污泥发电技术

【专家解说】：本人在期刊网下载了三篇PDF格式的论文，楼主留下邮箱，给我分数，我发给你，嘿嘿~ 以下只是其中一篇的部分 三种典型的污泥发电工艺 Three Typical Proce sse s of Electricity Generation by Sewage Sludge 苏 丹1 王 鑫2 刘一威1 (1. 辽宁省环境科学研究院 沈阳 110031) ; (2. 沈阳大学沈阳环境工程重点实验室 沈阳 110044) 摘要 污泥发电是城市污水处理厂进行污泥合理开发利用的技术措施之一,是污泥实行减量化、稳定化、无害化、资源 化的良好方法,本文介绍了3 种典型的污泥发电工艺:污泥焚烧发电;污泥厌氧消化产生沼气、通过燃气轮机组发电;污泥 厌氧消化产生沼气、进而通过改质制造氢气,经燃料电池发电。对污泥合理利用的规范化、科学化有一定的借鉴意义。 关键词 污泥发电 污泥焚烧 污泥厌氧消化 沼气发电 燃料电池 1 引言 污泥作为污水处理的伴生物,占污水总量的 015 %～1 %。据统计,我国城市污水处理厂每年污 泥发生量(干重) 约为130 万t ,且以每年10 %的速 度增长[1 ] 。污泥如果处置不当则会产生二次污染, 对环境和人类造成很大的危害。因此,寻找和探索 城市污泥无害化、资源化途径,已成为污水处理行 业亟待解决的一个重要课题。 污泥中含有近40 %的有机生物质,具有可燃 性,所以污泥既被视为废弃物,又被视为一种生物 质资源。合理利用污泥发电已成为污泥有效利用 的一个新的发展趋势。污泥发电不但可以实现污 泥安全处理,同时还可以从污泥中抽取能量,替代 部分化石燃料,即节约资源和能源,又保护环境,有 利于促进我国向可持续的循环型社会的转变。 2 典型的污泥发电工艺 污泥发电主要有以下2 种方式: (1) 污泥燃料燃烧发电。 (2) 污泥厌氧消化产生沼气发电。 2. 1 污泥燃料燃烧发电 2. 1. 1 污泥焚烧发电原理 污泥焚烧是在一定 温度和氧气存在条件下,使污泥中的有机质发生燃 烧反应,生成CO2 、H2O、N2 等。焚烧处理的产物 是灰渣和烟气[ 2 ] 。污泥的低位热值与其可燃分(挥 发分) 的含量、含水率和可燃分的热值有关,如下式 所示。 L CV = (1 - P 100 ) ×V S 100 ×CV - 215 × P 100 式中:L CV - 污泥的低位热值,MJ / kg ; P ,污泥 的含水率, %;VS - 污泥的干基挥发分含量, %DS ; CV,污泥挥发分的热值,MJ / kg。根据上式计算得燃 烧最高限含水率为6717 %,超出了一般污泥机械脱 水设备的水平,因此直接以脱水污泥为燃烧处理对 象的焚烧炉,大多需要使用辅助燃料。污泥燃料有 多种形式,如将湿污泥与煤粉、重油等燃料一起混合 形成的污泥燃料;污泥与城市有机垃圾混合形成的 污泥燃料;湿污泥干化后形成的污泥燃料。污泥燃 料燃烧所释放出的热能通过热回收系统和发电系统 实现能量的转化,见图1。 化学能 锅炉 热能 汽轮机 机械能 发电机 电能 图1 能量形式的转化 2. 1. 2 污泥燃料焚烧发电应用实例 以污泥燃 料焚烧为核心的污泥发电是一种很好的处理污泥 方法,污泥焚烧具有减容、减重率高,处理速度快, 无害化较彻底,余热可用于发电,焚烧后产生的灰 渣可以用于改良土壤、筑路、制砖瓦、陶瓷、混凝土 填料等优点。 浆状污泥燃料可以通过管道用泵输送,美、日、 英的污泥燃料多为固态颗粒状[3 ] 。美国近200 家 污水处理厂采用焚烧方式处理污泥,占全美处理总 量的20 %[4 ] 。日本东京电力公司、东京政府和生 物燃料公司用下水道污泥发电,2007 年正式投入 运行,东京每年产生130 万t 下水道污泥, 其中 9900t 污泥制成燃料污泥送火力发电厂发电。 1998 年,英国伦敦开始将污泥进行脱水、干燥、粉 碎,然后利用污泥燃烧的热能作为能源进行发电。 2005 年,浙江绍兴采用具有我国自主知识产 权的“煤助燃循环硫化床”技术兴建了国内首座污 泥焚烧发电大型示范项目,日处理污泥1500t 以 上,污泥处理价格为80 元/ t ,年上网电力2166 × 108 kW ·h ,供蒸汽150t/ h 。1 天可节约原煤450t , 相当于每年节约原煤1315 万t 。2006 年,浙江省 富阳市某污水处理厂将污泥(600t/ d) 焚烧发电,焚 烧灰渣制成建材替代红砖。2007 年1 月,宁波污 泥处理一期工程已正式投运。该工程日处理污泥 400t ,年发电量达730 万kW ·h 。2007 年6 月在 合肥投产运行的污泥发电供热项目, 日产污泥 300t ,燃烧后灰渣用作修路。 可见,国外的污泥发电技术已基本成熟,国内 污泥发电技术处于成长阶段,工程方兴未艾。 2. 2 污泥厌氧消化产生沼气发电 污泥消化可以抑制病菌,改善污泥的卫生状 况;脱水后的消化污泥还可作为发电厂或水泥厂的 辅助燃料。污水处理厂污泥厌氧消化产生的沼气, 主要组分为CH4 和CO2 ,以及H2 S、氨等微量有害 气体。与其他燃气相比,沼气是一种性能优良的清 洁燃料[5 ] 。沼气发电以其低排放、低污染、节约能 源、废物资源化等优点而倍受关注,开发沼气发电 成为建设绿色环保工程的一项重要措施。 利用污泥消化产生的沼气发电,发电设备主要 有两种:一种是燃气机- 发电机系统;另一种是污 泥厌氧消化产生沼气通过改质器转化为氢气,经燃 料电池发电。 2. 2. 1 燃气机- 发电机系统 消化气体发电设 备的系统流程见图2 。消化气经精制(脱硫、除湿、 脱碳酸) 后送入燃气机燃烧,带动发电机发电。同 时,以水为热介质将燃气机所排出的高温尾气余热 回收,加热消化池。消化气中硅氧烷在燃烧室内燃 烧时损害燃气机的零件和排气脱氮用触媒的耐久 性,影响消化气体发电设备的经济性和可靠性[ 6 ] 。 因此,沼气在进入发电机前,须进行净化处理,采用 活性炭吸附技术可保证净化后沼气含Si 有机物浓 度< 016mg/ L 。消化后污泥经脱气、浓缩、脱水后 外运送往焚烧场或电厂和水泥厂作为辅助燃料焚 烧,或农用堆肥。 图2 消化气体发电设备的系统流程 德国城市污水处理厂对污泥处理有8514 %以 上采取中温厌氧消化,利用产生的甲烷发电,基本 保证了污水处理厂的供电要求。如: 德国KA 2 helmstedt ( sewagen t reatment plant helmsstedt ) 污水处理厂(处理污水10 ×104 t/ d) 污泥发电系 统[ 7 ] 。污泥消化后产沼气6000m3 / d , 其热值为 23MJ / m3 。年发电量120 ×104 kW ·h ,相当于污 — 55 — 三种典型的污泥发电工艺 苏 丹 水处理厂全年运行耗电量的90 %～95 % ,同时还 可满足处理工艺中的供暖及冬季全厂车间、办公室 的供暖。 海口市白沙门污水处理厂借鉴了德国处理污 泥的经验和技术[8 ,9 ] 。该厂消化池产气量为4800 ～6000m3 / d。发电量相当于厂内平均用电量的 27 % ,每月节省电费约15～18 万元。沼气发动机 产生的废热用于加热消化池中污泥,在正常运行的 2 、3 月产生的废热用于加热污泥后仍有剩余。 北京高碑店污水处理厂, 日处理污水100 万m3 ,日产污泥4000m3 ,全部进行高温消化处理, 沼气产量118 万m3 / d 。按沼气发电11 7kW ·h/ m3 计算,每天发电量为3 万kW ·h ,1 年节约电费 500 万元。年发电量近1000 万kW ·h ,相当于 5000 户家庭1 年的用电量。 2006 年北京小红门污水处理厂污泥发电装置 建设完成,2007 年开始利用污泥发电。小红门污 水处理厂是北京第二个装备“污泥消化、沼气发电” 系统的污水处理厂,每天可从约2000m3 污泥中提 出沼气,年最高发电量118 万kW ·h 。 2. 2. 2 沼气净化后通过燃料电池发电 燃料电 池是利用氢和氧化合产生电能的装置[10 ] 。见图3 。 使甲烷转换成氢气的改质器是燃料电池系统的关 键组成之一。 图3 PEFC 燃料电池构造示意 近年来,日本政府在推行“有机质资源高效能 源转换技术开发”工程( High Efficiency Bioenergy Conver sion Project ) 的基础上,通过将燃料电池与 沼气发酵系统有机地结合在同一系统中的技术手 法,实现了污泥高效发电。从2002 年日本政府颁 布新能源政策基本法以来,日本新能源产业技术综 合开发机构(NEDO) 先后在日本各地资助了多项 以污泥为原料的生物质高效发电工程的建设[ 11 ] 。 其中,颇具代表性的为山形市水道部净化中心以下 水道污泥为原料,通过沼气发酵方式制造沼气,进 而通过利用燃料电池,实现污泥高效发电,系统流 程见图4 。 图4 污泥沼气通过燃料电池发电流程 东芝公司和横滨市下水道管理局合作,先将污 泥厌氧消化处理,所得沼气(含甲烷60 %～80 %) 经 干式脱硫和活性炭吸附净化后,送往燃料电池系统 的改质器。沼气产出量为90m3 / h。磷酸型燃料电 池PC25TMC ,功率200kW。此种燃料电池可用于 含甲烷、CO2 的低热值(22～25MJ/ m3 ) 的沼气发电。 美国政府积极支持沼气燃料电池的商业应用, 并给予政府补贴。目前,美国已有多家下水道污泥 处理场引进燃料电池技术,并建成投产。纽约州 N YPA 电力公司沼气产出量3000m3 / d。加州一 项同类工程,沼气量4000m3 / d ,其燃料电池产生的 热气体,返回用于加热厌氧消化罐。在马萨诸赛州 和俄勒冈州也有类似装置。 国内还未见工程应用实例。 3 3 种工艺比较 利用污泥进行发电的3 种工艺各具优缺点, 城市污水处理厂3 种方案的基本性能指标见表1 。 表1 3 种污泥发电工艺比较 项 目污泥燃料燃烧发电 污泥厌氧消化产生沼气发电 燃料电池燃气发电 发电效率/ %L HV 3 30 (送电端) 38 (送电端) 30 (送电端) 排热回收效率/ %L HV 20 40 36 热供应形态100/ ℃蒸汽(或80/ ℃热水) 标准60/ ℃水100/ ℃蒸汽(或80/ ℃热水) — 56 — 环境保护科学 第35 卷 第1 期 2009 年2 月 (续表) NO/ mg ·m3 - < 7 < 122 SO2 / m3 - 微< 44 CO2 年排放比值210 1 1125 噪声/ dB(A) 95 65 95 启动时间15s 3h 15s 维修检查 停机检修1/ 次·月- 1 ; 大修1/ 次·a - 1 运行检修1/ 次·3 月- 1 ; 停机检修1/ 次·月- 1 ;大修 1/ 次·5a - 1 停机检修1/ 次·月- 1 ; 大修1/ 次·a - 1 , 优 点 减容、减重率高,处理速 度快,无害化较彻底,节约原 煤,降低发电燃料成本。 回收能源;稳定污泥,抑 制病菌,改善污泥的卫生状 况;消化污泥可综合利用。 回收能源;稳定污泥,抑 制病菌,改善污泥的卫生状 况;消化污泥可综合利用。 缺 点 需烟气处理;污泥燃料燃烧 会产生含重金属的飞灰。 对沼气纯度要求较高;工程 应用实例较少;燃料电池提 供的是直流电。 对沼气纯度要求高,沼气需 经过脱硫等净化处理;需烟 气处理。 技术条件较高高相对较低 投资成本高较高相对较低 环境效益相对较低高较高 社会效益相对较低高较高 3 注:L HV 为燃料低位热值。 4 结果与讨论 我国城市污水处理厂每天产生大量的污泥,给 城市环境带来沉重的压力。以往的处理方式日益 显示其弊端,将污泥转化成能源用于发电供热,符 合我国新时期循环经济建设的要求,符合我国“十 一五”节能减排的要求,更可为短缺的能源现状开 辟蹊径,减轻甚至避免对环境产生二次污染。污泥 发电是目前处理污泥最理想的途径,3 种污泥发电 工艺各具优缺点, 在工程应用中,应根据实际需 要,依据现场条件,综合考虑运行费用的前提下,因 地制宜地选择合理的发电技术。虽然污泥发电的 基本建设总投资比燃煤和烧油发电高,但一旦将环 境成本内化,并合理实施鼓励新型能源及可再生能 源的财政、税收、信贷政策,与发达国家看齐,鼓励 全社会积极参与固体废弃物利用事业,污泥发电技 术将非常具有优势。 参 考 文 献 1. 张辰,王国华,孙晓. 污泥处理处置技术与工程实例[M] . 北京: 化学工业出版社,2006 ,142 - 149. 2. 张衍国,李清海,康建斌. 垃圾清洁焚烧发电技术[M] . 北京:中 国水利水电出版社,2004 ,52 - 58. 3. 罗争峰,张景云,沈跃栋,等. 城市污泥利用的经济模式- 新型污 泥燃料成套应用技术[J ] . 污染防治技术, 2005 ,21 (1) :72 - 77. 4. 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