摘要：大中型污水处理厂污泥厌氧消化产生的沼气是一种具有较高利用价值,同时运行具有一定危险性的能源。污水处理厂对沼气进行回收利用,可以达到节约能耗、降低运行成本的目的。以典型的污泥厌氧消化沼气安全利用系统为例,着重从系统角度介绍了工艺流程的设计、安全装置的设置以及系统压力的设定和控制。
关键词：沼气利用 安全系统 工艺设计 污水处理厂
污泥厌氧消化是一种使污泥达到稳定状态的非常有效的处理方法。污泥中的有机物厌氧消化后主要产物是消化气(沼气)。随着污泥中有机物成分以及消化工艺的不同,沼气的化学成分也各异,一般由60%～70%的甲烷、25%～40%的二氧化碳和少量的氮硫化物和硫化氢组成,燃烧热值约18800～25000kJ/m3[1]。大中型污水处理厂对消化产生的沼气进行回收利用,可以达到节约能耗、降低运行成本的目的。同时,空气中沼气含量达到一定浓度会具有毒性;沼气与空气以1∶(8．6～20．8)(体积比)混合时,如遇明火会引起爆炸[2]。因此,污水处理厂沼气利用系统如果设计操作不当将会有很大的危险。北京市市政工程设计研究总院在1992年～1996年先后完成了南部非洲博茨瓦纳污水处理厂工程、高碑店污水处理厂一期工程和二期工程污泥中温厌氧消化处理系统和相应的沼气收集利用系统的设计。本文旨在综合以上三个沼气利用系统设计的基础上,着重从污泥厌氧消化沼气系统的安全设置及工艺控制方面进行论述。
污泥厌氧消化沼气利用工艺流程由图1可知污泥消化沼气系统一般分为4个子系统:沼气收集净化贮存系统、沼气搅拌系统、沼气利用系统和废气燃烧系统。下面对沼气安全系统的硬件(沼气系统工艺流程设计及安全装置)设置及软件(沼气系统压力的设计及构筑物、设备间的连锁控制)进行阐述。2沼气系统工艺流程设计及安全装置的设置2
1 沼气净化污泥消化产生的沼气是处于汽水饱和态的混合气。
沼气自消化池进入管道时,温度逐渐降低,管道中会产生大量含杂质的冷凝水,如果不从系统中除去,容易堵塞、破坏管道设备。同时沼气中的h2s气体溶于水形成的氢硫酸会腐蚀管道和毁坏设备。沼气净化主要是脱硫和去除冷凝水及杂质[3]。沼气自消化池进入管道时,在最靠近消化池的国内应用较多的是同济大学及武汉东湖水厂的产品,因本工程目的之一是为第四水厂做试验,所以两格分别采用了两家产品,都取得了良好的效果。
此外,前序网格反应池的设计也取得了成功,因气浮的原理与沉淀恰恰相反,所以对矾花的要求不是很高,只要形成能够与微气泡相粘附的中小矾花即可。于是我们适当缩短了反应时间,采用的时间仅为9min,同时也调整了絮凝剂的投加量,降低了药耗。
这次龙山水厂气浮工艺的成功应用,使我们对处理水库水、低浊水又有了新的认识,同时我们还在对是否可用出厂压力水取代回流水泵,降低能耗,水流由接触室流往分离区流速多大更合适等问题做进一步的探讨,愿经过试验分析,实践总结,使气浮工艺更加成熟地应用于自来水生产。
位置,温降值最大,产生的冷凝水量多,在此点必须设置冷凝水去除罐。在沼气管路系统中,在避免沼气流速过大而夹带水汽的前提下,管道坡度应设计为1%～2%或尽可能更大。在博茨瓦纳污水处理厂运行中发现,个别坡度为0．005左右的管道管壁容易积冷凝水。较长的管线应特别考虑设计成有一定的起伏,在所有低点都应该考虑设置冷凝水去除罐。另外,在重要设备如沼气压缩机、沼气锅炉、沼气发电机、废气燃烧器、脱硫塔等设备沼气管线入口处,在干式气柜的进口处和湿式气柜的进出口处都设置冷凝水去除罐。有时在某些设备如有密封水系统的沼气压缩机出口处还需要设置装有高压排水阀的去除罐。正常运行期间操作人员每天检查时,都会发现一些去除器(特别是靠近消化池的)有大量的冷凝水排出。当构筑物和设备检修时,还可以向冷凝水去除器中注水,作为水封罐。
沼气中的杂质一部分随排除冷凝水去除,另一部分被阻留在消焰器填料间缝隙里的杂质也随定期清洗消焰器而被清除,如果沼气利用设备有特殊要求,还应在沼气进入设备前设置气体过滤器为防止氢硫酸腐蚀管道和毁坏设备,城市污水厂污泥产生的沼气进入贮气柜之前一般应该设置脱硫装置。城市污水处理厂沼气脱硫装置一般采用氧化铁的干法脱硫和naoh,na2co3的湿法脱硫。
2．2 沼气安全利用
2．2．1 防爆保护和火焰消除
沼气与空气在一定的混合比和遭遇明火情况下会引起沼气爆炸或燃烧。
消焰器的设置有效地防止了外部火焰进入沼气系统及火焰在管路中的传播,进而保证了系统的安全运行。在所有沼气系统与外界连通部位(如:与真空压力安全阀、机械排气阀连接安装处),以及气柜、沼气压缩机、沼气锅炉、沼气发电机、废气燃烧器沼气管进口处都设置了消焰器。消焰器内部填充了金属填料,当火焰通过消焰器填料间缝隙时,热量被吸收,温度降低到燃点以下,达到消焰目的。
从消化池流出的沼气中常带有泡沫和浮渣等杂质,容易堵塞填料,阻碍气体通过,增加管路阻力。处理厂操作人员可以测量记录沼气通过不同部位消焰器的压力变化以确定检查清洗填料的周期,实际运行中经常会出现由于消焰器清洗不及时而产生的系统压力波动和运行问题。所以设计时,在消焰器的前后一般设置阀门以便维护。
2．2．2 压力安全防护
沼气利用系统是一个压力系统,如果沼气收集和使用不平衡,系统压力可能升高超过允许值;污泥或沼气从消化池或气柜过快地排出可能引起构筑物内部的真空状态。
系统的压力安全防护装置的设置从压力值上可以考虑分为三个层次:
(1)正常运行压力。沼气系统在设计时应该尽量考虑采用低压系统,低压系统有利于消化污泥中的沼气释放出来,同时增强系统的运行安全性。系统正常运行压力在设定范围内会有一定的波动,不同压力管线之间的连通管和沼气利用设备进气之前一般应设置不同形式的调节阀,使进入设备的沼气压力平稳并满足使用要求。
(2)防止超压的紧急释放装置。系统中产生多余的气体会使系统压力升高。防止系统超压可以使用废气燃烧器将沼气烧掉;如果还不能阻止系统压力继续上升,设置在低压气柜顶部的机械排气阀或沼气输送管路上的压力释放阀将动作以排放多余气体。排气阀也需要与消焰器同步安装。
(3)超压和负压状态下的保护措施。当废气燃烧器和沼气紧急释放装置在系统压力不断升高时出现故障或不能阻止压力进一步升高时,为防止系统超压对构筑物和设备可能造成的破坏性影响,在消化池和气柜顶部都设置了真空压力安全阀。同时,在污泥或沼气从消化池或气柜过快地排出而可能引起构筑物内部的真空状态的时候,真空压力安全阀还会动作使空气进入构筑物,起到最终防护的作用。因为真空压力安全阀安装在沼气系统与外界大气连通的部位,也需要与消焰器同步安装,以避免外部的火源进入沼气系统。在真空压力安全阀和消焰器与消化池连接处设置了常开的阀门,便于检修设备。不同位置的压力安全阀的设定应在系统工作压力的基本值上根据各构筑物间的管路损失设定相应值。操作人员同样需要定期清理超压排气口和真空进气口的密封面。在沼气压缩机和脱硫装置的入口处安装了负压防止阀,防止阀门前部系统沼气量不够的情况下,后部沼气利用系统依然继续抽吸气体。
2．2．3 沼气安全利用与贮气柜连接的后续系统有沼气搅拌系统、沼气利用系统和废气燃烧系统。
(1)沼气搅拌系统。沼气搅拌系统是指沼气由沼气压缩机送回消化池用以对消化污泥进行搅拌。消化池搅拌还可以采用机械搅拌,省去了沼气压缩机系统及可能附带的冷却水循环系统,使系统更加简单。如果消化池采用溢流排泥,搅拌采用机械搅拌,就可以降低沼气系统压力出现大的波动的概率。
(2)沼气利用系统。沼气利用系统一般有:
①使用沼气锅炉直接为消化池或其他建筑物提供热能;
②使用沼气发电机发电供处理厂内部使用,余热还可为消化池或其他建筑物提供热能;
③直接作为可燃气体利用等。可根据具体情况进行分析和选择。
(3)废气燃烧系统。当沼气利用设备不能完全消耗消化池产生的沼气时,为防止沼气量不断增加致使系统压力超出正常范围,多余的沼气将被废气燃烧器烧掉。废气燃烧器一般在支状管线的末端,使用频率相对沼气利用设施低,运行时会发现由于长期积存在管线末端的气体成分不理想,难于使用沼气完成点火过程(也与废气燃烧器点火方式有关),所以还可以考虑在废气燃烧器旁设置备用点火源(如小的液化石油气罐)。沼气系统压力设计及构筑物、设备间的连锁控制沼气系统的硬件设施完成后,接下来需要完成系统安全操作的软件部分,即整个系统压力的设定及各构筑物、设备之间的连锁控制。
3．1 系统工作压力的设定整个沼气系统工作压力的设定需要综合考虑以下几个因素:
①沼气系统保证在正压情况下运行;
②贮气柜自重情况下的静压;
③综合考虑从消化池至贮气柜最终到沼气利用设备的管路损失,保证正常工况下,气体至沼气利用设备增压机或废气燃烧器入口处压力满足设备要求;
④消化池中气相压力尽可能低,使沼气能够最大量地从污泥中释放出来。综合上面的限定可以得到消化池正常工作压力。运行时,一般通过改变贮气柜顶部的配重来设定和调节消化池的工作压力(即系统压力)。系统基本运行压力确定后,可以按如前所述的原则完成紧急排放、超压和负压情况下安全设施的设定工作。
3．2 构筑物及设备自身系统的压力保护消化池、贮气柜、沼气压缩机及各种沼气利用设备 的工作压力在系统正常工作值的基础上压力会有波动,各设备及构筑物自身系统也应有一定的控制和安全装置,以保证其异常运行时也不致影响整个系统。
(1)沼气压缩机将沼气送入消化池进行污泥搅拌。沼气压缩机自身系统应具有保护功能:进气压力低到一定设定值时报警,继续降低时,停机;出气压力高过一定设定值时报警,继续升高时,停机。压缩机自身系统的这些设置可以避免在系统压力低于正常值时过分抽吸沼气造成负压,或使后部系统压力超过允许值。
(2)沼气锅炉、沼气发电机、沼气发动机等设备进气端也有相同的保护设置。
(3)消化池、贮气柜顶部安装了真空压力安全阀,防止过高压力破坏构筑物的气密性及负压可能对结构造成的毁坏。
(4)高压系统中使用的球罐顶部同样需要安装过压排气阀。
3．3 系统中设备、构筑物之间的连锁控制
沼气系统中构筑物及设备之间有管线连通,使之不是彼此孤立而是可以连锁控制的。
沼气系统也正是通过各部分之间的连锁控制从而形成一个整体,使安全性得到整体提高。低压系统的总气量体现在贮气柜高度值变化上,贮气柜对整个系统具有气量调蓄和稳压的作用,系统内部可以互相补气以平衡压力。同时,贮气柜的高度值可以传送到中控,既便于监视,又用来对系统中各设备开停进行连锁控制。
下面是基于博茨瓦纳污水处理厂工程中采用的低压沼气利用系统提出的连锁控制方案:
(1)贮气柜高度在总高度的5%～90%之间为正常运行区域。
(2)贮气柜高度低于总高度的5%时,停止沼气压缩机,停止沼气使用设备如锅炉、发电机、发动机。如果系统控制出现故障,压力降低到真空安全阀的设定值时,真空安全阀动作,防止负压可能对结构造成的毁坏。
(3)贮气柜高度高于总高度的90%时,启动废气燃烧器。由于废气燃烧器的使用,贮气柜高度将开始降低,当贮气柜高度低于总高度的80%时,停止废气燃烧器。
(4)如果废气燃烧器出现故障,贮气柜高度继续升高到93%时,气柜顶部设置机械排气阀排气。
(5)贮气柜高度高于95%时报警,并在中控室显示报警信号。
(6)贮气柜高度依然继续升高到顶点,系统压力开始升高,到达压力安全阀的设定开启值时,压力安全阀动作以保护构筑物免受毁坏。压力安全阀的动作压力值必须低于贮气柜气密性保护的最高压力值。如果难以通过沼气气柜的高度值传入中控系统以控制设备运行时,也可以通过在线仪表采集压力值就地或远程控制沼气设备的开停。
综上,沼气统各构筑物和设备之间只有通过连锁控制,才能真正联合成一个整体系统,使各部分安全设置及设备的作用发挥出来,更进一步确保了沼气系统的安全运行。
4 结论
(1)沼气利用首先要去除沼气中的冷凝水、硫化氢和杂质,然后可以按照正常运行压力、防止超压的紧急释放、超压和负压状态下的三个保护层次设置沼气安全装置和设定运行压力值。
(2)沼气系统中安全装置的设置和压力设定应该和各构筑物、设备之间形成连锁控制,气柜高度的变化反映了系统中沼气量和压力的变化,可以作为各构筑物设备之间形成连锁控制的纽带,也可以直接通过沼气管路中压力的变化进行控制。