污水廠變“發電廠”？污水廠沼氣發電系統性設計
北京市城區內建設的5座污泥處置中心已陸續全部投入使用，沼氣產量穩步提升，急需擴大沼氣利用規模，充分發揮沼氣能源價值。通過分析污泥產氣率、產氣量等，確定沼氣利用規模；探討多種沼氣利用形式，確定采用沼氣發電的方式。根據發電機對燃氣特性的要求和氣源性質，確定生物脫硫+一級增壓+干式脫硫+二級增壓+除硅氧烷的沼氣處理工藝路線。
2020年9月中國提出了雙碳承諾，2021年10月發布了《2030年前碳達峰行動方案》，水處理行業應該積極拓寬思路，主動尋求碳減排方法，為我國實現雙碳承諾做出貢獻。北京市在水處理方面較早確定了污泥資源化，沼氣利用的方向，為污水處理碳減排奠定基礎。
根據北京市政府發布的《加快污水處理和再生水利用設施建設三年行動計劃（2013~2015年）》方案，北京市城區內建設了5座污泥處置中心，總處理能力6 128t/d，均采用熱水解-厭氧消化-板框脫水工藝，其中3座為全新設計，其余2座是在現況污泥處理設施的基礎上進行升級改造，本文主要研究的北京市某大型污水處理廠（A廠）屬于升級改造項目。目前5座污泥處置中心全部投入運行，A廠沼氣產量較改造前至少有1~2倍的提升，現況沼氣利用設施能力與沼氣產量不匹配，急需擴大沼氣利用規模，充分發揮沼氣清潔能源的優勢，打造綠色節能水廠，深挖碳中和運行潛力。
01 氣量分析
A廠升級改造后的污泥處理工藝流程見圖1，設計污泥處理能力為180 t DS/d，900t/d（含水率80%）。通過對A廠運行數據進行分析可知，污泥處理量（見圖2）接近設計值，且有逐年升高的趨勢；對應的產氣率分析見圖3，通過污泥熱水解，污泥產氣率有大幅提升。根據污泥有機物含量的檢測情況看，冬季污泥有機份含量較高，最高可達70%以上，夏季為50%上下，且夏季5月、6月雨水較少，運行溫度平穩，利于產氣，所以冬季1月份和夏季5月份、6月份產氣率較高，最高可達360m3/t DS，全年平均產氣率約為310m3/t DS。
A廠沼氣利用工程的目標是沼氣全部利用，即產量峰值時也無沼氣燃燒，廢氣燃燒器僅在設備維修等特殊情況下使用。故沼氣利用工程的設計產氣率為360m3/t DS，設計泥量為180 t DS/d，總設計沼氣產量約為6.5萬m3/d，與實際產氣量（見圖4，三角代表平均值）對比，設計涵蓋率高，產期量波動大時，氣柜進行調節。
A廠泥區升級改造時，新增熱水解工藝，污泥熱水解需要蒸汽，由現況蒸汽鍋爐利用沼氣作為能源產生蒸汽，保障生產。根據熱水解工藝蒸汽消耗1.1t/tDS計算，平均每日熱水解約消耗沼氣2萬m3/d，故作為新建沼氣利用工程的設計氣量為4.5萬m3/d。
02 沼氣利用形式
沼氣利用形式較多，常見的有沼氣提純、沼氣發電、沼氣拖動鼓風機、沼氣鍋爐等。現況廠內存在兩種沼氣利用形式，沼氣鍋爐和沼氣拖動鼓風機。3臺6t/h的沼氣鍋爐為熱水解提供蒸汽，3臺3.1萬m3/h沼氣拖動鼓風機為生物池提供部分空氣。
2.1 沼氣拖動鼓風機
如果設計氣量4.5萬m3/d沼氣全部采用拖動鼓風機的利用形式，根據該廠運行經驗數據24m3/d的沼氣對應90m3/h的曝氣量，4.5萬m3/d沼氣可推動鼓風機氣量約16.9萬m3/h。由圖5可知，A廠2018-2019年的實際曝氣量遠小于16.9m3/h，結合廠內的精確曝氣改造，曝氣量有下降趨勢。這個方案顯然達不到沼氣全利用的目的，且沼氣發動機拖動鼓風機運行，損失部分能量，綜合能源利用率為55%~65%。現況廠內運行的沼氣拖動鼓風機設備維修頻率高，維護費用貴，市場設備品類少，所以不推薦沼氣拖動鼓風機的利用形式。
2.2 沼氣鍋爐
全廠用熱主要分為兩部分，熱水解工藝生產用熱和冬季水區泥區的采暖用熱。全年熱量需求波動大，冬季最高總用熱量約為6.5MW，6.5萬m3/d的沼氣量折算能量約為16.8MW，遠高于廠內用熱需求，故不推薦沼氣鍋爐的利用形式。
2.3 沼氣提純
沼氣提純是常用的沼氣利用方式，沼氣中成分主要是50%～70%CH4、25%～45%CO2及少量N2、H2S和H2O，其中CO2是影響沼氣使用效果的最主要因素。濃度大于92%的甲烷氣體符合《天然氣》（GB 17820-2018）要求，從而可能并入天然氣管網。但沼氣提純利潤與發電相比較低，提純后的產品廠內無法自己消化，且并網準入困難，故本工程不采用沼氣提純。
2.4 沼氣發電
污水處理廠的用電特點是，用電量最大的設備集中在進水泵和鼓風機，占全廠用電量的約1/3，水區總用電負荷約為10.98MW，現況光伏發電能力為4.7MW,其余電量均需購買市電，且光伏發電不穩定，故需要大量電能。若采用沼氣發電，發電量平穩，電能“反哺”水廠，降低外購電成本，還可并網上網，使用靈活，可取得明顯的經濟效益、環保效益和社會效益。
根據設計氣量4.5萬m3/d，沼氣計算熱值5 350千卡/m3（甲烷含量65%），發電效率按40%計算，裝機規模為4.7MW，結合設備機型特點，確定采用4臺1.2MW的沼氣發電機。由圖6可知，沼氣發電的綜合能源利用率可達80%，除產生電能外，利用煙氣廢熱生產蒸汽，減少熱水解沼氣鍋爐沼氣用量；回收缸套水中冷水熱量，滿足廠區供暖需求；與常規的燃氣鍋爐或直燃機供熱制相比，具有能源梯級利用，經濟性好的特點，故本次工程采用沼氣發電的利用形式。
03 沼氣預處理
沼氣發電機內部有較為精細的機械零件，對沼氣特性有一定要求。在發電機燃燒做功的過程中，沼氣內的H2S對發動機有強烈的腐蝕作用，且燃燒后產生SO2，對環境有不利影響，同時要去除沼氣中的飽和水，調整氣體壓力，去除雜質灰塵等，才滿足沼氣發電機的進氣要求。值得注意的是，沼氣中的微量硅氧烷在發電機中燃燒時會被轉化為微晶二氧化硅，嚴重損害沼氣發電機的穩定高效運行，故去除硅氧烷也是保證平穩運行不可缺少的環節。沼氣預處理可總結為脫硫、調壓、除濕、除雜、去硅氧烷。
3.1 沼氣預處理工藝路線
工藝路線的確定與現況設備設施情況有很大關系，例如氣柜的形式，厭氧消化池的耐受壓力，現況脫硫、除雜設備情況，現有設施的位置等，均會影響調壓方案（是一次增加還是兩次增壓，每次增加的壓力值）和處理設施放置的先后順序。以A廠為例，現況沼氣工藝路線見圖7，結合實際情況本工程確定的沼氣工藝路線見圖8，圖中所示壓力值為理論計算作為參考，運行時可根據實際情況調整。
本次改造主要增加生物脫硫、增壓和去硅氧烷設備。改造后，生物脫硫和干式脫硫共同承擔脫硫任務，降低脫硫成本（與僅干式脫硫相比，聯合脫硫的運行成本降低一半以上）。兩次增壓主要是為了控制沼氣輸送管道的壓力不高于現況冷凝水罐的水封，否則改造量增加，影響現況生產運行。硅氧烷的去除主要為保護發電機穩定運行，降低故障率。
由于A廠的氣柜形式為干式鋼制氣柜，具有較高的承壓能力，所以生物脫硫放在一次增壓的前面，充分利用沼氣壓力。經了解，某水廠氣柜為雙模氣柜，由于承壓能力及現況運行壓力較低，故要先進行一級增壓，再進行生物脫硫。在工程允許的情況下，盡量先脫硫，減小對后續工藝管道、氣柜等設備的腐蝕。
制定工藝路線也需要考慮現況氣柜的位置，當氣柜處在工藝路線的中間時，氣柜之前的設施為保證處理效果，處理能力需滿足峰值氣量，若沼氣從消化池直接進氣柜，且無條件改造時，后續設備的處理能力可適當降低，充分發揮氣柜的調蓄作用。
3.2 沼氣脫硫
根據《沼氣電站技術規范》，當甲烷含量為50%~60%時，硫化氫含量要求不高于250mg/Nm3（約180 ppm），當甲烷含量不小于60%時，硫化氫含量要求不高于300mg/Nm3（約216 ppm）。A廠沼氣的甲烷含量為55%~70%，結合現況沼氣含硫量本底值、對管道設備保護及運行成本等因素，A廠設計要求是通過脫硫工藝后，沼氣硫化氫含量控制在不高于50 ppm。
A廠現況脫硫方式僅為干式脫硫，原設計進口硫化氫濃度小于1 000 ppm，處理后沼氣硫化氫濃度小于50 ppm。干式脫硫實測進出口沼氣含硫量見圖9，進氣濃度經常超過設計值，出氣濃度隨進氣濃度波動，有些未達到設計標準。A廠采用的干式脫硫為氧化鐵法，當新填料開始用時，處理效果較好，但無法控制出氣含硫量，隨著使用時間的延長，去除效果越來越差，直至不滿足出氣標準，更換填料。泥區熱水解改造后，實際產生的沼氣量比設計值更高，脫硫填料更換頻繁，基本每月更換全部填料，一次更換成本約50萬元，費用較高。
基于現況情況，此次發電項目在干式脫硫前增設生物脫硫，生物脫硫的工藝見圖10。沼氣首先進入洗滌塔，在洗滌塔中與洗滌水（含NaOH）混合并分離，在弱堿性條件下去除H2S和CO2。吸收了H2S的洗滌水進入微曝氣生物反應器，好氧硫細菌將硫氫化鈉氧化成單質硫并恢復堿度，含NaOH的洗滌水回流至洗滌塔中再次利用，分離出來的硫污泥被轉移出來以供進一步使用或處理。沼氣通過生物脫硫后，H2S含量可降至200 ppm，干式脫硫再將H2S含量處理至50 ppm，這樣大大降低了藥劑的使用量，節約成本，兩級脫硫，保證處理效果，為后續沼氣利用提供更優良的氣質，保障穩定生產。
3.3 沼氣增壓
發電機對沼氣壓力的要求約為8~20 kPa，不同品牌的設備略有不同，結合A廠現況運行情況，制定增壓方案。A廠設計為兩級增壓方案，一級增壓約5 kPa，目的是克服干式脫硫阻力和維持管道一定正壓，廠區大部分沼氣管線的壓力均不超過7 kPa，保證安全輸送，同時考慮現況水封高度。在發電機房外設置二級增壓，增壓約15 kPa，將沼氣壓力增大到發電機的需求值，這樣最大限度保證沼氣的安全轉輸和使用。
一級增壓的工藝流程為：進氣-初級過濾器-開壓-降溫除水-出氣，沼氣首先經過初級過濾器，去除大顆粒雜質，控制灰塵粒徑小于30μm，進行升壓后沼氣溫度升高，高溫對后續處理尤其是生物脫硫影響較大（某些處理廠生物脫硫在一級增壓后），最后沼氣與冷卻水進行熱交換，降低沼氣溫度和濕度。二級增壓的工藝流程為：進氣-初級過濾器-降溫降水-升壓-降溫降水-精密過濾-出水，沼氣首先經過30μm的初級過濾器，去除大顆粒雜質，然后進入水-沼氣換熱器，將沼氣從40℃降至20℃，產生的冷凝水從換熱器底部排出，細小液滴隨氣流在旋風分離器中被去除，升壓后的沼氣通過3μm精密過濾器，達到發電機入口要求。
3.4 硅氧烷去除
沼氣中的硅氧烷主要來自于厭氧消化過程中未被分解的化合物，這些化合物主要來自于化妝品、洗滌劑、建筑材料、紙張涂料、紡織品、藥品等。硅氧烷燃燒轉化成微晶二氧化硅，具有和玻璃相似的化學和物理特性，會使潤滑油失活，還會沉積在發動機燃燒室內壁和活塞、閥門等發動機部件的表面，阻礙熱傳導并磨損發動機，大大縮短設備維修間隔和使用壽命，增加運行成本。
根據圖11可知，A廠沼氣中硅氧烷含量遠超發電機進氣要求，故硅氧烷的去除是必不可少的。目前去除方法有吸附法、吸收法、低溫冷凝法、生物法、催化法及膜分離等，其中活性炭吸附法是應用最普遍成熟的，缺點是活性炭無法就地再生而得不到重復利用。
A廠擬采用吸附法，吸附劑為有機聚合物，其特點為可再生。每套設備含兩條處理線，當a線吸附工作時，b線對吸附劑進行吹掃、加熱再生、冷卻和充壓待切換4個步驟，兩條處理線交替工作。這種方式降低處理成本，減少吸附劑使用量。
04 沼氣系統設計要點
沼氣系統設計必須要有系統思維，尤其是改造項目，需要充分了解實際運行情況，在氣量、氣壓、氣質處理等方面與現況設備結合，實現多種運行方式靈活切換。第一，確定合理的工藝路線是最重要的，需要考慮現況各工藝節點的運行壓力，脫硫情況，現有設施和新建建構筑物位置關系，廠區管線等因素；第二，注重沼氣的預處理十分必要，沼氣溫度、濕度、硫含量、雜質含量和尺寸都會對利用設施產生影響；第三，運行靈活度、成本與收益是運行階段最關注的問題，例如該廠干濕脫硫結合，大大降低運行成本，在設計時充分與運行人員交流，得到生產一線的反饋，這些在設計時容易忽略。在該工程設計時，總結了以下幾點設計細節：
沼氣管道在廠區內有露天高架部分也有埋地時，管道內沼氣溫度易降低，尤其在冬季，注意增加排除冷凝水措施。
適當加大沼氣管徑，增加調蓄容量，增強系統運行穩定性。
根據沼氣利用方式的不同，對沼氣壓力要求不同，本項目增設一級增壓和二級增壓，導致廠區沼氣管線壓力變化，現況水封高度需注意是否滿足改造后沼氣壓力的要求。
一級增壓、二級增壓系統等設備為成套供貨，但仍要注意廠家電氣設計是否符合《爆炸危險環境電力裝置設計規范》的要求，注意爆炸危險區域劃分和爆炸性氣體環境危險區域范圍。
改造項目在設計管線時，尤其是沼氣管線，注意與現況管線勾頭點的減少，對正常生產的影響降到最低，并且在設計層面考慮實現多種運行方式的切換，增加運行管理靈活性。
05 結 論
通過分析A廠沼氣產量和使用量，確定沼氣利用工程規模是4.5萬m3/d。結合廠內情況，政策導向和技術特點，確定沼氣發電的利用方式。根據發電機對燃氣特性要求，確定沼氣預處理工藝路線為“脫硫、調壓、除濕、除雜、去硅氧烷”，保證沼氣處理后含硫量小于50 ppm，增壓至8~20 kPa，相對濕度小于80%，雜質粒徑不大于3μm，硅氧烷含量不高于5mg/m3，為實現發電機穩定運行打好基礎。根據2018至2019年實際產氣量進行測算，該廠可發電量約2 200萬kW·h，每年能減排約1.3萬t二氧化碳。
致謝：感謝北京市排水集團、北排建設團隊對沼氣發電設計方案提供的運行經驗與相關技術支持。
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