城市污水处理厂沼气机热泵的应用

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.

      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.