污水处理厂余热综合利用系统与节能效益

景 源，刘军胜

(北京市煤气热力工程设计院有限公司，北京 100032)

1 概述

根据国家政策，坚持宜气则气、宜电则电、宜煤则煤、宜热则热，大力推进北方地区清洁供暖。截至2019年底，北方地区清洁供暖率达55%，比2016年提高21%。

随着城市发展，人口不断增长，城市污水量逐步增加，为有效利用污水资源，许多城镇污水处理厂将处理后的再生水用于河湖补水、绿化、市政杂用、工业冷却等，实现了污水的资源化利用[1]。污水处理过程中产生的污泥，处理后可生产沼气[2]。为综合利用沼气、再生水资源，笔者提出一种污水处理厂余热综合利用方案，实现资源利用最大化。

本文提出污水处理厂余热综合利用方案，对余热综合利用系统的年平均能源综合利用率、节能率进行测算。

2 余热综合利用方案

2.1 工程概况

华北地区某污水处理厂污泥处理工艺沼气设计工况产量为1 700 m3/h，除已利用沼气760 m3/h外，富余沼气940 m3/h。沼气低热值为22.4 MJ/m3。本文分析利用富余沼气发电。

污水处理工艺所需最大蒸汽质量流量为18 t/h，为2.5 MPa的饱和蒸汽，每日工作24 h，年工作时间为365 d。软化水为间歇需求，在有需求期间也呈波动变化。再生水量可满足发电机组全部冷却需求，且全年温度稳定在35 ℃左右。厂区内供暖热负荷为4.8 MW，供水温度为85 ℃，回水温度为60 ℃。

2.2 工艺系统

余热综合利用系统流程见图1，图中均用1个设备框表示2台设备。发电机组满负荷运行条件下，供暖热水、软化水的质量流量分别为46.72、5.22 t/h，可分别满足发电机组高、低温冷却水冷却负荷。沼气内燃机发电机组(以下简称发电机组)高温冷却水泵、低温冷却水泵均集成在发电机组内。高温冷却水用于冷却发电机组气缸、一级中冷器、润滑油，低温冷却水用于冷却发电机组二级中冷器。图1中，阀1～4、阀8～10为电动三通阀，阀5～7为手动两通阀。

发电机组烟气出口设带三通阀的烟道，当烟气余热全部利用时，全部烟气通过阀1流经余热蒸汽锅炉后排至室外。当烟气余热部分利用时，根据蒸汽负荷需求调节阀1，使部分烟气流经余热蒸汽锅炉，部分直接排至室外。余热蒸汽锅炉通过回收发电机组烟气余热制备蒸汽，向污水处理厂提供部分生产工艺蒸汽，板式换热器1通过回收高温冷却水余热加热供暖热水，板式换热器3通过回收低温冷却水余热加热制蒸汽所需的部分软化水。为充分利用污水处理厂内再生水低温冷量，设置板式换热器2、4作为高温冷却水、低温冷却水冷却装置。冷却水箱1、2则作为再生水系统故障状态下的冷却装置。

图1 余热综合利用系统流程

2.3 设备配置

考虑软化水需求、再生水量以及再生水系统故障工况，冷却水箱1、板式换热器1、板式换热器2换热功率按满足高温冷却水最大冷却负荷选取，冷却水箱2、板式换热器3、板式换热器4传热量按满足低温冷却水最大冷却负荷选取。主要设备单台额定参数见表1。

表1 主要设备单台额定参数

2.4 运行策略

① 非供暖期

发电机组发电满足污水处理厂部分电负荷，不足部分由市电补充。余热蒸汽锅炉吸收发电机组烟气余热制备蒸汽，满足污水处理厂部分生产工艺蒸汽需求，不足部分由厂区蒸汽供应系统补充。

再生水系统正常运行时，高温冷却水由板式换热器2冷却，低温冷却水由板式换热器3、4冷却。发电机组、余热蒸汽锅炉、板式换热器2、板式换热器3、板式换热器4开启，冷却水箱1、冷却水箱2、板式换热器1关闭。阀7开启，阀5、阀6关闭。各三通阀的通路、断路，根据实际需要进行控制。

当再生水系统出现故障时，高温冷却水改为由冷却水箱1冷却，低温冷却水由冷却水箱2、板式换热器3冷却。发电机组、余热蒸汽锅炉、冷却水箱1、板式换热器3、冷却水箱2开启，板式换热器1、板式换热器2、板式换热器4关闭。阀7开启，阀5、阀6关闭。各三通阀的通路、断路，根据实际需要进行控制。

② 供暖期

发电机组发电满足污水处理厂部分电负荷，不足部分由市电补充。余热蒸汽锅炉吸收发电机组烟气余热制备蒸汽，满足污水处理厂部分生产工艺蒸汽需求，不足部分由厂区蒸汽供应系统补充。板式换热器1利用高温冷却水加热供暖回水，不足供暖热负荷由厂区其他供暖热源补充。

再生水系统正常运行时，高温冷却水由板式换热器1、2冷却，低温冷却水由板式换热器3、4冷却。发电机组、余热蒸汽锅炉、板式换热器1、板式换热器2、板式换热器3、板式换热器4开启，冷却水箱1、冷却水箱2关闭。阀5、阀6开启，阀7关闭。各三通阀的通路、断路，根据实际需要进行控制。

当再生水系统出现故障时，高温冷却水由冷却水箱1、板式换热器1冷却。低温冷却水由冷却水箱2、板式换热器3冷却。发电机组、余热蒸汽锅炉、冷却水箱1、冷却水箱2、板式换热器1、板式换热器3开启，板式换热器2、板式换热器4关闭。阀5和阀6开启，阀7关闭。各三通阀的通路、断路，根据实际需要进行控制。

3 节能效益测算

根据实际年富余沼气224.02×104m3，发电机组折合年满负荷运行时间为2 568 h，其中供暖期1 848 h，非供暖期720 h。发电机组年发电量为540.82×104kW·h，余热蒸汽锅炉年制蒸汽量为3 338.4 t，板式换热器1年加热供暖热水热量250.96×104kW·h，板式换热器3加热软化水热量为46.74×104kW·h。

① 年平均能源综合利用率

年平均能源综合利用率ηu的计算式为：

(1)

式中ηu——年平均能源综合利用率

E——发电机组年净发电量，kW·h

h——蒸汽与软化水比焓差，MJ/t，为2 656 MJ/t

m——余热蒸汽锅炉年制蒸汽量，t

Qh——板式换热器1年加热供暖热水热量，kW·h

Qs——板式换热器3加热软化水热量，kW·h

V——年富余沼气量，m3

Hi——沼气低热值，MJ/m3

忽略高、低温冷却水泵耗电量，将已知参数代入式(1)，可计算得到余热综合利用系统年平均能源综合利用率为77.8%。GB 51131—2016《燃气冷热电联供工程技术规范》第1.0.4条要求，联供系统的年平均能源综合利用率应大于70%。余热综合利用系统年平均能源综合利用率符合规范要求。

② 节能率

根据GB 51131—2016式(4.3.10-1)、(4.3.10-2)，余热综合利用系统节能率r的计算式为：

(2)

式中r——余热综合利用系统节能率

mc——电厂供电标准煤耗，g/(kW·h)

θ——供电线路损失率

ηb——燃气锅炉热效率，取0.9

电厂供电标准煤耗按国家能源局2021年全国电力工业统计数据取302.5 g/(kW·h)。供电线路损失率按国家能源局2021年全国电力工业统计数据取0.052 6。

将已知参数代入式(2)，可计算得到余热综合利用系统节能率为30.6%。GB 51131—2016第4.3.10条要求，联供系统的节能率应大于15%。余热综合利用系统节能率符合规范要求。

4 结论

余热综合利用系统年平均能源综合利用率为77.8%，节能率为30.6%，符合GB 51131—2016《燃气冷热电联供工程技术规范》。