三种典型的污泥发电工艺

　　1 引言

　　污泥作为污水处理的伴生物，占污水总量的0．5％～1％。据统计，我国城市污水处理厂每年污泥发生量(干重)约为130万 t，且以每年10％的速度增长[1]。污泥如果处置不当则会产生二次污染，对环境和人类造成很大的危害。因此，寻找和探索城市污泥无害化、资源化途径，已成为污水处理行业亟待解决的一个重要课题。污泥中含有近40％的有机生物质，具有可燃性，所以污泥既被视为废弃物，又被视为一种生物质资源。合理利用污泥发电已成为污泥有效利用的一个新的发展趋势。污泥发电不但可以实现污泥安全处理，同时还可以从污泥中抽取能量，替代部分化石燃料，即节约资源和能源，又保护环境，有利于促进我国向可持续的循环型社会的转变。

　　2典型的污泥发电工艺污泥发电主要有以下2种方式：

　　(1)污泥燃料燃烧发电。

　　(2)污泥厌氧消化产生沼气发电。

　　2．1污泥燃料燃烧发电

　　2．1．1 污泥焚烧发电原理污泥焚烧是在一定温度和氧气存在条件下，使污泥中的有机质发生燃烧反应，生成C02、HzO、Nz等。焚烧处理的产物是灰渣和烟气[2]。污泥的低位热值与其可燃分(挥发分)的含量、含水率和可燃分的热值有关，如下式所示。

　　CV, 污泥挥发分的热值，MJ／k。根据上式计算得燃烧最高限含水率为67．7％，超出了一般污泥机械脱水设备的水平，因此直接以脱水污泥为燃烧处理对象的焚烧炉，大多需要使用辅助燃料。污泥燃料有多种形式，如将湿污泥与煤粉、重油等燃料一起混合形成的污泥燃料；污泥与城市有机垃圾混合形成的污泥燃料；湿污泥干化后形成的污泥燃料。污泥燃料燃烧所释放出的热能通过热回收系统和发电系统实现能量的转化，见图l。

　　2．1．2污泥燃料焚烧发电应用实例以污泥燃料焚烧为核心的污泥发电是一种很好的处理污泥方法，污泥焚烧具有减容、减重率高，处理速度快，无害化较彻底，余热可用于发电，焚烧后产生的灰渣可以用于改良土壤、筑路、制砖瓦、陶瓷、混凝土填料等优点。浆状污泥燃料可以通过管道用泵输送，美、日、英的污泥燃料多为固态颗粒状[3]。美国近200家污水处理厂采用焚烧方式处理污泥，占全美处理总量的20％ [4]。日本东京电力公司、东京政府和生物燃料公司用下水道污泥发电，2007年正式投入运行，东京每年产生130万t下水道污泥，其中9900t污泥制成燃料污泥送火力发电厂发电。1998年，英国伦敦开始将污泥进行脱水、干燥、粉碎，然后利用污泥燃烧的热能作为能源进行发电。

　　2005 年，浙江绍兴采用具有我国自主知识产权的“煤助燃循环硫化床”技术兴建了国内首座污泥焚烧发电大型示范项目，日处理污泥1500t以上，污泥处理价格为 80元／t，年上网电力2．66×10^8kW·h，供蒸汽150t／h。1天可节约原煤450t，相当于每年节约原煤13．5万t。2006年，浙江省富阳市某污水处理厂将污泥(600t／d)焚烧发电，焚烧灰渣制成建材替代红砖。2007年1月，宁波污泥处理一期工程已正式投运。该工程日处理污泥 400t，年发电量达730万kW·h。2007年6月在合肥投产运行的污泥发电供热项目，日产污泥300t，燃烧后灰渣用作修路。可见，国外的污泥发电技术已基本成熟，国内污泥发电技术处于成长阶段，工程方兴未艾。

　　2．2污泥厌氧消化产生沼气发电

　　污泥消化可以抑制病菌，改善污泥的卫生状况；脱水后的消化污泥还可作为发电厂或水泥厂的辅助燃料。污水处理厂污泥厌氧消化产生的沼气，主要组分为CHt和 C02，以及H2S、氨等微量有害气体。与其他燃气相比，沼气是一种性能优良的清洁燃料[5]。沼气发电以其低排放、低污染、节约能源、废物资源化等优点而倍受关注，开发沼气发电成为建设绿色环保工程的一项重要措施。利用污泥消化产生的沼气发电，发电设备主要有两种：一种是燃气机一发电机系统；另一种是污泥厌氧消化产生沼气通过改质器转化为氢气，经燃料电池发电。

　　2．2．1燃气机一发电机系统消化气体发电设备的系统流程见图2。消化气经精制(脱硫、除湿、脱碳酸)后送人燃气机燃烧，带动发电机发电。同时，以水为热介质将燃气机所排出的高温尾气余热回收，加热消化池。消化气中硅氧烷在燃烧室内燃烧时损害燃气机的零件和排气脱氮用触媒的耐久性，影响消化气体发电设备的经济性和可靠性[6]。因此，沼气在进入发电机前，须进行净化处理，采用活性炭吸附技术可保证净化后沼气含Si有机物浓度

　　德国城市污水处理厂对污泥处理有85．4％以上采取中温厌氧消化，利用产生的甲烷发电，基本保证了污水处理厂的供电要求。如：德国KA— helmstedt(sewagen treatment plant helmsstedt)污水处理厂(处理污水10×104t／d)污泥发电系统r7l。污泥消化后产沼气6000m3／d，其热值为23MJ／m3。年发电量120×104kW·h，相当于污水处理厂全年运行耗电量的90％～95％，同时还可满足处理工艺中的供暖及冬季全厂车间、办公室的供暖。海口市白沙门污水处理厂借鉴了德国处理污泥的经验和技术Is,9]。该厂消化池产气量为4800～6000m3／d。发电量相当于厂内平均用电量的27％，每月节省电费约15--一18万元。沼气发动机产生的废热用于加热消化池中污泥，在正常运行的2、3月产生的废热用于加热污泥后仍有剩余。北京高碑店污水处理厂，日处理污水100万m3，日产污泥4000m3，全部进行高温消化处理，沼气产量1．8万m3／d。按沼气发电1．7kW·h／m3计算，每天发电量为3万kw·h，1年节约电费500万元。年发电量近1000万kW·h，相当于5000户家庭1年的用电量。2006年北京小红门污水处理厂污泥发电装置建设完成，2007年开始利用污泥发电。小红门污水处理厂是北京第二个装备“污泥消化、沼气发电”系统的污水处理厂，每天可从约2000m3污泥中提出沼气，年最高发电量1．8万kw·h。

　　2．2．2 沼气净化后通过燃料电池发电燃料电池是利用氢和氧化合产生电能的装置[1 0|。见图3。

　　使甲烷转换成氢气的改质器是燃料电池系统的关键组成之一。