对如何看待沼气发电的探讨

出　　自： 《中国给水排水》 1990年第2期第44页
发表时间： 1990-2

冯生华

( 天津市市政工程勘测设计院)

为了消除水环境污染，污水处理厂的建设已日益引起人们的重视。建设污水处理厂需大量资金，建成投产后的电力消耗也相当可观。因此，如何降低污水处理厂的造价和节省运行费用，是目前大家关心的问题。国外有的污水处理厂一方面采用微孔曝气和溶解氧自控装置减少电耗，另一方面采用高效率污泥消化池提高沼气产量并提高沼气的利用效率，使污水处理厂的电力消耗自给率达90%以上。因此，目前沼气发电余热回收已经被不少污水处理厂的设计采用。但是，也有一部份专家认为“沼气发电量和设备投资相比不经济。”为此，笔者试以气温较低的华北地区某污水处理厂设计对沼气发电量进行分析，以对此进行探讨。
某污水处理厂地处华北地区，全年各月气温及污泥温度见表1。
表1

该厂日产污泥2460m 3 ，污泥含水率96%，污泥中挥发成份含量55%，消化过程中有机物降解率最低值为30%时，单方污泥产沼气5.4m 3 ，日产沼气最低为13，300m 3 。如果有机物降解率提高后，预期日产沼气可达24，354m 3 ，即单方污泥产沼气9.9m 3 。这从国内外消化池的运行经验中可以得到证明，只要消化池温度控制好，污泥搅拌充分，单方污泥的产气率的提高是可以得到保证的。由於该污水处理厂从国外引进沼气锅炉及全套沼气搅拌装置，使污泥加热得到保证，同时从沼气搅拌装置的“锂元素搅拌效果试验结果”中可证明:在消化池任意点投入锂元素后，经过沼气搅拌30分钟后，实测结果，全池锂元素分布已十分均匀。因此，可以预期单方污泥的产气率将远远超出5.4m 3 。但为说明问题，本文仍先以单方污泥产沼气5.4m 3 进行分析。

一、消化池的需热量

消化池污泥主要用沼气发电机的余热进行加热，余热不足时，用沼气锅炉的热量进行补充。有关设计参数如下:

中温二级消化 33～35℃
消化池直径 28.8m
一级消化池 4座
二级消化池 1座
全年气温 0.5～30.4℃
全年泥温 10.3～26.6℃

消化池全年各月每日总需热量的计算，见表2。
表2

消化池的最大需热量是在每年的二月份，每日需供热57920×10 3 KCaL；最小需热量在每年的八月份，每日需供热16027×10 3 KCaL。

二、沼气发电机及沼气锅炉的不同组合工况

污水处理厂共引进沼气发电机5台，每台发电机功率为284kw，用沼气138m 3 /h，四台工作一台备用；沼气锅炉4台，每台供热750×10 3 KCaL/h，三台工作一台备用。
从表3中可知，工况一、二、三的沼气用量接近每日产气量13300m 3 ，唯工况四的沼气用量略为超过。其所需沼气量14256m 3 /d折合污泥单方产气率为5.8m 3 。从天津纪庄子污水处理厂运行经验来看，1987年该厂消化池全年处理污泥235，962m 3 ，(含泥6.09%)在沼气搅拌不充分的情况下，全年总产沼气1，118，143m 3 ，折合单方产气率为4.74m 3 。所以，如加强搅拌，提高管理水平，单方污泥产气率提高至5.8m 3 是完全可能的。
现将几种污泥的产气率进行比较之，见表4。

三、全年发电量及年收益

表3

根据以上分析，全年6～9月，发电机余热供污泥加热已有富裕，而每年冬季则需开2～3台沼气锅炉才能满足污泥加热的需要。
再将全年各种运行工况的发电量说明如表6。
电价计取较为复杂，现仅取基本电价0.12 元/度计算，则一年发电收益可达6，134，400×0.12=736，128元。发电机设备费620万元，年大修费率取1.25%，扣去大修费用，年净收益为658，628元。
再将发电机各种工况的余热回收效益说明之，见表7。
表5

按市场燃煤价格每吨45元折算，每千克燃煤的热量为5000KCaL，锅炉效率取70%，则每千克燃煤实得热量为3500KCaL，每吨燃煤可得热量为3500×10 3 KCaL。全年发电机余热回收的总热量折算成燃煤为7，387，200÷3500=2110.63吨，价值94，978元。
表6

表7

两项共计年净收益753，606元。按n=14 年进行总收益贴现，贴现率为8%，则贴现系数，总收益贴现后为753，606元×8.244=6，212，727元。故设备费最晚14年即可回收。

四、关于沼气发电效益的分析

从以上分析中可见影响效益的主要因素是污泥温度和沼气产量，如按外商测算的沼气预期产量24，354m 3 /d组合沼气发电机和沼气锅炉的运行工况，则沼气发电的效益将更为显著。
计算表明，由于余热回收，沼气锅炉即使在冬季极端低温达-23℃时也只需运行2台就可以了，而沼气用量仅为20544m 3 /d，为测量预期产气量24354m 3 /d的84%。实际运行中，极端最低气温出现的机率极小，出现时其历时也很短，一般气量储备充足就可应付。因此，五台发电机有四台可全年发电，全部设备费不到七年即可回收。可见沼气发电不是得不偿失，而是有很高的经济效益的。况且目前电力不足是普遍问题，每度电的效益远远超出0.12元。增产电力不仅有巨大的经济效益，更有其重要的社会效益。因此，笔者认为在华北地区设计污水处理厂时，采用沼气发电是可取方案之一。当然，用沼气内燃机带动鼓风机，并进行余热回收，节省电力，也是可取的方案。在一些发达国家，沼气发电是沼气利用的方案之一，英国最大的贝克登污水处理厂和法国最大的阿谢尔污水处理厂，都设有沼气发电设备。英国贝克登污水处理厂沼气发电功率达8000kW，发电的电力可满足厂内用电量的50～60%。建议对沼气发电的下列优点应在污水处理厂的设计中加以考虑。
表8

1.沼气发电的电力与电网并网运行后可以保证污水处理厂的供电不会中断，改变目前污水处理厂因中断供电产生的许多问题，如微孔曝气堵塞问题，污水溢流问题等。对提高系统的管理水平，延长设备的使用年限，都有好处。
2.沼气用于发电并回收余热，比沼气用作锅炉燃料，其收益相差很多。前述污水处理厂进口设备技术参数表明，每m 3 沼气用于发电的收益为0.27元，而用作锅炉燃料的收益仅0，06 元，两者差4.5倍。
3.目前由于工农业生产的发展和人民生活水平的提高，各地电力普遍紧张，沼气发电在运行管理、设备维护及环境保护等方面都优于一般用煤作燃料的火力发电。而每度电的社会效益将是很高的，国外一些污水处理厂将沼气一部份用于内燃机直接带动鼓风机，一部份用来发电，能源基本自给。有的国家，在用电高峰，电价高出平时一倍以上，污水处理厂在用电高峰根本不用外电网的电，不与社会争电，其社会效益更为可观。
4.为了节能，用溶解氧控制曝气系统的供气量已被广为采用，而控制鼓风机的供气量以达到节省电源的目的，其方法一是改变鼓风机的转速，或是利用鼓风机的进风导叶片改变进风角度来控制供气量，这是发达国家污水处理厂在用沼气内燃机带动鼓风机之外另设一部份用电动机带动的鼓风机的原因之一。对实现鼓风机供气量控制的自控系统来说，鼓风机的供油、进风、防喘振机构等最好采用电动机作动力最为有利。
总之，沼气利用的途径较多，发电并非是唯一选择，应结合当地具体情况进行经济比较。但对前述污水处理厂来说，沼气发电的经济效益是明显的。至於设备能否正常运行，热回收效率是否能达到预计的要求等，在外商的供货合同中已做保证，不再赘述。