城市污水處理廠沼氣機(jī)熱泵的應(yīng)用
吳集迎(集美大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院, 福建廈門361021)
[摘要] 分析了城市污水處理廠余熱能回收利用的可行性及應(yīng)用方式, 研究了以污水處理過程中產(chǎn)出的沼氣驅(qū)動(dòng)沼氣機(jī)熱泵的節(jié)能與環(huán)保作用, 并做系統(tǒng)構(gòu)建與經(jīng)濟(jì)性的計(jì)算. 結(jié)果表明: 與燃煤鍋爐、燃?xì)忮仩t以及電動(dòng)熱泵相比, 以污水廠產(chǎn)出沼氣為燃料, 輸入功率為500 kW的沼氣機(jī)熱泵, 按年運(yùn)行300 d計(jì), 可分別節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤450 t、天然氣2717萬m3 以及用電量6812萬kW·h, 一年半即可收回沼氣機(jī)熱泵的先期投入費(fèi). 因此, 城市污水處理廠利用產(chǎn)出沼氣驅(qū)動(dòng)熱泵以回收污水中余熱能, 是一種資源有效利用的節(jié)能方式, 具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益與環(huán)保效益.

[關(guān)鍵詞] 沼氣機(jī)熱泵; 污水處理; 余熱能回收利用

      0　引言
     

      能源需求的迅速增長導(dǎo)致供需矛盾的日趨尖銳, 使能源問題成為制約我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展的瓶頸. 據(jù)預(yù)測, 2030年以后, 我國常規(guī)能源生產(chǎn)與能源總需求的缺口將不斷擴(kuò)大, 到2050 年, 缺口可能達(dá)20億t標(biāo)準(zhǔn)煤. 因此, 必須強(qiáng)化節(jié)能、提高能源利用效率和拓寬能源來源多元化渠道. 沼氣是能源多元化來源之一, 一個(gè)中等規(guī)模的城市污水處理廠平均日產(chǎn)沼氣可達(dá)5 000 m3 以上, 可是在污水處理過程中, 產(chǎn)出的大部分沼氣被空排或空燒, 浪費(fèi)了能源, 還污染了環(huán)境. 同時(shí), 城市污水也是一種寶貴資源, 其一年四季溫度變化較小, 數(shù)量穩(wěn)定, 余熱量大. 如果將城市污水處理廠產(chǎn)出的沼氣作為
燃料驅(qū)動(dòng)污水源沼氣機(jī)熱泵運(yùn)行, 在廢棄資源現(xiàn)場, 因地制宜就地利用排放的污水余熱及廢棄的沼氣, 就可實(shí)現(xiàn)資源的循環(huán)利用, 提高能源的利用效率, 減少環(huán)境污染.

      1　城市污水廠沼氣的來源與利用

      1.1　沼氣來源

      城市污水處理廠一般采用傳統(tǒng)活性污泥法處理污泥. 每立方米污泥經(jīng)消化工藝處理后產(chǎn)出沼氣約為7 m3. 據(jù)報(bào)道, 廈門市每處理1 000 t污水就能產(chǎn)生113 t污泥, 預(yù)計(jì)2007年全市各污水廠污泥將達(dá)到14萬t, 沼氣產(chǎn)出量可達(dá)98萬m3 [ 1 ] . 隨著我國城市污水處理率的提高, 到2010年, 我國每年城市污水處理廠預(yù)計(jì)將產(chǎn)生濕污泥達(dá)2000多萬噸. 因此, 城市污水廠沼氣產(chǎn)出量也將大幅增加.

      1.2　沼氣利用

      目前國內(nèi)城市污水處理行業(yè), 沼氣利用途徑一般有3種[ 2 ] : 1) 使用沼氣鍋爐直接加熱消化池消化污泥或?yàn)槠渌ㄖ锾峁崮? 2) 使用沼氣機(jī)驅(qū)動(dòng)鼓風(fēng)機(jī), 并利用余熱回收裝置回收沼氣機(jī)的余熱加熱消化池; 3) 利用沼氣機(jī)驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電與廠內(nèi)供電并網(wǎng), 并利用余熱回收裝置回收沼氣機(jī)的余熱加熱消化污泥.

      由于污泥經(jīng)消化工藝處理后產(chǎn)出的沼氣, 具有來源豐富、較高熱值和良好抗爆性等特點(diǎn), 可作為污水源熱泵的驅(qū)動(dòng)能源, 這樣, 一方面可充分回收城市污水中的大量余熱能, 提高能源利用率; 另一方面又減少了化石燃料的消耗與大氣污染, 同時(shí)起到節(jié)能和環(huán)保作用. 因此, 筆者提出可將城市污水處理廠的出水作為熱泵的低位熱源, 以污水處理產(chǎn)出的沼氣為燃料驅(qū)動(dòng)沼氣機(jī)熱泵運(yùn)行, 并利用沼氣機(jī)余熱回收裝置產(chǎn)生高溫?zé)崴? 用來加熱消化池或作為污水廠內(nèi)部的空調(diào)采暖用水, 從而有效降低資源耗散速度, 實(shí)現(xiàn)各種資源的綜合利用.

      2　城市污水廠沼氣機(jī)熱泵的應(yīng)用

      2.1　城市污水作為熱泵低位熱源的特點(diǎn)

      城市污水余熱量大, 可以在50 ℃以下溫區(qū)內(nèi)進(jìn)行回收利用, 而應(yīng)用熱泵技術(shù)就能夠吸取污水中的低位余熱能并提高其能級為用戶供熱, 實(shí)現(xiàn)污水廠出水低位余熱能的回收利用. 而且, 不用抽取地下水,也不必將循環(huán)水回灌地下, 這不僅節(jié)省抽水井和回灌井的初投資, 還減少了抽水和回灌的運(yùn)行費(fèi)用.

      2.2　發(fā)動(dòng)機(jī)燃用沼氣的特點(diǎn)

      沼氣機(jī)屬于氣體發(fā)動(dòng)機(jī), 是目前新能源利用產(chǎn)業(yè)的熱點(diǎn)之一. 沼氣與天然氣相比, 雖然都富含甲烷, 但在成分和燃燒特性上仍有差異. 發(fā)動(dòng)機(jī)燃用沼氣主要有3個(gè)特點(diǎn)[ 3 ] : 1) 沼氣通過進(jìn)氣管進(jìn)入氣缸時(shí)會(huì)減少空氣進(jìn)入氣缸的體積, 使空氣的充量系數(shù)明顯下降, 導(dǎo)致燃燒過程中的過量空氣系數(shù)不足;

      2) 沼氣著火溫度很高, 難以靠壓縮自燃; 3) 沼氣燃燒速度較慢, 發(fā)動(dòng)機(jī)容易產(chǎn)生后燃等不正常的燃燒現(xiàn)象. 因此, 需要對沼氣機(jī)的燃燒系統(tǒng)進(jìn)行改裝. 近年來, 國內(nèi)外對沼氣機(jī)的改裝進(jìn)行了深入的研究和開發(fā), 目前, 經(jīng)改裝后的全燒式發(fā)動(dòng)機(jī), 已成為污水處理廠等大中型沼氣工程中沼氣機(jī)的主流機(jī)型.

      2.3　沼氣機(jī)熱泵的系統(tǒng)構(gòu)建

      2.3.1　沼氣機(jī)熱泵

      從結(jié)構(gòu)上看, 沼氣機(jī)熱泵BEHP (Biogas engine2driven heat pump ) 與常規(guī)電動(dòng)壓縮式熱泵相似,都由壓縮機(jī)、冷凝器、蒸發(fā)器、膨脹閥等部分構(gòu)成, 不同的是電動(dòng)熱泵的動(dòng)力源是電動(dòng)機(jī), 而BEHP是沼氣機(jī). 從系統(tǒng)流程看, BEHP與電動(dòng)熱泵有較大差別. 由于沼氣機(jī)排出的高溫廢氣及其缸套散熱量均可通過換熱器傳給熱泵工質(zhì)或載熱介質(zhì), 因此, 除完成和電動(dòng)熱泵一樣的基本循環(huán)外, 還需設(shè)置一套回收利用沼氣機(jī)高溫排氣及缸套散熱的換熱系統(tǒng).

      2.3.2 系統(tǒng)流程

      沼氣機(jī)熱泵系統(tǒng)流程由動(dòng)力單元和熱泵單元兩部分組成, 如圖1所示, 沼氣經(jīng)凈化處理后進(jìn)入沼氣機(jī),燃燒后釋放的大部分熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能驅(qū)動(dòng)熱泵壓縮機(jī)運(yùn)行, 其余則以廢氣排放和缸套散熱的形式排入環(huán)境中. 為了回收利用這部分余熱, 系統(tǒng)中設(shè)置了兩個(gè)余熱回收裝置, 使待加熱流體在冷凝器中升溫后, 再依次進(jìn)入缸套冷卻水換熱器和排氣換熱器, 被繼續(xù)加熱成高溫流體供用戶使用. 因此, 系統(tǒng)可提供的高位熱能包括三部分: 冷凝熱、回收的缸套冷卻熱和高溫排氣余熱.

      2.3.3　系統(tǒng)構(gòu)建

      原動(dòng)機(jī)選用12V190系列沼氣發(fā)動(dòng)機(jī). 根據(jù)該系列沼氣機(jī)壓縮比、轉(zhuǎn)速等性能參數(shù), 以及污水源熱泵系統(tǒng)的運(yùn)行特點(diǎn), 選用BOCK FK40 /655K型螺桿式壓縮機(jī). 缸套冷卻水換熱器選用板式換熱器, 排氣換熱器選用殼管式換熱器. 其它設(shè)備包括循環(huán)水泵、分集水器、膨脹水箱、軟水器以及各種控制閥門的選型與電驅(qū)動(dòng)壓縮式熱泵類同, 采用常規(guī)冷(熱) 水機(jī)組的標(biāo)準(zhǔn)配置. 由于系統(tǒng)由沼氣機(jī)驅(qū)動(dòng), 還需要增加一套與沼氣機(jī)有關(guān)的配套設(shè)備如水封罐、緩沖罐等[ 4 ] , 以此構(gòu)建的BEHP系統(tǒng)如圖2所示.

      與傳統(tǒng)的電驅(qū)動(dòng)熱泵相比, 該系統(tǒng)通過回收沼氣機(jī)缸套散熱量和高溫廢氣排熱量, 增大了熱泵的供熱量. 一般熱泵冷凝器出口的循環(huán)熱水經(jīng)板式換熱器被沼氣機(jī)缸套冷卻水(約80～90 ℃) 加熱后, 再經(jīng)過排氣換熱器被沼氣機(jī)排出的高溫廢氣(約400～500 ℃) 進(jìn)一步加熱, 水溫將達(dá)到80～
100 ℃左右. 根據(jù)污水處理廠的實(shí)際情況, 可通過分水器把這部分高溫?zé)崴斔偷轿勰嘞赜糜诩訜嵯鼗蜃鳛槲鬯畯S內(nèi)部的空調(diào)采暖用水, 從而以節(jié)省供熱費(fèi)用來回收增大的設(shè)備投資, 并提高整個(gè)系統(tǒng)的能源利用效率. 因此, 以BEHP系統(tǒng)替代傳統(tǒng)的電動(dòng)熱泵或者其他供熱方式, 可充分利用污水處理過程中產(chǎn)出的沼氣資源, 對降低電耗、降低污水處理成本和節(jié)約能源, 具有積極作用.