燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)在污水處理廠中的應(yīng)用

 　　利用AO法對(duì)污水凈化是目前世界上普遍采用的污水凈化方法之一。對(duì)于城市污水處理廠而言，由于每天處理的水量巨大，每天都產(chǎn)生大量的殘留物—污泥。為了避免二次污染，對(duì)污水處理過程中產(chǎn)生的污泥進(jìn)行厭氧消化，去除其有機(jī)成份是通常使用的方法。對(duì)厭氧消化過程中產(chǎn)生的沼氣如何處理就成了人們關(guān)注的焦點(diǎn)。

　　在污水處理廠中產(chǎn)生的沼氣，作為一種再生能源，其主要成份為甲烷(CH4)。其典型的組成為：

　　CH4 60%

　　CO2 30%

　　N2 8.0%

　　CO 0.3%

　　H2S 0.1%

　　其它 1.2%

　　LHV 5000 kcal/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CO2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)保組織經(jīng)常性開展國(guó)際會(huì)議，對(duì)各個(gè)國(guó)家的溫室氣體排放量都有一定的限制。與此同時(shí)，以甲烷為主要成分的沼氣是非常理想的再生能源。

　　隨著人們環(huán)保意識(shí)的不斷增強(qiáng)，人們對(duì)作為再生能源的沼氣的利用越來越重視。人們一直在尋求一種技術(shù)，在不產(chǎn)生二次污染的前提下，將沼氣的化學(xué)能充分高效地利用。燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)在完全滿足人們對(duì)環(huán)保嚴(yán)格要求的同時(shí)，利用四沖程、高壓點(diǎn)火、渦輪增壓、中冷器、稀釋燃燒等技術(shù)，通過沼氣在氣缸內(nèi)燃燒做功，將沼氣的化學(xué)能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能。

　　與此同時(shí)，利用熱回收技術(shù)，將燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)中潤(rùn)滑油、中冷器、缸套水和尾氣排放中的熱量充分回收利用，組成熱動(dòng)機(jī)組。一般從內(nèi)燃機(jī)熱回收系統(tǒng)中吸收的熱量以90℃的熱水形式供給熱交換中心使用。內(nèi)燃機(jī)正常回水溫度為70℃。在污水處理廠中，可利用這一熱量給消化池進(jìn)行加熱。

　　燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)機(jī)械效率通常達(dá)40%，熱效率可達(dá)50%，總效率高達(dá)90%。通常在O2為5%的情況下，燃燒后的排放NOx≤500mg/Nm3，完全滿足環(huán)保的要求。因此，燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)對(duì)沼氣的利用是一種非常理想的途徑。

　　目前國(guó)外技術(shù)先進(jìn)、開發(fā)成熟的燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)機(jī)組，通常配有a.全自動(dòng)電腦控制系統(tǒng)，b.緊急冷卻系統(tǒng)，c.潤(rùn)滑油自動(dòng)補(bǔ)給系統(tǒng)，d.尾氣消音器等。

　　a.全自動(dòng)電腦控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)可根據(jù)設(shè)定的程序，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)啟動(dòng)、停車。在運(yùn)行過程中，可將運(yùn)行的狀況，如內(nèi)燃機(jī)缸內(nèi)工作壓力、溫度，排氣溫度，轉(zhuǎn)速，輸出功率等主要參數(shù)顯示在控制面板上。控制系統(tǒng)還有記憶功能，在機(jī)組停機(jī)后，可調(diào)出一段時(shí)間的記憶信息，幫助判斷故障原因。該系統(tǒng)還可利用電話線，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控，方便判斷機(jī)組的運(yùn)行狀況，便于維修。

　　b.緊急冷卻系統(tǒng)是為在回水溫度過高時(shí)，為防止內(nèi)燃機(jī)機(jī)組過熱而設(shè)的散熱裝置。在熱回收系統(tǒng)正常工作，回水溫度低于設(shè)定值時(shí)，緊急冷卻系統(tǒng)不工作，處于待機(jī)狀態(tài)。由于某種原因，回水溫度超過設(shè)定值時(shí)，該系統(tǒng)會(huì)緊急啟動(dòng)，將多余熱量散掉，使回水溫度降到設(shè)定值以下，保護(hù)內(nèi)燃機(jī)組的正常運(yùn)行。

　　由于緊急冷卻系統(tǒng)的散熱器通常放置于室外，在室外溫度低于0℃的情況下，為防止散熱器被凍裂，起熱交換作用的循環(huán)水一定要采用防凍液。

　　c.潤(rùn)滑油自動(dòng)補(bǔ)給系統(tǒng)。隨著內(nèi)燃機(jī)機(jī)組的運(yùn)行，起為機(jī)組潤(rùn)滑作用的潤(rùn)滑油都有不同程度的消耗，潤(rùn)滑油自動(dòng)補(bǔ)給系統(tǒng)可以在不停車的情況下，自動(dòng)補(bǔ)充所需的潤(rùn)滑油。也可以在停車時(shí)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)/手動(dòng)更換潤(rùn)滑油。

　　d.尾氣消音器。內(nèi)燃機(jī)組產(chǎn)生的噪音主要體現(xiàn)在尾氣排放上，在尾氣排放末端如尾氣消音器是減少噪音的最好辦法。一般燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)組的整體噪音可控制在95dB(A)以下。

　　根據(jù)污水處理廠的特點(diǎn)，人們通常利用燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)的機(jī)械輸出直接驅(qū)動(dòng)鼓風(fēng)機(jī)，組成沼氣內(nèi)燃機(jī)鼓風(fēng)機(jī)組，給曝氣池供氧;也可利用燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)，組成發(fā)電機(jī)組進(jìn)行發(fā)電。我們稱帶熱回收的沼氣內(nèi)燃機(jī)鼓風(fēng)機(jī)組為熱動(dòng)聯(lián)供機(jī)組;帶熱回收的沼氣發(fā)電機(jī)組為熱電聯(lián)供機(jī)組。

　　那么，利用沼氣內(nèi)燃機(jī)鼓風(fēng)機(jī)組和沼氣內(nèi)燃機(jī)發(fā)電機(jī)組哪種形式更好呢?答案是各有優(yōu)缺點(diǎn)。

　　由于燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)不要求防爆，因此可以將沼氣內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動(dòng)鼓風(fēng)機(jī)組直接安裝在電機(jī)驅(qū)動(dòng)的鼓風(fēng)機(jī)組機(jī)房?jī)?nèi)，兩者共用同一風(fēng)廊系統(tǒng)。不必再為沼氣內(nèi)燃機(jī)組設(shè)立獨(dú)立的空間，這樣就節(jié)省了空間。與利用沼氣發(fā)電機(jī)組發(fā)電，再由電機(jī)驅(qū)動(dòng)鼓風(fēng)機(jī)組相比，沼氣內(nèi)燃機(jī)直接驅(qū)動(dòng)鼓風(fēng)機(jī)，減少了機(jī)械能轉(zhuǎn)化成電能，再由電能轉(zhuǎn)化成機(jī)械能的二次能源轉(zhuǎn)換，提高了轉(zhuǎn)換效率。在投資上也減少了一臺(tái)發(fā)電機(jī)和一臺(tái)電動(dòng)機(jī)的投資。多數(shù)污水處理廠為了避免啟動(dòng)電流過大，均采用高壓電機(jī)，高壓發(fā)電機(jī)和高壓電動(dòng)機(jī)的成本也是很高的。這種直接驅(qū)動(dòng)的方式缺點(diǎn)是由于氣柜與鼓風(fēng)機(jī)房有一定的距離，沼氣輸送管線需要一定的長(zhǎng)度;同時(shí)，鼓風(fēng)機(jī)房與熱交換中心的距離如比較遠(yuǎn)，也要考慮管線的保溫問題。

　　沼氣內(nèi)燃機(jī)發(fā)電機(jī)組的是靈活性強(qiáng)，它可以根據(jù)實(shí)際沼氣的產(chǎn)生優(yōu)點(diǎn)量隨時(shí)消耗沼氣，轉(zhuǎn)換成電能。相對(duì)沼氣鼓風(fēng)機(jī)組而言，沼氣發(fā)電機(jī)組的優(yōu)勢(shì)是可以滿負(fù)荷工作，充分發(fā)揮沼氣內(nèi)燃機(jī)的功效。另外，沼氣熱電聯(lián)供機(jī)組的安裝位置不受局限，可以選擇離氣柜較近并方便熱交換的地方。

　　總之，不論是沼氣內(nèi)燃機(jī)鼓風(fēng)機(jī)組，還是沼氣內(nèi)燃機(jī)發(fā)電機(jī)組在技術(shù)上都非常成熟。在世界上及國(guó)內(nèi)各污水處理廠中普遍使用。

　　使用沼氣內(nèi)燃機(jī)的經(jīng)濟(jì)性究竟如何呢?舉一個(gè)中等規(guī)模污水處理廠的例子，每天產(chǎn)生5，000立方米沼氣，可選用一臺(tái)500千瓦沼氣內(nèi)燃機(jī)，每天可轉(zhuǎn)換的能量相當(dāng)于12，000度電，同時(shí)產(chǎn)生可利用熱量1，290萬大卡。每年按8，000小時(shí)計(jì)算，可發(fā)電或節(jié)電總量達(dá)400萬度。

　　那么，沼氣內(nèi)燃機(jī)的運(yùn)行成本怎樣?按照燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)的使用要求，工作約500小時(shí)需更換潤(rùn)滑油。仍然以500千瓦沼氣內(nèi)燃機(jī)為例，更換一次潤(rùn)滑油228升，需約5，000元人民幣，500小時(shí)均攤5，000人民幣的零配件費(fèi)，總成本1萬元。而500小時(shí)發(fā)電或節(jié)電250，000度，按0.5元/度電費(fèi)計(jì)算，折合12.5萬元。其消耗占總收益的8%。再考慮沼氣的成本和人工費(fèi)用，它的總成本應(yīng)在10%左右。這只是考慮了它的發(fā)電效益，如再考慮它熱量回收利用所節(jié)省的能源，沼氣內(nèi)燃機(jī)產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益顯而易見。

　　既然使用沼氣內(nèi)燃機(jī)的效益這么明顯，那么在國(guó)內(nèi)有的污水處理廠中沼氣內(nèi)燃機(jī)為什么擱置不用呢?這里的原因主要有：

　　1.沼氣系統(tǒng)不夠完善，進(jìn)氣壓力不足;

　　2.脫硫效果不好，氣體濕度過高。

　　由于上述兩點(diǎn)直接影響燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)的使用，我們有必要著重介紹一下。

　　目前國(guó)際上技術(shù)較成熟的燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)燃料進(jìn)氣分為高壓進(jìn)氣和低壓進(jìn)氣兩種。高壓進(jìn)氣的燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)一般是為天然氣的使用而設(shè)計(jì)的，它的進(jìn)氣壓力需要600mbar(6米水柱)，而從沼氣柜出來的氣體壓力僅為20mbar左右。這么高的壓力提升就需要較大的增壓器系統(tǒng)，這樣的增壓器就需要安置在防爆的增壓機(jī)房?jī)?nèi)。加壓后的沼氣還要儲(chǔ)存在一個(gè)2000m3左右的穩(wěn)壓罐內(nèi)。這種機(jī)組系統(tǒng)復(fù)雜、占地面積大、投資增加。低壓進(jìn)氣的燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)進(jìn)氣壓力一般為80mbar(800mm水柱)，由于增壓倍數(shù)低，這種系統(tǒng)所需的增壓器不需要防爆;增壓器本身的體積也較小。如能采用管式增壓器，其體積就更小了。這種增壓器系統(tǒng)也不需要設(shè)置穩(wěn)壓罐。

　　無論是哪種進(jìn)氣壓力的燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)都需要滿足進(jìn)氣壓力的需要，否則，就會(huì)產(chǎn)生內(nèi)燃機(jī)動(dòng)力不足的問題，造成內(nèi)燃機(jī)喘震，自動(dòng)停車。

　　由于燃?xì)鈨?nèi)杉機(jī)本身設(shè)計(jì)上和材料上的特點(diǎn)，它對(duì)硫化物的腐蝕特別明感。超標(biāo)的硫化物如遇到濕氣或水就會(huì)產(chǎn)生酸性物質(zhì)，可以造成渦輪增壓器和中冷器的腐蝕;降低潤(rùn)滑油的使用壽命;如尾氣熱交換器被腐蝕，熱循環(huán)水就會(huì)進(jìn)入到內(nèi)燃機(jī)缸體和氣缸中，造成更大的損失。由于沼氣中H2S的徹底去除是有一定難度的，氣體內(nèi)的濕度是產(chǎn)生酸性物質(zhì)的間接條件。因此，氣體的除濕也是非常重要的。

　　

　　四沖程，點(diǎn)火式燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)對(duì)燃?xì)馓匦缘木唧w要求如下：

　　a)最大允許溫度變化梯度：0.5%/30秒

　　b)最大允許短時(shí)氣體壓力變化梯度：10mbar/秒

　　c)燃?xì)赓|(zhì)量：進(jìn)入燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)之前的燃?xì)赓|(zhì)量必需遵守表中詳細(xì)列出的要求， 所有氣體量是在燃?xì)鈽?biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的值，即溫度0℃，壓力1，013bar，熱值10kWh/m3。其他熱值應(yīng)按比例進(jìn)行直接換算。

　　根據(jù)沼氣組成的特點(diǎn)，要達(dá)到表中氣體質(zhì)量的要求并不難。如使沼氣中H2S的含量小于200ppm或300mg/Nm3是比較理想的。另外，在沼氣傳輸過程中，從消化池中出來的沼氣有機(jī)會(huì)與潤(rùn)滑油等油性物質(zhì)接觸，沼氣中含有油顆粒，應(yīng)采用活性碳過濾器和油水分離器加以去除。具體脫硫、除油、除塵、除濕的方法是在進(jìn)入氣柜之前，采用先濕式脫硫、后干式脫硫;在出氣柜之后，采用活性碳過濾器、油水分離器和氣水分離器的綜合工藝。這樣脫硫、除油、除塵、除濕的效果極佳。

　　還有，有人關(guān)心燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)在北方寒冷地區(qū)的使用情況。東北地區(qū)冬季室外溫度雖然很低，但污水處理廠中的消化池是全封閉設(shè)備，配有加熱系統(tǒng)及保溫措施，且正常的消化溫度為中溫發(fā)酵(僅為32—35℃)，這樣的工藝本身使沼氣在冬季室外溫度比較低的情況下仍能正常產(chǎn)生。唯一需考慮的問題是加強(qiáng)消化池及其配套的管路系統(tǒng)的保溫措施。事實(shí)上，冬季污泥中的有機(jī)成分和BOD指數(shù)均高于夏季，沼氣的產(chǎn)生率要高一些。只是由于氣溫低，污泥或廢液的溫度較低，發(fā)醉時(shí)間稍長(zhǎng);沼氣在沼氣柜中的溫度要低一些，相反沼氣的密度要高一些。這不影響沼氣在內(nèi)燃機(jī)中的燃燒。這在緯度很高的加拿大Annacis島污水處理廠中已經(jīng)得到證實(shí)。

　　目前人們對(duì)包括沼氣在內(nèi)的再生能源的利用認(rèn)識(shí)程度在不斷提高。國(guó)家也在政策上給予大力支持，國(guó)務(wù)院、國(guó)家計(jì)委曾多次下發(fā)文件，在政策上給使用部門以優(yōu)惠。

　　隨著燃?xì)鈨?nèi)燃?xì)庠谑袌?chǎng)中應(yīng)用的越來越普遍，在技術(shù)上遇到的問題會(huì)越來越多，我們將不斷探討。使燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)在污水處理廠中的應(yīng)用不斷完善，造福于社會(huì)。