沼气发电在污水处理系统中的应用

2017-06-10唐侠

科技创新与应用 2017年16期

唐侠

摘要：我国燃气发动机早期规模小，且主要利用在农村以植物和粪肥等有机废弃物在沼气池中经过厌氧发酵产生的沼气。近年来，随着我国工农业向集约化发展的需要，以及沼气工程在各地农、牧、禽场中的建设和垃圾填埋场、污水处理、化工生产、煤矿（瓦斯气）等对可燃气体的综合利用，国内对燃气发动机需求开始增加，单机容量由小变大，燃气发动机在国内相关科研机构和大型内燃发电机企业的共同努力下，相继研制和生产出功率较大的沼气发动机。

关键词：沼气发电应用；燃气内燃机组；渗沥液处理；设备选型；节能减排

1 燃气内燃发电机组在渗沥处理系统中应用探索

EBEP是一家以固废、污水处理和新能源为主业的企业，先后在垃圾填埋场和垃圾焚烧发电厂的渗沥液处理系统中进行过沼气发电应用，在垃圾填埋场主要应用进口大型燃气内燃机组（单机容量1250kW），在垃圾焚烧发电厂的渗沥液处理中应用国内成熟的小型燃气内燃机组（单机容量120kW、180kW、260kW）。鉴于国产沼气内燃发电应用技术日益成熟，以及对小型机组的广泛需求，现以单机容量为180kW的沼气内燃发电的应用情况进行介绍，以供参考。

在生活垃圾焚烧发电项目中，由于生活垃圾含水率较高，特别是我国由于饮食习惯和生活水平限制，一般含水率可达50%（包括内在与外在水分），为降低入炉垃圾水分、提高热值，垃圾入厂后，一般进行5～7天的堆放发酵预处理，经过堆放发酵后生活垃圾可析出部分水份，即渗沥液，析出的渗沥液可占垃圾入厂处理量的15%～30%。渗沥液属高浓度有机污染物，CODcr浓度可达20000～70000mg/L，BOD5浓度在10000～45000mg/L，常规物理或化学处理困难，但是可生化性较好，生化处理具有处理能力大、高效、处理成本低等优势，且在生化处理过程中得到沼气。沼气既是能源，同时也是高温室效益气体，CH4的温室效益为CO2的26倍，如何环保、经济、资源化使用沼气显得尤为重要，值得深入探索！

1.1 沼气发电应用的背景

EBEP公司J市垃圾焚烧发电厂渗沥处理系统设计为日处理300吨，采用厌氧（UBF）-好氧（SBR）生物法，在滲沥液生化处理工艺中的生化厌氧系统中产生大量沼气，根据沼气理论产气量分析，即渗沥液在生化处理过程中每降解1gCODcr，产生0.35标准升CH4，同时依据实际运行情况测算，可产生不少于0.30升CH4。渗沥液处理系统厌氧进水CODcr约为40000mg/l，厌氧出水CODcr为4000mg/l，则厌氧系统每处理1m3渗滤液产生的甲烷气量为：每立方渗沥液可产甲烷10.8m3，根据试验检测结果，沼气中甲烷含量为80.6%，以80%的甲烷含量计算我公司的沼气量，则每立方米渗滤液沼气产生量为：10.8/80%=13.5m3。

根据2008年生产运营统计，在不同季节渗滤液产生量实际情况，进行沼气产生量测算，如上表（表1）可见，在正常运行时，每天约产生1600～3400m3沼气，折合热量约40～90GJ，由于前期没有沼气综合利用设备，为了减少温室效益影响，所产生的沼气采取点火炬对空燃烧方式处理，不仅影响厂区美观，而且造成较大能源浪费。为达到开源节流、节能减排和保护环境的目的，故决定因地制宜的在渗沥液处理站东侧空地建设沼气发电设备。

1.2 沼气发电设备选型

对水处理项目投运以来运行数据分析，水处理站沼气产气量67.5-140m3/h，沼气中的CH4含量达80%，故1m3沼气发电可达1.8～2度以上，则每小时发电量约122～252kW。如二期工程建成后，沼气产气量达101-169m3/h，每小时发电量可达182～304kW。鉴于国产中小型沼气发电机设备性能已较为成熟，且投资低，兼顾设备维护成本，以及维护便利，决定选用国产设备，关键部件选用进口配件。根据测算发电能力，同时考虑国产沼气发电设备实际出力达不到额定值的实际情况，拟选装机总容量为320-360kW机组。根据市场价格行情，选择单台100%容量机组与两台50%容量机组投资费用相差不大，约在3-10万元范围内，综合考虑沼气产气量季节性波动大、负荷调整的灵活性、机组运行经济性、维护成本以及机组设备的成熟程度等因素，最终选用2台180kW沼气发电机组。

1.3 沼气发电工艺流程方案

总体规划为一套沼气预处理系统、两台集装箱式180kW沼气发电机组，以缩短建设周期。为提高机组热效率，机组设计要求考虑机组本体散热和排烟余热回收利用，并将回收的热量用于渗沥液处理系统加热或供热，以减少或停止渗沥液加热从焚烧热机的抽汽量。

此外，在沼气分析数据中发现沼气含H2S量严重超标，达6000mg/L以上，不能满足烟气环保和机组运行要求，故在沼气预处理过程中增加高效脱硫系统，脱硫系统采用二级湿式脱硫处理后再串接一级干式脱硫设备的组合脱硫装置。采用湿式氧化法脱硫，以纯碱（Na2CO3）溶液为吸收介质，配合沼气脱硫专用催化剂进行气体脱硫反应，最终H2S脱除率达96%，有机硫脱除率达80%，再进入干式脱硫装置，干式脱硫采用新型氧化铁脱硫剂，脱硫效率较高，并可以进行再生。整体设计以脱硫前硫化氢含量为10000mg/m3进行设计，脱硫后硫化氢含量少于100mg/m3，同时，再生过程可得到单质硫。

2 沼气发电效益分析

沼气发电属于新能源综合利用范畴，首先，要有可观环境效益，这是新能源发展的动力，其次，还需要产生一定经济效益，才有投资建设的可能性，故需要在环境效益和经济效益进行细致分析。

2.1 沼气发电设备投资

依据沼气发电机市场价格，2*180kWh沼气发电机组投资为：沼气200m3贮气罐约26万元，两台沼气发电机组约80万元，机组配套设备约42.3万元，预处理系统约34.2万元，控制及电气系统约16万元，冷却及余热利用系统约14万元，工程材料及安装费约23万元，土建及配套系统约20万元，其他项目约8万元，总投资约263.50万元，单位投资额为0.732万元/kWh，不包括设计及各项报建等费用。

2.2 沼气发电项目的经济效益

依据设备厂家提供的技术资料、备品备件等费用，以及污水处理实际情况。经测算，两台180kW的沼气发电机组，在正常情况下沼气量设计连续运行功率180kW，总自耗电20kW，考虑到国产机组带负荷能力，以及沼气产量波动影响，在焚烧二期工程投产前，2台机组平均发电负荷为125×2-20=230kW，年发电时间按7000小时计，总供电量为161万度。

年运营收益为（电价以0.5元/度计算、不考虑CDM或VER收益）：161度*0.5元/度=80.5万元。设备折旧以折旧年限为10年、设备残值为10%进行测算，年设备折旧费用为23.72万元。

年运营成本：运行总费用19万元+维护总费用17.5万元+设备折旧23.72万元=60.22万元。

年生产运营利润：80.50万元-60.22万元=20.29万元。

投资回收期：263.5/（20.29+23.72）=5.99年

若二期工程投产后，按以上方法计算，沼气发电机组年供电按196万度计算，则：

年生产运营利润：98.00万元-67.72万元=30.29万元。

投資回收期：263.5/（30.29+23.72）=4.88年

2.3 沼气发电项目的环境效益

按规模发电厂供电标煤耗350g/kWh，本项目年发电量161万度，可节约煤563.5吨，年减排CO2约1465吨，减排SO2约4.79吨，减排NOx约4.17吨。此外每年还可直接处理沼气约322万m3，可实现良好的环境效益。

3 结束语

目前，该沼气发电项目已建成投运行，机组运行稳定，从在线监测仪的监测数所分析表明，沼气脱硫效果明显，每立方沼气可发2度电，由于目前仍属于渗沥液量产量低峰期，机组仍不能满负荷运行。

由此可见，依托现有污水处理系统，建设沼气发电项目具有周期短、投资小、见效快的优点，不仅有着显著的经济效益，同时具有节能减排、保护环境的重大意义，符合国家倡导建设循环经济新潮流。