沼氣發(fā)電在污水處理系統(tǒng)中的應(yīng)用

唐俠

摘 要：我國(guó)燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)早期規(guī)模小，且主要利用在農(nóng)村以植物和糞肥等有機(jī)廢棄物在沼氣池中經(jīng)過(guò)厭氧發(fā)酵產(chǎn)生的沼氣。近年來(lái)，隨著我國(guó)工農(nóng)業(yè)向集約化發(fā)展的需要，以及沼氣工程在各地農(nóng)、牧、禽場(chǎng)中的建設(shè)和垃圾填埋場(chǎng)、污水處理、化工生產(chǎn)、煤礦（瓦斯氣）等對(duì)可燃?xì)怏w的綜合利用，國(guó)內(nèi)對(duì)燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)需求開(kāi)始增加，單機(jī)容量由小變大，燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)在國(guó)內(nèi)相關(guān)科研機(jī)構(gòu)和大型內(nèi)燃發(fā)電機(jī)企業(yè)的共同努力下，相繼研制和生產(chǎn)出功率較大的沼氣發(fā)動(dòng)機(jī)。

關(guān)鍵詞：沼氣發(fā)電應(yīng)用；燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)組；滲瀝液處理；設(shè)備選型；節(jié)能減排

1 燃?xì)鈨?nèi)燃發(fā)電機(jī)組在滲瀝處理系統(tǒng)中應(yīng)用探索

EBEP是一家以固廢、污水處理和新能源為主業(yè)的企業(yè)，先后在垃圾填埋場(chǎng)和垃圾焚燒發(fā)電廠的滲瀝液處理系統(tǒng)中進(jìn)行過(guò)沼氣發(fā)電應(yīng)用，在垃圾填埋場(chǎng)主要應(yīng)用進(jìn)口大型燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)組（單機(jī)容量1250kW），在垃圾焚燒發(fā)電廠的滲瀝液處理中應(yīng)用國(guó)內(nèi)成熟的小型燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)組（單機(jī)容量120kW、180kW、260kW）。鑒于國(guó)產(chǎn)沼氣內(nèi)燃發(fā)電應(yīng)用技術(shù)日益成熟，以及對(duì)小型機(jī)組的廣泛需求，現(xiàn)以單機(jī)容量為180kW的沼氣內(nèi)燃發(fā)電的應(yīng)用情況進(jìn)行介紹，以供參考。

在生活垃圾焚燒發(fā)電項(xiàng)目中，由于生活垃圾含水率較高，特別是我國(guó)由于飲食習(xí)慣和生活水平限制，一般含水率可達(dá)50%（包括內(nèi)在與外在水分），為降低入爐垃圾水分、提高熱值，垃圾入廠后，一般進(jìn)行5～7天的堆放發(fā)酵預(yù)處理，經(jīng)過(guò)堆放發(fā)酵后生活垃圾可析出部分水份，即滲瀝液，析出的滲瀝液可占垃圾入廠處理量的15%～30%。滲瀝液屬高濃度有機(jī)污染物，CODcr濃度可達(dá)20000～70000mg/L，BOD5濃度在10000～45000mg/L，常規(guī)物理或化學(xué)處理困難，但是可生化性較好，生化處理具有處理能力大、高效、處理成本低等優(yōu)勢(shì)，且在生化處理過(guò)程中得到沼氣。沼氣既是能源，同時(shí)也是高溫室效益氣體，CH4的溫室效益為CO2的26倍，如何環(huán)保、經(jīng)濟(jì)、資源化使用沼氣顯得尤為重要，值得深入探索！

1.1 沼氣發(fā)電應(yīng)用的背景

EBEP公司J市垃圾焚燒發(fā)電廠滲瀝處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)為日處理300噸，采用厭氧（UBF）-好氧（SBR）生物法，在滲瀝液生化處理工藝中的生化厭氧系統(tǒng)中產(chǎn)生大量沼氣，根據(jù)沼氣理論產(chǎn)氣量分析，即滲瀝液在生化處理過(guò)程中每降解1gCODcr，產(chǎn)生0.35標(biāo)準(zhǔn)升CH4，同時(shí)依據(jù)實(shí)際運(yùn)行情況測(cè)算，可產(chǎn)生不少于0.30升CH4。滲瀝液處理系統(tǒng)厭氧進(jìn)水CODcr約為40000mg/l，厭氧出水CODcr為4000mg/l，則厭氧系統(tǒng)每處理1m3滲濾液產(chǎn)生的甲烷氣量為：每立方滲瀝液可產(chǎn)甲烷10.8m3，根據(jù)試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果，沼氣中甲烷含量為80.6%，以80%的甲烷含量計(jì)算我公司的沼氣量，則每立方米滲濾液沼氣產(chǎn)生量為：10.8/80%=13.5m3。

根據(jù)2008年生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)統(tǒng)計(jì)，在不同季節(jié)滲濾液產(chǎn)生量實(shí)際情況，進(jìn)行沼氣產(chǎn)生量測(cè)算，如上表（表1）可見(jiàn)，在正常運(yùn)行時(shí)，每天約產(chǎn)生1600～3400m3沼氣，折合熱量約40～90GJ，由于前期沒(méi)有沼氣綜合利用設(shè)備，為了減少溫室效益影響，所產(chǎn)生的沼氣采取點(diǎn)火炬對(duì)空燃燒方式處理，不僅影響廠區(qū)美觀，而且造成較大能源浪費(fèi)。為達(dá)到開(kāi)源節(jié)流、節(jié)能減排和保護(hù)環(huán)境的目的，故決定因地制宜的在滲瀝液處理站東側(cè)空地建設(shè)沼氣發(fā)電設(shè)備。

1.2 沼氣發(fā)電設(shè)備選型

對(duì)水處理項(xiàng)目投運(yùn)以來(lái)運(yùn)行數(shù)據(jù)分析，水處理站沼氣產(chǎn)氣量67.5-140m3/h，沼氣中的CH4含量達(dá)80%，故1m3沼氣發(fā)電可達(dá)1.8～2度以上，則每小時(shí)發(fā)電量約122～252kW。如二期工程建成后，沼氣產(chǎn)氣量達(dá)101-169m3/h，每小時(shí)發(fā)電量可達(dá)182～304kW。鑒于國(guó)產(chǎn)中小型沼氣發(fā)電機(jī)設(shè)備性能已較為成熟，且投資低，兼顧設(shè)備維護(hù)成本，以及維護(hù)便利，決定選用國(guó)產(chǎn)設(shè)備，關(guān)鍵部件選用進(jìn)口配件。根據(jù)測(cè)算發(fā)電能力，同時(shí)考慮國(guó)產(chǎn)沼氣發(fā)電設(shè)備實(shí)際出力達(dá)不到額定值的實(shí)際情況，擬選裝機(jī)總?cè)萘繛?20-360kW機(jī)組。根據(jù)市場(chǎng)價(jià)格行情，選擇單臺(tái)100%容量機(jī)組與兩臺(tái)50%容量機(jī)組投資費(fèi)用相差不大，約在3-10萬(wàn)元范圍內(nèi)，綜合考慮沼氣產(chǎn)氣量季節(jié)性波動(dòng)大、負(fù)荷調(diào)整的靈活性、機(jī)組運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性、維護(hù)成本以及機(jī)組設(shè)備的成熟程度等因素，最終選用2臺(tái)180kW沼氣發(fā)電機(jī)組。

1.3 沼氣發(fā)電工藝流程方案

總體規(guī)劃為一套沼氣預(yù)處理系統(tǒng)、兩臺(tái)集裝箱式180kW沼氣發(fā)電機(jī)組，以縮短建設(shè)周期。為提高機(jī)組熱效率，機(jī)組設(shè)計(jì)要求考慮機(jī)組本體散熱和排煙余熱回收利用，并將回收的熱量用于滲瀝液處理系統(tǒng)加熱或供熱，以減少或停止?jié)B瀝液加熱從焚燒熱機(jī)的抽汽量。

此外，在沼氣分析數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)沼氣含H2S量嚴(yán)重超標(biāo)，達(dá)6000mg/L以上，不能滿足煙氣環(huán)保和機(jī)組運(yùn)行要求，故在沼氣預(yù)處理過(guò)程中增加高效脫硫系統(tǒng)，脫硫系統(tǒng)采用二級(jí)濕式脫硫處理后再串接一級(jí)干式脫硫設(shè)備的組合脫硫裝置。采用濕式氧化法脫硫，以純堿（Na2CO3）溶液為吸收介質(zhì)，配合沼氣脫硫?qū)Ｓ么呋瘎┻M(jìn)行氣體脫硫反應(yīng)，最終H2S脫除率達(dá)96%，有機(jī)硫脫除率達(dá)80%，再進(jìn)入干式脫硫裝置，干式脫硫采用新型氧化鐵脫硫劑，脫硫效率較高，并可以進(jìn)行再生。整體設(shè)計(jì)以脫硫前硫化氫含量為10000mg/m3進(jìn)行設(shè)計(jì)，脫硫后硫化氫含量少于100mg/m3，同時(shí)，再生過(guò)程可得到單質(zhì)硫。

2 沼氣發(fā)電效益分析

沼氣發(fā)電屬于新能源綜合利用范疇，首先，要有可觀環(huán)境效益，這是新能源發(fā)展的動(dòng)力，其次，還需要產(chǎn)生一定經(jīng)濟(jì)效益，才有投資建設(shè)的可能性，故需要在環(huán)境效益和經(jīng)濟(jì)效益進(jìn)行細(xì)致分析。

2.1 沼氣發(fā)電設(shè)備投資

依據(jù)沼氣發(fā)電機(jī)市場(chǎng)價(jià)格，2*180kWh沼氣發(fā)電機(jī)組投資為：沼氣200m3貯氣罐約26萬(wàn)元，兩臺(tái)沼氣發(fā)電機(jī)組約80萬(wàn)元，機(jī)組配套設(shè)備約42.3萬(wàn)元，預(yù)處理系統(tǒng)約34.2萬(wàn)元，控制及電氣系統(tǒng)約16萬(wàn)元，冷卻及余熱利用系統(tǒng)約14萬(wàn)元，工程材料及安裝費(fèi)約23萬(wàn)元，土建及配套系統(tǒng)約20萬(wàn)元，其他項(xiàng)目約8萬(wàn)元，總投資約263.50萬(wàn)元，單位投資額為0.732萬(wàn)元/kWh，不包括設(shè)計(jì)及各項(xiàng)報(bào)建等費(fèi)用。

2.2 沼氣發(fā)電項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)效益

依據(jù)設(shè)備廠家提供的技術(shù)資料、備品備件等費(fèi)用，以及污水處理實(shí)際情況。經(jīng)測(cè)算，兩臺(tái)180kW的沼氣發(fā)電機(jī)組，在正常情況下沼氣量設(shè)計(jì)連續(xù)運(yùn)行功率180kW，總自耗電20kW，考慮到國(guó)產(chǎn)機(jī)組帶負(fù)荷能力，以及沼氣產(chǎn)量波動(dòng)影響，在焚燒二期工程投產(chǎn)前，2臺(tái)機(jī)組平均發(fā)電負(fù)荷為125×2-20=230kW，年發(fā)電時(shí)間按7000小時(shí)計(jì)，總供電量為161萬(wàn)度。

年運(yùn)營(yíng)收益為（電價(jià)以0.5元/度計(jì)算、不考慮CDM或VER收益）：161度*0.5元/度=80.5萬(wàn)元。設(shè)備折舊以折舊年限為10年、設(shè)備殘值為10%進(jìn)行測(cè)算，年設(shè)備折舊費(fèi)用為23.72萬(wàn)元。

年運(yùn)營(yíng)成本：運(yùn)行總費(fèi)用19萬(wàn)元+維護(hù)總費(fèi)用17.5萬(wàn)元+設(shè)備折舊23.72萬(wàn)元=60.22萬(wàn)元。

年生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)利潤(rùn)：80.50萬(wàn)元-60.22萬(wàn)元=20.29萬(wàn)元。

投資回收期：263.5/（20.29+23.72）=5.99年

若二期工程投產(chǎn)后，按以上方法計(jì)算，沼氣發(fā)電機(jī)組年供電按196萬(wàn)度計(jì)算，則：

年生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)利潤(rùn)：98.00萬(wàn)元-67.72萬(wàn)元=30.29萬(wàn)元。

投資回收期：263.5/（30.29+23.72）=4.88年

2.3 沼氣發(fā)電項(xiàng)目的環(huán)境效益

按規(guī)模發(fā)電廠供電標(biāo)煤耗350g/kWh，本項(xiàng)目年發(fā)電量161萬(wàn)度，可節(jié)約煤563.5噸，年減排CO2約1465噸，減排SO2約4.79噸，減排NOx約4.17噸。此外每年還可直接處理沼氣約322萬(wàn)m3，可實(shí)現(xiàn)良好的環(huán)境效益。

3 結(jié)束語(yǔ)

目前，該沼氣發(fā)電項(xiàng)目已建成投運(yùn)行，機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定，從在線監(jiān)測(cè)儀的監(jiān)測(cè)數(shù)所分析表明，沼氣脫硫效果明顯，每立方沼氣可發(fā)2度電，由于目前仍屬于滲瀝液量產(chǎn)量低峰期，機(jī)組仍不能滿負(fù)荷運(yùn)行。

由此可見(jiàn)，依托現(xiàn)有污水處理系統(tǒng)，建設(shè)沼氣發(fā)電項(xiàng)目具有周期短、投資小、見(jiàn)效快的優(yōu)點(diǎn)，不僅有著顯著的經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)具有節(jié)能減排、保護(hù)環(huán)境的重大意義，符合國(guó)家倡導(dǎo)建設(shè)循環(huán)經(jīng)濟(jì)新潮流。

參考文獻(xiàn)

[1]蔣同昌，等.我國(guó)沼氣發(fā)電機(jī)的研究和生產(chǎn)概括[J].中國(guó)沼氣，1992.

[2]孫俊華.沼氣發(fā)電機(jī)的使用與維修[J].中國(guó)沼氣，1990.