冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)在餐廚垃圾處理項目中的應用研究

張 杰，陳志剛，顧根永，吳明輝

(1.普星能量有限公司，浙江省 杭州市 310012；2.浙江普星藍天然氣發(fā)電有限公司杭州分公司，浙江省 杭州市 310012；3.杭州申乾裕科技有限公司，浙江省 杭州市 310011)

0 引言

餐廚垃圾是餐飲垃圾和廚余垃圾的統(tǒng)稱，主要是居民在生活消費過程中形成的生活垃圾，包括家庭、學校、食堂及餐飲行業(yè)等產(chǎn)生的食物加工下角料和食用殘余[1]。隨著人民生活水平的不斷提高，餐廚垃圾的數(shù)量急劇增長，2019年全國餐廚垃圾產(chǎn)生量突破1.2億 t，極大地推動了我國餐廚垃圾處理行業(yè)的發(fā)展。為實現(xiàn)餐廚垃圾無害化處理，各地方迅速建設餐廚垃圾處理廠，與衛(wèi)生填埋、焚燒、破碎直排、飼料化、堆制有機肥等處理技術相比，厭氧消化技術具有資源化、無害化及減量化程度高、技術成熟、安全可靠等優(yōu)點[2-4]，已成為我國餐廚垃圾處理的主流技術。據(jù)統(tǒng)計，我國已投產(chǎn)項目中約76%采用厭氧消化技術[5]。

隨著沼氣發(fā)電技術的成熟和主設備造價的日益降低，采用厭氧消化技術產(chǎn)生的沼氣經(jīng)過前置處理后通過沼氣發(fā)電機組進行發(fā)電，同時回收沼氣發(fā)電機組的煙氣和缸套水熱量，提供餐廚垃圾處理過程中所需的蒸汽和衛(wèi)生熱水負荷，既實現(xiàn)資源的綜合利用，又提高了能源利用率。

由于我國餐廚垃圾處理技術起步較晚[5]，項目案例特別是沼氣綜合利用案例少，且我國餐廚垃圾除了具有含水率高、有機質(zhì)含量高的特點外，多具有高鹽分、高油脂的特點[6]，同時已投產(chǎn)餐廚垃圾案例規(guī)模小，造成沼氣產(chǎn)量少且利用不充分，安裝的沼氣發(fā)電機組運行效率低、經(jīng)濟性較差。為了達到預期的經(jīng)濟效益和節(jié)能效果，本文通過分析餐廚垃圾處理過程中主要用能工藝，參考已投產(chǎn)案例，提出沼氣冷熱電三聯(lián)供(combine cooling, heating and power，CCHP)系統(tǒng)采用“以氣定電、欠負荷”的設計原則，同時回收煙氣和缸套水熱量，既實現(xiàn)資源的綜合利用，又提高項目的經(jīng)濟效益和節(jié)能效益，并通過與常規(guī)處理方式對比，論證其可行性及合理性。

1 項目概況

1.1 項目簡介

新建餐廚垃圾處理項目位于浙江省某地級市，設計處理量為餐廚垃圾300 t/d(餐飲垃圾和廚余垃圾各150 t/d)，采用“餐飲垃圾預處理/廚余垃圾預處理(除雜+加熱攪拌+三相分離)+聯(lián)合厭氧消化+厭氧消化產(chǎn)沼氣+沼氣發(fā)電”的技術路線，實現(xiàn)餐廚垃圾資源化利用和無害化處理。

項目總體占地面積約3萬 m2，總建筑面積約8 000 m2，主要包括餐廚垃圾預處理車間、供能設備間、污水處理間、管理用房(約2 000 m2)等區(qū)域。

1.2 沼氣工藝系統(tǒng)

1.2.1 沼氣產(chǎn)量

根據(jù)對餐廚垃圾厭氧消化的研究表明，餐廚垃圾的產(chǎn)沼氣率大于435 mL/g[7-10]，即1 t餐廚垃圾(濕基)厭氧發(fā)酵可產(chǎn)生87 m3沼氣，據(jù)此計算項目日產(chǎn)沼氣量約26 100 m3。

為保證項目設計的準確性，詳細調(diào)研該地區(qū)某實際投產(chǎn)項目(日實際處理約150 t)，該項目典型日沼氣產(chǎn)量如圖1所示。

圖1 典型日沼氣產(chǎn)量圖

從圖1中可以看出，夏季沼氣產(chǎn)量略高于冬季產(chǎn)量，已投產(chǎn)項目半年內(nèi)沼氣平均產(chǎn)量約為340 m3/h，折合t餐廚垃圾沼氣產(chǎn)量約54 m3/h。

綜合考慮國內(nèi)類似項目實際運行數(shù)據(jù)[11-12]及項目餐廚垃圾處理量的波動性，本項目按餐廚垃圾產(chǎn)沼氣量約60 m3/t設計。

1.2.2 沼氣凈化處理

厭氧發(fā)酵罐產(chǎn)生的沼氣溫度約35 ℃，壓力約1 000 Pa(微正壓)，相對濕度為100%，H2S含量≤4 250 mg/m3。根據(jù)沼氣發(fā)電機組廠家資料，沼氣發(fā)電機組入口要求H2S含量≤283.5 mg/m3，沼氣入口壓力為12 kPa～20 kPa，沼氣相對濕度≤80%。因此厭氧消化產(chǎn)生的沼氣需經(jīng)脫硫、脫水、增壓后進入沼氣發(fā)電機組。

1.3 負荷分析

1.3.1 蒸汽負荷

餐廚垃圾處理過程中蒸汽主要用于漿料混合、三相提油、厭氧發(fā)酵罐體保溫(維持厭氧發(fā)酵所需溫度)等工藝。在漿料混合工藝中蒸汽加熱實現(xiàn)無機質(zhì)與有機質(zhì)的深度分離，在三相提油工藝中蒸汽加熱實現(xiàn)最大化回收餐廚垃圾油脂。

考慮餐廚垃圾處理項目的工藝流程、生產(chǎn)時間和環(huán)境溫度的影響，繪制項目不同季節(jié)典型日蒸汽負荷曲線如圖2所示。

圖2 不同季節(jié)典型日負荷曲線

從圖2可以看出，白天蒸汽負荷明顯高于晚上，這主要是由于漿料混合、三相提油等處理工藝基本在白天進行。

1.3.2 電負荷

項目采用1臺1 250 kV·A(10/0.4 kV)的干式變壓器，變壓器采用單母線運行。

圖3 系統(tǒng)工藝流程圖

詳細統(tǒng)計餐廚垃圾在處理過程中主要用電工藝(物料接受處理系統(tǒng)、給料系統(tǒng)、自動分選、固液分離等)中設備功率及運行時間，設備工作容量約1 480 kW，其中400V側計算功率約850 kW。預計項目日用電量約18 300 kW·h。

1.3.3 空調(diào)負荷

綜合考慮項目所在地氣候條件、管理用房空調(diào)面積及空調(diào)設備增量投資，項目暫不考慮空調(diào)系統(tǒng)，但預留空調(diào)設備接口。

1.3.4 生活熱水負荷

生活熱水主要用于辦公、食堂及員工盥洗等，按照《建筑給水排水工程》進行核算，預計每天需求生活熱水4 t。

1.4 系統(tǒng)配置

1.4.1 發(fā)電機組裝機規(guī)模

與天然氣冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)裝機規(guī)模采用“以熱定電”等設計原則不同，沼氣冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)發(fā)電機組裝機規(guī)模主要依據(jù)沼氣產(chǎn)量來確定。

經(jīng)計算，本項目日產(chǎn)沼氣約18 000 m3，扣除沼氣蒸汽鍋爐調(diào)峰消耗約4 000 m3，按照沼氣發(fā)電2.3 kW·h/m3計算得項目總裝機規(guī)模約為1 400 kW。

考慮項目的達產(chǎn)時間和沼氣產(chǎn)量的波動，本項目采用“以氣定電、欠負荷”的設計原則，適當降低裝機規(guī)模，設計總裝機規(guī)模為1 200 kW。相比較采用1臺1 200 kW沼氣發(fā)電機組，采用2臺600 kW沼氣發(fā)電機組盡管總投資高，但在實際運行中能更好地適應沼氣量的變化，更具靈活性，也能夠確保項目的安全性和可靠性。因此，項目采用2臺600 kW沼氣發(fā)電機組。

1.4.2 余熱利用系統(tǒng)

沼氣發(fā)電機組余熱形式主要為煙氣(約420 ℃)和缸套水(約90 ℃)?？紤]項目所需負荷主要為蒸汽負荷和熱水負荷，采用2臺0.35 t/h余熱鍋爐與2臺沼氣發(fā)電機組“一對一”的連接形式回收煙氣熱量制取蒸汽(0.7 MPa，165 ℃)，采用板式換熱器回收缸套水熱量制取衛(wèi)生熱水(60 ℃)。項目工藝流程如圖3所示。

1.4.3 調(diào)峰系統(tǒng)

根據(jù)蒸汽負荷曲線，采用2臺2 t/h沼氣燃氣兩用蒸汽鍋爐(以下稱“蒸汽鍋爐”)作為調(diào)峰和應急設備。蒸汽鍋爐根據(jù)沼氣產(chǎn)量、余熱鍋爐蒸汽量的變化靈活調(diào)節(jié)，既保證供能的安全性和可靠性，又使蒸汽鍋爐處于高效運行工況，進而提高能源利用率。

1.5 系統(tǒng)運行策略

1.5.1 發(fā)電機組運行策略

本地區(qū)執(zhí)行電價見表1。

加權計算項目自用電電價為0.634 4元/(kW·h)，低于項目所在地沼氣上網(wǎng)電價0.65元/(kW·h)，確定沼氣發(fā)電機組所發(fā)電力采用“全額上網(wǎng)”的運行策略。

表1 電價統(tǒng)計表

1.5.2 余熱利用運行策略

當沼氣發(fā)電機組開啟時，優(yōu)先使用余熱鍋爐供應蒸汽，當蒸汽供應量不足時，開啟1臺蒸汽鍋爐，若仍不足，開啟2臺蒸汽鍋爐。

當沼氣發(fā)電機組故障或檢修時，開啟1臺蒸汽鍋爐供應蒸汽，若蒸汽供應量不足，開啟2臺蒸汽鍋爐。

沼氣發(fā)電機組的缸套水作為加熱生活熱水的優(yōu)先熱源，在滿足生活熱水負荷需求后再切換至空調(diào)功能。

當余熱鍋爐設備出現(xiàn)故障時，沼氣發(fā)電機組煙氣直接排空，保障沼氣發(fā)電機組的安全運行。

當沼氣供應系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，蒸汽鍋爐采用天然氣作為燃料。

3 效益分析

3.1 經(jīng)濟效益分析

根據(jù)項目的配置方案及運行策略，結合項目所在地的實際能源價格和沼氣冷熱電三聯(lián)供項目投資方與餐廚垃圾處理項目投資方的協(xié)議，初步定價意向如下：沼氣價格為0.35元/m3，上網(wǎng)電價為0.65元/(kW·h)，暫不考慮蒸汽、衛(wèi)生熱水等副產(chǎn)品收益。

設定項目建設期為1 a，運營期為20 a，設備折舊為15 a，殘值率為5%，系統(tǒng)自用電率取5%，運行維護成本(含發(fā)電機組尾氣凈化處理系統(tǒng))為0.12元/(kW·h)，人工成本按照20萬元/a，稅率參考國家優(yōu)惠政策及最新稅率，同時考慮環(huán)境因素以及沼氣利用過程中的損耗，計算項目主要技術經(jīng)濟指標見表2。

表2 技術經(jīng)濟指標表

針對項目建設投資、運行成本(主要為沼氣價格)、上網(wǎng)電價等主要影響因子進行敏感性分析，各因素敏感分析如圖4所示。

圖4 敏感性分析圖

從圖4可以看出，上網(wǎng)電價對項目的內(nèi)部收益率最為敏感，其次為運營成本(主要為沼氣價格)，最后為建設投資。

3.2 節(jié)能分析

在節(jié)能評價中采用相對評價較多[13-15]，即以常規(guī)系統(tǒng)為基準，計算冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)的節(jié)能效果。

餐廚垃圾處理項目沼氣常規(guī)處理方式為沼氣鍋爐與沼氣火炬直燃，采用沼氣冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)，主要回收了直燃沼氣量，即沼氣冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)項目節(jié)能量即為火炬氣沼氣燃燒量。經(jīng)計算，沼氣火炬年燃燒沼氣486萬 m3，取沼氣折標煤系數(shù)0.714 kg/m3[16]，計算得到沼氣冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)比常規(guī)方式節(jié)約標煤3 470 t。

3.3 環(huán)境效益分析

沼氣屬于清潔能源，沼氣發(fā)電機組廢氣中基本不含SO2和顆粒物，氮氧化物可通過SCR脫硝后達到環(huán)評要求的排放限值。

與沼氣火炬直接燃燒相比，沼氣冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)溫室氣體減排在于利用沼氣發(fā)電而減少的排放。浙江省屬于華東區(qū)域電網(wǎng)，根據(jù)文獻[17]，經(jīng)計算，沼氣冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)年CO2減排量7 429 t，見表3。

表3 CO2減排量

4 結論

1) 在餐廚垃圾處理項目中配置沼氣冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)方案時，須認真核算沼氣產(chǎn)量(主要包括實際餐廚垃圾處理量、餐廚垃圾處理工藝等)、項目負荷需求及應用場景，為確定經(jīng)濟適宜的裝機方案、高效合理的系統(tǒng)方案提供可靠依據(jù)。

2) 餐廚垃圾處理過程中存在比較穩(wěn)定的電負荷和蒸汽負荷，同時餐廚垃圾處理產(chǎn)生的沼氣供應相對比較穩(wěn)定，適宜采用冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)。

3) 相比采用沼氣火炬直燃方式，在餐廚垃圾處理項目中采用沼氣冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)在不考慮余熱收益的條件下，項目經(jīng)濟效益顯著，符合國家和產(chǎn)業(yè)發(fā)展的方向。