冷热电三联供系统在餐厨垃圾处理项目中的应用研究

张 杰，陈志刚，顾根永，吴明辉

(1.普星能量有限公司，浙江省 杭州市 310012；2.浙江普星蓝天然气发电有限公司杭州分公司，浙江省 杭州市 310012；3.杭州申乾裕科技有限公司，浙江省 杭州市 310011)

0 引言

餐厨垃圾是餐饮垃圾和厨余垃圾的统称，主要是居民在生活消费过程中形成的生活垃圾，包括家庭、学校、食堂及餐饮行业等产生的食物加工下角料和食用残余[1]。随着人民生活水平的不断提高，餐厨垃圾的数量急剧增长，2019年全国餐厨垃圾产生量突破1.2亿 t，极大地推动了我国餐厨垃圾处理行业的发展。为实现餐厨垃圾无害化处理，各地方迅速建设餐厨垃圾处理厂，与卫生填埋、焚烧、破碎直排、饲料化、堆制有机肥等处理技术相比，厌氧消化技术具有资源化、无害化及减量化程度高、技术成熟、安全可靠等优点[2-4]，已成为我国餐厨垃圾处理的主流技术。据统计，我国已投产项目中约76%采用厌氧消化技术[5]。

随着沼气发电技术的成熟和主设备造价的日益降低，采用厌氧消化技术产生的沼气经过前置处理后通过沼气发电机组进行发电，同时回收沼气发电机组的烟气和缸套水热量，提供餐厨垃圾处理过程中所需的蒸汽和卫生热水负荷，既实现资源的综合利用，又提高了能源利用率。

由于我国餐厨垃圾处理技术起步较晚[5]，项目案例特别是沼气综合利用案例少，且我国餐厨垃圾除了具有含水率高、有机质含量高的特点外，多具有高盐分、高油脂的特点[6]，同时已投产餐厨垃圾案例规模小，造成沼气产量少且利用不充分，安装的沼气发电机组运行效率低、经济性较差。为了达到预期的经济效益和节能效果，本文通过分析餐厨垃圾处理过程中主要用能工艺，参考已投产案例，提出沼气冷热电三联供(combine cooling, heating and power，CCHP)系统采用“以气定电、欠负荷”的设计原则，同时回收烟气和缸套水热量，既实现资源的综合利用，又提高项目的经济效益和节能效益，并通过与常规处理方式对比，论证其可行性及合理性。

1 项目概况

1.1 项目简介

新建餐厨垃圾处理项目位于浙江省某地级市，设计处理量为餐厨垃圾300 t/d(餐饮垃圾和厨余垃圾各150 t/d)，采用“餐饮垃圾预处理/厨余垃圾预处理(除杂+加热搅拌+三相分离)+联合厌氧消化+厌氧消化产沼气+沼气发电”的技术路线，实现餐厨垃圾资源化利用和无害化处理。

项目总体占地面积约3万 m2，总建筑面积约8 000 m2，主要包括餐厨垃圾预处理车间、供能设备间、污水处理间、管理用房(约2 000 m2)等区域。

1.2 沼气工艺系统

1.2.1 沼气产量

根据对餐厨垃圾厌氧消化的研究表明，餐厨垃圾的产沼气率大于435 mL/g[7-10]，即1 t餐厨垃圾(湿基)厌氧发酵可产生87 m3沼气，据此计算项目日产沼气量约26 100 m3。

为保证项目设计的准确性，详细调研该地区某实际投产项目(日实际处理约150 t)，该项目典型日沼气产量如图1所示。

图1 典型日沼气产量图

从图1中可以看出，夏季沼气产量略高于冬季产量，已投产项目半年内沼气平均产量约为340 m3/h，折合t餐厨垃圾沼气产量约54 m3/h。

综合考虑国内类似项目实际运行数据[11-12]及项目餐厨垃圾处理量的波动性，本项目按餐厨垃圾产沼气量约60 m3/t设计。

1.2.2 沼气净化处理

厌氧发酵罐产生的沼气温度约35 ℃，压力约1 000 Pa(微正压)，相对湿度为100%，H2S含量≤4 250 mg/m3。根据沼气发电机组厂家资料，沼气发电机组入口要求H2S含量≤283.5 mg/m3，沼气入口压力为12 kPa～20 kPa，沼气相对湿度≤80%。因此厌氧消化产生的沼气需经脱硫、脱水、增压后进入沼气发电机组。

1.3 负荷分析

1.3.1 蒸汽负荷

餐厨垃圾处理过程中蒸汽主要用于浆料混合、三相提油、厌氧发酵罐体保温(维持厌氧发酵所需温度)等工艺。在浆料混合工艺中蒸汽加热实现无机质与有机质的深度分离，在三相提油工艺中蒸汽加热实现最大化回收餐厨垃圾油脂。

考虑餐厨垃圾处理项目的工艺流程、生产时间和环境温度的影响，绘制项目不同季节典型日蒸汽负荷曲线如图2所示。

图2 不同季节典型日负荷曲线

从图2可以看出，白天蒸汽负荷明显高于晚上，这主要是由于浆料混合、三相提油等处理工艺基本在白天进行。

1.3.2 电负荷

项目采用1台1 250 kV·A(10/0.4 kV)的干式变压器，变压器采用单母线运行。

图3 系统工艺流程图

详细统计餐厨垃圾在处理过程中主要用电工艺(物料接受处理系统、给料系统、自动分选、固液分离等)中设备功率及运行时间，设备工作容量约1 480 kW，其中400V侧计算功率约850 kW。预计项目日用电量约18 300 kW·h。

1.3.3 空调负荷

综合考虑项目所在地气候条件、管理用房空调面积及空调设备增量投资，项目暂不考虑空调系统，但预留空调设备接口。

1.3.4 生活热水负荷

生活热水主要用于办公、食堂及员工盥洗等，按照《建筑给水排水工程》进行核算，预计每天需求生活热水4 t。

1.4 系统配置

1.4.1 发电机组装机规模

与天然气冷热电三联供系统装机规模采用“以热定电”等设计原则不同，沼气冷热电三联供系统发电机组装机规模主要依据沼气产量来确定。

经计算，本项目日产沼气约18 000 m3，扣除沼气蒸汽锅炉调峰消耗约4 000 m3，按照沼气发电2.3 kW·h/m3计算得项目总装机规模约为1 400 kW。

考虑项目的达产时间和沼气产量的波动，本项目采用“以气定电、欠负荷”的设计原则，适当降低装机规模，设计总装机规模为1 200 kW。相比较采用1台1 200 kW沼气发电机组，采用2台600 kW沼气发电机组尽管总投资高，但在实际运行中能更好地适应沼气量的变化，更具灵活性，也能够确保项目的安全性和可靠性。因此，项目采用2台600 kW沼气发电机组。

1.4.2 余热利用系统

沼气发电机组余热形式主要为烟气(约420 ℃)和缸套水(约90 ℃)。考虑项目所需负荷主要为蒸汽负荷和热水负荷，采用2台0.35 t/h余热锅炉与2台沼气发电机组“一对一”的连接形式回收烟气热量制取蒸汽(0.7 MPa，165 ℃)，采用板式换热器回收缸套水热量制取卫生热水(60 ℃)。项目工艺流程如图3所示。

1.4.3 调峰系统

根据蒸汽负荷曲线，采用2台2 t/h沼气燃气两用蒸汽锅炉(以下称“蒸汽锅炉”)作为调峰和应急设备。蒸汽锅炉根据沼气产量、余热锅炉蒸汽量的变化灵活调节，既保证供能的安全性和可靠性，又使蒸汽锅炉处于高效运行工况，进而提高能源利用率。

1.5 系统运行策略

1.5.1 发电机组运行策略

本地区执行电价见表1。

加权计算项目自用电电价为0.634 4元/(kW·h)，低于项目所在地沼气上网电价0.65元/(kW·h)，确定沼气发电机组所发电力采用“全额上网”的运行策略。

表1 电价统计表

1.5.2 余热利用运行策略

当沼气发电机组开启时，优先使用余热锅炉供应蒸汽，当蒸汽供应量不足时，开启1台蒸汽锅炉，若仍不足，开启2台蒸汽锅炉。

当沼气发电机组故障或检修时，开启1台蒸汽锅炉供应蒸汽，若蒸汽供应量不足，开启2台蒸汽锅炉。

沼气发电机组的缸套水作为加热生活热水的优先热源，在满足生活热水负荷需求后再切换至空调功能。

当余热锅炉设备出现故障时，沼气发电机组烟气直接排空，保障沼气发电机组的安全运行。

当沼气供应系统出现故障时，蒸汽锅炉采用天然气作为燃料。

3 效益分析

3.1 经济效益分析

根据项目的配置方案及运行策略，结合项目所在地的实际能源价格和沼气冷热电三联供项目投资方与餐厨垃圾处理项目投资方的协议，初步定价意向如下：沼气价格为0.35元/m3，上网电价为0.65元/(kW·h)，暂不考虑蒸汽、卫生热水等副产品收益。

设定项目建设期为1 a，运营期为20 a，设备折旧为15 a，残值率为5%，系统自用电率取5%，运行维护成本(含发电机组尾气净化处理系统)为0.12元/(kW·h)，人工成本按照20万元/a，税率参考国家优惠政策及最新税率，同时考虑环境因素以及沼气利用过程中的损耗，计算项目主要技术经济指标见表2。

表2 技术经济指标表

针对项目建设投资、运行成本(主要为沼气价格)、上网电价等主要影响因子进行敏感性分析，各因素敏感分析如图4所示。

图4 敏感性分析图

从图4可以看出，上网电价对项目的内部收益率最为敏感，其次为运营成本(主要为沼气价格)，最后为建设投资。

3.2 节能分析

在节能评价中采用相对评价较多[13-15]，即以常规系统为基准，计算冷热电三联供系统的节能效果。

餐厨垃圾处理项目沼气常规处理方式为沼气锅炉与沼气火炬直燃，采用沼气冷热电三联供系统，主要回收了直燃沼气量，即沼气冷热电三联供系统项目节能量即为火炬气沼气燃烧量。经计算，沼气火炬年燃烧沼气486万 m3，取沼气折标煤系数0.714 kg/m3[16]，计算得到沼气冷热电三联供系统比常规方式节约标煤3 470 t。

3.3 环境效益分析

沼气属于清洁能源，沼气发电机组废气中基本不含SO2和颗粒物，氮氧化物可通过SCR脱硝后达到环评要求的排放限值。

与沼气火炬直接燃烧相比，沼气冷热电三联供系统温室气体减排在于利用沼气发电而减少的排放。浙江省属于华东区域电网，根据文献[17]，经计算，沼气冷热电三联供系统年CO2减排量7 429 t，见表3。

表3 CO2减排量

4 结论

1) 在餐厨垃圾处理项目中配置沼气冷热电三联供系统方案时，须认真核算沼气产量(主要包括实际餐厨垃圾处理量、餐厨垃圾处理工艺等)、项目负荷需求及应用场景，为确定经济适宜的装机方案、高效合理的系统方案提供可靠依据。

2) 餐厨垃圾处理过程中存在比较稳定的电负荷和蒸汽负荷，同时餐厨垃圾处理产生的沼气供应相对比较稳定，适宜采用冷热电三联供系统。

3) 相比采用沼气火炬直燃方式，在餐厨垃圾处理项目中采用沼气冷热电三联供系统在不考虑余热收益的条件下，项目经济效益显著，符合国家和产业发展的方向。