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北京排水集團高碑店污水處理廠沼氣熱電聯供情況介紹

時間：2023-02-20 22:52:49 石油能源論文我要投稿

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一、沼氣來源及利用
　　二、沼氣安保、凈化、儲存、分配設施設備配置狀況
　　三、沼氣發動機-余熱回收-發電機組設施設備配置狀況
　　四、沼氣熱電聯供經濟分析
　　五、沼氣熱電聯供運行維護方式及現存問題
　　
　　北京排水集團高碑店污水處理廠
　　沼氣熱電聯供情況介紹
　　
　　北京排水集團高碑店污水處理廠是北京市擬建的15座城市污水處理廠中規模最大的，也是目前全國規模最大的城市污水處理廠，承擔著市中心區及東部工業區總計9661公頃流域范圍內的污水收集與治理任務，服務人口240萬，廠區總占地68公頃，總處理規模為每日100萬立方米，約占北京市目前污水總量40％。高碑店污水處理廠位于北京市朝陽區高碑店鄉界內，根據上游管網配套情況及資金狀況，按統一規劃分期建設的原則，分兩期實施。一期工程日處理污水50萬立方米，總投資5.24億元人民幣，于1990年開工，1993年底建成通水，1998年底一期泥區運行成功；二期工程日處理污水50萬立方米，總投資11.2億元人民幣，于1995年開工，1999年9月建成通水，2002年底二期泥區運行成功；自1993年底建成通水后，高碑店污水處理廠始終堅持滿負荷運行、全達標排放的水平，取得了明顯的社會效益和環境效益。
　　一、沼氣來源及利用
　　高碑店污水處理廠采用傳統活性污泥法二級處理工藝。污泥處理采用中溫及高溫兩級消化工藝，日產生化沼氣設計量為53000方，目前約25000方，其主要成份為甲烷（CH4）。其典型的組成為：
　　
　　CH460%
　　CO230%
　　N28.0%
　　CO0.3%
　　H2S0.1%
　　其它1.2%
　　LHV5000-6000kcal/Nm3
　　
　　經科學認定，作為溫室氣體的甲烷CH4對大氣的危害是C02的24.5倍。如對沼氣處理不當，排放到大氣中，其對局部環境和整個地球的環境危害極大，國際環保組織對各個國家的溫室氣體排放量都有一定的限制；同時，以甲烷為主要成份的生化沼氣是非常理想的再生能源。在城市污水處理行業，生化沼氣利用途徑一般有三種：
　　1．沼氣鍋爐：利用沼氣燃燒產生熱源加熱消化污泥--這種利用途徑只能利用沼氣熱值的50%;
　　2．沼氣內燃機-余熱回收-鼓風機組：利用沼氣內燃機驅動鼓風機，并利用余熱回收裝置回收沼氣內燃機的余熱加熱消化污泥--這種利用途徑能充分利用沼氣熱值，一般可達沼氣熱值的85％到90%;
　　3．沼氣內燃機-余熱回收-發電機組：利用沼氣內燃機驅動發電機發電與廠內供電并網，并利用余熱回收裝置回收沼氣內燃機的余熱加熱消化污泥--這種利用途徑能充分利用沼氣熱值，一般可達沼氣熱值的85%90%；
　　高碑店污水處理廠對生化沼氣采用“沼氣內燃機一余熱回收一發電機組”利用途徑，共計7臺機組，總發電功率近4MW，總熱功率約5MW，能夠解決全廠優％的用電量和污泥消化5肌的用熱量，是一種典型的小型“燃氣熱電聯供”模式。
　　二、沼氣安保、凈化、儲存、分配設施設備配置狀況
　　城市污水處理廠的生化沼氣屬易燃易爆氣體，在生產和利用過程中必須配有相應的安保設施設備，一般為安全閥。阻火器、凝水器、水封、廢氣燃燒器等等；同時利用生化沼氣作燃料的燃氣內燃機對生化沼氣的質量也有一定要求，典型值如下表，因此在進入燃氣內燃機之前還要對生化沼氣進行一系列凈化處理。
　　表：對燃氣質量的要求：
　　
　　項目數值最高溫度（°C）40（104°F）最高相對濕度（%）80冷凝0最大粉塵顆粒度（μm）
　　粉塵最大量
　　
　　3
　　50
　　
　　最大H2S含量（mg/kwh）200鹵化物最高含量（C1+2F總量）
　　（mg/10kwh）
　　質量保證不受影響
　　質量保證受限制
　　由于直接或間接鹵化物的升高，機器得到損壞，無質量保證<100
　　100-400
　　>400硅最高含量（mg/10kwh）
　　質量保證不受限制
　　有條件質量保證（可能會對排氣門、缸套和活塞環產生磨損）氨最高含量（mg/10kwh）55殘油最高含量（mg/10kwh）5
　　工程實踐中，生化沼氣凈化處理過程一般可歸納為沼氣脫硫、除油、除塵、除濕過程。根據燃氣內燃機對生化沼氣的要求不同和工程實踐的差別，沼氣脫硫、除油、除塵、除濕過程的工藝線路及其設施設備配置是有所差別的。
　　高碑店污水處理廠一期“沼氣內燃機-余熱回收-發電機組”，共計4套，由美國庫伯公司供貨，沼氣內燃機型號為6GTLB，自帶簡單進氣過濾除塵、除濕、除油裝置，外配干式脫硫塔兩座，脫硫劑為鐵屑；6GTLB型沼氣內燃機對進氣壓力要求2bar到5bar，而消化池產生沼氣壓力一般為0.02bar，不超過0.035bar，故相應配置2臺沼氣增壓機（由美國AC公司供貨，型號為Ro-FloMode1H11SM），1座2000方的高壓球罐等，這種增壓處理伴生了一部分沼氣除濕功能。具體處理工藝線路如下圖：
　　
　　
　　
　　高碑店污水處理廠二期“沼氣內燃機-余熱回收-發電機組”，共計3套，由奧地利顏巴赫公司供貨，沼氣內燃機型號為JMS316GS-B.L，自帶簡單進氣過濾除塵裝置，外配濕式脫硫塔兩座，脫硫劑為濃度50％的NaOH堿溶液；JMS316GS-B.L型沼氣內燃機對進氣壓力要求0.05bar到0.1bar，故相應配置2臺管道式沼氣增壓器直接增壓后進沼氣內燃機。具體處理工藝線路如下：
　　
　　
　　
　　
　　
　　
　　
　　
　　一期干式脫硫屬精脫硫，脫硫范圍小，但運行成本低；二期堿液濕式脫硫屬粗脫硫，脫硫范圍大，但安全性要求高，運行成本也高。總體說來，一期沼氣凈化處理過程較二期復雜一些，相應安保設施設備（如：安全閥、水封、水器、阻火器等）數量也多一些，建設投資費也高一些，但脫硫、除塵、除油等效果較好，這可以從沼氣內燃機排氣管道廢積物數量和成分證實。
　　三、沼氣發動機-余熱回收-發電機組設施設備配置狀況
　　高碑店污水處理廠一期“沼氣內燃機-余熱回收-發電機組”，共計4套，由美國庫伯公司供貨，1991年訂貨，沼氣內燃機型號為6GTLB，機械功率513KW，熱功率約600KW；余熱回收裝置由美國Vaporphase公司制造，換熱參數：W=2420-2、S=0.188，H=0.375，熱媒介質為軟化水，使用泥水熱交換器給消化汕污泥加熱；發電機由美國KAT0公司制造，型號8P6.5-2200，輸出電壓三相AC6300V，發電容量470KW：高壓并網開關柜由美國P0WELL公司制造，廠內并網，屬無限源負載；控制系統由庫伯公司隨機配套；工程設計單位是北京市政設計院；工程施工安裝單位是北京市政四公司；具體配置狀況如下圖：
　　
　　
　　高碑店污水處理廠二期“沼氣內燃機-余熱口收-發電機組”，共計3套，由奧地利顏已赫公司供貨，1995年訂貨，沼氣內燃機型號為JMS316GS-B.L，械功率約710KW，熱功率約850KW；余熱回收裝置國產化為“北京海淀永大機電設備制造有限責任公司”制造，產品系列號20023-5，換熱參數：面積＝46m2、壓力=0.55/1.09Mpa、溫度＝550／120℃，熱媒介質為軟化水，使用泥水熱交換器給消化池污泥加熱；發電機型號DIDBN-110／105／1-4，輸出電壓三相AC6300V，發電容量652KW；高壓并網開關柜由瑞典PURAC公司供貨，廠內并網，屬無限源負載；控制系統由奧地利顏巴赫公司隨機配套；工程設計單位是北京市政設計院；設備總承包單位是瑞典PURAC公司；工程施工安裝單位是北京市政四公司。具體配置狀況如下圖：
　　
　　
　　
　　
　　四、沼氣熱電聯供經濟分析
　　高碑店污水處理廠一期“沼氣內燃機-余熱回收-發電機組”于1999年初逐步投入運行；二期“沼氣內燃機-余熱回收-發電機組”于2001年初使用一期消化池沼氣逐步投入運行。當時沼氣產量不足，同時機組設備故障率也居高不下，發電量嚴重不足；隨著一期消化池沼氣產量逐步提高，機組設備也在逐步度過運行磨合期，完好率有所提高，2001年共完成發電量420萬度（價值約250萬元RMB），產熱量約43億大卡（相當于7000噸0.4Mpa壓力的水蒸汽熱量，價值約60萬元RMB）；2002年共完成發電量650萬度（價值約390萬元RMB），產熱量約65億大卡（相當于10000噸0.4Mpa壓力的水蒸汽熱量，價值約80萬元RMB）；2002年底隨著二期消化池成功投入運行，到2003年初，整個泥區沼氣產量快速提高，日產沼氣約25000方，日發電量約4.8萬度，日產熱量約5000萬大卡；隨著消化池溫度逐步提高和穩定，污泥消化將更趨穩定，2003年日平均產氣量可望達到31000方，日平均發電量可望達到5.5萬度，日平均產熱量約6000萬大卡，2003年全年發電量可望達到2000萬度（價值約1200萬元RMB），產熱量約220億大卡（相當于37000噸0.4Mpa壓力的水蒸汽熱量，價值約300萬元RMB）；
　　高碑店污水處理廠一期“沼氣內燃機-余熱回收-發電機組”總投資約6000萬元RMB（包括用于沼氣發電的沼氣管線和余熱利用設施設備，但不包括沼氣壓縮機房）；二期“沼氣內燃機-余熱回收-發電機組”由于沒有沼氣增壓機、高壓球罐等設施，同時也無需重復投資廢氣燃燒器設施設備，故總投資比一期有所降低，約5000萬元RMB（包括用于沼氣發電的沼氣管線和余熱利用設施設備）；高碑店污水處理廠“沼氣內燃機-余熱回收-發電機組”總投資約1.1億元RMB。根據日處理污水100萬噸的設計量，全面而穩定運行的污泥消化日產沼氣應為53000方，但目前高碑店污水處理廠實際處理水量不足，全面而穩定運行的污泥消化平均日產沼氣40000方應是現實可行的。平均日產沼氣40000方，平均日發電量可望達到7.5萬度，平均日產熱量約8000萬大卡，全年發電量可望達到2700萬度（價值約1600萬元RMB），產熱量約280億大卡（相當于48000噸0.4Mpa壓力的水蒸汽熱量，價值約400萬元RMB）；高碑店污水處理廠泥區全面而穩定運行后，“沼氣內燃機-余熱回收-發電機組”年生產總值可達2000萬元RMB。綜合考慮設備維護費、材料費（潤滑油、火花
　　塞、脫硫劑等）、人員管理費，以及設施設備折舊費（設施折舊期50年，設備折舊期20年）等各種因素，高碑店污水處理廠“沼氣內燃機-余熱回收-發電機組”投資匯報期約為7或8年，可見經濟效益還是可觀的。
　　五.沼氣熱電聯供運行維護方式及現存問題
　　高碑店污水處理廠“沼氣內燃機-余熱回收-發電機組”由分廠發電機班負責日常運行和維護，實行“橫班制”，保證24小時都有人值班。機組簡單日常維護（如：換油、換火花塞等）和故障維修由發電機班負責，大修、中修和部分項修在總廠總工辦，設備科指導下由外協單位承擔；生產管理由分廠完成。經過近三年運轉，在設施設備維護及生產管理兩方面仍存在不少問題。
　　關于設施設備維護，可以分為沼氣凈化處理過程、沼氣內燃機組、發電并網用電調度過程、熱力利用調度過程等四方面，具體問題有：
　　1．沼氣凈化處理過程：（1）沼氣硫含量居高不下，可達15000ppm，現有干式脫硫范圍約為500ppm到5000ppm，濕式脫硫范圍約為1200ppm到10000ppm，顯然不能完全徹底脫硫，建議將濕式脫硫和干式脫硫串聯起來，先濕式脫硫，后干式脫硫；（2）應設置單獨的沼氣除塵、除油、除
　　濕裝置，以提高沼氣凈化程度；
　　2．沼氣內燃機組：一定要進行機組設備備配件國產化工作，特別是火花塞的國產化工作以降低設備維護費用；
　　3．發電并網用電調度過程：（1）應由總廠統一協調和調度，保證沼氣發電能夠有效利用，避免送出廠外作無用功；（2）盡量在用電高峰多發電；
　　4．熱力利用調度過程：應由分廠統一協調，（1）盡可能利用沼氣內燃機組余熱；（2）加強熱力設施設備維護力量，充分提高熱交換器的換熱效率；
　　關于沼氣發電的生產管理，應設置單獨的生產統計和成本核算內容，其產出是熱、電，如前所述，年產值可達2000萬RMB，其投入主要有：
　　1．設施設備維護費；
　　2．耗材費：主要有潤滑油、脫硫劑、火花塞等；
　　3．人工管理費；
　　4．設施設備固定資產折舊費；
　　建議一定要認真建立一支專業性較強的運行維護管理隊伍--在污水處理行業，“沼氣內燃機-余熱回收-發電機組”設備技術含量較高，運行安全性要求也較高，需要一支專業性較強的運行維護隊伍，并實行單獨成本核算管理。
　　
　　北京排水集團高碑店污水處理廠
　　2003年4月2日

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