城市污水處理廠沼氣機熱泵的應用
吳集迎(集美大學機械工程學院, 福建廈門361021)
[摘要] 分析了城市污水處理廠余熱能回收利用的可行性及應用方式, 研究了以污水處理過程中產出的沼氣驅動沼氣機熱泵的節能與環保作用, 并做系統構建與經濟性的計算. 結果表明: 與燃煤鍋爐、燃氣鍋爐以及電動熱泵相比, 以污水廠產出沼氣為燃料, 輸入功率為500 kW的沼氣機熱泵, 按年運行300 d計, 可分別節約標準煤450 t、天然氣2717萬m3 以及用電量6812萬kW·h, 一年半即可收回沼氣機熱泵的先期投入費. 因此, 城市污水處理廠利用產出沼氣驅動熱泵以回收污水中余熱能, 是一種資源有效利用的節能方式, 具有顯著的經濟效益與環保效益.

[關鍵詞] 沼氣機熱泵; 污水處理; 余熱能回收利用

      0　引言
     

      能源需求的迅速增長導致供需矛盾的日趨尖銳, 使能源問題成為制約我國經濟發展的瓶頸. 據預測, 2030年以后, 我國常規能源生產與能源總需求的缺口將不斷擴大, 到2050 年, 缺口可能達20億t標準煤. 因此, 必須強化節能、提高能源利用效率和拓寬能源來源多元化渠道. 沼氣是能源多元化來源之一, 一個中等規模的城市污水處理廠平均日產沼氣可達5 000 m3 以上, 可是在污水處理過程中, 產出的大部分沼氣被空排或空燒, 浪費了能源, 還污染了環境. 同時, 城市污水也是一種寶貴資源, 其一年四季溫度變化較小, 數量穩定, 余熱量大. 如果將城市污水處理廠產出的沼氣作為
燃料驅動污水源沼氣機熱泵運行, 在廢棄資源現場, 因地制宜就地利用排放的污水余熱及廢棄的沼氣, 就可實現資源的循環利用, 提高能源的利用效率, 減少環境污染.

      1　城市污水廠沼氣的來源與利用

      1.1　沼氣來源

      城市污水處理廠一般采用傳統活性污泥法處理污泥. 每立方米污泥經消化工藝處理后產出沼氣約為7 m3. 據報道, 廈門市每處理1 000 t污水就能產生113 t污泥, 預計2007年全市各污水廠污泥將達到14萬t, 沼氣產出量可達98萬m3 [ 1 ] . 隨著我國城市污水處理率的提高, 到2010年, 我國每年城市污水處理廠預計將產生濕污泥達2000多萬噸. 因此, 城市污水廠沼氣產出量也將大幅增加.

      1.2　沼氣利用

      目前國內城市污水處理行業, 沼氣利用途徑一般有3種[ 2 ] : 1) 使用沼氣鍋爐直接加熱消化池消化污泥或為其他建筑物提供熱能; 2) 使用沼氣機驅動鼓風機, 并利用余熱回收裝置回收沼氣機的余熱加熱消化池; 3) 利用沼氣機驅動發電機發電與廠內供電并網, 并利用余熱回收裝置回收沼氣機的余熱加熱消化污泥.

      由于污泥經消化工藝處理后產出的沼氣, 具有來源豐富、較高熱值和良好抗爆性等特點, 可作為污水源熱泵的驅動能源, 這樣, 一方面可充分回收城市污水中的大量余熱能, 提高能源利用率; 另一方面又減少了化石燃料的消耗與大氣污染, 同時起到節能和環保作用. 因此, 筆者提出可將城市污水處理廠的出水作為熱泵的低位熱源, 以污水處理產出的沼氣為燃料驅動沼氣機熱泵運行, 并利用沼氣機余熱回收裝置產生高溫熱水, 用來加熱消化池或作為污水廠內部的空調采暖用水, 從而有效降低資源耗散速度, 實現各種資源的綜合利用.

      2　城市污水廠沼氣機熱泵的應用

      2.1　城市污水作為熱泵低位熱源的特點

      城市污水余熱量大, 可以在50 ℃以下溫區內進行回收利用, 而應用熱泵技術就能夠吸取污水中的低位余熱能并提高其能級為用戶供熱, 實現污水廠出水低位余熱能的回收利用. 而且, 不用抽取地下水,也不必將循環水回灌地下, 這不僅節省抽水井和回灌井的初投資, 還減少了抽水和回灌的運行費用.

      2.2　發動機燃用沼氣的特點

      沼氣機屬于氣體發動機, 是目前新能源利用產業的熱點之一. 沼氣與天然氣相比, 雖然都富含甲烷, 但在成分和燃燒特性上仍有差異. 發動機燃用沼氣主要有3個特點[ 3 ] : 1) 沼氣通過進氣管進入氣缸時會減少空氣進入氣缸的體積, 使空氣的充量系數明顯下降, 導致燃燒過程中的過量空氣系數不足;

      2) 沼氣著火溫度很高, 難以靠壓縮自燃; 3) 沼氣燃燒速度較慢, 發動機容易產生后燃等不正常的燃燒現象. 因此, 需要對沼氣機的燃燒系統進行改裝. 近年來, 國內外對沼氣機的改裝進行了深入的研究和開發, 目前, 經改裝后的全燒式發動機, 已成為污水處理廠等大中型沼氣工程中沼氣機的主流機型.

      2.3　沼氣機熱泵的系統構建

      2.3.1　沼氣機熱泵

      從結構上看, 沼氣機熱泵BEHP (Biogas engine2driven heat pump ) 與常規電動壓縮式熱泵相似,都由壓縮機、冷凝器、蒸發器、膨脹閥等部分構成, 不同的是電動熱泵的動力源是電動機, 而BEHP是沼氣機. 從系統流程看, BEHP與電動熱泵有較大差別. 由于沼氣機排出的高溫廢氣及其缸套散熱量均可通過換熱器傳給熱泵工質或載熱介質, 因此, 除完成和電動熱泵一樣的基本循環外, 還需設置一套回收利用沼氣機高溫排氣及缸套散熱的換熱系統.

      2.3.2 系統流程

      沼氣機熱泵系統流程由動力單元和熱泵單元兩部分組成, 如圖1所示, 沼氣經凈化處理后進入沼氣機,燃燒后釋放的大部分熱能轉化為機械能驅動熱泵壓縮機運行, 其余則以廢氣排放和缸套散熱的形式排入環境中. 為了回收利用這部分余熱, 系統中設置了兩個余熱回收裝置, 使待加熱流體在冷凝器中升溫后, 再依次進入缸套冷卻水換熱器和排氣換熱器, 被繼續加熱成高溫流體供用戶使用. 因此, 系統可提供的高位熱能包括三部分: 冷凝熱、回收的缸套冷卻熱和高溫排氣余熱.

      2.3.3　系統構建

      原動機選用12V190系列沼氣發動機. 根據該系列沼氣機壓縮比、轉速等性能參數, 以及污水源熱泵系統的運行特點, 選用BOCK FK40 /655K型螺桿式壓縮機. 缸套冷卻水換熱器選用板式換熱器, 排氣換熱器選用殼管式換熱器. 其它設備包括循環水泵、分集水器、膨脹水箱、軟水器以及各種控制閥門的選型與電驅動壓縮式熱泵類同, 采用常規冷(熱) 水機組的標準配置. 由于系統由沼氣機驅動, 還需要增加一套與沼氣機有關的配套設備如水封罐、緩沖罐等[ 4 ] , 以此構建的BEHP系統如圖2所示.

      與傳統的電驅動熱泵相比, 該系統通過回收沼氣機缸套散熱量和高溫廢氣排熱量, 增大了熱泵的供熱量. 一般熱泵冷凝器出口的循環熱水經板式換熱器被沼氣機缸套冷卻水(約80～90 ℃) 加熱后, 再經過排氣換熱器被沼氣機排出的高溫廢氣(約400～500 ℃) 進一步加熱, 水溫將達到80～
100 ℃左右. 根據污水處理廠的實際情況, 可通過分水器把這部分高溫熱水輸送到污泥消化池用于加熱消化池或作為污水廠內部的空調采暖用水, 從而以節省供熱費用來回收增大的設備投資, 并提高整個系統的能源利用效率. 因此, 以BEHP系統替代傳統的電動熱泵或者其他供熱方式, 可充分利用污水處理過程中產出的沼氣資源, 對降低電耗、降低污水處理成本和節約能源, 具有積極作用.