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北京排水集團(tuán)高碑店污水處理廠沼氣熱電聯(lián)供情況介紹
一、沼氣來源及利用二、沼氣安保、凈化、儲(chǔ)存、分配設(shè)施設(shè)備配置狀況
三、沼氣發(fā)動(dòng)機(jī)-余熱回收-發(fā)電機(jī)組設(shè)施設(shè)備配置狀況
四、沼氣熱電聯(lián)供經(jīng)濟(jì)分析
五、沼氣熱電聯(lián)供運(yùn)行維護(hù)方式及現(xiàn)存問題
北京排水集團(tuán)高碑店污水處理廠
沼氣熱電聯(lián)供情況介紹
北京排水集團(tuán)高碑店污水處理廠是北京市擬建的15座城市污水處理廠中規(guī)模最大的，也是目前全國(guó)規(guī)模最大的城市污水處理廠，承擔(dān)著市中心區(qū)及東部工業(yè)區(qū)總計(jì)9661公頃流域范圍內(nèi)的污水收集與治理任務(wù)，服務(wù)人口240萬，廠區(qū)總占地68公頃，總處理規(guī)模為每日100萬立方米，約占北京市目前污水總量40％。高碑店污水處理廠位于北京市朝陽(yáng)區(qū)高碑店鄉(xiāng)界內(nèi)，根據(jù)上游管網(wǎng)配套情況及資金狀況，按統(tǒng)一規(guī)劃分期建設(shè)的原則，分兩期實(shí)施。一期工程日處理污水50萬立方米，總投資5.24億元人民幣，于1990年開工，1993年底建成通水，1998年底一期泥區(qū)運(yùn)行成功；二期工程日處理污水50萬立方米，總投資11.2億元人民幣，于1995年開工，1999年9月建成通水，2002年底二期泥區(qū)運(yùn)行成功；自1993年底建成通水后，高碑店污水處理廠始終堅(jiān)持滿負(fù)荷運(yùn)行、全達(dá)標(biāo)排放的水平，取得了明顯的社會(huì)效益和環(huán)境效益。
一、沼氣來源及利用
高碑店污水處理廠采用傳統(tǒng)活性污泥法二級(jí)處理工藝。污泥處理采用中溫及高溫兩級(jí)消化工藝，日產(chǎn)生化沼氣設(shè)計(jì)量為53000方，目前約25000方，其主要成份為甲烷（CH4）。其典型的組成為：
CH460%
CO230%
N28.0%
CO0.3%
H2S0.1%
其它1.2%
LHV5000-6000kcal/Nm3
經(jīng)科學(xué)認(rèn)定，作為溫室氣體的甲烷CH4對(duì)大氣的危害是C02的24.5倍。如對(duì)沼氣處理不當(dāng)，排放到大氣中，其對(duì)局部環(huán)境和整個(gè)地球的環(huán)境危害極大，國(guó)際環(huán)保組織對(duì)各個(gè)國(guó)家的溫室氣體排放量都有一定的限制；同時(shí)，以甲烷為主要成份的生化沼氣是非常理想的再生能源。在城市污水處理行業(yè)，生化沼氣利用途徑一般有三種：
1．沼氣鍋爐：利用沼氣燃燒產(chǎn)生熱源加熱消化污泥--這種利用途徑只能利用沼氣熱值的50%;
2．沼氣內(nèi)燃機(jī)-余熱回收-鼓風(fēng)機(jī)組：利用沼氣內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動(dòng)鼓風(fēng)機(jī)，并利用余熱回收裝置回收沼氣內(nèi)燃機(jī)的余熱加熱消化污泥--這種利用途徑能充分利用沼氣熱值，一般可達(dá)沼氣熱值的85％到90%;
3．沼氣內(nèi)燃機(jī)-余熱回收-發(fā)電機(jī)組：利用沼氣內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電與廠內(nèi)供電并網(wǎng)，并利用余熱回收裝置回收沼氣內(nèi)燃機(jī)的余熱加熱消化污泥--這種利用途徑能充分利用沼氣熱值，一般可達(dá)沼氣熱值的85%90%；
高碑店污水處理廠對(duì)生化沼氣采用“沼氣內(nèi)燃機(jī)一余熱回收一發(fā)電機(jī)組”利用途徑，共計(jì)7臺(tái)機(jī)組，總發(fā)電功率近4MW，總熱功率約5MW，能夠解決全廠優(yōu)％的用電量和污泥消化5肌的用熱量，是一種典型的小型“燃?xì)鉄犭娐?lián)供”模式。
二、沼氣安保、凈化、儲(chǔ)存、分配設(shè)施設(shè)備配置狀況
城市污水處理廠的生化沼氣屬易燃易爆氣體，在生產(chǎn)和利用過程中必須配有相應(yīng)的安保設(shè)施設(shè)備，一般為安全閥。阻火器、凝水器、水封、廢氣燃燒器等等；同時(shí)利用生化沼氣作燃料的燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)對(duì)生化沼氣的質(zhì)量也有一定要求，典型值如下表，因此在進(jìn)入燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)之前還要對(duì)生化沼氣進(jìn)行一系列凈化處理。
表：對(duì)燃?xì)赓|(zhì)量的要求：
項(xiàng)目數(shù)值最高溫度（°C）40（104°F）最高相對(duì)濕度（%）80冷凝0最大粉塵顆粒度（μm）
粉塵最大量
3
50
最大H2S含量（mg/kwh）200鹵化物最高含量（C1+2F總量）
�。╩g/10kwh）
質(zhì)量保證不受影響
質(zhì)量保證受限制
由于直接或間接鹵化物的升高，機(jī)器得到損壞，無質(zhì)量保證<100
100-400
>400硅最高含量（mg/10kwh）
質(zhì)量保證不受限制
有條件質(zhì)量保證（可能會(huì)對(duì)排氣門、缸套和活塞環(huán)產(chǎn)生磨損）氨最高含量（mg/10kwh）55殘油最高含量（mg/10kwh）5
工程實(shí)踐中，生化沼氣凈化處理過程一般可歸納為沼氣脫硫、除油、除塵、除濕過程。根據(jù)燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)對(duì)生化沼氣的要求不同和工程實(shí)踐的差別，沼氣脫硫、除油、除塵、除濕過程的工藝線路及其設(shè)施設(shè)備配置是有所差別的。
高碑店污水處理廠一期“沼氣內(nèi)燃機(jī)-余熱回收-發(fā)電機(jī)組”，共計(jì)4套，由美國(guó)庫(kù)伯公司供貨，沼氣內(nèi)燃機(jī)型號(hào)為6GTLB，自帶簡(jiǎn)單進(jìn)氣過濾除塵、除濕、除油裝置，外配干式脫硫塔兩座，脫硫劑為鐵屑；6GTLB型沼氣內(nèi)燃機(jī)對(duì)進(jìn)氣壓力要求2bar到5bar，而消化池產(chǎn)生沼氣壓力一般為0.02bar，不超過0.035bar，故相應(yīng)配置2臺(tái)沼氣增壓機(jī)（由美國(guó)AC公司供貨，型號(hào)為Ro-FloMode1H11SM），1座2000方的高壓球罐等，這種增壓處理伴生了一部分沼氣除濕功能。具體處理工藝線路如下圖：
高碑店污水處理廠二期“沼氣內(nèi)燃機(jī)-余熱回收-發(fā)電機(jī)組”，共計(jì)3套，由奧地利顏巴赫公司供貨，沼氣內(nèi)燃機(jī)型號(hào)為JMS316GS-B.L，自帶簡(jiǎn)單進(jìn)氣過濾除塵裝置，外配濕式脫硫塔兩座，脫硫劑為濃度50％的NaOH堿溶液；JMS316GS-B.L型沼氣內(nèi)燃機(jī)對(duì)進(jìn)氣壓力要求0.05bar到0.1bar，故相應(yīng)配置2臺(tái)管道式沼氣增壓器直接增壓后進(jìn)沼氣內(nèi)燃機(jī)。具體處理工藝線路如下：
一期干式脫硫?qū)倬摿�，脫硫范圍小，但運(yùn)行成本低；二期堿液濕式脫硫?qū)俅置摿�，脫硫范圍大，但安全性要求高，運(yùn)行成本也高�？傮w說來，一期沼氣凈化處理過程較二期復(fù)雜一些，相應(yīng)安保設(shè)施設(shè)備（如：安全閥、水封、水器、阻火器等）數(shù)量也多一些，建設(shè)投資費(fèi)也高一些，但脫硫、除塵、除油等效果較好，這可以從沼氣內(nèi)燃機(jī)排氣管道廢積物數(shù)量和成分證實(shí)。
三、沼氣發(fā)動(dòng)機(jī)-余熱回收-發(fā)電機(jī)組設(shè)施設(shè)備配置狀況
高碑店污水處理廠一期“沼氣內(nèi)燃機(jī)-余熱回收-發(fā)電機(jī)組”，共計(jì)4套，由美國(guó)庫(kù)伯公司供貨，1991年訂貨，沼氣內(nèi)燃機(jī)型號(hào)為6GTLB，機(jī)械功率513KW，熱功率約600KW；余熱回收裝置由美國(guó)Vaporphase公司制造，換熱參數(shù)：W=2420-2、S=0.188，H=0.375，熱媒介質(zhì)為軟化水，使用泥水熱交換器給消化汕污泥加熱；發(fā)電機(jī)由美國(guó)KAT0公司制造，型號(hào)8P6.5-2200，輸出電壓三相AC6300V，發(fā)電容量470KW：高壓并網(wǎng)開關(guān)柜由美國(guó)P0WELL公司制造，廠內(nèi)并網(wǎng)，屬無限源負(fù)載；控制系統(tǒng)由庫(kù)伯公司隨機(jī)配套；工程設(shè)計(jì)單位是北京市政設(shè)計(jì)院；工程施工安裝單位是北京市政四公司；具體配置狀況如下圖：
高碑店污水處理廠二期“沼氣內(nèi)燃機(jī)-余熱口收-發(fā)電機(jī)組”，共計(jì)3套，由奧地利顏已赫公司供貨，1995年訂貨，沼氣內(nèi)燃機(jī)型號(hào)為JMS316GS-B.L，械功率約710KW，熱功率約850KW；余熱回收裝置國(guó)產(chǎn)化為“北京海淀永大機(jī)電設(shè)備制造有限責(zé)任公司”制造，產(chǎn)品系列號(hào)20023-5，換熱參數(shù)：面積＝46m2、壓力=0.55/1.09Mpa、溫度＝550／120℃，熱媒介質(zhì)為軟化水，使用泥水熱交換器給消化池污泥加熱；發(fā)電機(jī)型號(hào)DIDBN-110／105／1-4，輸出電壓三相AC6300V，發(fā)電容量652KW；高壓并網(wǎng)開關(guān)柜由瑞典PURAC公司供貨，廠內(nèi)并網(wǎng)，屬無限源負(fù)載；控制系統(tǒng)由奧地利顏巴赫公司隨機(jī)配套；工程設(shè)計(jì)單位是北京市政設(shè)計(jì)院；設(shè)備總承包單位是瑞典PURAC公司；工程施工安裝單位是北京市政四公司。具體配置狀況如下圖：
四、沼氣熱電聯(lián)供經(jīng)濟(jì)分析
高碑店污水處理廠一期“沼氣內(nèi)燃機(jī)-余熱回收-發(fā)電機(jī)組”于1999年初逐步投入運(yùn)行；二期“沼氣內(nèi)燃機(jī)-余熱回收-發(fā)電機(jī)組”于2001年初使用一期消化池沼氣逐步投入運(yùn)行。當(dāng)時(shí)沼氣產(chǎn)量不足，同時(shí)機(jī)組設(shè)備故障率也居高不下，發(fā)電量嚴(yán)重不足；隨著一期消化池沼氣產(chǎn)量逐步提高，機(jī)組設(shè)備也在逐步度過運(yùn)行磨合期，完好率有所提高，2001年共完成發(fā)電量420萬度（價(jià)值約250萬元RMB），產(chǎn)熱量約43億大卡（相當(dāng)于7000噸0.4Mpa壓力的水蒸汽熱量，價(jià)值約60萬元RMB）；2002年共完成發(fā)電量650萬度（價(jià)值約390萬元RMB），產(chǎn)熱量約65億大卡（相當(dāng)于10000噸0.4Mpa壓力的水蒸汽熱量，價(jià)值約80萬元RMB）；2002年底隨著二期消化池成功投入運(yùn)行，到2003年初，整個(gè)泥區(qū)沼氣產(chǎn)量快速提高，日產(chǎn)沼氣約25000方，日發(fā)電量約4.8萬度，日產(chǎn)熱量約5000萬大卡；隨著消化池溫度逐步提高和穩(wěn)定，污泥消化將更趨穩(wěn)定，2003年日平均產(chǎn)氣量可望達(dá)到31000方，日平均發(fā)電量可望達(dá)到5.5萬度，日平均產(chǎn)熱量約6000萬大卡，2003年全年發(fā)電量可望達(dá)到2000萬度（價(jià)值約1200萬元RMB），產(chǎn)熱量約220億大卡（相當(dāng)于37000噸0.4Mpa壓力的水蒸汽熱量，價(jià)值約300萬元RMB）；
高碑店污水處理廠一期“沼氣內(nèi)燃機(jī)-余熱回收-發(fā)電機(jī)組”總投資約6000萬元RMB（包括用于沼氣發(fā)電的沼氣管線和余熱利用設(shè)施設(shè)備，但不包括沼氣壓縮機(jī)房）；二期“沼氣內(nèi)燃機(jī)-余熱回收-發(fā)電機(jī)組”由于沒有沼氣增壓機(jī)、高壓球罐等設(shè)施，同時(shí)也無需重復(fù)投資廢氣燃燒器設(shè)施設(shè)備，故總投資比一期有所降低，約5000萬元RMB（包括用于沼氣發(fā)電的沼氣管線和余熱利用設(shè)施設(shè)備）；高碑店污水處理廠“沼氣內(nèi)燃機(jī)-余熱回收-發(fā)電機(jī)組”總投資約1.1億元RMB。根據(jù)日處理污水100萬噸的設(shè)計(jì)量，全面而穩(wěn)定運(yùn)行的污泥消化日產(chǎn)沼氣應(yīng)為53000方，但目前高碑店污水處理廠實(shí)際處理水量不足，全面而穩(wěn)定運(yùn)行的污泥消化平均日產(chǎn)沼氣40000方應(yīng)是現(xiàn)實(shí)可行的。平均日產(chǎn)沼氣40000方，平均日發(fā)電量可望達(dá)到7.5萬度，平均日產(chǎn)熱量約8000萬大卡，全年發(fā)電量可望達(dá)到2700萬度（價(jià)值約1600萬元RMB），產(chǎn)熱量約280億大卡（相當(dāng)于48000噸0.4Mpa壓力的水蒸汽熱量，價(jià)值約400萬元RMB）；高碑店污水處理廠泥區(qū)全面而穩(wěn)定運(yùn)行后，“沼氣內(nèi)燃機(jī)-余熱回收-發(fā)電機(jī)組”年生產(chǎn)總值可達(dá)2000萬元RMB。綜合考慮設(shè)備維護(hù)費(fèi)、材料費(fèi)（潤(rùn)滑油、火花
塞、脫硫劑等）、人員管理費(fèi)，以及設(shè)施設(shè)備折舊費(fèi)（設(shè)施折舊期50年，設(shè)備折舊期20年）等各種因素，高碑店污水處理廠“沼氣內(nèi)燃機(jī)-余熱回收-發(fā)電機(jī)組”投資匯報(bào)期約為7或8年，可見經(jīng)濟(jì)效益還是可觀的。
五.沼氣熱電聯(lián)供運(yùn)行維護(hù)方式及現(xiàn)存問題
高碑店污水處理廠“沼氣內(nèi)燃機(jī)-余熱回收-發(fā)電機(jī)組”由分廠發(fā)電機(jī)班負(fù)責(zé)日常運(yùn)行和維護(hù)，實(shí)行“橫班制”，保證24小時(shí)都有人值班。機(jī)組簡(jiǎn)單日常維護(hù)（如：換油、換火花塞等）和故障維修由發(fā)電機(jī)班負(fù)責(zé)，大修、中修和部分項(xiàng)修在總廠總工辦，設(shè)備科指導(dǎo)下由外協(xié)單位承擔(dān)；生產(chǎn)管理由分廠完成。經(jīng)過近三年運(yùn)轉(zhuǎn)，在設(shè)施設(shè)備維護(hù)及生產(chǎn)管理兩方面仍存在不少問題。
關(guān)于設(shè)施設(shè)備維護(hù)，可以分為沼氣凈化處理過程、沼氣內(nèi)燃機(jī)組、發(fā)電并網(wǎng)用電調(diào)度過程、熱力利用調(diào)度過程等四方面，具體問題有：
1．沼氣凈化處理過程：（1）沼氣硫含量居高不下，可達(dá)15000ppm，現(xiàn)有干式脫硫范圍約為500ppm到5000ppm，濕式脫硫范圍約為1200ppm到10000ppm，顯然不能完全徹底脫硫，建議將濕式脫硫和干式脫硫串聯(lián)起來，先濕式脫硫，后干式脫硫；（2）應(yīng)設(shè)置單獨(dú)的沼氣除塵、除油、除
濕裝置，以提高沼氣凈化程度；
2．沼氣內(nèi)燃機(jī)組：一定要進(jìn)行機(jī)組設(shè)備備配件國(guó)產(chǎn)化工作，特別是火花塞的國(guó)產(chǎn)化工作以降低設(shè)備維護(hù)費(fèi)用；
3．發(fā)電并網(wǎng)用電調(diào)度過程：（1）應(yīng)由總廠統(tǒng)一協(xié)調(diào)和調(diào)度，保證沼氣發(fā)電能夠有效利用，避免送出廠外作無用功；（2）盡量在用電高峰多發(fā)電；
4．熱力利用調(diào)度過程：應(yīng)由分廠統(tǒng)一協(xié)調(diào)，（1）盡可能利用沼氣內(nèi)燃機(jī)組余熱；（2）加強(qiáng)熱力設(shè)施設(shè)備維護(hù)力量，充分提高熱交換器的換熱效率；
關(guān)于沼氣發(fā)電的生產(chǎn)管理，應(yīng)設(shè)置單獨(dú)的生產(chǎn)統(tǒng)計(jì)和成本核算內(nèi)容，其產(chǎn)出是熱、電，如前所述，年產(chǎn)值可達(dá)2000萬RMB，其投入主要有：
1．設(shè)施設(shè)備維護(hù)費(fèi)；
2．耗材費(fèi)：主要有潤(rùn)滑油、脫硫劑、火花塞等；
3．人工管理費(fèi)；
4．設(shè)施設(shè)備固定資產(chǎn)折舊費(fèi)；
建議一定要認(rèn)真建立一支專業(yè)性較強(qiáng)的運(yùn)行維護(hù)管理隊(duì)伍--在污水處理行業(yè)，“沼氣內(nèi)燃機(jī)-余熱回收-發(fā)電機(jī)組”設(shè)備技術(shù)含量較高，運(yùn)行安全性要求也較高，需要一支專業(yè)性較強(qiáng)的運(yùn)行維護(hù)隊(duì)伍，并實(shí)行單獨(dú)成本核算管理。
北京排水集團(tuán)高碑店污水處理廠
2003年4月2日
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