污泥發(fā)電技術(shù)

【專家解說】：本人在期刊網(wǎng)下載了三篇PDF格式的論文，樓主留下郵箱，給我分?jǐn)?shù)，我發(fā)給你，嘿嘿~ 以下只是其中一篇的部分 三種典型的污泥發(fā)電工藝 Three Typical Proce sse s of Electricity Generation by Sewage Sludge 蘇 丹1 王 鑫2 劉一威1 (1. 遼寧省環(huán)境科學(xué)研究院 沈陽 110031) ; (2. 沈陽大學(xué)沈陽環(huán)境工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 沈陽 110044) 摘要 污泥發(fā)電是城市污水處理廠進(jìn)行污泥合理開發(fā)利用的技術(shù)措施之一,是污泥實(shí)行減量化、穩(wěn)定化、無害化、資源 化的良好方法,本文介紹了3 種典型的污泥發(fā)電工藝:污泥焚燒發(fā)電;污泥厭氧消化產(chǎn)生沼氣、通過燃?xì)廨啓C(jī)組發(fā)電;污泥 厭氧消化產(chǎn)生沼氣、進(jìn)而通過改質(zhì)制造氫氣,經(jīng)燃料電池發(fā)電。對污泥合理利用的規(guī)范化、科學(xué)化有一定的借鑒意義。 關(guān)鍵詞 污泥發(fā)電 污泥焚燒 污泥厭氧消化 沼氣發(fā)電 燃料電池 1 引言 污泥作為污水處理的伴生物,占污水總量的 015 %～1 %。據(jù)統(tǒng)計(jì),我國城市污水處理廠每年污 泥發(fā)生量(干重) 約為130 萬t ,且以每年10 %的速 度增長[1 ] 。污泥如果處置不當(dāng)則會產(chǎn)生二次污染, 對環(huán)境和人類造成很大的危害。因此,尋找和探索 城市污泥無害化、資源化途徑,已成為污水處理行 業(yè)亟待解決的一個重要課題。 污泥中含有近40 %的有機(jī)生物質(zhì),具有可燃 性,所以污泥既被視為廢棄物,又被視為一種生物 質(zhì)資源。合理利用污泥發(fā)電已成為污泥有效利用 的一個新的發(fā)展趨勢。污泥發(fā)電不但可以實(shí)現(xiàn)污 泥安全處理,同時還可以從污泥中抽取能量,替代 部分化石燃料,即節(jié)約資源和能源,又保護(hù)環(huán)境,有 利于促進(jìn)我國向可持續(xù)的循環(huán)型社會的轉(zhuǎn)變。 2 典型的污泥發(fā)電工藝 污泥發(fā)電主要有以下2 種方式: (1) 污泥燃料燃燒發(fā)電。 (2) 污泥厭氧消化產(chǎn)生沼氣發(fā)電。 2. 1 污泥燃料燃燒發(fā)電 2. 1. 1 污泥焚燒發(fā)電原理 污泥焚燒是在一定 溫度和氧氣存在條件下,使污泥中的有機(jī)質(zhì)發(fā)生燃 燒反應(yīng),生成CO2 、H2O、N2 等。焚燒處理的產(chǎn)物 是灰渣和煙氣[ 2 ] 。污泥的低位熱值與其可燃分(揮 發(fā)分) 的含量、含水率和可燃分的熱值有關(guān),如下式 所示。 L CV = (1 - P 100 ) ×V S 100 ×CV - 215 × P 100 式中:L CV - 污泥的低位熱值,MJ / kg ; P ,污泥 的含水率, %;VS - 污泥的干基揮發(fā)分含量, %DS ; CV,污泥揮發(fā)分的熱值,MJ / kg。根據(jù)上式計(jì)算得燃 燒最高限含水率為6717 %,超出了一般污泥機(jī)械脫 水設(shè)備的水平,因此直接以脫水污泥為燃燒處理對 象的焚燒爐,大多需要使用輔助燃料。污泥燃料有 多種形式,如將濕污泥與煤粉、重油等燃料一起混合 形成的污泥燃料;污泥與城市有機(jī)垃圾混合形成的 污泥燃料;濕污泥干化后形成的污泥燃料。污泥燃 料燃燒所釋放出的熱能通過熱回收系統(tǒng)和發(fā)電系統(tǒng) 實(shí)現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)化,見圖1。 化學(xué)能 鍋爐 熱能 汽輪機(jī) 機(jī)械能 發(fā)電機(jī) 電能 圖1 能量形式的轉(zhuǎn)化 2. 1. 2 污泥燃料焚燒發(fā)電應(yīng)用實(shí)例 以污泥燃 料焚燒為核心的污泥發(fā)電是一種很好的處理污泥 方法,污泥焚燒具有減容、減重率高,處理速度快, 無害化較徹底,余熱可用于發(fā)電,焚燒后產(chǎn)生的灰 渣可以用于改良土壤、筑路、制磚瓦、陶瓷、混凝土 填料等優(yōu)點(diǎn)。 漿狀污泥燃料可以通過管道用泵輸送,美、日、 英的污泥燃料多為固態(tài)顆粒狀[3 ] 。美國近200 家 污水處理廠采用焚燒方式處理污泥,占全美處理總 量的20 %[4 ] 。日本東京電力公司、東京政府和生 物燃料公司用下水道污泥發(fā)電,2007 年正式投入 運(yùn)行,東京每年產(chǎn)生130 萬t 下水道污泥, 其中 9900t 污泥制成燃料污泥送火力發(fā)電廠發(fā)電。 1998 年,英國倫敦開始將污泥進(jìn)行脫水、干燥、粉 碎,然后利用污泥燃燒的熱能作為能源進(jìn)行發(fā)電。 2005 年,浙江紹興采用具有我國自主知識產(chǎn) 權(quán)的“煤助燃循環(huán)硫化床”技術(shù)興建了國內(nèi)首座污 泥焚燒發(fā)電大型示范項(xiàng)目,日處理污泥1500t 以 上,污泥處理價格為80 元/ t ,年上網(wǎng)電力2166 × 108 kW ·h ,供蒸汽150t/ h 。1 天可節(jié)約原煤450t , 相當(dāng)于每年節(jié)約原煤1315 萬t 。2006 年,浙江省 富陽市某污水處理廠將污泥(600t/ d) 焚燒發(fā)電,焚 燒灰渣制成建材替代紅磚。2007 年1 月,寧波污 泥處理一期工程已正式投運(yùn)。該工程日處理污泥 400t ,年發(fā)電量達(dá)730 萬kW ·h 。2007 年6 月在 合肥投產(chǎn)運(yùn)行的污泥發(fā)電供熱項(xiàng)目, 日產(chǎn)污泥 300t ,燃燒后灰渣用作修路。 可見,國外的污泥發(fā)電技術(shù)已基本成熟,國內(nèi) 污泥發(fā)電技術(shù)處于成長階段,工程方興未艾。 2. 2 污泥厭氧消化產(chǎn)生沼氣發(fā)電 污泥消化可以抑制病菌,改善污泥的衛(wèi)生狀 況;脫水后的消化污泥還可作為發(fā)電廠或水泥廠的 輔助燃料。污水處理廠污泥厭氧消化產(chǎn)生的沼氣, 主要組分為CH4 和CO2 ,以及H2 S、氨等微量有害 氣體。與其他燃?xì)庀啾?沼氣是一種性能優(yōu)良的清 潔燃料[5 ] 。沼氣發(fā)電以其低排放、低污染、節(jié)約能 源、廢物資源化等優(yōu)點(diǎn)而倍受關(guān)注,開發(fā)沼氣發(fā)電 成為建設(shè)綠色環(huán)保工程的一項(xiàng)重要措施。 利用污泥消化產(chǎn)生的沼氣發(fā)電,發(fā)電設(shè)備主要 有兩種:一種是燃?xì)鈾C(jī)- 發(fā)電機(jī)系統(tǒng);另一種是污 泥厭氧消化產(chǎn)生沼氣通過改質(zhì)器轉(zhuǎn)化為氫氣,經(jīng)燃 料電池發(fā)電。 2. 2. 1 燃?xì)鈾C(jī)- 發(fā)電機(jī)系統(tǒng) 消化氣體發(fā)電設(shè) 備的系統(tǒng)流程見圖2 。消化氣經(jīng)精制(脫硫、除濕、 脫碳酸) 后送入燃?xì)鈾C(jī)燃燒,帶動發(fā)電機(jī)發(fā)電。同 時,以水為熱介質(zhì)將燃?xì)鈾C(jī)所排出的高溫尾氣余熱 回收,加熱消化池。消化氣中硅氧烷在燃燒室內(nèi)燃 燒時損害燃?xì)鈾C(jī)的零件和排氣脫氮用觸媒的耐久 性,影響消化氣體發(fā)電設(shè)備的經(jīng)濟(jì)性和可靠性[ 6 ] 。 因此,沼氣在進(jìn)入發(fā)電機(jī)前,須進(jìn)行凈化處理,采用 活性炭吸附技術(shù)可保證凈化后沼氣含Si 有機(jī)物濃 度< 016mg/ L 。消化后污泥經(jīng)脫氣、濃縮、脫水后 外運(yùn)送往焚燒場或電廠和水泥廠作為輔助燃料焚 燒,或農(nóng)用堆肥。 圖2 消化氣體發(fā)電設(shè)備的系統(tǒng)流程 德國城市污水處理廠對污泥處理有8514 %以 上采取中溫厭氧消化,利用產(chǎn)生的甲烷發(fā)電,基本 保證了污水處理廠的供電要求。如: 德國KA 2 helmstedt ( sewagen t reatment plant helmsstedt ) 污水處理廠(處理污水10 ×104 t/ d) 污泥發(fā)電系 統(tǒng)[ 7 ] 。污泥消化后產(chǎn)沼氣6000m3 / d , 其熱值為 23MJ / m3 。年發(fā)電量120 ×104 kW ·h ,相當(dāng)于污 — 55 — 三種典型的污泥發(fā)電工藝 蘇 丹 水處理廠全年運(yùn)行耗電量的90 %～95 % ,同時還 可滿足處理工藝中的供暖及冬季全廠車間、辦公室 的供暖。 ?？谑邪咨抽T污水處理廠借鑒了德國處理污 泥的經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)[8 ,9 ] 。該廠消化池產(chǎn)氣量為4800 ～6000m3 / d。發(fā)電量相當(dāng)于廠內(nèi)平均用電量的 27 % ,每月節(jié)省電費(fèi)約15～18 萬元。沼氣發(fā)動機(jī) 產(chǎn)生的廢熱用于加熱消化池中污泥,在正常運(yùn)行的 2 、3 月產(chǎn)生的廢熱用于加熱污泥后仍有剩余。 北京高碑店污水處理廠, 日處理污水100 萬m3 ,日產(chǎn)污泥4000m3 ,全部進(jìn)行高溫消化處理, 沼氣產(chǎn)量118 萬m3 / d 。按沼氣發(fā)電11 7kW ·h/ m3 計(jì)算,每天發(fā)電量為3 萬kW ·h ,1 年節(jié)約電費(fèi) 500 萬元。年發(fā)電量近1000 萬kW ·h ,相當(dāng)于 5000 戶家庭1 年的用電量。 2006 年北京小紅門污水處理廠污泥發(fā)電裝置 建設(shè)完成,2007 年開始利用污泥發(fā)電。小紅門污 水處理廠是北京第二個裝備“污泥消化、沼氣發(fā)電” 系統(tǒng)的污水處理廠,每天可從約2000m3 污泥中提 出沼氣,年最高發(fā)電量118 萬kW ·h 。 2. 2. 2 沼氣凈化后通過燃料電池發(fā)電 燃料電 池是利用氫和氧化合產(chǎn)生電能的裝置[10 ] 。見圖3 。 使甲烷轉(zhuǎn)換成氫氣的改質(zhì)器是燃料電池系統(tǒng)的關(guān) 鍵組成之一。 圖3 PEFC 燃料電池構(gòu)造示意 近年來,日本政府在推行“有機(jī)質(zhì)資源高效能 源轉(zhuǎn)換技術(shù)開發(fā)”工程( High Efficiency Bioenergy Conver sion Project ) 的基礎(chǔ)上,通過將燃料電池與 沼氣發(fā)酵系統(tǒng)有機(jī)地結(jié)合在同一系統(tǒng)中的技術(shù)手 法,實(shí)現(xiàn)了污泥高效發(fā)電。從2002 年日本政府頒 布新能源政策基本法以來,日本新能源產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜 合開發(fā)機(jī)構(gòu)(NEDO) 先后在日本各地資助了多項(xiàng) 以污泥為原料的生物質(zhì)高效發(fā)電工程的建設(shè)[ 11 ] 。 其中,頗具代表性的為山形市水道部凈化中心以下 水道污泥為原料,通過沼氣發(fā)酵方式制造沼氣,進(jìn) 而通過利用燃料電池,實(shí)現(xiàn)污泥高效發(fā)電,系統(tǒng)流 程見圖4 。 圖4 污泥沼氣通過燃料電池發(fā)電流程 東芝公司和橫濱市下水道管理局合作,先將污 泥厭氧消化處理,所得沼氣(含甲烷60 %～80 %) 經(jīng) 干式脫硫和活性炭吸附凈化后,送往燃料電池系統(tǒng) 的改質(zhì)器。沼氣產(chǎn)出量為90m3 / h。磷酸型燃料電 池PC25TMC ,功率200kW。此種燃料電池可用于 含甲烷、CO2 的低熱值(22～25MJ/ m3 ) 的沼氣發(fā)電。 美國政府積極支持沼氣燃料電池的商業(yè)應(yīng)用, 并給予政府補(bǔ)貼。目前,美國已有多家下水道污泥 處理場引進(jìn)燃料電池技術(shù),并建成投產(chǎn)。紐約州 N YPA 電力公司沼氣產(chǎn)出量3000m3 / d。加州一 項(xiàng)同類工程,沼氣量4000m3 / d ,其燃料電池產(chǎn)生的 熱氣體,返回用于加熱厭氧消化罐。在馬薩諸賽州 和俄勒岡州也有類似裝置。 國內(nèi)還未見工程應(yīng)用實(shí)例。 3 3 種工藝比較 利用污泥進(jìn)行發(fā)電的3 種工藝各具優(yōu)缺點(diǎn), 城市污水處理廠3 種方案的基本性能指標(biāo)見表1 。 表1 3 種污泥發(fā)電工藝比較 項(xiàng) 目污泥燃料燃燒發(fā)電 污泥厭氧消化產(chǎn)生沼氣發(fā)電 燃料電池燃?xì)獍l(fā)電 發(fā)電效率/ %L HV 3 30 (送電端) 38 (送電端) 30 (送電端) 排熱回收效率/ %L HV 20 40 36 熱供應(yīng)形態(tài)100/ ℃蒸汽(或80/ ℃熱水) 標(biāo)準(zhǔn)60/ ℃水100/ ℃蒸汽(或80/ ℃熱水) — 56 — 環(huán)境保護(hù)科學(xué) 第35 卷 第1 期 2009 年2 月 (續(xù)表) NO/ mg ·m3 - < 7 < 122 SO2 / m3 - 微< 44 CO2 年排放比值210 1 1125 噪聲/ dB(A) 95 65 95 啟動時間15s 3h 15s 維修檢查 停機(jī)檢修1/ 次·月- 1 ; 大修1/ 次·a - 1 運(yùn)行檢修1/ 次·3 月- 1 ; 停機(jī)檢修1/ 次·月- 1 ;大修 1/ 次·5a - 1 停機(jī)檢修1/ 次·月- 1 ; 大修1/ 次·a - 1 , 優(yōu) 點(diǎn) 減容、減重率高,處理速 度快,無害化較徹底,節(jié)約原 煤,降低發(fā)電燃料成本。 回收能源;穩(wěn)定污泥,抑 制病菌,改善污泥的衛(wèi)生狀 況;消化污泥可綜合利用。 回收能源;穩(wěn)定污泥,抑 制病菌,改善污泥的衛(wèi)生狀 況;消化污泥可綜合利用。 缺 點(diǎn) 需煙氣處理;污泥燃料燃燒 會產(chǎn)生含重金屬的飛灰。 對沼氣純度要求較高;工程 應(yīng)用實(shí)例較少;燃料電池提 供的是直流電。 對沼氣純度要求高,沼氣需 經(jīng)過脫硫等凈化處理;需煙 氣處理。 技術(shù)條件較高高相對較低 投資成本高較高相對較低 環(huán)境效益相對較低高較高 社會效益相對較低高較高 3 注:L HV 為燃料低位熱值。 4 結(jié)果與討論 我國城市污水處理廠每天產(chǎn)生大量的污泥,給 城市環(huán)境帶來沉重的壓力。以往的處理方式日益 顯示其弊端,將污泥轉(zhuǎn)化成能源用于發(fā)電供熱,符 合我國新時期循環(huán)經(jīng)濟(jì)建設(shè)的要求,符合我國“十 一五”節(jié)能減排的要求,更可為短缺的能源現(xiàn)狀開 辟蹊徑,減輕甚至避免對環(huán)境產(chǎn)生二次污染。污泥 發(fā)電是目前處理污泥最理想的途徑,3 種污泥發(fā)電 工藝各具優(yōu)缺點(diǎn), 在工程應(yīng)用中,應(yīng)根據(jù)實(shí)際需 要,依據(jù)現(xiàn)場條件,綜合考慮運(yùn)行費(fèi)用的前提下,因 地制宜地選擇合理的發(fā)電技術(shù)。雖然污泥發(fā)電的 基本建設(shè)總投資比燃煤和燒油發(fā)電高,但一旦將環(huán) 境成本內(nèi)化,并合理實(shí)施鼓勵新型能源及可再生能 源的財(cái)政、稅收、信貸政策,與發(fā)達(dá)國家看齊,鼓勵 全社會積極參與固體廢棄物利用事業(yè),污泥發(fā)電技 術(shù)將非常具有優(yōu)勢。 參 考 文 獻(xiàn) 1. 張辰,王國華,孫曉. 污泥處理處置技術(shù)與工程實(shí)例[M] . 北京: 化學(xué)工業(yè)出版社,2006 ,142 - 149. 2. 張衍國,李清海,康建斌. 垃圾清潔焚燒發(fā)電技術(shù)[M] . 北京:中 國水利水電出版社,2004 ,52 - 58. 3. 羅爭峰,張景云,沈躍棟,等. 城市污泥利用的經(jīng)濟(jì)模式- 新型污 泥燃料成套應(yīng)用技術(shù)[J ] . 污染防治技術(shù), 2005 ,21 (1) :72 - 77. 4. 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