基于污泥厌氧消化的吸收式热泵-高温水源热泵供热系统研究

刘 杰， 万 鹏， 王 军， 郭 炜

(青岛理工大学 环境与市政工程学院， 山东 青岛 266033)

随着我国城镇化快速发展，城市污水处理量与日剧增，产生的污泥量也随之增多。近年来，污泥厌氧消化由于具备回收潜在能量和降低环境危害的功能成为应用最为广泛的污泥处理方式[1-3]。大多污水厂厌氧消化为中温消化(33℃)，产生的沼气优先用于发电，并回收发电机组余热为消化池供热，不足热量则由辅助热源补充。高温消化(55℃)具有卫生条件好、消化时间短、产气量多等优点，但高温消化对温度要求高，需要的加热量较大。目前主要利用燃煤、燃气锅炉将污泥加热至反应温度，这种处理工艺能耗高并造成大量污染物的排放。因此，采用清洁能源供热成为高温厌氧消化系统推广应用的一种有效途径。

本文系统设计采用烟气型溴化锂吸收式热泵替换了污水厂内原有余热锅炉，并配备了高温水源热泵，系统回收发电机组高温烟气以及中水低位热能加热污泥，使其高温厌氧消化产生沼气实现热电联产；基于污泥消化所需热量，合理利用高温水源热泵从中水里提取热量加热污泥,或利用中水带走多余的热量，从而实现污泥高温厌氧消化。本文基于吸收式热泵-高温水源热泵供热系统方案，对污泥高温厌氧消化系统进行综合评价，以期为此系统推广应用提供有利参考。

1 工程概况

该污水处理厂服务面积24 km2，设计日处理规模为16万t，一期工程于1993年竣工投产运行，处理工艺采用A-B法，日处理规模8万m3，在2010年改造扩建后增加8万的处理能力。污水处理工艺改为MSBR工艺法，出水水质全部达到现行国家城市生活污水一级B排放标准。

2 现有处理工艺及运行参数分析

该水厂现采用“中温厌氧消化+热电联产”工艺，消化产生的沼气发电自用以节省能源，主要利用回收的发电余热热能维持污泥中温厌氧消化运行。

污水处理和污泥厌氧消化工艺过程：初沉池产生的污泥经过预浓缩池重力浓缩后与MSBR池处理后经重力浓缩和机械浓缩后的剩余污泥混合，进入厌氧消化池进行中温厌氧消化，一般消化温度为35℃～38℃，产生的沼气用于厂内发电自用；在冬天无法满足需热量时将产生的一部分沼气用于加热热水锅炉[4]。沼气热电联产现有系统如图1。

图1 沼气热电联产现有系统

据资料显示[5-6]，我国污泥厌氧消化系统基本全都采用中温消化，原因主要是中温消化污泥所需要的热量少，投资较小。文章中青岛某污水厂污泥采用的就是中温消化，发电机组的缸套水和余热锅炉回收的热量可以基本维持中温厌氧消化系统的运行。与中温消化相比，高温消化时污泥的消化时间短，产气量多，笔者在现有热电联产系统的基础上进行了改进设计，提出了基于污泥厌氧消化的吸收式热泵-高温水源热泵供热系统，为高温消化提供热量。

目前我国几乎没有污水厂采用污泥高温消化系统，因此在本设计中笔者根据2016年该污水厂中温运行的数据推算系统改用高温消化后系统的运行情况。根据相关文献[7-10]可知，在相同污泥量的情况下，高温消化产气量要比中温消化产气量提高约40%～60%(本文取50%)。根据内燃机的性能曲线，发电机的运行负荷增加使得内燃机的平均发电效率提高了4%，但高温消化管路的热损失有所提高(由中温消化的5%提高到10%)。由于全年系统运行影响因素较多，笔者依据中温时测得新鲜污泥温度、环境日平均温度、单位污泥产沼气量和沼气中甲烷含量等影响因素的波动性大小，将污水厂全年运行数据划分为4个阶段，并根据以上推论通过能量守恒定律和质量守恒定律计算出高温系统沼气量A，发电量B,污泥消化需热量C，回收余热量D和系统净需热量E(正值代表需供热量，负值代表富裕热量),现将该污水厂的现有系统和污泥高温厌氧消化系统各个阶段运行情况进行对比，如图2～图5所示。

图2 中温系统与高温系统的阶段1运行情况对比

图3 中温系统与高温系统的阶段2运行情况对比

图4 中温系统与高温系统的阶段3运行情况对比

图5 中温系统与高温系统的阶段4运行情况对比

由图2～图5可知，中温系统能够基本靠发电机组的回收余热保持污泥中温消化，需要外界提供的热量较少，由于阶段1和阶段2的新鲜污泥的温度较高，污泥消化需热量减少，造成回收的机组余热量大于系统需热量。高温系统回收的机组余热量较中温系统多30%～43%，但其总需热量较大，一方面需要水温较高，另一方面要满足循环水进入分水器的水温不超过45℃，循环水加热完污泥之后需要继续与中水换热达到合适水温(44℃)才能进入集水器，造成了热量流失。

3 基于污泥厌氧消化的吸收式热泵-高温水源热泵的热电联产系统

3.1 系统方案设计

图6为基于污泥厌氧消化的烟气型溴化锂吸收式热泵+高温水源热泵供热系统。

图6 烟气型溴化锂吸收式热泵+高温水源热泵供热系统

该系统的两种运行模式如下：

(1)中水联合热泵运行模式：系统需热量变化时，要满足发电机组外循环水要求(43℃<冷却水进口温度<45℃)。当进口温度大于45℃时，则开启阀门a，c，d，e，g，h，k，l，关闭阀门b，f，i，m，n，通过板式换热器1由高温水源热泵对部分系统热量回收，中水经过板式换热器2换走剩余的热量后排入大海；当进口温度小于43℃时，则开启阀门b，g，h，k，i，m，n，关闭阀门a，d，c，e，f，l，中水经过板式换热器换热满足进入分水器的循环水达到合适温度，再与一部分中水混合后分别进入两个热泵的蒸发器，出水再次混合后排入大海。

(2)热泵独立运行模式：系统需热量变化满足发电机组外循环水要求，则开启阀门a，c，d，e，f，关闭阀门b，h，g，k，i，m，l，n，从套管换热器出水回收的部分系统热量刚好用于满足两个热泵的需热要求。

3.2 吸收式热泵系统

该污水厂的发电机组烟气温度在590℃左右，经过余热锅炉热回收后温度降到187℃左右，而烟气型溴化锂吸收式热泵的排烟温度在180℃左右。该污水厂的污水经过污水处理工艺后成为中水，其无毒无腐蚀，并且温度在冬季高于环境温度，在10℃～17℃之间，夏季低于环境温度，在20℃～23℃之间。若中水作为吸收式热泵的低温热源，可回收部分中水里的热量，进一步提升循环水温度。因此，采用吸收式热泵替换原有的余热锅炉，吸收式热泵的制热量受供热温度和低温热源温度波动影响，它的平均COP为1.7[11-12]。

3.3 高温水源热泵系统

在高温厌氧消化系统中，中水可以把从污泥套管换热器出来的50℃左右的热水换热至44℃左右，该污水厂日产中水在14万吨左右，如果直接排海，造成大量热量的浪费。采用板式换热器换热，使得换热后的中水温度为28℃～32℃，采取高温水源热泵从中水提取热量，回收中水里的热量补充系统总需热量，高温水源热泵平均能效比COP为3.4，出水温度在67℃～72℃之间[13]。

4 系统方案的综合评价

4.1 热力学分析

根据热力学第一定律，系统的热能和机械能在转移或转换时，能量的总量必定守恒。现将高温消化系统中各个子系统的能量参数计算出来：系统总需热量F,吸收式热泵供热量G,高温水源热泵供热量H,高温水源热泵用电量I,中水回收热量J,烟气回收热量K，图7为系统的能量分析。

图7 系统的能量分析

由图7可知，4个阶段的系统总需热量在17～24万kW·h-1d-1，差异较明显，这主要是因为不同阶段的环境温度变化较大；由于中水温度波动不大，吸收式热泵供热量较稳定，在4.0～5.1万kW·h-1d-1；高温水源热泵在每个阶段均提供了最多的热量，使得其供热量的变化趋势与系统总需热量的变化趋势相似。在4个阶段中，高温水源热泵均承担了较多的系统总需热负荷，循环水与中水换热流失到中水里的系统热量得到有效回收，但消耗了部分电量，使系统净发电量减少，同时烟气回收热量较中温消化系统中余热锅炉增加了约8%。

4.2 经济效益分析

4.2.1 系统改进初投资

系统改进初投资主要是该系统引入的烟气型溴化锂吸收式热泵机组，高温水源热泵机组等设备的成本、设备安装费、配套费等。根据市场调研得知，烟气型溴化锂吸收式热泵机组的价格约为0.7元·w-1，高温水源热泵机组的价格约为0.6元·w-1，板式换热器与套管换热器均按300元·m-2计算，热泵配套费按180元·kW-1计算，系统改进初投资的具体计算数据见表1。

4.2.2 费用年值

费用年值法是将项目初投资的现值按照时间价值等额分摊到各使用年限中去的动态经济分析方法。其包括年固定费用和年运行费用，年固定费用为系统初投资在使用年限内每年消耗的费用，年运行费用为设备折旧费、维修费等，计算得到年固定费用为98.4万元，年运行费用为66.7万元，费用年值为165.1万元。

表1 系统改进初投资计算表

4.2.3 年电费收益

年电费收益指每年发电所获得净发电收益与费用年值的差值。全部沼气用于发电(平均净发电量19759 kW·h-1d-1，年发电时间取8000 h)，电价按每度0.85元计算，则年发电收入为554.2万元。年电费收益为389.1万元，同时求得中温系统的收益为438.4万元，高温系统的年电费收益较中温系统少11.2%。

4.3 环境效益分析

环境效益评价指标作为评价一个系统方案优劣不可缺少的标准。污水厂的沼气热电联产系统相对于单产系统来说主要体现在CO2，SO2，NOx以及烟尘的减排量，同时估算表明高温厌氧消化系统要比中温厌氧消化系统多减排约35.7%；系统总的净发电量为652万kW·h，因此，对于减少煤炭燃烧所带来的效益进行估算,该系统环境效益约为207.5万元，同时求得中温系统的环境效益约为132.1万元，高温系统较中温系统的环境效益提高63.7%。

5 结论

(1)污泥高温厌氧消化系统与污泥中温厌氧消化系统相比，虽然消化时间短、产气量多、净发电量大，但是系统需热量较大。

(2)采用吸收式热泵+高温水源热泵系统为污泥供热，可充分回收烟气热能和中水热能等余热资源，提高一次能源利用率，与传统供热系统相比，同时实现节能和环保。

(3)高温水源热泵回收了大量套管换热器出水换热到中水中的热量，提升了循环水温度，使套管换热器的温度达到67℃～72℃，合理利用了中水资源，减少系统热量流失。

(4)吸收式热泵由于中水温度波动的影响，承担了系统中17%～30%的系统总需热量。高温水源热泵承担了较多的热量负荷，还提高了循环水的温度，但高温水源热泵需要消耗发电量，减少净发电量，造成收益减少。

(5)吸收式热泵+高温水源热泵系统的初投资较大，造成实际的年电费收益略少于中温系统，污染物减排量和环境效益较中温系统分别提高约35.7%和63.7%。