nèi)燃機(jī)-余熱回收-發(fā)電機(jī)組”總投資約6000萬(wàn)元(包括用于沼氣發(fā)電的沼氣管線和余熱利用設(shè)施設(shè)備,但不包括沼氣壓縮機(jī)房);二期“沼氣內(nèi)燃機(jī)-余熱回收-發(fā)電機(jī)組”由于沒(méi)有沼氣增壓機(jī)、高壓球罐等設(shè)施,同時(shí)也無(wú)需重復(fù)投資廢氣燃燒器等設(shè)施設(shè)備,故總投資比一期有所降低,約5000萬(wàn)元(包括用于沼氣發(fā)電的沼氣管線和余熱利用設(shè)施設(shè)備);根據(jù)日處理污水100萬(wàn)m3的設(shè)計(jì)量,全面而穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)污泥消化日產(chǎn)沼氣應(yīng)為53000m3,但目前高碑店污水處理廠實(shí)際處理水量不足,全面而穩(wěn)定運(yùn)行的污泥消化平均日產(chǎn)沼氣40000m3應(yīng)是現(xiàn)實(shí)可行的。相應(yīng)平均日發(fā)電量可望達(dá)到7.5萬(wàn)kW·h,平均日產(chǎn)熱量約8000萬(wàn)大卡,全年發(fā)電量可望達(dá)到2700萬(wàn)kW·h(價(jià)值約1600萬(wàn)元),產(chǎn)熱量約280億大卡(相當(dāng)于48000t0.4MPa壓力的水蒸汽熱量,價(jià)值約400萬(wàn)元);高碑店污水處理廠泥區(qū)全面而穩(wěn)定運(yùn)行后,“沼氣內(nèi)燃機(jī)-余熱回收-發(fā)電機(jī)組”年生產(chǎn)總值可達(dá)2000萬(wàn)元。綜合考慮設(shè)備維護(hù)費(fèi)、材料費(fèi)(潤(rùn)滑油、火花塞、脫硫劑等)、人員管理費(fèi),以及設(shè)施設(shè)備折舊費(fèi)(設(shè)施折舊期50年,設(shè)備折舊期20年)等各種因素,高碑店污水處理廠“沼氣內(nèi)燃機(jī)-余熱回收-發(fā)電機(jī)組”投資回收期約為7~8年,經(jīng)濟(jì)效益可觀。5設(shè)施設(shè)備維護(hù)高碑店污水處理廠“沼氣內(nèi)燃機(jī)-余熱回收-發(fā)電機(jī)組”由分廠發(fā)電機(jī)班負(fù)責(zé)日常運(yùn)行和維護(hù),實(shí)行“橫班制”,保證24小時(shí)都有人值班。機(jī)組簡(jiǎn)單日常維護(hù)(如換油、換火花塞等)和故障維修由發(fā)電機(jī)班負(fù)責(zé);大修、中修和小修在總廠總工辦、設(shè)備科指導(dǎo)下由外協(xié)單位承擔(dān);生產(chǎn)管理由分廠完成。關(guān)于設(shè)施設(shè)備維護(hù),可以分為沼氣凈化處理過(guò)程、沼氣內(nèi)燃機(jī)組、發(fā)電并網(wǎng)用電調(diào)度過(guò)程、熱力利用調(diào)度過(guò)程等四方面。經(jīng)過(guò)近三年運(yùn)轉(zhuǎn),在設(shè)施設(shè)備維護(hù)及生產(chǎn)管理兩方面仍存在不少問(wèn)題,具體有:(1)沼氣凈化處理過(guò)程。①沼氣中硫含量居高不下,可達(dá)15