摘 要：本文系統(tǒng)介紹了XXX污水處理廠，污泥處理設計過程中，如何有效地回收利用沼氣發(fā)電系統(tǒng)的余熱作為污泥中溫消化的熱源。達到節(jié)約能源，減少電耗和降低污水處理成本的目的。
關鍵字：沼氣發(fā)電 能源利用 余熱回收 熱平衡
1 污泥處理及能源利用概況
XXX污水處理廠二期工程設計水量50萬m3/d，初沉泥和二沉池的混合污泥量為4417m3/d，污泥含水率97%，污泥處理工藝采用重力濃縮，二級中溫消化帶式壓濾機脫水，并利用消化產生的沼氣發(fā)電并入城市電網(wǎng)，發(fā)電機產生的余熱作為一級消化熱源，鍋爐房蒸汽為補充熱源。
XXX污水處理廠二期工程設置八座消化池，四座為一個系列，共兩個系列，每一系列有一級消化池三座，二級消化池一座，消化池產沼氣2.2～2.6萬m3/d。其中甲烷含量占57%～62%，熱值5000Kcal/m3，消化池產氣總熱量為540萬Kcal/h。三臺沼氣發(fā)電機總發(fā)電量2000KW，所發(fā)電量并入市政公用電網(wǎng)。
為維持污泥中溫消化所需的溫度，需要對污泥進行加熱。加熱污泥的熱量需要由外部熱源提供，XXX污水處理廠利用污泥消化產生的沼氣進行發(fā)電，沼氣發(fā)電系統(tǒng)運行中產生的大量余熱，作為加熱污泥的熱源，這將節(jié)約大量的熱能，達到節(jié)省能源，降低能耗的目的。圖1為能源利用流程圖。
2 能源利用途徑
XXX污水處理廠工程沼氣發(fā)電系統(tǒng)選用三臺奧地利JMS316-BL型沼氣發(fā)電機，發(fā)電機總容量約2000KW，單臺發(fā)電機容量為625KW。該系統(tǒng)在運行過程中有三個部分產生的熱能可回收利用，它們是：燃氣混合熱能、缸套水熱能和潤滑油熱能及尾氣釋放的熱能。表1所示為各部分熱能回收量與回收率，圖2為沼氣發(fā)電機組熱能回收系統(tǒng)，圖3為單臺沼氣發(fā)電機組能量平衡圖。

沼氣發(fā)電系統(tǒng)熱能回收量與回收率 單位：kw（萬kcal） 表1
序號	項目	回收量	回收率	備注
1	燃氣混合熱能	98（8.4）	5.8%
2	缸套水和潤滑油熱能	283(24.3)	16.6%
3	尾氣熱能	475(40.9)	27.9%	總輸入熱能1703(146.5)
4	總回收熱能	856(73.6)	50.3%

由圖2可知，進入發(fā)電機的冷水，流量39.4m3/h，溫度為70℃，吸收沼氣發(fā)電機的熱能后流量不變，溫度升為90℃，進入余熱利用系統(tǒng)。由圖3可知由沼氣產生的總能量中有40%轉變?yōu)闄C械能，60%轉變?yōu)闊崮�。其�?0%機械能中的38.3%轉換為電能;60%熱能中的50.3%作為余熱可回收利用，總能量回收效率可達88.6%。該回收率高于一般的沼氣發(fā)電機。
3 熱平衡系統(tǒng)
該熱平衡是通過某種調節(jié)手段，使供熱系統(tǒng)提供的熱量恰好與需熱系統(tǒng)所需熱量相同。供熱系統(tǒng)的熱量為沼氣發(fā)電系統(tǒng)產生的余熱和蒸汽鍋爐補充熱量的總和;需熱系統(tǒng)的熱量是指消化池正常運行時所需熱量。
3.1 供熱系統(tǒng)運行工況
3.1.1 沼氣發(fā)電機
沼氣發(fā)電系統(tǒng)余熱熱量計算，
Q=CA△t (1)
其中，Q-供(需)熱量(Kcal/h)
C-介質的傳熱系數(shù)(Kcal/m3℃)
A-介質流量(m3/h)
△t-介質溫度的變化(℃)
如前所述，余熱利用了燃氣混合、缸套水、潤滑油及尾氣四部分熱能，單臺發(fā)電機組熱能總值為856KW(73.6萬Kcal/h)。單臺機組在不同負荷情況下所提供的熱量是變化回收的，見表2。同樣，沼氣發(fā)電系統(tǒng)供熱量也隨機組臺數(shù)的變化而變化。
單臺機級能量隨負荷變化表 單位kw(萬kcal) 表2

沼氣發(fā)電系統(tǒng)熱能回收量與回收率 單位：kw（萬kcal） 表1
項目	100%負荷	75%負荷	50%負荷
總輸入能量	1703 (146.5)	1321 (113.6)	969 (83.3)
總回收熱能	856 (73.6)	675 (58.0)	491 (42.2)
其中:
燃氣混合熱能	98 (8.4)	40 (3.4)	2 (0.2)
缸套水和潤滑油熱能	283 (24.3)	271 (23.3)	233 (20.0)
尾氣熱能	475 (40.9)	364 (31.3)	256 (22.0)

從能量分配得知，三臺發(fā)電機滿負荷運行時，沼氣進氣總能量為3×1703=5109KW(439.4萬Kcal/h，100%)，總發(fā)電量為3×652=1956KW(168.2萬Kcal/h，38.3%)，熱回收總量為3×856=2568KW(220.8萬Kcal/h，50%)，尾氣損失能量為3×139=417KW(35.9萬Kcal/h，8.1%)，機組輻射損失能量為3×56=168KW(14.4萬Kcal/h，3.3%)。三臺機組滿負荷運行時可利用的最大熱能為2568KW(220.8萬Kcal/h，50.3%)。
3.1.2 蒸汽鍋爐汽水交換
沼氣發(fā)電系統(tǒng)所產生的余熱隨其運行臺數(shù)與負荷的不同而變化，加熱污泥所
需熱量相對較穩(wěn)定，當余熱提供熱量不能滿足消化池所需熱量時，可利用蒸汽鍋爐作為補充熱源。補充熱源是由蒸汽鍋爐產生的蒸汽，通過汽水熱交換器產生熱水供給泥水熱交換器使用，以補充熱量不足部分。補充熱量為消化池污泥全年最冷月需熱量226.8萬Kcal/h。(見表6)
3.2 需熱系統(tǒng)工況
加熱是污泥中溫厭氧消化的重要條件，為保證消化池在35℃條件下正常運行，采用污泥池外間接加熱法。螺旋板式泥水熱交換器對污泥加熱。
3.2.1 加熱污泥的耗熱量計算
新鮮污泥溫度變化。如圖4。
按照消化池的投泥次數(shù)，每天投泥4次，每次1小時，每次投泥量90m3/h，得出單池新鮮污泥平均耗熱量Q泥。如表3所示。
單位:1000Kacl/h 表3

沼氣發(fā)電系統(tǒng)熱能回收量與回收率 單位：kw（萬kcal） 表1
月份	1	2	3	4	5	6
泥耗熱量	309	287	276	263	228	217
月份	7	8	9	10	11	12
泥耗熱量	204	197	213	254	270	281

3.2.2 消化池池體耗熱量計算
根據(jù)XX市氣溫及地溫的變化，按照公式：
Q池=FK(TD-TA) (2)
其中，Q池：消化池池體耗熱量(Kcal/h)
F：池蓋、池壁及池底的散熱面積(m2)
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