污泥沼气发电机组-蒸汽锅炉能量高效补偿利用一体化系统

摘要

本发明提供了一种污泥沼气发电机-蒸汽锅炉能量高效补偿利用一体化系统，该技术主要实现过程：沼气发电机组接收污泥厌氧消化沼气后发电并产生余热，其中烟气余热直接通往蒸汽锅炉前烟箱进入第三回程烟管，循环冷却水余热经换热水换热后部分作为蒸汽锅炉出力和排污的补充源，两部分余热会同沼气锅炉本体燃烧热量一起稳定供应污泥水解所需高温水蒸气。本发明不仅应用范围广、操作灵活、安全可靠，而且低能耗高产出，沼气能量的系统内部利用率达到70％以上(转化为水蒸气和电)、沼气能量综合利用率超过90％。

说明书

技术领域

本发明涉及一种污水处理厂节能降耗技术和资源综合利用技术，特别涉及一种污泥沼 气发电机组-蒸汽锅炉能量高效补偿利用一体化系统，是城市污泥资源化处理与利用的重 要环节。

背景技术

在众多的污泥处理处置方法中，厌氧消化由于具备回收潜在能量和降低环境危害的有 益效果而成为目前国际上应用最为广泛的污泥稳定化资源化的处理方法。通过厌氧消化， 可以极大降低污泥中有机质含量，使污泥稳定、易于脱水，并作为有机肥用于土壤改良、 园林绿化；同时，产生的沼气经提纯后可广泛应用于居民用气、并网发电、车用气体等， 减少日益紧缺的煤、石油、天然气等有限资源的消耗，这对于我国这样的能耗大国来说具 有更重要的意义。

我国污泥厌氧消化技术起步较早，但技术应用发展较慢，与发达国家相比差距较大。 目前建立污泥厌氧消化系统的污水处理厂数量并不多，仅在北京、上海、天津、重庆、青 岛、石家庄、郑州、沈阳、南京、济南、襄阳等城市的约50座大中型污水处理厂中建设了 一批污泥厌氧消化设施，目前仍可使用的只有20余处，其它大部分未运行或中途停运。究 其原因，主要有以下几点：1)与国外相比，由于我国城市污泥有机质含量普遍较低 (30％～50％)，产气率低，经济效益不明显；2)污泥厌氧消化处理系统投资很高(进口)，在 我国通常占污水厂总投资的1/3～1/2；3)污泥厌氧消化工艺操作复杂，运行管理难度大； 4)消化污泥土地利用政策和管理支撑力度不足、沼气利用缺少激励机制。

目前，国内运行效果较为突出的有上海白龙港污泥厌氧消化工程、大连东泰夏家河污 泥处理工程、青岛麦岛中温厌氧消化工程、襄阳污泥综合处置示范工程等，它们的共性是 本身污泥有机质含量较高或者掺加有机质含量较高的餐厨垃圾等有机废物。采用的沼气利 用途径主要有燃烧发电和天然气提纯。前者是国内外应用最广泛的一种途径，主要包括厂 内利用和并网两种方式，由于污水厂或污泥厂是用电大户，因此厂内利用显得更为经济适 用；后者可作为车用燃气或居民生活用气，一次性投资较高，且依赖于政府的支持力度， 因此应用并不多。

对于我国大部分典型中低有机质城市污泥而言，简单采用传统厌氧消化工艺并不经济， 如何通过改进工艺最大限度地提高沼气产气率和沼气能量利用率，将成为污泥厌氧消化工 艺普及、最终实现污泥“转危为安、变废为宝”的重要前提。

发明内容

本发明所要解决的技术问题，就是提供一种高效率的热电联产能量利用技术—污泥沼 气发电机组-蒸汽锅炉能量高效补偿利用一体化系统，最大程度地提高中低有机质污泥厌 氧消化产气率及沼气能量利用率，从而降低运行费用。

解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种污泥沼气发电机组-蒸汽锅炉能量高效补偿利用一体化系统，包括沼气补偿蒸汽 锅炉和沼气发电机组，其特征是：所述的污泥产生的沼气脱硫除湿后经两向进气导管9按 一定的分配比例分别输至沼气发电机组的发电燃烧器6和沼气补偿蒸汽锅炉的锅炉燃烧器 12，进入沼气发电机组的沼气能量除转化为电能外，一部分以换热到内燃室循环冷却水形 式送到沼气补偿蒸汽锅炉补水系统的换热器3再换热，另一部分直接以烟气形式通过烟囱 7、进烟导管8输送至沼气补偿蒸汽锅炉的前烟箱11；通过锅炉燃烧器12进入沼气补偿蒸 汽锅炉的沼气在锅炉炉胆13第一回程内燃烧后，以烟气形式经回燃室14流经第二回程烟 管17，并于前烟箱11与所述烟气汇合后进入第三回程烟管继续加热锅水，最后在抽风机 18作用下经后烟箱15从烟囱16排出；蒸汽锅炉产生的水蒸汽输出至所述的污泥的厌氧消 化环节的高温水解池。

所述的污泥产生的沼气是指由高温水解池、中温或高温厌氧池组成的污泥厌氧消化环 节产生的沼气，本系统与由高温水解池、中温或高温厌氧池组成的污泥厌氧消化环节构成 一个固废资源化处理与利用系统。

所述的沼气补偿蒸汽锅炉补水系统为：补水依次经软水器1、软水箱2、换热器3、热 水箱4后至蒸汽锅炉(蒸汽出力和排污)补充热水、以及脱水污泥干燥或它用。

所述的按一定的分配比例分别至沼气发电机组的发电机燃烧器6和蒸汽锅炉的锅炉燃 烧器12的结构为：在输入至锅炉前烟箱11和锅炉燃烧器12前的管道上，横跨设置有热 能检测与进气分配连锁装置10，其为一种智能连锁装置，通过分析流经进烟导管中发电余 烟温度和流量推测烟气热值、进而判断锅炉出力所需热值差额、最后根据人为设置公式来 自控两向进气导管通向锅炉燃烧器的沼气流量。

所述的沼气补偿蒸汽锅炉为卧式内燃改装式锅炉，锅炉燃烧器为燃气燃烧器或燃油燃 气两用燃烧器，锅炉本体设有锅壳、炉胆13、回燃室14、回程烟管17和前后管板，前管 板对应的前烟箱11上开有进烟导管孔，烟囱16前设有抽风机18。

所述的分配比例根据进烟情况而决定，从0～100％都有可能。

工作原理：

污泥厌氧消化环节产生的沼气经脱硫除湿后(甲烷含量60％左右)通过两向进气导管9， 根据热能检测与进气分配连锁装置10按一定的分配比例进入沼气发电机组组燃烧器6和 沼气补偿蒸汽锅炉燃烧器12。

进入沼气发电机组的沼气能量36％转化为电能供应厂内用电设施，约25％内燃室5循 环冷却水热量由经软水器1处理后储存在软水箱2中的软水、通过换热器3换热(60～70℃) 后由热水箱4分配、一部分补充沼气补偿蒸汽锅炉的蒸汽出力和排污，约30％热量直接以 烟气形式(约560℃)通过烟囱7、经进烟导管8输送至沼气补偿蒸汽锅炉的前烟箱11，剩 余约9％为损耗量。

进入沼气补偿蒸汽锅炉的沼气在炉胆13(第一回程)内燃烧后，以烟气形式(约1000℃) 经回燃室14流经第二回程烟管17(降至500～600℃)，于前烟箱11与发电烟气汇合后进入 第三回程烟管17继续加热锅水，最后在抽风机18作用下经后烟箱15从烟囱16排出(约 150℃)。沼气补偿蒸汽锅炉在自身燃料和发电余热的共同作用下稳定产生170℃水蒸气。

进入所述沼气补偿蒸汽锅炉的沼气量因所述沼气发电机组组的冷却水和烟气余热的 有效补充而减少，进一步提高了进入所述沼气发电机组组的沼气量；与此同时，所述沼气 补偿蒸汽锅炉产生的高温蒸汽(170℃)直接通向污泥，对污泥进行一段时间高温预处理， 水解破壁后的污泥经过泄压降温后进到中温厌氧池消化，产气率大幅度提升。所述沼气发 电机组组-沼气补偿蒸汽锅炉一体化系统又和高温预处理+厌氧消化(沼气)形成一个内部 能量高效循环系统，其结果是用于发电的沼气越来愈多、用于产蒸汽的沼气越来越少，沼 气的电能输出率大幅度提高，最终沼气能量的系统内部利用率达到70％以上、沼气能量综 合利用率超过90％。

本发明具有如下优点和效果：

(1)将沼气利用设备沼气发电机组和沼气补偿蒸汽锅炉连为一体大幅度提升了沼气能 量的有效利用率，该一体化补偿利用系统，可将大部分发电余热回用至热水解蒸汽锅炉， 降低燃烧沼气比例，加大发电量输出，最大限度实现系统低能耗、高产出运行。

(2)内燃室循环冷却热利用效率高，最高时近一半能量可通过换热水直接供应蒸汽锅 炉作为蒸汽出力和排污损失的连续补充水源，提高了系统内部能量转化利用率，剩余能量 则可用于本系统外的污泥厌氧消化池保温或者沼渣干燥或者其它商用和自用。

(3)沼气补偿蒸汽锅炉操作灵活、供汽稳定、节省燃料，将沼气发电机组组烟囱与蒸 汽锅炉前烟箱连接的主要目的是为使锅炉本身燃料燃烧产生的热能与发电机烟气余热有 机结合起来(燃烧室1000℃左右烟气从回燃室经第二回程烟管到达前烟箱时温度降至 500～600℃，与560℃左右发电余烟汇合后在抽风机作用下经第三回程烟管后自后烟箱进入 烟囱排烟，实现外接余烟对锅炉本体损害最小化)，根据热能检测与进气分配连锁装置分 配锅炉沼气进量，从而达到稳定蒸汽供应下的余热利用最大化和燃料节省最优化。

(4)本技术不仅适用于中低有机质污泥或其它有机废弃物厌氧消化过程，同时也适用 于高有机质污泥或其它有机废弃物的厌氧消化过程，处理效果好且运行成本低，经济效益 明显。

(5)本技术应用于中低有机质污泥或其它有机废弃物厌氧消化过程时，在一定的有机 质含量范围内(40％～60％)：有机质含量越低，沼气能量的系统内部利用率越高；有机质含 量越高，沼气发电比率越高。

附图说明

图1为本发明的组成和连接关系示意图；

图2为本发明的工作流程图；

图3为本发明的能量循环图。

图中：1：软水器；2：软水箱；3：换热器；4：热水箱；5：发电机内燃室；6：发电 燃烧器；7：发电机烟囱；8：进烟导管；9：两向进气导管；10：热能检测与进气分配连 锁装置；11：前烟箱；12：锅炉燃烧器；13：炉胆；14：回燃室；15：后烟箱；16：锅炉 烟囱；17：第二回程烟管；18：抽风机。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步说明。

参见图1，本发明的污泥沼气发电机组-蒸汽锅炉能量高效补偿利用一体化系统实施例， 包括沼气发电机组组、软水器、软水箱、换热器、热水箱、进烟导管、两向进气导管、热 能检测与进气分配连锁装置、沼气补偿蒸汽锅炉。

污泥厌氧消化产生的沼气经脱硫除湿后通过两向进气导管9分别进入沼气发电机组燃 烧器6和蒸汽锅炉燃烧器12；进入沼气发电机组组的沼气能量除转化电能外，部分以内燃 室循环冷却水形式由经软水器1处理后储存在软水箱2中的软水通过换热器3换热、再经 热水箱4分配作为沼气补偿蒸汽锅炉蒸汽出力和排污的补充源，部分直接以烟气形式通过 烟囱7、经进烟导管8输送至沼气补偿蒸汽锅炉的前烟箱11；进入沼气补偿蒸汽锅炉的沼 气在炉胆13(第一回程)内燃烧后，以烟气形式经回燃室14流经第二回程烟管17，于前烟 箱11与发电烟气汇合后进入第三回程烟管17继续加热锅水，最后在抽风机18作用下经 后烟箱15从烟囱16排出；蒸汽锅炉产生的水蒸汽输出至污泥处理装置的高温水解池。

在连接锅炉前烟箱11的进烟导管8和连接锅炉燃烧器12的两向进气导管9上横跨设 置热能检测与进气分配连锁装置10，使沼气按一定的分配比例进入发电机组燃烧器6和锅 炉燃烧器12。

发电余烟进入锅炉的最佳接入口位置为前烟箱，此处连接不仅可保证内烟与外烟温度 的一致性、也能避免前烟箱合流烟气回流至炉胆，从而实现外接余烟对锅炉本体损害最小 化。

沼气补偿蒸汽锅炉本体设有锅壳、炉胆13、回燃室14、回程烟管17和前后管板，前 管板对应的前烟箱11上开有进烟导管孔，烟囱16前设有抽风机18。

图2为本发明在污泥厌氧消化处理过程中的工作原理图。其中沼气发电机组主要负责 能量产品输出和锅炉能源补偿，沼气补偿蒸汽锅炉则负责利用发电机余热及蒸汽供应；与 此同时，沼气补偿蒸汽锅炉产生的高温蒸汽(170℃)直接通向污泥，对污泥进行一段时间 高温预处理，水解破壁后的污泥经过泄压降温后进入中温厌氧池消化，产气率大幅度提升， 进而供应本技术装置沼气。

图3为应用系统的能量循环图。沼气发电机组组、沼气补偿蒸汽锅炉和高温预处理+ 厌氧消化(沼气)形成一个内部能量高效循环系统，其结果是用于发电的沼气越来愈多、用 于产蒸汽的沼气越来越少，沼气的电能输出率大幅度提高，最终沼气能量的系统内部利用 率达到70％以上、沼气能量综合利用率超过90％。

本发明不仅适用于中低有机质污泥或其它有机废弃物厌氧消化过程，同时也适用于高 有机质污泥或其它有机废弃物的厌氧消化过程。

应用案例1：

某城市污水处理厂处理规模为20万t/d，污泥(80％含水率)产率100t/d，污泥干基有 机质含量50％左右，采用高温热水解预处理-中温厌氧消化-热电联产工艺进行污泥处理及 资源化利用。在正常运行过程中，沼气(CH₄含量60～65％)平均产量约为5000m³/d，其中高 温热水解预处理(锅炉热效率90％)和中温厌氧消化(余热保温)需要热量6×10⁷kJ/d，折合 沼气需求量约2650m³/d，若不考虑余热系统内部循环利用，仅不足一半的沼气量可用来发 电输出；而通过应用污泥沼气发电机组-蒸汽锅炉能量高效补偿利用一体化技术，沼气锅 炉实际燃烧沼气量仅约1350m³/d，燃料节省率高达49.1％，剩余量可供应350kW沼气发电 机组组发电约8000度/d，折合每吨湿泥产电80度，相当于当量污水处理耗电量的30.8％。 由以上数据可以计算，污泥沼气发电机组-蒸汽锅炉能量高效补偿利用一体化系统沼气能 量内部利用率为75.8％(其中发电沼气能量系统内部利用率70.5％)，综合利用率为90.7％(发 电沼气能量综合利用率91％)。

应用案例2：

某城市污水处理厂处理规模为10万t/d，污泥(80％含水率)产率50t/d，污泥干基有 机质含量40％左右，采用高温热水解预处理-中温厌氧消化-热电联产工艺进行污泥处理及 资源化利用。在正常运行过程中，沼气(CH₄含量60～65％)平均产量约为1700m³/d，其中高 温热水解预处理(锅炉热效率90％)和中温厌氧消化(余热保温)需要热量3×10⁷kJ/d，折合 沼气需求量约1300m³/d，若不考虑余热系统内部循环利用，仅不足四分之一的沼气量可用 来发电输出；而通过应用污泥沼气发电机组-蒸汽锅炉能量高效补偿利用一体化技术，沼 气锅炉实际燃烧沼气量仅约1015m³/d，燃料节省率21.9％，剩余量可供应70kW沼气发电机 组组发电约1500度/d，折合每吨湿泥产电30度，相当于当量污水处理耗电量的11.5％。 由以上数据可以计算，污泥沼气发电机组-蒸汽锅炉能量高效补偿利用一体化系统沼气能 量内部利用率为85.2％(其中发电沼气能量系统内部利用率78.0％)，综合利用率为90.4％(发 电沼气能量综合利用率91％)。

应用案例3：

某城市污水处理厂处理规模为40万t/d，污泥(80％含水率)产率200t/d，污泥干基有 机质含量60％左右，采用高温热水解预处理-中温厌氧消化-热电联产工艺进行污泥处理及 资源化利用。在正常运行过程中，沼气(CH₄含量60～65％)平均产量约为13000m³/d，其中高 温热水解预处理(锅炉热效率90％)和中温厌氧消化(余热保温)需要热量1.2×10⁸kJ/d，折 合沼气需求量约5220m³/d，若不考虑余热系统内部循环利用，有六成沼气可用来发电输出； 而通过应用污泥沼气发电机组-蒸汽锅炉能量高效补偿利用一体化技术，沼气锅炉实际燃 烧沼气量仅约1415m³/d，燃料节省率高达72.9％，剩余量可供应1.1MW沼气发电机组组发 电约25400度/d，折合每吨湿泥产电127度，相当于当量污水处理耗电量的48.8％。由以 上数据可以计算，污泥沼气发电机组-蒸汽锅炉能量高效补偿利用一体化系统沼气能量内 部利用率为71.3％(其中发电沼气能量系统内部利用率69％)，综合利用率为90.9％(发电沼 气能量综合利用率91％)。