污水處理廠余熱綜合利用系統(tǒng)與節(jié)能效益

景 源，劉軍勝

(北京市煤氣熱力工程設(shè)計(jì)院有限公司，北京 100032)

1 概述

根據(jù)國家政策，堅(jiān)持宜氣則氣、宜電則電、宜煤則煤、宜熱則熱，大力推進(jìn)北方地區(qū)清潔供暖。截至2019年底，北方地區(qū)清潔供暖率達(dá)55%，比2016年提高21%。

隨著城市發(fā)展，人口不斷增長，城市污水量逐步增加，為有效利用污水資源，許多城鎮(zhèn)污水處理廠將處理后的再生水用于河湖補(bǔ)水、綠化、市政雜用、工業(yè)冷卻等，實(shí)現(xiàn)了污水的資源化利用[1]。污水處理過程中產(chǎn)生的污泥，處理后可生產(chǎn)沼氣[2]。為綜合利用沼氣、再生水資源，筆者提出一種污水處理廠余熱綜合利用方案，實(shí)現(xiàn)資源利用最大化。

本文提出污水處理廠余熱綜合利用方案，對(duì)余熱綜合利用系統(tǒng)的年平均能源綜合利用率、節(jié)能率進(jìn)行測(cè)算。

2 余熱綜合利用方案

2.1 工程概況

華北地區(qū)某污水處理廠污泥處理工藝沼氣設(shè)計(jì)工況產(chǎn)量為1 700 m3/h，除已利用沼氣760 m3/h外，富余沼氣940 m3/h。沼氣低熱值為22.4 MJ/m3。本文分析利用富余沼氣發(fā)電。

污水處理工藝所需最大蒸汽質(zhì)量流量為18 t/h，為2.5 MPa的飽和蒸汽，每日工作24 h，年工作時(shí)間為365 d。軟化水為間歇需求，在有需求期間也呈波動(dòng)變化。再生水量可滿足發(fā)電機(jī)組全部冷卻需求，且全年溫度穩(wěn)定在35 ℃左右。廠區(qū)內(nèi)供暖熱負(fù)荷為4.8 MW，供水溫度為85 ℃，回水溫度為60 ℃。

2.2 工藝系統(tǒng)

余熱綜合利用系統(tǒng)流程見圖1，圖中均用1個(gè)設(shè)備框表示2臺(tái)設(shè)備。發(fā)電機(jī)組滿負(fù)荷運(yùn)行條件下，供暖熱水、軟化水的質(zhì)量流量分別為46.72、5.22 t/h，可分別滿足發(fā)電機(jī)組高、低溫冷卻水冷卻負(fù)荷。沼氣內(nèi)燃機(jī)發(fā)電機(jī)組(以下簡稱發(fā)電機(jī)組)高溫冷卻水泵、低溫冷卻水泵均集成在發(fā)電機(jī)組內(nèi)。高溫冷卻水用于冷卻發(fā)電機(jī)組氣缸、一級(jí)中冷器、潤滑油，低溫冷卻水用于冷卻發(fā)電機(jī)組二級(jí)中冷器。圖1中，閥1～4、閥8～10為電動(dòng)三通閥，閥5～7為手動(dòng)兩通閥。

發(fā)電機(jī)組煙氣出口設(shè)帶三通閥的煙道，當(dāng)煙氣余熱全部利用時(shí)，全部煙氣通過閥1流經(jīng)余熱蒸汽鍋爐后排至室外。當(dāng)煙氣余熱部分利用時(shí)，根據(jù)蒸汽負(fù)荷需求調(diào)節(jié)閥1，使部分煙氣流經(jīng)余熱蒸汽鍋爐，部分直接排至室外。余熱蒸汽鍋爐通過回收發(fā)電機(jī)組煙氣余熱制備蒸汽，向污水處理廠提供部分生產(chǎn)工藝蒸汽，板式換熱器1通過回收高溫冷卻水余熱加熱供暖熱水，板式換熱器3通過回收低溫冷卻水余熱加熱制蒸汽所需的部分軟化水。為充分利用污水處理廠內(nèi)再生水低溫冷量，設(shè)置板式換熱器2、4作為高溫冷卻水、低溫冷卻水冷卻裝置。冷卻水箱1、2則作為再生水系統(tǒng)故障狀態(tài)下的冷卻裝置。

圖1 余熱綜合利用系統(tǒng)流程

2.3 設(shè)備配置

考慮軟化水需求、再生水量以及再生水系統(tǒng)故障工況，冷卻水箱1、板式換熱器1、板式換熱器2換熱功率按滿足高溫冷卻水最大冷卻負(fù)荷選取，冷卻水箱2、板式換熱器3、板式換熱器4傳熱量按滿足低溫冷卻水最大冷卻負(fù)荷選取。主要設(shè)備單臺(tái)額定參數(shù)見表1。

表1 主要設(shè)備單臺(tái)額定參數(shù)

2.4 運(yùn)行策略

① 非供暖期

發(fā)電機(jī)組發(fā)電滿足污水處理廠部分電負(fù)荷，不足部分由市電補(bǔ)充。余熱蒸汽鍋爐吸收發(fā)電機(jī)組煙氣余熱制備蒸汽，滿足污水處理廠部分生產(chǎn)工藝蒸汽需求，不足部分由廠區(qū)蒸汽供應(yīng)系統(tǒng)補(bǔ)充。

再生水系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，高溫冷卻水由板式換熱器2冷卻，低溫冷卻水由板式換熱器3、4冷卻。發(fā)電機(jī)組、余熱蒸汽鍋爐、板式換熱器2、板式換熱器3、板式換熱器4開啟，冷卻水箱1、冷卻水箱2、板式換熱器1關(guān)閉。閥7開啟，閥5、閥6關(guān)閉。各三通閥的通路、斷路，根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行控制。

當(dāng)再生水系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，高溫冷卻水改為由冷卻水箱1冷卻，低溫冷卻水由冷卻水箱2、板式換熱器3冷卻。發(fā)電機(jī)組、余熱蒸汽鍋爐、冷卻水箱1、板式換熱器3、冷卻水箱2開啟，板式換熱器1、板式換熱器2、板式換熱器4關(guān)閉。閥7開啟，閥5、閥6關(guān)閉。各三通閥的通路、斷路，根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行控制。

② 供暖期

發(fā)電機(jī)組發(fā)電滿足污水處理廠部分電負(fù)荷，不足部分由市電補(bǔ)充。余熱蒸汽鍋爐吸收發(fā)電機(jī)組煙氣余熱制備蒸汽，滿足污水處理廠部分生產(chǎn)工藝蒸汽需求，不足部分由廠區(qū)蒸汽供應(yīng)系統(tǒng)補(bǔ)充。板式換熱器1利用高溫冷卻水加熱供暖回水，不足供暖熱負(fù)荷由廠區(qū)其他供暖熱源補(bǔ)充。

再生水系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，高溫冷卻水由板式換熱器1、2冷卻，低溫冷卻水由板式換熱器3、4冷卻。發(fā)電機(jī)組、余熱蒸汽鍋爐、板式換熱器1、板式換熱器2、板式換熱器3、板式換熱器4開啟，冷卻水箱1、冷卻水箱2關(guān)閉。閥5、閥6開啟，閥7關(guān)閉。各三通閥的通路、斷路，根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行控制。

當(dāng)再生水系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，高溫冷卻水由冷卻水箱1、板式換熱器1冷卻。低溫冷卻水由冷卻水箱2、板式換熱器3冷卻。發(fā)電機(jī)組、余熱蒸汽鍋爐、冷卻水箱1、冷卻水箱2、板式換熱器1、板式換熱器3開啟，板式換熱器2、板式換熱器4關(guān)閉。閥5和閥6開啟，閥7關(guān)閉。各三通閥的通路、斷路，根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行控制。

3 節(jié)能效益測(cè)算

根據(jù)實(shí)際年富余沼氣224.02×104m3，發(fā)電機(jī)組折合年滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)間為2 568 h，其中供暖期1 848 h，非供暖期720 h。發(fā)電機(jī)組年發(fā)電量為540.82×104kW·h，余熱蒸汽鍋爐年制蒸汽量為3 338.4 t，板式換熱器1年加熱供暖熱水熱量250.96×104kW·h，板式換熱器3加熱軟化水熱量為46.74×104kW·h。

① 年平均能源綜合利用率

年平均能源綜合利用率ηu的計(jì)算式為：

(1)

式中ηu——年平均能源綜合利用率

E——發(fā)電機(jī)組年凈發(fā)電量，kW·h

h——蒸汽與軟化水比焓差，MJ/t，為2 656 MJ/t

m——余熱蒸汽鍋爐年制蒸汽量，t

Qh——板式換熱器1年加熱供暖熱水熱量，kW·h

Qs——板式換熱器3加熱軟化水熱量，kW·h

V——年富余沼氣量，m3

Hi——沼氣低熱值，MJ/m3

忽略高、低溫冷卻水泵耗電量，將已知參數(shù)代入式(1)，可計(jì)算得到余熱綜合利用系統(tǒng)年平均能源綜合利用率為77.8%。GB 51131—2016《燃?xì)饫錈犭娐?lián)供工程技術(shù)規(guī)范》第1.0.4條要求，聯(lián)供系統(tǒng)的年平均能源綜合利用率應(yīng)大于70%。余熱綜合利用系統(tǒng)年平均能源綜合利用率符合規(guī)范要求。

② 節(jié)能率

根據(jù)GB 51131—2016式(4.3.10-1)、(4.3.10-2)，余熱綜合利用系統(tǒng)節(jié)能率r的計(jì)算式為：

(2)

式中r——余熱綜合利用系統(tǒng)節(jié)能率

mc——電廠供電標(biāo)準(zhǔn)煤耗，g/(kW·h)

θ——供電線路損失率

ηb——燃?xì)忮仩t熱效率，取0.9

電廠供電標(biāo)準(zhǔn)煤耗按國家能源局2021年全國電力工業(yè)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)取302.5 g/(kW·h)。供電線路損失率按國家能源局2021年全國電力工業(yè)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)取0.052 6。

將已知參數(shù)代入式(2)，可計(jì)算得到余熱綜合利用系統(tǒng)節(jié)能率為30.6%。GB 51131—2016第4.3.10條要求，聯(lián)供系統(tǒng)的節(jié)能率應(yīng)大于15%。余熱綜合利用系統(tǒng)節(jié)能率符合規(guī)范要求。

4 結(jié)論

余熱綜合利用系統(tǒng)年平均能源綜合利用率為77.8%，節(jié)能率為30.6%，符合GB 51131—2016《燃?xì)饫錈犭娐?lián)供工程技術(shù)規(guī)范》。