北京排水集團高碑店污水處理廠沼氣熱電聯(lián)供情況介紹

北京排水集團高碑店污水處理廠沼氣熱電聯(lián)供情況介紹

一、沼氣來源及利用
二、沼氣安保、凈化、儲存、分配設(shè)施設(shè)備配置狀況
三、沼氣發(fā)動機-余熱回收-發(fā)電機組設(shè)施設(shè)備配置狀況
四、沼氣熱電聯(lián)供經(jīng)濟分析
五、沼氣熱電聯(lián)供運行維護方式及現(xiàn)存問題

北京排水集團高碑店污水處理廠
沼氣熱電聯(lián)供情況介紹

   北京排水集團高碑店污水處理廠是北京市擬建的15座城市污水處理廠中規(guī)模最大的，也是目前全國規(guī)模最大的城市污水處理廠，承擔(dān)著市中心區(qū)及東部工業(yè)區(qū)總計9661公頃流域范圍內(nèi)的污水收集與治理任務(wù)，服務(wù)人口240萬，廠區(qū)總占地68公頃，總處理規(guī)模為每日100萬立方米，約占北京市目前污水總量40％。高碑店污水處理廠位于北京市朝陽區(qū)高碑店鄉(xiāng)界內(nèi)，根據(jù)上游管網(wǎng)配套情況及資金狀況，按統(tǒng)一規(guī)劃分期建設(shè)的原則，分兩期實施。一期工程日處理污水50萬立方米，總投資5.24億元人民幣，于1990年開工，1993年底建成通水，1998年底一期泥區(qū)運行成功；二期工程日處理污水50萬立方米，總投資11.2億元人民幣，于1995年開工，1999年9月建成通水，2002年底二期泥區(qū)運行成功；自1993年底建成通水后，高碑店污水處理廠始終堅持滿負荷運行、全達標排放的水平，取得了明顯的社會效益和環(huán)境效益。
一、沼氣來源及利用
   高碑店污水處理廠采用傳統(tǒng)活性污泥法二級處理工藝。污泥處理采用中溫及高溫兩級消化工藝，日產(chǎn)生化沼氣設(shè)計量為53000方，目前約25000方，其主要成份為甲烷（CH₄）。其典型的組成為：

              CH₄       60%
              CO₂       30%
              N₂        8.0%
              CO        0.3%
              H₂S       0.1%
              其它      1.2%
              LHV       5000-6000kcal/Nm³

   經(jīng)科學(xué)認定，作為溫室氣體的甲烷CH₄對大氣的危害是C0₂的24.5倍。如對沼氣處理不當，排放到大氣中，其對局部環(huán)境和整個地球的環(huán)境危害極大，國際環(huán)保組織對各個國家的溫室氣體排放量都有一定的限制；同時，以甲烷為主要成份的生化沼氣是非常理想的再生能源。在城市污水處理行業(yè)，生化沼氣利用途徑一般有三種：
1．沼氣鍋爐：利用沼氣燃燒產(chǎn)生熱源加熱消化污泥--這種利用途徑只能利用沼氣熱值的50%;
2．沼氣內(nèi)燃機-余熱回收-鼓風(fēng)機組：利用沼氣內(nèi)燃機驅(qū)動鼓風(fēng)機，并利用余熱回收裝置回收沼氣內(nèi)燃機的余熱加熱消化污泥--這種利用途徑能充分利用沼氣熱值，一般可達沼氣熱值的85％到90%;
3．沼氣內(nèi)燃機-余熱回收-發(fā)電機組：利用沼氣內(nèi)燃機驅(qū)動發(fā)電機發(fā)電與廠內(nèi)供電并網(wǎng)，并利用余熱回收裝置回收沼氣內(nèi)燃機的余熱加熱消化污泥--這種利用途徑能充分利用沼氣熱值，一般可達沼氣熱值的85%90%；
   高碑店污水處理廠對生化沼氣采用“沼氣內(nèi)燃機一余熱回收一發(fā)電機組”利用途徑，共計7臺機組，總發(fā)電功率近4MW，總熱功率約5MW，能夠解決全廠優(yōu)％的用電量和污泥消化5肌的用熱量，是一種典型的小型“燃氣熱電聯(lián)供”模式。
二、沼氣安保、凈化、儲存、分配設(shè)施設(shè)備配置狀況
   城市污水處理廠的生化沼氣屬易燃易爆氣體，在生產(chǎn)和利用過程中必須配有相應(yīng)的安保設(shè)施設(shè)備，一般為安全閥。阻火器、凝水器、水封、廢氣燃燒器等等；同時利用生化沼氣作燃料的燃氣內(nèi)燃機對生化沼氣的質(zhì)量也有一定要求，典型值如下表，因此在進入燃氣內(nèi)燃機之前還要對生化沼氣進行一系列凈化處理。
表：對燃氣質(zhì)量的要求：

   工程實踐中，生化沼氣凈化處理過程一般可歸納為沼氣脫硫、除油、除塵、除濕過程。根據(jù)燃氣內(nèi)燃機對生化沼氣的要求不同和工程實踐的差別，沼氣脫硫、除油、除塵、除濕過程的工藝線路及其設(shè)施設(shè)備配置是有所差別的。
   高碑店污水處理廠一期“沼氣內(nèi)燃機-余熱回收-發(fā)電機組”，共計4套，由美國庫伯公司供貨，沼氣內(nèi)燃機型號為6GTLB，自帶簡單進氣過濾除塵、除濕、除油裝置，外配干式脫硫塔兩座，脫硫劑為鐵屑；6GTLB型沼氣內(nèi)燃機對進氣壓力要求2bar到5bar，而消化池產(chǎn)生沼氣壓力一般為0.02bar，不超過0.035bar，故相應(yīng)配置2臺沼氣增壓機（由美國AC公司供貨，型號為Ro-Flo Mode1 H11SM），1座2000方的高壓球罐等，這種增壓處理伴生了一部分沼氣除濕功能。具體處理工藝線路如下圖：

   高碑店污水處理廠二期“沼氣內(nèi)燃機-余熱回收-發(fā)電機組”，共計3套，由奧地利顏巴赫公司供貨，沼氣內(nèi)燃機型號為JMS316GS-B.L，自帶簡單進氣過濾除塵裝置，外配濕式脫硫塔兩座，脫硫劑為濃度50％的NaOH堿溶液；JMS316GS-B.L型沼氣內(nèi)燃機對進氣壓力要求0.05bar到0.1bar，故相應(yīng)配置2臺管道式沼氣增壓器直接增壓后進沼氣內(nèi)燃機。具體處理工藝線路如下：








   一期干式脫硫?qū)倬�脫硫，脫硫范圍小，但運行成本低；二期堿液濕式脫硫?qū)俅置摿颍�脫硫范圍大，但安全性要求高，運行成本也高�？傮w說來，一期沼氣凈化處理過程較二期復(fù)雜一些，相應(yīng)安保設(shè)施設(shè)備（如：安全閥、水封、水器、阻火器等）數(shù)量也多一些，建設(shè)投資費也高一些，但脫硫、除塵、除油等效果較好，這可以從沼氣內(nèi)燃機排氣管道廢積物數(shù)量和成分證實。
三、沼氣發(fā)動機-余熱回收-發(fā)電機組設(shè)施設(shè)備配置狀況
   高碑店污水處理廠一期“沼氣內(nèi)燃機-余熱回收-發(fā)電機組”，共計4套，由美國庫伯公司供貨， 1991年訂貨，沼氣內(nèi)燃機型號為6GTLB，機械功率513KW，熱功率約600KW；余熱回收裝置由美國Vaporphase公司制造，換熱參數(shù)：W=2420-2、S=0.188，H=0.375，熱媒介質(zhì)為軟化水，使用泥水熱交換器給消化汕污泥加熱；發(fā)電機由美國KAT0公司制造，型號8P6.5-2200，輸出電壓三相AC6300V，發(fā)電容量470KW：高壓并網(wǎng)開關(guān)柜由美國P0WELL公司制造，廠內(nèi)并網(wǎng)，屬無限源負載；控制系統(tǒng)由庫伯公司隨機配套；工程設(shè)計單位是北京市政設(shè)計院；工程施工安裝單位是北京市政四公司；具體配置狀況如下圖：
   

   高碑店污水處理廠二期“沼氣內(nèi)燃機-余熱口收-發(fā)電機組”，共計3套，由奧地利顏已赫公司供貨，1995年訂貨，沼氣內(nèi)燃機型號為JMS316GS-B.L，械功率約710KW，熱功率約850KW；余熱回收裝置國產(chǎn)化為“北京海淀永大機電設(shè)備制造有限責(zé)任公司”制造，產(chǎn)品系列號20023-5，換熱參數(shù)：面積＝46m²、壓力=0.55/1.09Mpa、溫度＝550／120℃，熱媒介質(zhì)為軟化水，使用泥水熱交換器給消化池污泥加熱；發(fā)電機型號DIDBN-110／105／1-4，輸出電壓三相AC6300V，發(fā)電容量652KW；高壓并網(wǎng)開關(guān)柜由瑞典PURAC公司供貨，廠內(nèi)并網(wǎng)，屬無限源負載；控制系統(tǒng)由奧地利顏巴赫公司隨機配套；工程設(shè)計單位是北京市政設(shè)計院；設(shè)備總承包單位是瑞典PURAC公司；工程施工安裝單位是北京市政四公司。具體配置狀況如下圖：




四、沼氣熱電聯(lián)供經(jīng)濟分析
   高碑店污水處理廠一期“沼氣內(nèi)燃機-余熱回收-發(fā)電機組”于1999年初逐步投入運行；二期“沼氣內(nèi)燃機-余熱回收-發(fā)電機組”于2001年初使用一期消化池沼氣逐步投入運行。當時沼氣產(chǎn)量不足，同時機組設(shè)備故障率也居高不下，發(fā)電量嚴重不足；隨著一期消化池沼氣產(chǎn)量逐步提高，機組設(shè)備也在逐步度過運行磨合期，完好率有所提高，2001年共完成發(fā)電量420萬度（價值約250萬元RMB），產(chǎn)熱量約43億大卡（相當于7000噸0.4Mpa壓力的水蒸汽熱量，價值約60萬元RMB）； 2002年共完成發(fā)電量650萬度（價值約390萬元RMB），產(chǎn)熱量約65億大卡（相當于10000噸0.4Mpa壓力的水蒸汽熱量，價值約80萬元RMB）；2002年底隨著二期消化池成功投入運行，到2003年初，整個泥區(qū)沼氣產(chǎn)量快速提高，日產(chǎn)沼氣約25000方，日發(fā)電量約4.8萬度，日產(chǎn)熱量約5000萬大卡；隨著消化池溫度逐步提高和穩(wěn)定，污泥消化將更趨穩(wěn)定，2003年日平均產(chǎn)氣量可望達到31000方，日平均發(fā)電量可望達到5.5萬度，日平均產(chǎn)熱量約6000萬大卡， 2003年全年發(fā)電量可望達到2000萬度（價值約1200萬元RMB），產(chǎn)熱量約220億大卡（相當于37000噸0.4Mpa壓力的水蒸汽熱量，價值約300萬元RMB）；
   高碑店污水處理廠一期“沼氣內(nèi)燃機-余熱回收-發(fā)電機組”總投資約6000萬元RMB（包括用于沼氣發(fā)電的沼氣管線和余熱利用設(shè)施設(shè)備，但不包括沼氣壓縮機房）；二期“沼氣內(nèi)燃機-余熱回收-發(fā)電機組”由于沒有沼氣增壓機、高壓球罐等設(shè)施，同時也無需重復(fù)投資廢氣燃燒器設(shè)施設(shè)備，故總投資比一期有所降低，約5000萬元RMB（包括用于沼氣發(fā)電的沼氣管線和余熱利用設(shè)施設(shè)備）；高碑店污水處理廠“沼氣內(nèi)燃機-余熱回收-發(fā)電機組”總投資約1.1億元RMB。根據(jù)日處理污水100萬噸的設(shè)計量，全面而穩(wěn)定運行的污泥消化日產(chǎn)沼氣應(yīng)為53000方，但目前高碑店污水處理廠實際處理水量不足，全面而穩(wěn)定運行的污泥消化平均日產(chǎn)沼氣40000方應(yīng)是現(xiàn)實可行的。平均日產(chǎn)沼氣40000方，平均日發(fā)電量可望達到7.5萬度，平均日產(chǎn)熱量約8000萬大卡，全年發(fā)電量可望達到2700萬度（價值約1600萬元RMB），產(chǎn)熱量約280億大卡（相當于48000噸0.4Mpa壓力的水蒸汽熱量，價值約400萬元RMB）；高碑店污水處理廠泥區(qū)全面而穩(wěn)定運行后，“沼氣內(nèi)燃機-余熱回收-發(fā)電機組”年生產(chǎn)總值可達2000萬元RMB。綜合考慮設(shè)備維護費、材料費（潤滑油、火花
塞、脫硫劑等）、人員管理費，以及設(shè)施設(shè)備折舊費（設(shè)施折舊期50年，設(shè)備折舊期20年）等各種因素，高碑店污水處理廠“沼氣內(nèi)燃機-余熱回收-發(fā)電機組”投資匯報期約為7或8年，可見經(jīng)濟效益還是可觀的。
五.沼氣熱電聯(lián)供運行維護方式及現(xiàn)存問題
   高碑店污水處理廠“沼氣內(nèi)燃機-余熱回收-發(fā)電機組”由分廠發(fā)電機班負責(zé)日常運行和維護，實行“橫班制”，保證24小時都有人值班。機組簡單日常維護（如：換油、換火花塞等）和故障維修由發(fā)電機班負責(zé)，大修、中修和部分項修在總廠總工辦，設(shè)備科指導(dǎo)下由外協(xié)單位承擔(dān)；生產(chǎn)管理由分廠完成。經(jīng)過近三年運轉(zhuǎn)，在設(shè)施設(shè)備維護及生產(chǎn)管理兩方面仍存在不少問題。
   關(guān)于設(shè)施設(shè)備維護，可以分為沼氣凈化處理過程、沼氣內(nèi)燃機組、發(fā)電并網(wǎng)用電調(diào)度過程、熱力利用調(diào)度過程等四方面，具體問題有：
   1．沼氣凈化處理過程：（1）沼氣硫含量居高不下，可達15000ppm，現(xiàn)有干式脫硫范圍約為500ppm到5000ppm，濕式脫硫范圍約為1200ppm到10000ppm，顯然不能完全徹底脫硫，建議將濕式脫硫和干式脫硫串聯(lián)起來，先濕式脫硫，后干式脫硫；（2）應(yīng)設(shè)置單獨的沼氣除塵、除油、除
濕裝置，以提高沼氣凈化程度；
   2．沼氣內(nèi)燃機組：一定要進行機組設(shè)備備配件國產(chǎn)化工作，特別是火花塞的國產(chǎn)化工作以降低設(shè)備維護費用；
   3．發(fā)電并網(wǎng)用電調(diào)度過程：（1）應(yīng)由總廠統(tǒng)一協(xié)調(diào)和調(diào)度，保證沼氣發(fā)電能夠有效利用，避免送出廠外作無用功；（2）盡量在用電高峰多發(fā)電；
   4．熱力利用調(diào)度過程：應(yīng)由分廠統(tǒng)一協(xié)調(diào)，（1）盡可能利用沼氣內(nèi)燃機組余熱；（2）加強熱力設(shè)施設(shè)備維護力量，充分提高熱交換器的換熱效率；
   關(guān)于沼氣發(fā)電的生產(chǎn)管理，應(yīng)設(shè)置單獨的生產(chǎn)統(tǒng)計和成本核算內(nèi)容，其產(chǎn)出是熱、電，如前所述，年產(chǎn)值可達2000萬RMB，其投入主要有：
   1．設(shè)施設(shè)備維護費；
   2．耗材費：主要有潤滑油、脫硫劑、火花塞等；
   3．人工管理費；
   4．設(shè)施設(shè)備固定資產(chǎn)折舊費；
   建議一定要認真建立一支專業(yè)性較強的運行維護管理隊伍--在污水處理行業(yè)，“沼氣內(nèi)燃機-余熱回收-發(fā)電機組”設(shè)備技術(shù)含量較高，運行安全性要求也較高，需要一支專業(yè)性較強的運行維護隊伍，并實行單獨成本核算管理。

北京排水集團高碑店污水處理廠
2003年4月2日

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