北京排水集团高碑店污水处理厂沼气热电联供情况介绍

北京排水集团高碑店污水处理厂沼气热电联供情况介绍

一、沼气来源及利用
　　二、沼气安保、净化、储存、分配设施设备配置状况
　　三、沼气发动机-余热回收-发电机组设施设备配置状况
　　四、沼气热电联供经济分析
　　五、沼气热电联供运行维护方式及现存问题
　　
　　北京排水集团高碑店污水处理厂
　　沼气热电联供情况介绍
　　
　　北京排水集团高碑店污水处理厂是北京市拟建的15座城市污水处理厂中规模最大的，也是目前全国规模最大的城市污水处理厂，承担着市中心区及东部工业区总计9661公顷流域范围内的污水收集与治理任务，服务人口240万，厂区总占地68公顷，总处理规模为每日100万立方米，约占北京市目前污水总量40％。高碑店污水处理厂位于北京市朝阳区高碑店乡界内，根据上游管网配套情况及资金状况，按统一规划分期建设的原则，分两期实施。一期工程日处理污水50万立方米，总投资5.24亿元人民币，于1990年开工，1993年底建成通水，1998年底一期泥区运行成功；二期工程日处理污水50万立方米，总投资11.2亿元人民币，于1995年开工，1999年9月建成通水，2002年底二期泥区运行成功；自1993年底建成通水后，高碑店污水处理厂始终坚持满负荷运行、全达标排放的水平，取得了明显的社会效益和环境效益。
　　一、沼气来源及利用
　　高碑店污水处理厂采用传统活性污泥法二级处理工艺。污泥处理采用中温及高温两级消化工艺，日产生化沼气设计量为53000方，目前约25000方，其主要成份为甲烷（CH4）。其典型的组成为：
　　
　　CH460%
　　CO230%
　　N28.0%
　　CO0.3%
　　H2S0.1%
　　其它1.2%
　　LHV5000-6000kcal/Nm3
　　
　　经科学认定，作为温室气体的甲烷CH4对大气的危害是C02的24.5倍。如对沼气处理不当，排放到大气中，其对局部环境和整个地球的环境危害极大，国际环保组织对各个国家的温室气体排放量都有一定的限制；同时，以甲烷为主要成份的生化沼气是非常理想的再生能源。在城市污水处理行业，生化沼气利用途径一般有三种：
　　1．沼气锅炉：利用沼气燃烧产生热源加热消化污泥--这种利用途径只能利用沼气热值的50%;
　　2．沼气内燃机-余热回收-鼓风机组：利用沼气内燃机驱动鼓风机，并利用余热回收装置回收沼气内燃机的余热加热消化污泥--这种利用途径能充分利用沼气热值，一般可达沼气热值的85％到90%;
　　3．沼气内燃机-余热回收-发电机组：利用沼气内燃机驱动发电机发电与厂内供电并网，并利用余热回收装置回收沼气内燃机的余热加热消化污泥--这种利用途径能充分利用沼气热值，一般可达沼气热值的85%90%；
　　高碑店污水处理厂对生化沼气采用“沼气内燃机一余热回收一发电机组”利用途径，共计7台机组，总发电功率近4MW，总热功率约5MW，能够解决全厂优％的用电量和污泥消化5肌的用热量，是一种典型的小型“燃气热电联供”模式。
　　二、沼气安保、净化、储存、分配设施设备配置状况
　　城市污水处理厂的生化沼气属易燃易爆气体，在生产和利用过程中必须配有相应的安保设施设备，一般为安全阀。阻火器、凝水器、水封、废气燃烧器等等；同时利用生化沼气作燃料的燃气内燃机对生化沼气的质量也有一定要求，典型值如下表，因此在进入燃气内燃机之前还要对生化沼气进行一系列净化处理。
　　表：对燃气质量的要求：
　　
　　项目数值最高温度（°C）40（104°F）最高相对湿度（%）80冷凝0最大粉尘颗粒度（μm）
　　粉尘最大量
　　
　　3
　　50
　　
　　最大H2S含量（mg/kwh）200卤化物最高含量（C1+2F总量）
　　（mg/10kwh）
　　质量保证不受影响
　　质量保证受限制
　　由于直接或间接卤化物的升高，机器得到损坏，无质量保证<100
　　100-400
　　>400硅最高含量（mg/10kwh）
　　质量保证不受限制
　　有条件质量保证（可能会对排气门、缸套和活塞环产生磨损）氨最高含量（mg/10kwh）55残油最高含量（mg/10kwh）5
　　工程实践中，生化沼气净化处理过程一般可归纳为沼气脱硫、除油、除尘、除湿过程。根据燃气内燃机对生化沼气的要求不同和工程实践的差别，沼气脱硫、除油、除尘、除湿过程的工艺线路及其设施设备配置是有所差别的。
　　高碑店污水处理厂一期“沼气内燃机-余热回收-发电机组”，共计4套，由美国库伯公司供货，沼气内燃机型号为6GTLB，自带简单进气过滤除尘、除湿、除油装置，外配干式脱硫塔两座，脱硫剂为铁屑；6GTLB型沼气内燃机对进气压力要求2bar到5bar，而消化池产生沼气压力一般为0.02bar，不超过0.035bar，故相应配置2台沼气增压机（由美国AC公司供货，型号为Ro-FloMode1H11SM），1座2000方的高压球罐等，这种增压处理伴生了一部分沼气除湿功能。具体处理工艺线路如下图：
　　
　　
　　
　　高碑店污水处理厂二期“沼气内燃机-余热回收-发电机组”，共计3套，由奥地利颜巴赫公司供货，沼气内燃机型号为JMS316GS-B.L，自带简单进气过滤除尘装置，外配湿式脱硫塔两座，脱硫剂为浓度50％的NaOH碱溶液；JMS316GS-B.L型沼气内燃机对进气压力要求0.05bar到0.1bar，故相应配置2台管道式沼气增压器直接增压后进沼气内燃机。具体处理工艺线路如下：
　　
　　
　　
　　
　　
　　
　　
　　
　　一期干式脱硫属精脱硫，脱硫范围小，但运行成本低；二期碱液湿式脱硫属粗脱硫，脱硫范围大，但安全性要求高，运行成本也高。总体说来，一期沼气净化处理过程较二期复杂一些，相应安保设施设备（如：安全阀、水封、水器、阻火器等）数量也多一些，建设投资费也高一些，但脱硫、除尘、除油等效果较好，这可以从沼气内燃机排气管道废积物数量和成分证实。
　　三、沼气发动机-余热回收-发电机组设施设备配置状况
　　高碑店污水处理厂一期“沼气内燃机-余热回收-发电机组”，共计4套，由美国库伯公司供货，1991年订货，沼气内燃机型号为6GTLB，机械功率513KW，热功率约600KW；余热回收装置由美国Vaporphase公司制造，换热参数：W=2420-2、S=0.188，H=0.375，热媒介质为软化水，使用泥水热交换器给消化汕污泥加热；发电机由美国KAT0公司制造，型号8P6.5-2200，输出电压三相AC6300V，发电容量470KW：高压并网开关柜由美国P0WELL公司制造，厂内并网，属无限源负载；控制系统由库伯公司随机配套；工程设计单位是北京市政设计院；工程施工安装单位是北京市政四公司；具体配置状况如下图：
　　
　　
　　高碑店污水处理厂二期“沼气内燃机-余热口收-发电机组”，共计3套，由奥地利颜已赫公司供货，1995年订货，沼气内燃机型号为JMS316GS-B.L，械功率约710KW，热功率约850KW；余热回收装置国产化为“北京海淀永大机电设备制造有限责任公司”制造，产品系列号20023-5，换热参数：面积＝46m2、压力=0.55/1.09Mpa、温度＝550／120℃，热媒介质为软化水，使用泥水热交换器给消化池污泥加热；发电机型号DIDBN-110／105／1-4，输出电压三相AC6300V，发电容量652KW；高压并网开关柜由瑞典PURAC公司供货，厂内并网，属无限源负载；控制系统由奥地利颜巴赫公司随机配套；工程设计单位是北京市政设计院；设备总承包单位是瑞典PURAC公司；工程施工安装单位是北京市政四公司。具体配置状况如下图：
　　
　　
　　
　　
　　四、沼气热电联供经济分析
　　高碑店污水处理厂一期“沼气内燃机-余热回收-发电机组”于1999年初逐步投入运行；二期“沼气内燃机-余热回收-发电机组”于2001年初使用一期消化池沼气逐步投入运行。当时沼气产量不足，同时机组设备故障率也居高不下，发电量严重不足；随着一期消化池沼气产量逐步提高，机组设备也在逐步度过运行磨合期，完好率有所提高，2001年共完成发电量420万度（价值约250万元RMB），产热量约43亿大卡（相当于7000吨0.4Mpa压力的水蒸汽热量，价值约60万元RMB）；2002年共完成发电量650万度（价值约390万元RMB），产热量约65亿大卡（相当于10000吨0.4Mpa压力的水蒸汽热量，价值约80万元RMB）；2002年底随着二期消化池成功投入运行，到2003年初，整个泥区沼气产量快速提高，日产沼气约25000方，日发电量约4.8万度，日产热量约5000万大卡；随着消化池温度逐步提高和稳定，污泥消化将更趋稳定，2003年日平均产气量可望达到31000方，日平均发电量可望达到5.5万度，日平均产热量约6000万大卡，2003年全年发电量可望达到2000万度（价值约1200万元RMB），产热量约220亿大卡（相当于37000吨0.4Mpa压力的水蒸汽热量，价值约300万元RMB）；
　　高碑店污水处理厂一期“沼气内燃机-余热回收-发电机组”总投资约6000万元RMB（包括用于沼气发电的沼气管线和余热利用设施设备，但不包括沼气压缩机房）；二期“沼气内燃机-余热回收-发电机组”由于没有沼气增压机、高压球罐等设施，同时也无需重复投资废气燃烧器设施设备，故总投资比一期有所降低，约5000万元RMB（包括用于沼气发电的沼气管线和余热利用设施设备）；高碑店污水处理厂“沼气内燃机-余热回收-发电机组”总投资约1.1亿元RMB。根据日处理污水100万吨的设计量，全面而稳定运行的污泥消化日产沼气应为53000方，但目前高碑店污水处理厂实际处理水量不足，全面而稳定运行的污泥消化平均日产沼气40000方应是现实可行的。平均日产沼气40000方，平均日发电量可望达到7.5万度，平均日产热量约8000万大卡，全年发电量可望达到2700万度（价值约1600万元RMB），产热量约280亿大卡（相当于48000吨0.4Mpa压力的水蒸汽热量，价值约400万元RMB）；高碑店污水处理厂泥区全面而稳定运行后，“沼气内燃机-余热回收-发电机组”年生产总值可达2000万元RMB。综合考虑设备维护费、材料费（润滑油、火花
　　塞、脱硫剂等）、人员管理费，以及设施设备折旧费（设施折旧期50年，设备折旧期20年）等各种因素，高碑店污水处理厂“沼气内燃机-余热回收-发电机组”投资汇报期约为7或8年，可见经济效益还是可观的。
　　五.沼气热电联供运行维护方式及现存问题
　　高碑店污水处理厂“沼气内燃机-余热回收-发电机组”由分厂发电机班负责日常运行和维护，实行“横班制”，保证24小时都有人值班。机组简单日常维护（如：换油、换火花塞等）和故障维修由发电机班负责，大修、中修和部分项修在总厂总工办，设备科指导下由外协单位承担；生产管理由分厂完成。经过近三年运转，在设施设备维护及生产管理两方面仍存在不少问题。
　　关于设施设备维护，可以分为沼气净化处理过程、沼气内燃机组、发电并网用电调度过程、热力利用调度过程等四方面，具体问题有：
　　1．沼气净化处理过程：（1）沼气硫含量居高不下，可达15000ppm，现有干式脱硫范围约为500ppm到5000ppm，湿式脱硫范围约为1200ppm到10000ppm，显然不能完全彻底脱硫，建议将湿式脱硫和干式脱硫串联起来，先湿式脱硫，后干式脱硫；（2）应设置单独的沼气除尘、除油、除
　　湿装置，以提高沼气净化程度；
　　2．沼气内燃机组：一定要进行机组设备备配件国产化工作，特别是火花塞的国产化工作以降低设备维护费用；
　　3．发电并网用电调度过程：（1）应由总厂统一协调和调度，保证沼气发电能够有效利用，避免送出厂外作无用功；（2）尽量在用电高峰多发电；
　　4．热力利用调度过程：应由分厂统一协调，（1）尽可能利用沼气内燃机组余热；（2）加强热力设施设备维护力量，充分提高热交换器的换热效率；
　　关于沼气发电的生产管理，应设置单独的生产统计和成本核算内容，其产出是热、电，如前所述，年产值可达2000万RMB，其投入主要有：
　　1．设施设备维护费；
　　2．耗材费：主要有润滑油、脱硫剂、火花塞等；
　　3．人工管理费；
　　4．设施设备固定资产折旧费；
　　建议一定要认真建立一支专业性较强的运行维护管理队伍--在污水处理行业，“沼气内燃机-余热回收-发电机组”设备技术含量较高，运行安全性要求也较高，需要一支专业性较强的运行维护队伍，并实行单独成本核算管理。
　　
　　北京排水集团高碑店污水处理厂
　　2003年4月2日

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