城市污水处理厂沼气机热泵的应用
吴集迎(集美大学机械工程学院, 福建厦门361021)
[摘要] 分析了城市污水处理厂余热能回收利用的可行性及应用方式, 研究了以污水处理过程中产出的沼气驱动沼气机热泵的节能与环保作用, 并做系统构建与经济性的计算. 结果表明: 与燃煤锅炉、燃气锅炉以及电动热泵相比, 以污水厂产出沼气为燃料, 输入功率为500 kW的沼气机热泵, 按年运行300 d计, 可分别节约标准煤450 t、天然气2717万m3 以及用电量6812万kW·h, 一年半即可收回沼气机热泵的先期投入费. 因此, 城市污水处理厂利用产出沼气驱动热泵以回收污水中余热能, 是一种资源有效利用的节能方式, 具有显著的经济效益与环保效益.
[关键词] 沼气机热泵; 污水处理; 余热能回收利用
0 引言
能源需求的迅速增长导致供需矛盾的日趋尖锐, 使能源问题成为制约我国经济发展的瓶颈. 据预测, 2030年以后, 我国常规能源生产与能源总需求的缺口将不断扩大, 到2050 年, 缺口可能达20亿t标准煤. 因此, 必须强化节能、提高能源利用效率和拓宽能源来源多元化渠道. 沼气是能源多元化来源之一, 一个中等规模的城市污水处理厂平均日产沼气可达5 000 m3 以上, 可是在污水处理过程中, 产出的大部分沼气被空排或空烧, 浪费了能源, 还污染了环境. 同时, 城市污水也是一种宝贵资源, 其一年四季温度变化较小, 数量稳定, 余热量大. 如果将城市污水处理厂产出的沼气作为
燃料驱动污水源沼气机热泵运行, 在废弃资源现场, 因地制宜就地利用排放的污水余热及废弃的沼气, 就可实现资源的循环利用, 提高能源的利用效率, 减少环境污染.
1 城市污水厂沼气的来源与利用
1.1 沼气来源
城市污水处理厂一般采用传统活性污泥法处理污泥. 每立方米污泥经消化工艺处理后产出沼气约为7 m3. 据报道, 厦门市每处理1 000 t污水就能产生113 t污泥, 预计2007年全市各污水厂污泥将达到14万t, 沼气产出量可达98万m3 [ 1 ] . 随着我国城市污水处理率的提高, 到2010年, 我国每年城市污水处理厂预计将产生湿污泥达2000多万吨. 因此, 城市污水厂沼气产出量也将大幅增加.
1.2 沼气利用
目前国内城市污水处理行业, 沼气利用途径一般有3种[ 2 ] : 1) 使用沼气锅炉直接加热消化池消化污泥或为其他建筑物提供热能; 2) 使用沼气机驱动鼓风机, 并利用余热回收装置回收沼气机的余热加热消化池; 3) 利用沼气机驱动发电机发电与厂内供电并网, 并利用余热回收装置回收沼气机的余热加热消化污泥.
由于污泥经消化工艺处理后产出的沼气, 具有来源丰富、较高热值和良好抗爆性等特点, 可作为污水源热泵的驱动能源, 这样, 一方面可充分回收城市污水中的大量余热能, 提高能源利用率; 另一方面又减少了化石燃料的消耗与大气污染, 同时起到节能和环保作用. 因此, 笔者提出可将城市污水处理厂的出水作为热泵的低位热源, 以污水处理产出的沼气为燃料驱动沼气机热泵运行, 并利用沼气机余热回收装置产生高温热水, 用来加热消化池或作为污水厂内部的空调采暖用水, 从而有效降低资源耗散速度, 实现各种资源的综合利用.
2 城市污水厂沼气机热泵的应用
2.1 城市污水作为热泵低位热源的特点
城市污水余热量大, 可以在50 ℃以下温区内进行回收利用, 而应用热泵技术就能够吸取污水中的低位余热能并提高其能级为用户供热, 实现污水厂出水低位余热能的回收利用. 而且, 不用抽取地下水,也不必将循环水回灌地下, 这不仅节省抽水井和回灌井的初投资, 还减少了抽水和回灌的运行费用.
2.2 发动机燃用沼气的特点
沼气机属于气体发动机, 是目前新能源利用产业的热点之一. 沼气与天然气相比, 虽然都富含甲烷, 但在成分和燃烧特性上仍有差异. 发动机燃用沼气主要有3个特点[ 3 ] : 1) 沼气通过进气管进入气缸时会减少空气进入气缸的体积, 使空气的充量系数明显下降, 导致燃烧过程中的过量空气系数不足;
2) 沼气着火温度很高, 难以靠压缩自燃; 3) 沼气燃烧速度较慢, 发动机容易产生后燃等不正常的燃烧现象. 因此, 需要对沼气机的燃烧系统进行改装. 近年来, 国内外对沼气机的改装进行了深入的研究和开发, 目前, 经改装后的全烧式发动机, 已成为污水处理厂等大中型沼气工程中沼气机的主流机型.
2.3 沼气机热泵的系统构建
2.3.1 沼气机热泵
从结构上看, 沼气机热泵BEHP (Biogas engine2driven heat pump ) 与常规电动压缩式热泵相似,都由压缩机、冷凝器、蒸发器、膨胀阀等部分构成, 不同的是电动热泵的动力源是电动机, 而BEHP是沼气机. 从系统流程看, BEHP与电动热泵有较大差别. 由于沼气机排出的高温废气及其缸套散热量均可通过换热器传给热泵工质或载热介质, 因此, 除完成和电动热泵一样的基本循环外, 还需设置一套回收利用沼气机高温排气及缸套散热的换热系统.
2.3.2 系统流程
沼气机热泵系统流程由动力单元和热泵单元两部分组成, 如图1所示, 沼气经净化处理后进入沼气机,燃烧后释放的大部分热能转化为机械能驱动热泵压缩机运行, 其余则以废气排放和缸套散热的形式排入环境中. 为了回收利用这部分余热, 系统中设置了两个余热回收装置, 使待加热流体在冷凝器中升温后, 再依次进入缸套冷却水换热器和排气换热器, 被继续加热成高温流体供用户使用. 因此, 系统可提供的高位热能包括三部分: 冷凝热、回收的缸套冷却热和高温排气余热.
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2.3.3 系统构建
原动机选用12V190系列沼气发动机. 根据该系列沼气机压缩比、转速等性能参数, 以及污水源热泵系统的运行特点, 选用BOCK FK40 /655K型螺杆式压缩机. 缸套冷却水换热器选用板式换热器, 排气换热器选用壳管式换热器. 其它设备包括循环水泵、分集水器、膨胀水箱、软水器以及各种控制阀门的选型与电驱动压缩式热泵类同, 采用常规冷(热) 水机组的标准配置. 由于系统由沼气机驱动, 还需要增加一套与沼气机有关的配套设备如水封罐、缓冲罐等[ 4 ] , 以此构建的BEHP系统如图2所示.
与传统的电驱动热泵相比, 该系统通过回收沼气机缸套散热量和高温废气排热量, 增大了热泵的供热量. 一般热泵冷凝器出口的循环热水经板式换热器被沼气机缸套冷却水(约80～90 ℃) 加热后, 再经过排气换热器被沼气机排出的高温废气(约400～500 ℃) 进一步加热, 水温将达到80～
100 ℃左右. 根据污水处理厂的实际情况, 可通过分水器把这部分高温热水输送到污泥消化池用于加热消化池或作为污水厂内部的空调采暖用水, 从而以节省供热费用来回收增大的设备投资, 并提高整个系统的能源利用效率. 因此, 以BEHP系统替代传统的电动热泵或者其他供热方式, 可充分利用污水处理过程中产出的沼气资源, 对降低电耗、降低污水处理成本和节约能源, 具有积极作用.
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3 经济性与环保效益分析
3.1 一次能源利用率PER比较
一次能源利用率PER为原动机能源转化效率指标, 比较沼气机热泵与其他供热方式的能源利用效率, 可以反映其节能效果的优劣. BEHP系统的一次能源利用率可用下式表示: PERBEHP = (Qc +Qr ) /QBG , 式中: Qc ─冷凝器热负荷( kW) ; Qr ─被加热流体从沼气机排出的余热中回收的热负荷
( kW) ; QBG ─沼气燃烧产生的热负荷( kW).引入余热回收率α的概念, 即α为所回收的余热负荷与总余热负荷之比[5 ] , 则Qr =α ×(1 - ηg ) ×QBG , PERBEHP =ηg ×COP +α ×(1 - ηg ) . 式中: ηg ─沼气机热效率; COP─沼气机热泵性能系数.为比较沼气机热泵与其他3种供热方式的PER, 取沼气机热效率33 % , 余热回收率65 % , 沼气机热泵及电动热泵的性能系数均为315, 电力生产及输配电的总效率33 % , 燃煤锅炉热效率75 % ,燃气锅炉热效率88 %[ 4 ] . 分别计算不同供热方式的PER, 结果见表1.从以上能源利用率的比较分析可见: BEHP系统的总供热量是所消耗燃料能量的11624倍, 与电动热泵、燃气锅炉及燃煤锅炉相比, BEHP的一次能源利用率PER分别提高了4016 %、8415 %和11615 %. 因此, BEHP系统具有显著的节能效果, 是一种高效率的热泵运行方式.
3.2 经济性分析
供热装置的经济性主要受到系统初投资、能源转换效率、设备使用年限、系统维护费用等因素影响. 一般情况下, 系统效率越高, 初投资也就越大, 两者对经济性的影响正好相反. 在外界条件方面, 主要影响因素是能源价格、供需状况等.从PER计算结果看, 燃气或燃煤锅炉的能耗高, 系统效率较低, 但其系统初投资也相对较低.因此, 如果供热时间短, 则其经济性较高; 反之, 如果供热时间较长, 则BEHP系统就会显示出运行成本低的优势, 尤其是在能源价格上涨的情况下, 更为明显. 虽然BEHP系统的初投资相对较大, 但其一次能源利用率高, 而且又是将来源于污水处理过程中原本废弃的沼气作为能源驱动热泵运行, 把同样弃之不用的污水厂出水中的余热以及沼气机排出的废热等低位热能回收利用, 从而节省了大量的燃料运行成本, 又实现了各种资源的综合利用, 因此, 具有很高的经济性.以一座中等规模的城市污水处理厂为例, 沼气日产量5 000 m3 , 设计选用输入功率为500 kW的污水源沼气机热泵系统, 如取该系统性能系数为315, 沼气机热效率33 % , 余热回收率65 % , 每天按运行10 h计算. 则冷凝器可输出热量2108 ×104 MJ , 同时系统还可以从沼气机排出的废热中回收7184 ×103 MJ的热量, 两者合计系统可输出总热量21864 ×104 MJ. 作为比较:
1) 若用燃煤锅炉供热, 提供21864 ×104 MJ的热量, 需要消耗折合发热量为31819 ×104 MJ的标准煤(燃煤锅炉热效率按75 %计算).
2) 若用燃气锅炉(以天然气为燃料) 供热, 提供21864 ×104 MJ的热量, 需要消耗折合发热量为31255 ×104 MJ的天然气(燃气锅炉热效率取88 %计算).
3) 若用电动热泵提供等量热量, 需要消耗折合发热量为81183 ×103 MJ的电力(取电动热泵性能系数为315).
每年按300 d计算, 则节约标准煤415 ×105 kg (煤的热值25 435 kJ /kg) ; 节约天然气2177 ×105 m3(天然气热值35 200 kJ /m3 ) ; 节约电力6182 ×105 kW·h (1 kW·h热值为3 600 kJ ). 而沼气机热泵的运行成本约占总收益的10 %左右(不考虑热回收) , 若再考虑从污水厂出水中回收利用余热的节能效果, 则沼气机热泵产生的经济效益更为显著.
根据以上计算数据, 若以燃气锅炉(天然气) 为参照, 按节约的天然气总量2177 ×105 m3 及天然气价(2元/m3 ) 折算总收益, 可节约运行成本2177 ×105 ×2 ×88 % = 487 520元, 如果沼气机热泵初投资按1 500元/kW取值, 则其投资回收期仅为1 500 ×500 /487 520 = 115 (年).
3.3 环保效益
沼气利用对减轻大气污染的作用明显, 沼气燃烧排放的SO2 只是燃煤的1 /10, NOx 约为燃煤的1 /5, CO2 是燃煤的2 /5 (见表2) [ 4 ] . 因此, 以沼气机为原动机的BEHP系统对于SO2、NOx、CO2 和可吸入颗粒物的排放, 均可控制在较理想的状态, 在环境保护方面具有明显优势. 而且, 污水厂产出的沼气在进入BEHP系统之前, 需经过一定的脱硫净化等预处理过程, 其工艺复杂程度小于燃煤, 治理费用也较少.
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水源热泵供热不需要燃煤、燃油等锅炉燃烧系统, 直接降低了污染物的排放. 据美国环保署EPA估计, 采用水源热泵供热平均可以减少相当于30 %以上的电力消耗, 还间接降低了发电过程中一次能源消耗所产生的污染物和温室气体排放. 因此, 在城市污水处理厂开发应用BEHP系统, 是减少城市环境污染可行的手段之一, 具有明显的环保效益.
4 结论
1) 在相同热输出的情况下, 与燃煤(燃气) 锅炉、电动热泵以及其他供热方式相比, 污水厂BEHP系统可分别节约数量可观的标准煤、天然气以及电量等宝贵的一级能源, 是一种城市污水资源综合有效利用的节能方式, 具有很高的一次能源利用效率; 2) 污水厂BEHP系统的初投资相对较大,但它实现了资源的综合利用, 将污水处理过程中产出的沼气作为能源驱动热泵运行, 同时充分回收利用了污水厂出水以及沼气机排气中的余热, 从而节省了大量的燃料运行成本, 投资回收期较短, 具有良好的运行经济性; 3) 污水厂BEHP系统替代传统的电动热泵或其他供热方式, 可减少SO2、NOx、CO2 等污染物的排放, 在节能减排方面效益显著. 因此, 推广应用具有沼气资源有效利用、污水余热资源及沼气机废热回收利用等多种优势的BEHP系统, 前景十分广阔.
[ 参考文献]
[ 1 ] 关天胜. 厦门市城市污水厂的污泥处理公案及关键技术研究[D ]. 上海: 同济大学环境工程学院, 2004.
[ 2 ] 李维, 杨向平, 李建军, 等. 高碑店污水处理厂沼气热电联供情况介绍[ J ]. 给水排水, 2003, 29 (12) : 17220.
[ 3 ] 刘乔明, 汤东, 窄长学, 等. 沼气发动机概述[ J ]. 江苏大学学报: 自然科学版, 2003, 24 (4) : 37240.
[ 4 ] 吴集迎. 沼气热泵的系统设计及其经济性分析[ J ]. 农业机械学报, 2006, 37 (12) : 1142117.
[ 5 ] 杨昭, 赵义, 李丽新, 等. 五种供热空调系统的技术经济分析及建议[ J ]. 制冷学报, 2000 (4) : 43248.[page]