基于污泥厌氧发酵的太阳能-高温水源热泵供热系统研究

2018-09-10刘杰，王军，万鹏，郭炜

中国沼气 2018年4期

刘杰，王军，万鹏，郭炜

(青岛理工大学环境与市政工程学院，山东青岛 266033)

由于我国经济的快速增长，城市的污水处理量与日剧增，相应污泥的量也随之增多[1-2]，近年来，污泥厌氧消化由于具备回收潜在能量和降低环境危害的功能成为应用最为广泛的污泥处理方式[3-4]。大部分污水厂厌氧消化为中温消化(33℃)，并且产生的沼气优先用于发电，发动机的余热用于消化池和污泥的加热，不足热量则由配备的辅助热源补充。而高温消化(55℃)因其卫生条件好、消化时间短、产气量较多等优点逐渐成为未来发展的方向。但高温消化对温度要求高，需要的加热量大，目前主要利用燃煤、燃气锅炉将污泥加热至反应温度，其处理工艺能耗高并造成了大量污染物的排放。因此，高能耗成为厌氧消化系统推广普及应用的制约因素。

本文设计在污水厂内铺设太阳能集热器和高温水源热泵，采集太阳能以及中水低位热能作为辅助热源加热污泥，使其高温厌氧发酵产生沼气热电联产；对于太阳能不足时，利用高温水源热泵从中水里提取热量加热污泥,从而实现污泥的高温厌氧发酵。基于太阳能-高温水源热泵供热的方案下，对污泥高温厌氧发酵系统进行综合评价，期望为此系统推广应用提供有利参考。

1 工程概况

该污水处理厂服务面积24 km2，工程设计规模为16万m3，1期工程于1993 年竣工投产运行，处理工艺采用A-B法，日处理规模8万m3，在2010年扩建工程增加8万的处理能力。污水处理工艺改为MSBR工艺法，出水水质全部达到现行国家城市生活污水一级B排放标准。该污水厂采用额定功率500 kW的燃气发电机组，共设有4台发电机组。

2 污泥中温消化-热电联产工艺分析

该水厂采用“中温厌氧消化+热电联产”工艺，通过清洁能源沼气发电自用以节省能源；主要利用发电余热回收热能维持中温厌氧消化运行。

污水处理和污泥厌氧发酵工艺过程如下：初沉池产生的污泥经过预浓缩池重力浓缩后与MSBR池处理后经重力浓缩和机械浓缩后的剩余污泥混合，进入厌氧消化池进行中温厌氧消化，一般消化温度为35℃～38℃，产生的沼气用于厂内发电自用；在冬天无法满足所需热量的条件时将生成的一部分沼气用于加热热水锅炉[5]。沼气热电联产现有系统如图1。

图1 沼气热电联产现有系统

3 运行参数分析

据资料显示，我国污泥厌氧发酵系统几乎全部采用中温发酵，原因主要是中温发酵污泥所需要的热量少，投资较小。本文中青岛某污水厂污泥采用的就是中温发酵，发电机组的缸套水热量和烟气锅炉产生的热量可以基本维持中温厌氧消化系统的运行。与中温消化相比，高温消化时污泥的发酵时间短，产气量多，笔者在现有热电联产系统的基础上进行了改进设计，提出了基于污泥厌氧发酵的太阳能-高温水源热泵供热系统，为高温发酵补充热量[6-7]。

目前我国几乎没有污水厂采用污泥高温消化系统，因此在本设计中笔者根据2016年该污水厂中温运行的数据推算系统改用高温消化后系统的运行情况。根据相关文献[8-11]可知，在相同污泥量的情况下，高温消化产气量相较于中温消化产气量将提高40%～60%(本文取50%)。依据内燃机的性能曲线，发电机的运行负荷增加使得内燃机的平均发电效率提高了4%，但高温消化管路的热损失有所提高(由中温消化的5%提高到10%)。由于全年系统运行影响因素较多，笔者根据中温时测得新鲜污泥温度、环境日平均温度、单位污泥产沼气量和沼气中甲烷含量等影响因素的波动性大小，将污水厂全年运行数据划分为4个阶段，并根据以上推论通过能量守恒定律和质量守恒定律计算出高温系统沼气量A，发电量B,污泥消化需热量C，回收余热量D和系统总需热量E,现将该污水厂的现有系统和高温污泥厌氧发酵系统各个阶段运行情况进行对比，如图2～图5所示。

图2 阶段1中温系统与高温系统的运行情况对比

图3 阶段2中温系统与高温系统的运行情况对比

图4 阶段3中温系统与高温系统的运行情况对比

由图2～图5可知，中温系统污泥能够基本靠发电机组的回收余热保持中温发酵，需要外界提供的热量较少，由于阶段1和阶段2的新鲜污泥的温度较高，污泥消化需热量减少，造成回收的机组余热量大于系统需热量。回收的机组余热量较中温系统多32%～50%，高温系统的总需热量较大，一方面需要水温较高，另一方面主要是循环水进入分水器的水温有要求(不超过45℃)，循环水加热完污泥之后需要继续与中水换热达到合适水温(44℃)才能进入集水器，造成热量流失。

图5 阶段4中温系统与高温系统的运行情况对比

4 基于污泥厌氧发酵的沼气太阳能耦合热电联产系统

4.1 系统方案设计

图6为基于污泥厌氧发酵的太阳能+高温水源热泵供热系统。

该系统的两种运行模式如下：

(1)太阳能联合高温水源热泵运行模式：太阳能充足时，太阳能集热器加热热水，这时关闭阀门a，打开阀门b，控制循环热水全部进入太阳能集热器，于是循环热水通过阀门b，在板式换热器内与太阳能集热器加热的热水进行换热，升高温度，这部分热水再进入高温水源热泵被加热到67℃～72℃，然后循环热水进入套管换热器加热混合污泥。套管换热器的出水温度为53℃左右，不满足发电机组外循环水要求(冷却水进口温度<45℃,出口温度<55℃)，所以需要将这部分热量换热给中水，使温度降低至45℃，换热后的中水可以作为高温水源热泵的低温热源(28℃～32℃)，与高温水源热泵换热后排入大海。

(2)高温水源热泵独立运行模式：夜间或者阴雨天等太阳能不足的情况下，太阳能集热器不能加热循环热水，此时关闭阀门b，开启阀门a,使外循环水不与太阳能系统的储热水箱进行换热，而是全部直接通过高温水源热泵，然后被加热到加热污泥所要求的温度55℃。

4.2 太阳能系统

太阳能集热器是一种吸收太阳的辐射能并向工质传递热量的装置，目前最常用的主要有平板型太阳能集热器和真空管型太阳能集热器。本设计中采用真空管型太阳能集热器，真空管型太阳能集热器采用真空保温，出水温度较平板型集热器高，散热损失比平板型集热器少很多，即使在寒冷的冬季，真空管型太阳能集热器仍然能够集热，而且它的集热效率能达到60%～70%。

图6 太阳能+高温水源热泵供热系统

受到安装场地面积限制，现使太阳能集热器面积为6915.4 m2，在光照充足时承担系统部分需热负荷，其余热负荷由高温水源热泵补充。4个阶段太阳能集热器供热量如表1所示。

表1 太阳能集热器供热量

4.3 高温水源热泵系统

该污水厂的污水通过污水处理工艺得到的最后出水为中水，其无毒无腐蚀，并且冬季比环境温度高，在10℃～17℃之间；夏季比环境温度低，在20℃～23℃之间；污水厂日产中水在14万吨左右；高温厌氧发酵系统中，中水需要将从污泥套管换热器出来后的50℃左右的热水换热至44℃左右，如果直接排海，会造成大量的热量浪费。采用板式换热器换热，使得换热后的中水温度在28℃～32℃之间，采取高温水源热泵从中水中提取热量，回收中水里的热量补充系统总需热量，高温水源热泵能效比cop=3.8，出水温度在67℃～72℃之间[12]。

5 系统方案的综合评价

5.1 系统能量分析

根据热力学第一定律，系统的热能和机械能在转移或转换时能量的总量必定守恒。现将高温系统的各个子系统的能量参数计算出来，图7为系统的能量分析。

图7 系统的能量分析

由图可知，4个阶段的系统日总需热量在4万～5.8万kWh，差异较明显;由于太阳能辐射量变化不大，太阳能供热量较稳定，在每天1.2万～1.6万kWh;在4个阶段中高温水源热泵都承担了大部分的系统总需热负荷，循环水与中水换热流失到中水里的系统热量得到有效回收，会消耗部分电量，使系统净发电量减少。

5.2 经济效益分析

5.2.1 系统的改进初投资

系统改进初投资主要是对该系统引入的高温水源热泵，太阳能集热器等设备的成本、设备安装费、配套费等进行分析计算。根据市场调研得知，高温水源热泵的价格约为0.6元·W-1，太阳能集热器按照600元·m-2计算，板式换热器与套管换热器均按300元·m-2计算，热泵配套费按180元·kW-1计算，系统改进初投资的具体计算数据见表2。

表2 系统改进初投资计算表

5.2.2 费用年值

费用年值法是将项目初投资的现值按照时间价值等额分摊到各使用年限中去的动态经济分析方法。其包括年固定费用和年运行费用，年固定费用为系统初投资在使用年限内每年消耗的费用，计算得到年固定费用为72.3万元，年运行费用为194万元，费用年值为266.3万元。

5.2.3 年电费收益

收益指来自发电所获得的净发电收益与费用年值的差值。全部沼气所发电的收入(平均净发电量23163 kWh·d-1)，按一年8000 h发电的时间来计算，电价按0.89元·度-1计，则年发电收入为687.15万元。年电费收益为420万元，同时求得中温系统的收益为459万元，高温系统的年电费收益较中温系统少8.5%。

5.3 环境效益分析

基于环境效益的评价指标成为评价一个方案系统优劣不可缺少的标准。污水厂的沼气热电联产系统相对于单产系统来说主要体现在CO2，SO2，NOx以及烟尘的减排量；系统总的净发电量为772万kWh，因此，对减少煤炭燃烧所带来的效益E进行估算,该系统环境效益E约为224.7万元，同时求得中温系统的环境效益E约为132.1万元，高温系统较中温系统的环境效益提高70.1%。