简介： 本文系统介绍了高碑店污水处理厂，污泥处理设计过程中，如何有效地回收利用沼气发电系统的余热作为污泥中温消化的热源。达到节约能源，减少电耗和降低污水处理成本的目的。
关键字：沼气发电 能源利用 余热回收 热平衡
1 污泥处理及能源利用概况
高碑店污水处理厂二期工程设计水量50万m3／d，初沉泥和二沉池的混合污泥量为4417m3／d，污泥含水率97％，污泥处理工艺采用重力浓缩，二级中温消化带式压滤机脱水，并利用消化产生的沼气发电并入城市电网，发电机产生的余热作为一级消化热源，锅炉房蒸汽为补充热源。
高碑店污水处理厂二期工程设置八座消化池，四座为一个系列，共两个系列，每一系列有一级消化池三座，二级消化池一座，消化池产沼气2.2～2.6万m3／d。其中甲烷含量占57％～62％，热值5000Kcal／m3，消化池产气总热量为540万Kcal／h。三台沼气发电机总发电量2000KW，所发电量并入市政公用电网。
为维持污泥中温消化所需的温度，需要对污泥进行加热。加热污泥的热量需要由外部热源提供，高碑店污水处理厂利用污泥消化产生的沼气进行发电，沼气发电系统运行中产生的大量余热，作为加热污泥的热源，这将节约大量的热能，达到节省能源，降低能耗的目的。图1为能源利用流程图。
2 能源利用途径
高碑店污水处理厂工程沼气发电系统选用三台奥地利JMS316－BL型沼气发电机，发电机总容量约2000KW，单台发电机容量为625KW。该系统在运行过程中有三个部分产生的热能可回收利用，它们是：燃气混合热能、缸套水热能和润滑油热能及尾气释放的热能。表1所示为各部分热能回收量与回收率，图2为沼气发电机组热能回收系统，图3为单台沼气发电机组能量平衡图。
| 序号 | 项目 | 回收量 | 回收率 | 备注 |
| 1 | 燃气混合热能 | 98（8.4） | 5.8% | |
| 2 | 缸套水和润滑油热能 | 283(24.3) | 16.6% |
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| 3 | 尾气热能 | 475(40.9) | 27.9% | 总输入热能1703(146.5) |
| 4 | 总回收热能 | 856(73.6) | 50.3% |
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由图2可知，进入发电机的冷水，流量39.4m3／h，温度为70℃，吸收沼气发电机的热能后流量不变，温度升为90℃，进入余热利用系统。由图3可知由沼气产生的总能量中有40％转变为机械能，60％转变为热能。其中40％机械能中的38.3％转换为电能；60％热能中的50.3％作为余热可回收利用，总能量回收效率可达88.6％。该回收率高于一般的沼气发电机。
3 热平衡系统
该热平衡是通过某种调节手段，使供热系统提供的热量恰好与需热系统所需热量相同。供热系统的热量为沼气发电系统产生的余热和蒸汽锅炉补充热量的总和；需热系统的热量是指消化池正常运行时所需热量。
3.1 供热系统运行工况
3.1.1 沼气发电机
沼气发电系统余热热量计算，
Q＝CA△t （1）
其中，Q－供（需）热量（Kcal／h）
C－介质的传热系数（Kcal／m3℃）
A－介质流量（m3／h）
△t－介质温度的变化（℃）
如前所述，余热利用了燃气混合、缸套水、润滑油及尾气四部分热能，单台发电机组热能总值为856KW（73.6万Kcal／h）。单台机组在不同负荷情况下所提供的热量是变化回收的，见表2。同样，沼气发电系统供热量也随机组台数的变化而变化。
单台机级能量随负荷变化表 单位kw(万kcal) 表2
| 项目 | 100%负荷 | 75%负荷 | 50%负荷 |
| 总输入能量 | 1703 (146.5) | 1321 (113.6) | 969 (83.3) |
| 总回收热能 | 856 (73.6) | 675 (58.0) | 491 (42.2) |
| 其中: |
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| 燃气混合热能 | 98 (8.4) | 40 (3.4) | 2 (0.2) |
| 缸套水和润滑油热能 | 283 (24.3) | 271 (23.3) | 233 (20.0) |
| 尾气热能 | 475 (40.9) | 364 (31.3) | 256 (22.0) |
从能量分配得知，三台发电机满负荷运行时，沼气进气总能量为3×1703＝5109KW（439.4万Kcal／h，100％），总发电量为3×652＝1956KW（168.2万Kcal／h，38.3％），热回收总量为3×856＝2568KW（220.8万Kcal／h，50％），尾气损失能量为3×139＝417KW（35.9万Kcal／h，8.1％），机组辐射损失能量为3×56＝168KW（14.4万Kcal／h，3.3％）。三台机组满负荷运行时可利用的最大热能为2568KW（220.8万Kcal／h，50.3％）。
3.1.2 蒸汽锅炉汽水交换
沼气发电系统所产生的余热随其运行台数与负荷的不同而变化，加热污泥所需热量相对较稳定，当余热提供热量不能满足消化池所需热量时，可利用蒸汽锅炉作为补充热源。补充热源是由蒸汽锅炉产生的蒸汽，通过汽水热交换器产生热水供给泥水热交换器使用，以补充热量不足部分。补充热量为消化池污泥全年最冷月需热量226.8万Kcal／h。（见表6）
3.2 需热系统工况
加热是污泥中温厌氧消化的重要条件，为保证消化池在35℃条件下正常运行，采用污泥池外间接加热法。螺旋板式泥水热交换器对污泥加热。
3.2.1 加热污泥的耗热量计算
新鲜污泥温度变化。如图4。
按照消化池的投泥次数，每天投泥4次，每次1小时，每次投泥量90m3／h，得出单池新鲜污泥平均耗热量Q泥。如表3所示。
单位:1000Kacl/h 表3
| 月份 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 |
泥耗热量 | 309 | 287 | 276 | 263 | 228 | 217 |
月份 | 7 | 8 | 9 | 10 | 11 | 12 |
泥耗热量 | 204 | 197 | 213 | 254 | 270 | 281 |
3.2.2 消化池池体耗热量计算
根据北京市气温及地温的变化，按照公式：
Q池＝FK（TD－TA） （2）
其中，Q池：消化池池体耗热量（Kcal／h）
F：池盖、池壁及池底的散热面积（m2）
K：池盖、池壁及池底的散热系数（Kcal／m2·h·℃）
TD：消化温度（℃）
TA：池外介质温度（℃）
得出消化池池体耗热量，见表4。
| 月份 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 |
| 池体耗热理 | 35182 | 34602 | 29224 | 22960 | 17414 | 13762 |
| 月份 | 7 | 8 | 9 | 10 | 11 | 12 |
| 池体耗热量 | 11933 | 12942 | 15896 | 21462 | 27567 | 33401 |
污泥平均耗热量与池体耗热量之和，同事考虑10%的管道损耗，得出六座一级消化池所需热量。见表5及图5。
| 月份 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 |
消化池所需热量 | 226.8 | 212.0 | 201.4 | 188.5 | 162.0 | 152.7 |
月份 | 7 | 8 | 9 | 10 | 11 | 12 |
消化池所需热量 | 142.5 | 138.3 | 151.1 | 181.6 | 196.4 | 207.3 |
消化池冬季所需最大加热量为226.8万Kcal／h。夏季最小加热量为138.3万Kcal／h。
3.3 热平衡系统的联接
3.3.1 供热系统能量传递
图5表示污泥处理热平衡系统。
冬季三台发电机组满负荷运行，余热量基本满足消化池所需热量。若发电机组未满负荷运行，可通过汽水热交换器补充热量。当夏季发电机组提供的余热量大于消化池所需热量时，发电机组启动自身保护系统－紧急风冷器，将余热释放。以下为四种典型的加热系统流程。
（1）全部利用发电机组余热加热污泥系统（见图6）。
沼气发电机产生的余热可满足加热消化污泥所需的热能，而无需外界补充热源，即消化池加热系统与沼气发电机热交换系统相联。
（2）沼气发电机未运行的加热污泥系统（见图7）。
当运行初期沼气发电机未运行或未正常运行时，消化污泥需要加热，需使用外界补充热源，用汽水热交换器提供热水至泥水热交换器加热污泥，即消化池加热系统与汽水热交换器热交换系统相联。
当产气量少或消化池检修时，沼气发电机未满负荷运行（50％或70％），台数减少以及冬季最冷的情况下，单凭沼气发电机产生的余热不能满足加热消化污泥所需的热能时，需加用外界补充热源，即消化池加热系统与沼气发电机热交换系统和汽水热交换器串联系统相联。
(3) 利用发电机组余热和补充热源的加热污泥系统(见图8)。
（4）污泥消化非正常运行的加热污泥系统（见图9）。
当沼气发电机余热热水经泥水热交换器回至发电机冷却水人口处，其温度大于70℃，不满足发电机冷却要求或消化池本身污泥系统未运行时，需用发电机自身配套水水热交换器，通过紧急风冷器冷却。
3.3.2供需热系统内部能量调节
从能量的需求看，沼气发电机系统产生的余热能够满足污泥加热的要求，但由于泥水热交换器对进水温度有特殊要求：
① 进水温度不大于75℃。若大于75℃，污泥易结垢，影响传热效率。
② 进、出水温差不宜大于8℃，否则热交换器传热效率降低。
而沼气发电系统冷却水出水温度为90℃，两者之间差别见表6。
| 项目 | 泥水热交换器 | 沼气发电机组 |
| 进水温度(℃) | 75 | 70 |
| 出水温度（℃） | 68.7 | 90 |
| 流量（m3/h） | 60*6 | 39.4*3 |
| 热量（万Kcal/h） | 226.8 | 236 |
沼气发电系统所产生的高温热水不能对污泥直接进行加热。因此，需要设置温度和流量调节控制系统，见图10。通过该系统将泥水热交换器出口较低温度的水与发电机组较高温度的冷却水混合，达到泥水热交换器进口水温的要求。按式（3）、（4）、（5）可以算出不同条件下进出水的温度和流量。这一过程可全部自控完成。
q2＝q1＋q3 （3）
Q＝q2＊1000 （tw1－tw2） （4）
q2tw2＝q1te＋q3tw1 （5）
其中， q1：发电机出水流量（m3／h）
q2：泥水热交换器进水流量（m3／h）
q3：回流量（m3／h）
tw1：泥水热交换器出水温度（℃）
tw2：泥水热交换器进水温度（℃）
te：发电机出水温度（℃）
Q：泥水热交换器的供热量（Kcal／h）
采用上述方法无需特殊设备，节省投资，自动调节，管理方便。
3.4 热平衡系统的特点
①在正常运行情况下，发电机产生的余热能满足消化池污泥加热的热量，节能综合利用率高，总能量回收率达到88.6％，热能回收50.3％。
②热平衡系统既相对独立又相互补充，可以满足各种工况下污泥加热的要求，组合灵活。
③泥水热交换器采用螺旋板式换热器，传热系数为1000Kcal／m2·h·℃。传热效率高，检修管理方便。对热交换器进水口温度进行控制，防止过热结垢现象。
④在消化池需热及发电系统余热供热之间水量或水温不匹配的情况下，设置简单的调节装置（回流阀），即满足热量转换又满足泥水热交换器及发电机组进水口水温的要求，使得热能有效合理利用，并便于操作管理。
⑤连续污泥加热，运行简便。
4 设计中应注意的问题
①作好消化池及热循环系统管道的保温，减少热量损失。
②控制泥水热交换器进水温度，控制温度在75℃以下，以防止过热结垢。
③污泥中挥发性固体的种类及在消化池的分解程度，直接影响甲烷含量及产气率，影响能量利用。
④沼气发电机的电力并人市政电网，其负荷可以平稳运行。沼气系统中设有贮气柜，可调节产气率的变化，也为沼气发电机提供平稳运行条件。因此应控制每台发电机，尽量在100％高负荷条件下运行，从而提高总能量回收率。
⑤消化池运行初期未产生沼气时，需使用外热源蒸汽锅炉，通过汽水热交换器用热水加热污泥。
5 经济效益和环境效益
沼气是污泥消化的副产品，若剩余气体直接排放，会污染环境；沼气发电机尾气是发电时的副产品，若直接排放，会造成热污染。因此，利用沼气发电余热回收利用，可减少空气污染和热污染。通过能源利用，可节电、节煤、降低污水处理成本，达到综合利用的目的。
6 结论
①利用沼气发电系统产生的余热加热污泥的方法在一定规模的污水处理厂中非常适用。
②通过建立热平衡系统，分析需热与供热之间的矛盾，使得沼气发电系统所产生的余热获得充分的利用。每年可节约燃煤约5100吨。
③在发电机发电量为2000KW的条件下：
电能利用率达38.3％；
热能利用率达50.3％；
能量总回收率达88.6％；
每年可节约用电1750万度。通过沼气发电机余热利用，可节省全厂30％以上的用电量。
④通过沼气发电和余热利用，降低污水处理成本。
