城市污水處理設(shè)備沼氣機(jī)熱泵的應(yīng)用
能源需求的迅速增長(zhǎng)導(dǎo)致供需矛盾的日趨尖銳，使能源問(wèn)題成為制約我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的瓶頸。據(jù)預(yù)測(cè)，2030年以后，我國(guó)常規(guī)能源生產(chǎn)與能源總需求的缺口將不斷擴(kuò)大，到2050年，缺口可能達(dá)20億t標(biāo)準(zhǔn)煤。因此，必須強(qiáng)化節(jié)能、提高能源利用效率和拓寬能源來(lái)源多元化渠道。沼氣是能源多元化來(lái)源之一，一個(gè)中等規(guī)模的城市污水處理廠平均日產(chǎn)沼氣可達(dá)5000m3以上，可是在污水處理過(guò)程中，產(chǎn)出的大部分沼氣被空排或空燒，浪費(fèi)了能源，還污染了環(huán)境。同時(shí)，城市污水也是一種寶貴資源，其一年四季溫度變化較小，數(shù)量穩(wěn)定，余熱量大。如果將城市污水處理廠產(chǎn)出的沼氣作為
燃料驅(qū)動(dòng)污水源沼氣機(jī)熱泵運(yùn)行，在廢棄資源現(xiàn)場(chǎng)，因地制宜就地利用排放的污水余熱及廢棄的沼氣，就可實(shí)現(xiàn)資源的循環(huán)利用，提高能源的利用效率，減少環(huán)境污染。
城市污水廠沼氣的來(lái)源與利用
沼氣來(lái)源
城市污水處理廠一般采用傳統(tǒng)活性污泥法處理污泥。每立方米污泥經(jīng)消化工藝處理后產(chǎn)出沼氣約為7m3。據(jù)報(bào)道，廈門市每處理1000t污水就能產(chǎn)生113t污泥，預(yù)計(jì)2007年全市各污水廠污泥將達(dá)到14萬(wàn)t，沼氣產(chǎn)出量可達(dá)98萬(wàn)m3[1]。隨著我國(guó)城市污水處理率的提高，到2010年，我國(guó)每年城市污水處理廠預(yù)計(jì)將產(chǎn)生濕污泥達(dá)2000多萬(wàn)噸。因此，城市污水廠沼氣產(chǎn)出量也將大幅增加。
沼氣利用
目前國(guó)內(nèi)城市污水處理行業(yè)，沼氣利用途徑一般有3種。
1)使用沼氣鍋爐直接加熱消化池消化污泥或?yàn)槠渌ㄖ锾峁崮?2)使用沼氣機(jī)驅(qū)動(dòng)鼓風(fēng)機(jī)，并利用余熱回收裝置回收沼氣機(jī)的余熱加熱消化池;3)利用沼氣機(jī)驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電與廠內(nèi)供電并網(wǎng)，并利用余熱回收裝置回收沼氣機(jī)的余熱加熱消化污泥。
由于污泥經(jīng)消化工藝處理后產(chǎn)出的沼氣，具有來(lái)源豐富、較高熱值和良好抗爆性等特點(diǎn)，可作為污水源熱泵的驅(qū)動(dòng)能源，這樣，一方面可充分回收城市污水中的大量余熱能，提高能源利用率;另一方面又減少了化石燃料的消耗與大氣污染，同時(shí)起到節(jié)能和環(huán)保作用。因此，筆者提出可將城市污水處理廠的出水作為熱泵的低位熱源，以污水處理產(chǎn)出的沼氣為燃料驅(qū)動(dòng)沼氣機(jī)熱泵運(yùn)行，并利用沼氣機(jī)余熱回收裝置產(chǎn)生高溫?zé)崴�，用�?lái)加熱消化池或作為污水廠內(nèi)部的空調(diào)采暖用水，從而有效降低資源耗散速度，實(shí)現(xiàn)各種資源的綜合利用。
城市污水廠沼氣機(jī)熱泵的應(yīng)用
城市污水作為熱泵低位熱源的特點(diǎn)
城市污水余熱量大，可以在50℃以下溫區(qū)內(nèi)進(jìn)行回收利用，而應(yīng)用熱泵技術(shù)就能夠吸取污水中的低位余熱能并提高其能級(jí)為用戶供熱，實(shí)現(xiàn)污水廠出水低位余熱能的回收利用。而且，不用抽取地下水，也不必將循環(huán)水回灌地下，這不僅節(jié)省抽水井和回灌井的初投資，還減少了抽水和回灌的運(yùn)行費(fèi)用。
發(fā)動(dòng)機(jī)燃用沼氣的特點(diǎn)
沼氣機(jī)屬于氣體發(fā)動(dòng)機(jī)，是目前新能源利用產(chǎn)業(yè)的熱點(diǎn)之一。沼氣與天然氣相比，雖然都富含甲烷，但在成分和燃燒特性上仍有差異。發(fā)動(dòng)機(jī)燃用沼氣主要有3個(gè)特點(diǎn)[3]:1)沼氣通過(guò)進(jìn)氣管進(jìn)入氣缸時(shí)會(huì)減少空氣進(jìn)入氣缸的體積，使空氣的充量系數(shù)明顯下降，導(dǎo)致燃燒過(guò)程中的過(guò)量空氣系數(shù)不足;
2)沼氣著火溫度很高，難以靠壓縮自燃;3)沼氣燃燒速度較慢，發(fā)動(dòng)機(jī)容易產(chǎn)生后燃等不正常的燃燒現(xiàn)象。因此，需要對(duì)沼氣機(jī)的燃燒系統(tǒng)進(jìn)行改裝。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外對(duì)沼氣機(jī)的改裝進(jìn)行了深入的研究和開(kāi)發(fā)，目前，經(jīng)改裝后的全燒式發(fā)動(dòng)機(jī)，已成為污水處理廠等大中型沼氣工程中沼氣機(jī)的主流機(jī)型。
沼氣機(jī)熱泵的系統(tǒng)構(gòu)建
沼氣機(jī)熱泵
從結(jié)構(gòu)上看，沼氣機(jī)熱泵BEHP(Biogasengine2drivenheatpump)與常規(guī)電動(dòng)壓縮式熱泵相似，都由壓縮機(jī)、冷凝器、蒸發(fā)器、膨脹閥等部分構(gòu)成，不同的是電動(dòng)熱泵的動(dòng)力源是電動(dòng)機(jī)，而B(niǎo)EHP是沼氣機(jī)。從系統(tǒng)流程看，BEHP與電動(dòng)熱泵有較大差別。由于沼氣機(jī)排出的高溫廢氣及其缸套散熱量均可通過(guò)換熱器傳給熱泵工質(zhì)或載熱介質(zhì)，因此，除完成和電動(dòng)熱泵一樣的基本循環(huán)外，還需設(shè)置一套回收利用沼氣機(jī)高溫排氣及缸套散熱的換熱系統(tǒng)。
系統(tǒng)流程
沼氣機(jī)熱泵系統(tǒng)流程由動(dòng)力單元和熱泵單元兩部分組成，沼氣經(jīng)凈化處理后進(jìn)入沼氣機(jī)，燃燒后釋放的大部分熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能驅(qū)動(dòng)熱泵壓縮機(jī)運(yùn)行，其余則以廢氣排放和缸套散熱的形式排入環(huán)境中。為了回收利用這部分余熱，系統(tǒng)中設(shè)置了兩個(gè)余熱回收裝置，使待加熱流體在冷凝器中升溫后，再依次進(jìn)入缸套冷卻水換熱器和排氣換熱器，被繼續(xù)加熱成高溫流體供用戶使用。因此，系統(tǒng)可提供的高位熱能包括三部分:冷凝熱、回收的缸套冷卻熱和高溫排氣余熱。
系統(tǒng)構(gòu)建
原動(dòng)機(jī)選用12V190系列沼氣發(fā)動(dòng)機(jī)。根據(jù)該系列沼氣機(jī)壓縮比、轉(zhuǎn)速等性能參數(shù)，以及污水源熱泵系統(tǒng)的運(yùn)行特點(diǎn)，選用BOCKFK40/655K型螺桿式壓縮機(jī)。缸套冷卻水換熱器選用板式換熱器，排氣換熱器選用殼管式換熱器。其它設(shè)備包括循環(huán)水泵、分集水器、膨脹水箱、軟水器以及各種控制閥門的選型與電驅(qū)動(dòng)壓縮式熱泵類同，采用常規(guī)冷(熱)水機(jī)組的標(biāo)準(zhǔn)配置。由于系統(tǒng)由沼氣機(jī)驅(qū)動(dòng)，還需要增加一套與沼氣機(jī)有關(guān)的配套設(shè)備如水封罐、緩沖罐等。
與傳統(tǒng)的電驅(qū)動(dòng)熱泵相比，該系統(tǒng)通過(guò)回收沼氣機(jī)缸套散熱量和高溫廢氣排熱量，增大了熱泵的供熱量。一般熱泵冷凝器出口的循環(huán)熱水經(jīng)板式換熱器被沼氣機(jī)缸套冷卻水(約80～90℃)加熱后，再經(jīng)過(guò)排氣換熱器被沼氣機(jī)排出的高溫廢氣(約400～500℃)進(jìn)一步加熱，水溫將達(dá)到80～100℃左右。根據(jù)污水處理廠的實(shí)際情況，可通過(guò)分水器把這部分高溫?zé)崴斔偷轿勰嘞赜糜诩訜嵯鼗蜃鳛槲鬯畯S內(nèi)部的空調(diào)采暖用水，從而以節(jié)省供熱費(fèi)用來(lái)回收增大的設(shè)備投資，并提高整個(gè)系統(tǒng)的能源利用效率。因此，以BEHP系統(tǒng)替代傳統(tǒng)的電動(dòng)熱泵或者其他供熱方式，可充分利用污水處理過(guò)程中產(chǎn)出的沼氣資源，對(duì)降低電耗、降低污水處理成本和節(jié)約能源，具有積極作用。
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