出　　自： 《中國(guó)給水排水》 1990年第2期第44頁(yè)
發(fā)表時(shí)間： 1990-2

馮生華

( 天津市市政工程勘測(cè)設(shè)計(jì)院)

為了消除水環(huán)境污染，污水處理廠的建設(shè)已日益引起人們的重視。建設(shè)污水處理廠需大量資金，建成投產(chǎn)后的電力消耗也相當(dāng)可觀。因此，如何降低污水處理廠的造價(jià)和節(jié)省運(yùn)行費(fèi)用，是目前大家關(guān)心的問題。國(guó)外有的污水處理廠一方面采用微孔曝氣和溶解氧自控裝置減少電耗，另一方面采用高效率污泥消化池提高沼氣產(chǎn)量并提高沼氣的利用效率，使污水處理廠的電力消耗自給率達(dá)90%以上。因此，目前沼氣發(fā)電余熱回收已經(jīng)被不少污水處理廠的設(shè)計(jì)采用。但是，也有一部份專家認(rèn)為“沼氣發(fā)電量和設(shè)備投資相比不經(jīng)濟(jì)?！睘榇?，筆者試以氣溫較低的華北地區(qū)某污水處理廠設(shè)計(jì)對(duì)沼氣發(fā)電量進(jìn)行分析，以對(duì)此進(jìn)行探討。
某污水處理廠地處華北地區(qū)，全年各月氣溫及污泥溫度見表1。
表1

該廠日產(chǎn)污泥2460m 3 ，污泥含水率96%，污泥中揮發(fā)成份含量55%，消化過程中有機(jī)物降解率最低值為30%時(shí)，單方污泥產(chǎn)沼氣5.4m 3 ，日產(chǎn)沼氣最低為13，300m 3 。如果有機(jī)物降解率提高后，預(yù)期日產(chǎn)沼氣可達(dá)24，354m 3 ，即單方污泥產(chǎn)沼氣9.9m 3 。這從國(guó)內(nèi)外消化池的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)中可以得到證明，只要消化池溫度控制好，污泥攪拌充分，單方污泥的產(chǎn)氣率的提高是可以得到保證的。由於該污水處理廠從國(guó)外引進(jìn)沼氣鍋爐及全套沼氣攪拌裝置，使污泥加熱得到保證，同時(shí)從沼氣攪拌裝置的“鋰元素?cái)嚢栊Ч囼?yàn)結(jié)果”中可證明:在消化池任意點(diǎn)投入鋰元素后，經(jīng)過沼氣攪拌30分鐘后，實(shí)測(cè)結(jié)果，全池鋰元素分布已十分均勻。因此，可以預(yù)期單方污泥的產(chǎn)氣率將遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出5.4m 3 。但為說明問題，本文仍先以單方污泥產(chǎn)沼氣5.4m 3 進(jìn)行分析。

一、消化池的需熱量

消化池污泥主要用沼氣發(fā)電機(jī)的余熱進(jìn)行加熱，余熱不足時(shí)，用沼氣鍋爐的熱量進(jìn)行補(bǔ)充。有關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)如下:

中溫二級(jí)消化 33～35℃
消化池直徑 28.8m
一級(jí)消化池 4座
二級(jí)消化池 1座
全年氣溫 0.5～30.4℃
全年泥溫 10.3～26.6℃

消化池全年各月每日總需熱量的計(jì)算，見表2。
表2

消化池的最大需熱量是在每年的二月份，每日需供熱57920×10 3 KCaL；最小需熱量在每年的八月份，每日需供熱16027×10 3 KCaL。

二、沼氣發(fā)電機(jī)及沼氣鍋爐的不同組合工況

污水處理廠共引進(jìn)沼氣發(fā)電機(jī)5臺(tái)，每臺(tái)發(fā)電機(jī)功率為284kw，用沼氣138m 3 /h，四臺(tái)工作一臺(tái)備用；沼氣鍋爐4臺(tái)，每臺(tái)供熱750×10 3 KCaL/h，三臺(tái)工作一臺(tái)備用。
從表3中可知，工況一、二、三的沼氣用量接近每日產(chǎn)氣量13300m 3 ，唯工況四的沼氣用量略為超過。其所需沼氣量14256m 3 /d折合污泥單方產(chǎn)氣率為5.8m 3 。從天津紀(jì)莊子污水處理廠運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)來看，1987年該廠消化池全年處理污泥235，962m 3 ，(含泥6.09%)在沼氣攪拌不充分的情況下，全年總產(chǎn)沼氣1，118，143m 3 ，折合單方產(chǎn)氣率為4.74m 3 。所以，如加強(qiáng)攪拌，提高管理水平，單方污泥產(chǎn)氣率提高至5.8m 3 是完全可能的。
現(xiàn)將幾種污泥的產(chǎn)氣率進(jìn)行比較之，見表4。

三、全年發(fā)電量及年收益

表3

根據(jù)以上分析，全年6～9月，發(fā)電機(jī)余熱供污泥加熱已有富裕，而每年冬季則需開2～3臺(tái)沼氣鍋爐才能滿足污泥加熱的需要。
再將全年各種運(yùn)行工況的發(fā)電量說明如表6。
電價(jià)計(jì)取較為復(fù)雜，現(xiàn)僅取基本電價(jià)0.12 元/度計(jì)算，則一年發(fā)電收益可達(dá)6，134，400×0.12=736，128元。發(fā)電機(jī)設(shè)備費(fèi)620萬(wàn)元，年大修費(fèi)率取1.25%，扣去大修費(fèi)用，年凈收益為658，628元。
再將發(fā)電機(jī)各種工況的余熱回收效益說明之，見表7。
表5

按市場(chǎng)燃煤價(jià)格每噸45元折算，每千克燃煤的熱量為5000KCaL，鍋爐效率取70%，則每千克燃煤實(shí)得熱量為3500KCaL，每噸燃煤可得熱量為3500×10 3 KCaL。全年發(fā)電機(jī)余熱回收的總熱量折算成燃煤為7，387，200÷3500=2110.63噸，價(jià)值94，978元。
表6

表7

兩項(xiàng)共計(jì)年凈收益753，606元。按n=14 年進(jìn)行總收益貼現(xiàn)，貼現(xiàn)率為8%，則貼現(xiàn)系數(shù)，總收益貼現(xiàn)后為753，606元×8.244=6，212，727元。故設(shè)備費(fèi)最晚14年即可回收。

四、關(guān)于沼氣發(fā)電效益的分析

從以上分析中可見影響效益的主要因素是污泥溫度和沼氣產(chǎn)量，如按外商測(cè)算的沼氣預(yù)期產(chǎn)量24，354m 3 /d組合沼氣發(fā)電機(jī)和沼氣鍋爐的運(yùn)行工況，則沼氣發(fā)電的效益將更為顯著。
計(jì)算表明，由于余熱回收，沼氣鍋爐即使在冬季極端低溫達(dá)-23℃時(shí)也只需運(yùn)行2臺(tái)就可以了，而沼氣用量?jī)H為20544m 3 /d，為測(cè)量預(yù)期產(chǎn)氣量24354m 3 /d的84%。實(shí)際運(yùn)行中，極端最低氣溫出現(xiàn)的機(jī)率極小，出現(xiàn)時(shí)其歷時(shí)也很短，一般氣量?jī)?chǔ)備充足就可應(yīng)付。因此，五臺(tái)發(fā)電機(jī)有四臺(tái)可全年發(fā)電，全部設(shè)備費(fèi)不到七年即可回收?？梢娬託獍l(fā)電不是得不償失，而是有很高的經(jīng)濟(jì)效益的。況且目前電力不足是普遍問題，每度電的效益遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出0.12元。增產(chǎn)電力不僅有巨大的經(jīng)濟(jì)效益，更有其重要的社會(huì)效益。因此，筆者認(rèn)為在華北地區(qū)設(shè)計(jì)污水處理廠時(shí)，采用沼氣發(fā)電是可取方案之一。當(dāng)然，用沼氣內(nèi)燃機(jī)帶動(dòng)鼓風(fēng)機(jī)，并進(jìn)行余熱回收，節(jié)省電力，也是可取的方案。在一些發(fā)達(dá)國(guó)家，沼氣發(fā)電是沼氣利用的方案之一，英國(guó)最大的貝克登污水處理廠和法國(guó)最大的阿謝爾污水處理廠，都設(shè)有沼氣發(fā)電設(shè)備。英國(guó)貝克登污水處理廠沼氣發(fā)電功率達(dá)8000kW，發(fā)電的電力可滿足廠內(nèi)用電量的50～60%。建議對(duì)沼氣發(fā)電的下列優(yōu)點(diǎn)應(yīng)在污水處理廠的設(shè)計(jì)中加以考慮。
表8

1.沼氣發(fā)電的電力與電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行后可以保證污水處理廠的供電不會(huì)中斷，改變目前污水處理廠因中斷供電產(chǎn)生的許多問題，如微孔曝氣堵塞問題，污水溢流問題等。對(duì)提高系統(tǒng)的管理水平，延長(zhǎng)設(shè)備的使用年限，都有好處。
2.沼氣用于發(fā)電并回收余熱，比沼氣用作鍋爐燃料，其收益相差很多。前述污水處理廠進(jìn)口設(shè)備技術(shù)參數(shù)表明，每m 3 沼氣用于發(fā)電的收益為0.27元，而用作鍋爐燃料的收益僅0，06 元，兩者差4.5倍。
3.目前由于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展和人民生活水平的提高，各地電力普遍緊張，沼氣發(fā)電在運(yùn)行管理、設(shè)備維護(hù)及環(huán)境保護(hù)等方面都優(yōu)于一般用煤作燃料的火力發(fā)電。而每度電的社會(huì)效益將是很高的，國(guó)外一些污水處理廠將沼氣一部份用于內(nèi)燃機(jī)直接帶動(dòng)鼓風(fēng)機(jī)，一部份用來發(fā)電，能源基本自給。有的國(guó)家，在用電高峰，電價(jià)高出平時(shí)一倍以上，污水處理廠在用電高峰根本不用外電網(wǎng)的電，不與社會(huì)爭(zhēng)電，其社會(huì)效益更為可觀。
4.為了節(jié)能，用溶解氧控制曝氣系統(tǒng)的供氣量已被廣為采用，而控制鼓風(fēng)機(jī)的供氣量以達(dá)到節(jié)省電源的目的，其方法一是改變鼓風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，或是利用鼓風(fēng)機(jī)的進(jìn)風(fēng)導(dǎo)葉片改變進(jìn)風(fēng)角度來控制供氣量，這是發(fā)達(dá)國(guó)家污水處理廠在用沼氣內(nèi)燃機(jī)帶動(dòng)鼓風(fēng)機(jī)之外另設(shè)一部份用電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)的鼓風(fēng)機(jī)的原因之一。對(duì)實(shí)現(xiàn)鼓風(fēng)機(jī)供氣量控制的自控系統(tǒng)來說，鼓風(fēng)機(jī)的供油、進(jìn)風(fēng)、防喘振機(jī)構(gòu)等最好采用電動(dòng)機(jī)作動(dòng)力最為有利。
總之，沼氣利用的途徑較多，發(fā)電并非是唯一選擇，應(yīng)結(jié)合當(dāng)?shù)鼐唧w情況進(jìn)行經(jīng)濟(jì)比較。但對(duì)前述污水處理廠來說，沼氣發(fā)電的經(jīng)濟(jì)效益是明顯的。至於設(shè)備能否正常運(yùn)行，熱回收效率是否能達(dá)到預(yù)計(jì)的要求等，在外商的供貨合同中已做保證，不再贅述。