基于污泥厌氧发酵多能互补热电联产系统研究

摘要

近年来，污水厂污泥进行厌氧发酵处理受到广泛关注，污泥发酵所产沼气通过燃气内燃机燃烧发电供厂内自用或并网，回收发电机烟气余热与缸套冷却水热为污泥发酵提供所需热量，实现能源循环利用。本文主要基于青岛某日处理量10-20万吨规模的污水厂厌氧发酵沼气热电联产系统建立了相应的数学模型，并在此基础上，设计了污泥55℃高温厌氧发酵时沼气热电联产系统运行的可行性方案。
　　论文主要内容包括:第一，阐述了能源背景与课题来源。
　　第二，介绍了污水厂概况与污水、污泥的处理流程，然后对沼气热电联产系统的相关运行设施与测试设备的运行原理进行了介绍，主要包括沼气内燃机、发电机、管壳换热器、烟道式余热锅炉、泥—水套管换热器等。
　　第三，对该污水厂2015年系统的全年运行进行了分析与处理，得到影响污水量、污泥量与沼气量的相关因素，主要包括人们生活习性、季节、微生物菌群、环境与消化温度、消化池PH值、污泥投配率、C/N比等;综合上述影响因素，对污水厂全年运行数据进行阶段的划分，并对沼气热电联产系统建立了相应的数学模型，通过实际运行数据对模型进行了修正。
　　第四，在该污水厂污泥中温厌氧发酵与沼气热电联产系统数学模型的基础上，对等量污泥高温消化时的沼气热电联产系统的运行数据进行预估，由于污水厂现有的沼气热电联产系统的运行方式无法满足高温发酵的运行，因此，设计出4种全新的实施方案，分别为方案1发电机组+烟气型溴化锂吸收式热泵+高温污水源热泵、方案2发电机组+烟气型溴化锂吸收式热泵+高温污水源热泵+太阳能集热器、方案3发电机组+烟道式余热锅炉+高温污水源热泵、方案4发电机组+烟道式余热锅炉+高温污水源热泵+太阳能集热器。
　　第五，对上述4种方案在热力学、经济学与环境效益方面进行了分析对比，结果得到方案1在节能、经济、环境三方面均体现出较佳的优势，综合效益最好，因为该方案的能源利用率分别为方案2、方案3、方案4的146％、105％、167％，(炯)效率分别为方案2、方案3、方案4的132％、112％、165％;初投资、年运行费用与费用年值总和最低的为方案3，方案1、方案2、方案4的费用总和分别为方案3的107％、118％、114％，对于发电成本，方案1的为0.15元/kW·h，方案2为0.17元/kW·h，方案3为0.14无/kW·h，方案4为0.15元/kW·h;而对于节能减排所创造的的收益，方案2与方案4不相上下，且均为最多，其次便是方案1，方案3最低，方案1的环境收益约为方案3的120％;此外，将综合效益最好的方案1与同等沼气量的情况下的发电机组+烟道式余热锅炉+沼气热水锅炉的方案以及同等污泥量情况下的污泥中温发酵热电联产方案分别进行了对比，得到在不方面各方案所凸显的特点。
　　通过本文的研究，对污水厂预估沼气热电联产系统的运行情况以及污泥高温发酵时沼气热电联产系统运行方案的选择提供了一定参考意义。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题背景

1．1．1 能源问题

1．1．2 污泥厌氧发酵

1．1．3 沼气热电联产主要运行设备

1．2 污泥厌氧发酵与沼气热电联产国内外研究现状

1．2．1 国内研究现状

1．2．2 国外研究现状

1．3 课题主要研究内容

1．4 本章小结

第2章 工程系统介绍

2．1 工程简介

2．1．1 污水处理厂概况

2．1．2 处理工艺流程

2．2 污泥厌氧发酵与热电联产系统

2．2．1 沼气热电联产系统运行原理介绍

2．2．2 沼气热电联产系统相关运行设施

2．2．3 污泥厌氧消化需热量

2．3 数据采集设备

2．3．1 数据测试设备

2．4 本章小结

第3章 污水厂热电联产系统运行数据分析

3．1 污水处理阶段

3．2 污水处理产污泥阶段

3．2．1 全年周期段的划分

3．2．2 南北两区污水量与污泥量的关系

3．2．3 污泥浓缩

3．3 污泥厌氧发酵与产沼气阶段

3．4 沼气燃烧热电联产阶段

3．4．1 热电联产系统数据分析

3．5 数学模型的建立与验证校核

3．5．1 数学模型的建立

3．5．2 数学模型的验证与校核

3．6 本章小结

第4章 污泥高温厌氧发酵沼气热电联产运行方案

4．1 设计参数

4．1．2 系统高温消化运行资料

4．1．2 参数设置

4．2 设计方案与设备选型

4．2．1 发电机组+烟气型溴化锂吸收式热泵+高温水源热泵的运行方案

4．2．2 发电机组+烟气型溴化锂吸收式热泵+高温水源热泵+太阳能集热器的运行方案

4．2．3 发电机组+烟道式余热锅炉+高温水源热泵的运行方案

4．2．4 发电机组+烟道式余热锅炉+高温水源热泵+太阳能集热器的运行方案

4．3 方案系统的综合评价

4．3．1 热力学基本理论分析

4．3．2 经济学基本理论分析

4．3．3 环境效益的基本理论分析

4．4 发电机组燃烧不同沼气量的运行方案对比

4．5 污泥中温与高温发酵热电联产系统的对比

4．6 本章小结

第5章 结论与展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文及科研工作

致谢