城市污水处理厂沼气机热泵的应用

      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.

      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.