污水廠變“發(fā)電廠”？污水廠沼氣發(fā)電系統(tǒng)性設計
北京市城區(qū)內(nèi)建設的5座污泥處置中心已陸續(xù)全部投入使用，沼氣產(chǎn)量穩(wěn)步提升，急需擴大沼氣利用規(guī)模，充分發(fā)揮沼氣能源價值。通過分析污泥產(chǎn)氣率、產(chǎn)氣量等，確定沼氣利用規(guī)模；探討多種沼氣利用形式，確定采用沼氣發(fā)電的方式。根據(jù)發(fā)電機對燃氣特性的要求和氣源性質(zhì)，確定生物脫硫+一級增壓+干式脫硫+二級增壓+除硅氧烷的沼氣處理工藝路線。
2020年9月中國提出了雙碳承諾，2021年10月發(fā)布了《2030年前碳達峰行動方案》，水處理行業(yè)應該積極拓寬思路，主動尋求碳減排方法，為我國實現(xiàn)雙碳承諾做出貢獻。北京市在水處理方面較早確定了污泥資源化，沼氣利用的方向，為污水處理碳減排奠定基礎。
根據(jù)北京市政府發(fā)布的《加快污水處理和再生水利用設施建設三年行動計劃（2013~2015年）》方案，北京市城區(qū)內(nèi)建設了5座污泥處置中心，總處理能力6 128t/d，均采用熱水解-厭氧消化-板框脫水工藝，其中3座為全新設計，其余2座是在現(xiàn)況污泥處理設施的基礎上進行升級改造，本文主要研究的北京市某大型污水處理廠（A廠）屬于升級改造項目。目前5座污泥處置中心全部投入運行，A廠沼氣產(chǎn)量較改造前至少有1~2倍的提升，現(xiàn)況沼氣利用設施能力與沼氣產(chǎn)量不匹配，急需擴大沼氣利用規(guī)模，充分發(fā)揮沼氣清潔能源的優(yōu)勢，打造綠色節(jié)能水廠，深挖碳中和運行潛力。
01 氣量分析
A廠升級改造后的污泥處理工藝流程見圖1，設計污泥處理能力為180 t DS/d，900t/d（含水率80%）。通過對A廠運行數(shù)據(jù)進行分析可知，污泥處理量（見圖2）接近設計值，且有逐年升高的趨勢；對應的產(chǎn)氣率分析見圖3，通過污泥熱水解，污泥產(chǎn)氣率有大幅提升。根據(jù)污泥有機物含量的檢測情況看，冬季污泥有機份含量較高，最高可達70%以上，夏季為50%上下，且夏季5月、6月雨水較少，運行溫度平穩(wěn)，利于產(chǎn)氣，所以冬季1月份和夏季5月份、6月份產(chǎn)氣率較高，最高可達360m3/t DS，全年平均產(chǎn)氣率約為310m3/t DS。
A廠沼氣利用工程的目標是沼氣全部利用，即產(chǎn)量峰值時也無沼氣燃燒，廢氣燃燒器僅在設備維修等特殊情況下使用。故沼氣利用工程的設計產(chǎn)氣率為360m3/t DS，設計泥量為180 t DS/d，總設計沼氣產(chǎn)量約為6.5萬m3/d，與實際產(chǎn)氣量（見圖4，三角代表平均值）對比，設計涵蓋率高，產(chǎn)期量波動大時，氣柜進行調(diào)節(jié)。
A廠泥區(qū)升級改造時，新增熱水解工藝，污泥熱水解需要蒸汽，由現(xiàn)況蒸汽鍋爐利用沼氣作為能源產(chǎn)生蒸汽，保障生產(chǎn)。根據(jù)熱水解工藝蒸汽消耗1.1t/tDS計算，平均每日熱水解約消耗沼氣2萬m3/d，故作為新建沼氣利用工程的設計氣量為4.5萬m3/d。
02 沼氣利用形式
沼氣利用形式較多，常見的有沼氣提純、沼氣發(fā)電、沼氣拖動鼓風機、沼氣鍋爐等?，F(xiàn)況廠內(nèi)存在兩種沼氣利用形式，沼氣鍋爐和沼氣拖動鼓風機。3臺6t/h的沼氣鍋爐為熱水解提供蒸汽，3臺3.1萬m3/h沼氣拖動鼓風機為生物池提供部分空氣。
2.1 沼氣拖動鼓風機
如果設計氣量4.5萬m3/d沼氣全部采用拖動鼓風機的利用形式，根據(jù)該廠運行經(jīng)驗數(shù)據(jù)24m3/d的沼氣對應90m3/h的曝氣量，4.5萬m3/d沼氣可推動鼓風機氣量約16.9萬m3/h。由圖5可知，A廠2018-2019年的實際曝氣量遠小于16.9m3/h，結(jié)合廠內(nèi)的精確曝氣改造，曝氣量有下降趨勢。這個方案顯然達不到沼氣全利用的目的，且沼氣發(fā)動機拖動鼓風機運行，損失部分能量，綜合能源利用率為55%~65%?，F(xiàn)況廠內(nèi)運行的沼氣拖動鼓風機設備維修頻率高，維護費用貴，市場設備品類少，所以不推薦沼氣拖動鼓風機的利用形式。
2.2 沼氣鍋爐
全廠用熱主要分為兩部分，熱水解工藝生產(chǎn)用熱和冬季水區(qū)泥區(qū)的采暖用熱。全年熱量需求波動大，冬季最高總用熱量約為6.5MW，6.5萬m3/d的沼氣量折算能量約為16.8MW，遠高于廠內(nèi)用熱需求，故不推薦沼氣鍋爐的利用形式。
2.3 沼氣提純
沼氣提純是常用的沼氣利用方式，沼氣中成分主要是50%～70%CH4、25%～45%CO2及少量N2、H2S和H2O，其中CO2是影響沼氣使用效果的最主要因素。濃度大于92%的甲烷氣體符合《天然氣》（GB 17820-2018）要求，從而可能并入天然氣管網(wǎng)。但沼氣提純利潤與發(fā)電相比較低，提純后的產(chǎn)品廠內(nèi)無法自己消化，且并網(wǎng)準入困難，故本工程不采用沼氣提純。
2.4 沼氣發(fā)電
污水處理廠的用電特點是，用電量最大的設備集中在進水泵和鼓風機，占全廠用電量的約1/3，水區(qū)總用電負荷約為10.98MW，現(xiàn)況光伏發(fā)電能力為4.7MW,其余電量均需購買市電，且光伏發(fā)電不穩(wěn)定，故需要大量電能。若采用沼氣發(fā)電，發(fā)電量平穩(wěn)，電能“反哺”水廠，降低外購電成本，還可并網(wǎng)上網(wǎng)，使用靈活，可取得明顯的經(jīng)濟效益、環(huán)保效益和社會效益。
根據(jù)設計氣量4.5萬m3/d，沼氣計算熱值5 350千卡/m3（甲烷含量65%），發(fā)電效率按40%計算，裝機規(guī)模為4.7MW，結(jié)合設備機型特點，確定采用4臺1.2MW的沼氣發(fā)電機。由圖6可知，沼氣發(fā)電的綜合能源利用率可達80%，除產(chǎn)生電能外，利用煙氣廢熱生產(chǎn)蒸汽，減少熱水解沼氣鍋爐沼氣用量；回收缸套水中冷水熱量，滿足廠區(qū)供暖需求；與常規(guī)的燃氣鍋爐或直燃機供熱制相比，具有能源梯級利用，經(jīng)濟性好的特點，故本次工程采用沼氣發(fā)電的利用形式。
03 沼氣預處理
沼氣發(fā)電機內(nèi)部有較為精細的機械零件，對沼氣特性有一定要求。在發(fā)電機燃燒做功的過程中，沼氣內(nèi)的H2S對發(fā)動機有強烈的腐蝕作用，且燃燒后產(chǎn)生SO2，對環(huán)境有不利影響，同時要去除沼氣中的飽和水，調(diào)整氣體壓力，去除雜質(zhì)灰塵等，才滿足沼氣發(fā)電機的進氣要求。值得注意的是，沼氣中的微量硅氧烷在發(fā)電機中燃燒時會被轉(zhuǎn)化為微晶二氧化硅，嚴重損害沼氣發(fā)電機的穩(wěn)定高效運行，故去除硅氧烷也是保證平穩(wěn)運行不可缺少的環(huán)節(jié)。沼氣預處理可總結(jié)為脫硫、調(diào)壓、除濕、除雜、去硅氧烷。
3.1 沼氣預處理工藝路線
工藝路線的確定與現(xiàn)況設備設施情況有很大關(guān)系，例如氣柜的形式，厭氧消化池的耐受壓力，現(xiàn)況脫硫、除雜設備情況，現(xiàn)有設施的位置等，均會影響調(diào)壓方案（是一次增加還是兩次增壓，每次增加的壓力值）和處理設施放置的先后順序。以A廠為例，現(xiàn)況沼氣工藝路線見圖7，結(jié)合實際情況本工程確定的沼氣工藝路線見圖8，圖中所示壓力值為理論計算作為參考，運行時可根據(jù)實際情況調(diào)整。
本次改造主要增加生物脫硫、增壓和去硅氧烷設備。改造后，生物脫硫和干式脫硫共同承擔脫硫任務，降低脫硫成本（與僅干式脫硫相比，聯(lián)合脫硫的運行成本降低一半以上）。兩次增壓主要是為了控制沼氣輸送管道的壓力不高于現(xiàn)況冷凝水罐的水封，否則改造量增加，影響現(xiàn)況生產(chǎn)運行。硅氧烷的去除主要為保護發(fā)電機穩(wěn)定運行，降低故障率。
由于A廠的氣柜形式為干式鋼制氣柜，具有較高的承壓能力，所以生物脫硫放在一次增壓的前面，充分利用沼氣壓力。經(jīng)了解，某水廠氣柜為雙模氣柜，由于承壓能力及現(xiàn)況運行壓力較低，故要先進行一級增壓，再進行生物脫硫。在工程允許的情況下，盡量先脫硫，減小對后續(xù)工藝管道、氣柜等設備的腐蝕。
制定工藝路線也需要考慮現(xiàn)況氣柜的位置，當氣柜處在工藝路線的中間時，氣柜之前的設施為保證處理效果，處理能力需滿足峰值氣量，若沼氣從消化池直接進氣柜，且無條件改造時，后續(xù)設備的處理能力可適當降低，充分發(fā)揮氣柜的調(diào)蓄作用。
3.2 沼氣脫硫
根據(jù)《沼氣電站技術(shù)規(guī)范》，當甲烷含量為50%~60%時，硫化氫含量要求不高于250mg/Nm3（約180 ppm），當甲烷含量不小于60%時，硫化氫含量要求不高于300mg/Nm3（約216 ppm）。A廠沼氣的甲烷含量為55%~70%，結(jié)合現(xiàn)況沼氣含硫量本底值、對管道設備保護及運行成本等因素，A廠設計要求是通過脫硫工藝后，沼氣硫化氫含量控制在不高于50 ppm。
A廠現(xiàn)況脫硫方式僅為干式脫硫，原設計進口硫化氫濃度小于1 000 ppm，處理后沼氣硫化氫濃度小于50 ppm。干式脫硫?qū)崪y進出口沼氣含硫量見圖9，進氣濃度經(jīng)常超過設計值，出氣濃度隨進氣濃度波動，有些未達到設計標準。A廠采用的干式脫硫為氧化鐵法，當新填料開始用時，處理效果較好，但無法控制出氣含硫量，隨著使用時間的延長，去除效果越來越差，直至不滿足出氣標準，更換填料。泥區(qū)熱水解改造后，實際產(chǎn)生的沼氣量比設計值更高，脫硫填料更換頻繁，基本每月更換全部填料，一次更換成本約50萬元，費用較高。
基于現(xiàn)況情況，此次發(fā)電項目在干式脫硫前增設生物脫硫，生物脫硫的工藝見圖10。沼氣首先進入洗滌塔，在洗滌塔中與洗滌水（含NaOH）混合并分離，在弱堿性條件下去除H2S和CO2。吸收了H2S的洗滌水進入微曝氣生物反應器，好氧硫細菌將硫氫化鈉氧化成單質(zhì)硫并恢復堿度，含NaOH的洗滌水回流至洗滌塔中再次利用，分離出來的硫污泥被轉(zhuǎn)移出來以供進一步使用或處理。沼氣通過生物脫硫后，H2S含量可降至200 ppm，干式脫硫再將H2S含量處理至50 ppm，這樣大大降低了藥劑的使用量，節(jié)約成本，兩級脫硫，保證處理效果，為后續(xù)沼氣利用提供更優(yōu)良的氣質(zhì)，保障穩(wěn)定生產(chǎn)。
3.3 沼氣增壓
發(fā)電機對沼氣壓力的要求約為8~20 kPa，不同品牌的設備略有不同，結(jié)合A廠現(xiàn)況運行情況，制定增壓方案。A廠設計為兩級增壓方案，一級增壓約5 kPa，目的是克服干式脫硫阻力和維持管道一定正壓，廠區(qū)大部分沼氣管線的壓力均不超過7 kPa，保證安全輸送，同時考慮現(xiàn)況水封高度。在發(fā)電機房外設置二級增壓，增壓約15 kPa，將沼氣壓力增大到發(fā)電機的需求值，這樣最大限度保證沼氣的安全轉(zhuǎn)輸和使用。
一級增壓的工藝流程為：進氣-初級過濾器-開壓-降溫除水-出氣，沼氣首先經(jīng)過初級過濾器，去除大顆粒雜質(zhì)，控制灰塵粒徑小于30μm，進行升壓后沼氣溫度升高，高溫對后續(xù)處理尤其是生物脫硫影響較大（某些處理廠生物脫硫在一級增壓后），最后沼氣與冷卻水進行熱交換，降低沼氣溫度和濕度。二級增壓的工藝流程為：進氣-初級過濾器-降溫降水-升壓-降溫降水-精密過濾-出水，沼氣首先經(jīng)過30μm的初級過濾器，去除大顆粒雜質(zhì)，然后進入水-沼氣換熱器，將沼氣從40℃降至20℃，產(chǎn)生的冷凝水從換熱器底部排出，細小液滴隨氣流在旋風分離器中被去除，升壓后的沼氣通過3μm精密過濾器，達到發(fā)電機入口要求。
3.4 硅氧烷去除
沼氣中的硅氧烷主要來自于厭氧消化過程中未被分解的化合物，這些化合物主要來自于化妝品、洗滌劑、建筑材料、紙張涂料、紡織品、藥品等。硅氧烷燃燒轉(zhuǎn)化成微晶二氧化硅，具有和玻璃相似的化學和物理特性，會使?jié)櫥褪Щ睿€會沉積在發(fā)動機燃燒室內(nèi)壁和活塞、閥門等發(fā)動機部件的表面，阻礙熱傳導并磨損發(fā)動機，大大縮短設備維修間隔和使用壽命，增加運行成本。
根據(jù)圖11可知，A廠沼氣中硅氧烷含量遠超發(fā)電機進氣要求，故硅氧烷的去除是必不可少的。目前去除方法有吸附法、吸收法、低溫冷凝法、生物法、催化法及膜分離等，其中活性炭吸附法是應用最普遍成熟的，缺點是活性炭無法就地再生而得不到重復利用。
A廠擬采用吸附法，吸附劑為有機聚合物，其特點為可再生。每套設備含兩條處理線，當a線吸附工作時，b線對吸附劑進行吹掃、加熱再生、冷卻和充壓待切換4個步驟，兩條處理線交替工作。這種方式降低處理成本，減少吸附劑使用量。
04 沼氣系統(tǒng)設計要點
沼氣系統(tǒng)設計必須要有系統(tǒng)思維，尤其是改造項目，需要充分了解實際運行情況，在氣量、氣壓、氣質(zhì)處理等方面與現(xiàn)況設備結(jié)合，實現(xiàn)多種運行方式靈活切換。第一，確定合理的工藝路線是最重要的，需要考慮現(xiàn)況各工藝節(jié)點的運行壓力，脫硫情況，現(xiàn)有設施和新建建構(gòu)筑物位置關(guān)系，廠區(qū)管線等因素；第二，注重沼氣的預處理十分必要，沼氣溫度、濕度、硫含量、雜質(zhì)含量和尺寸都會對利用設施產(chǎn)生影響；第三，運行靈活度、成本與收益是運行階段最關(guān)注的問題，例如該廠干濕脫硫結(jié)合，大大降低運行成本，在設計時充分與運行人員交流，得到生產(chǎn)一線的反饋，這些在設計時容易忽略。在該工程設計時，總結(jié)了以下幾點設計細節(jié)：
沼氣管道在廠區(qū)內(nèi)有露天高架部分也有埋地時，管道內(nèi)沼氣溫度易降低，尤其在冬季，注意增加排除冷凝水措施。
適當加大沼氣管徑，增加調(diào)蓄容量，增強系統(tǒng)運行穩(wěn)定性。
根據(jù)沼氣利用方式的不同，對沼氣壓力要求不同，本項目增設一級增壓和二級增壓，導致廠區(qū)沼氣管線壓力變化，現(xiàn)況水封高度需注意是否滿足改造后沼氣壓力的要求。
一級增壓、二級增壓系統(tǒng)等設備為成套供貨，但仍要注意廠家電氣設計是否符合《爆炸危險環(huán)境電力裝置設計規(guī)范》的要求，注意爆炸危險區(qū)域劃分和爆炸性氣體環(huán)境危險區(qū)域范圍。
改造項目在設計管線時，尤其是沼氣管線，注意與現(xiàn)況管線勾頭點的減少，對正常生產(chǎn)的影響降到最低，并且在設計層面考慮實現(xiàn)多種運行方式的切換，增加運行管理靈活性。
05 結(jié) 論
通過分析A廠沼氣產(chǎn)量和使用量，確定沼氣利用工程規(guī)模是4.5萬m3/d。結(jié)合廠內(nèi)情況，政策導向和技術(shù)特點，確定沼氣發(fā)電的利用方式。根據(jù)發(fā)電機對燃氣特性要求，確定沼氣預處理工藝路線為“脫硫、調(diào)壓、除濕、除雜、去硅氧烷”，保證沼氣處理后含硫量小于50 ppm，增壓至8~20 kPa，相對濕度小于80%，雜質(zhì)粒徑不大于3μm，硅氧烷含量不高于5mg/m3，為實現(xiàn)發(fā)電機穩(wěn)定運行打好基礎。根據(jù)2018至2019年實際產(chǎn)氣量進行測算，該廠可發(fā)電量約2 200萬kW·h，每年能減排約1.3萬t二氧化碳。
致謝：感謝北京市排水集團、北排建設團隊對沼氣發(fā)電設計方案提供的運行經(jīng)驗與相關(guān)技術(shù)支持。