燃氣內燃機在污水處理廠中的應用

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

　　在污水處理廠中產生的沼氣，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

　　經科學認定，作為溫室氣體的甲烷CH4對大氣的危害是CO2的24.5倍。如對沼氣處理不當，排放到大氣中，其對局部環境和整個地球的環境危害極大。國際環保組織經常性開展國際會議，對各個國家的溫室氣體排放量都有一定的限制。與此同時，以甲烷為主要成分的沼氣是非常理想的再生能源。

　　隨著人們環保意識的不斷增強，人們對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，在不產生二次污染的前提下，將沼氣的化學能充分高效地利用。燃氣內燃機在完全滿足人們對環保嚴格要求的同時，利用四沖程、高壓點火、渦輪增壓、中冷器、稀釋燃燒等技術，通過沼氣在氣缸內燃燒做功，將沼氣的化學能轉換成機械能。

　　與此同時，利用熱回收技術，將燃氣內燃機中潤滑油、中冷器、缸套水和尾氣排放中的熱量充分回收利用，組成熱動機組。一般從內燃機熱回收系統中吸收的熱量以90℃的熱水形式供給熱交換中心使用。內燃機正常回水溫度為70℃。在污水處理廠中，可利用這一熱量給消化池進行加熱。

　　燃氣內燃機機械效率通常達40%，熱效率可達50%，總效率高達90%。通常在O2為5%的情況下，燃燒后的排放NOx≤500mg/Nm3，完全滿足環保的要求。因此，燃氣內燃機對沼氣的利用是一種非常理想的途徑。

　　目前國外技術先進、開發成熟的燃氣內燃機機組，通常配有a.全自動電腦控制系統，b.緊急冷卻系統，c.潤滑油自動補給系統，d.尾氣消音器等。

　　a.全自動電腦控制系統。該系統可根據設定的程序，實現自動啟動、停車。在運行過程中，可將運行的狀況，如內燃機缸內工作壓力、溫度，排氣溫度，轉速，輸出功率等主要參數顯示在控制面板上?？刂葡到y還有記憶功能，在機組停機后，可調出一段時間的記憶信息，幫助判斷故障原因。該系統還可利用電話線，實現遠程監控，方便判斷機組的運行狀況，便于維修。

　　b.緊急冷卻系統是為在回水溫度過高時，為防止內燃機機組過熱而設的散熱裝置。在熱回收系統正常工作，回水溫度低于設定值時，緊急冷卻系統不工作，處于待機狀態。由于某種原因，回水溫度超過設定值時，該系統會緊急啟動，將多余熱量散掉，使回水溫度降到設定值以下，保護內燃機組的正常運行。

　　由于緊急冷卻系統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水一定要采用防凍液。

　　c.潤滑油自動補給系統。隨著內燃機機組的運行，起為機組潤滑作用的潤滑油都有不同程度的消耗，潤滑油自動補給系統可以在不停車的情況下，自動補充所需的潤滑油。也可以在停車時實現自動/手動更換潤滑油。

　　d.尾氣消音器。內燃機組產生的噪音主要體現在尾氣排放上，在尾氣排放末端如尾氣消音器是減少噪音的最好辦法。一般燃氣內燃機組的整體噪音可控制在95dB(A)以下。

　　根據污水處理廠的特點，人們通常利用燃氣內燃機的機械輸出直接驅動鼓風機，組成沼氣內燃機鼓風機組，給曝氣池供氧;也可利用燃氣內燃機帶動發電機，組成發電機組進行發電。我們稱帶熱回收的沼氣內燃機鼓風機組為熱動聯供機組;帶熱回收的沼氣發電機組為熱電聯供機組。

　　那么，利用沼氣內燃機鼓風機組和沼氣內燃機發電機組哪種形式更好呢?答案是各有優缺點。

　　由于燃氣內燃機不要求防爆，因此可以將沼氣內燃機驅動鼓風機組直接安裝在電機驅動的鼓風機組機房內，兩者共用同一風廊系統。不必再為沼氣內燃機組設立獨立的空間，這樣就節省了空間。與利用沼氣發電機組發電，再由電機驅動鼓風機組相比，沼氣內燃機直接驅動鼓風機，減少了機械能轉化成電能，再由電能轉化成機械能的二次能源轉換，提高了轉換效率。在投資上也減少了一臺發電機和一臺電動機的投資。多數污水處理廠為了避免啟動電流過大，均采用高壓電機，高壓發電機和高壓電動機的成本也是很高的。這種直接驅動的方式缺點是由于氣柜與鼓風機房有一定的距離，沼氣輸送管線需要一定的長度;同時，鼓風機房與熱交換中心的距離如比較遠，也要考慮管線的保溫問題。

　　沼氣內燃機發電機組的是靈活性強，它可以根據實際沼氣的產生優點量隨時消耗沼氣，轉換成電能。相對沼氣鼓風機組而言，沼氣發電機組的優勢是可以滿負荷工作，充分發揮沼氣內燃機的功效。另外，沼氣熱電聯供機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，不論是沼氣內燃機鼓風機組，還是沼氣內燃機發電機組在技術上都非常成熟。在世界上及國內各污水處理廠中普遍使用。

　　使用沼氣內燃機的經濟性究竟如何呢?舉一個中等規模污水處理廠的例子，每天產生5，000立方米沼氣，可選用一臺500千瓦沼氣內燃機，每天可轉換的能量相當于12，000度電，同時產生可利用熱量1，290萬大卡。每年按8，000小時計算，可發電或節電總量達400萬度。

　　那么，沼氣內燃機的運行成本怎樣?按照燃氣內燃機的使用要求，工作約500小時需更換潤滑油。仍然以500千瓦沼氣內燃機為例，更換一次潤滑油228升，需約5，000元人民幣，500小時均攤5，000人民幣的零配件費，總成本1萬元。而500小時發電或節電250，000度，按0.5元/度電費計算，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用，它的總成本應在10%左右。這只是考慮了它的發電效益，如再考慮它熱量回收利用所節省的能源，沼氣內燃機產生的經濟效益顯而易見。

　　既然使用沼氣內燃機的效益這么明顯，那么在國內有的污水處理廠中沼氣內燃機為什么擱置不用呢?這里的原因主要有：

　　1.沼氣系統不夠完善，進氣壓力不足;

　　2.脫硫效果不好，氣體濕度過高。

　　由于上述兩點直接影響燃氣內燃機的使用，我們有必要著重介紹一下。

　　目前國際上技術較成熟的燃氣內燃機燃料進氣分為高壓進氣和低壓進氣兩種。高壓進氣的燃氣內燃機一般是為天然氣的使用而設計的，它的進氣壓力需要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，這樣的增壓器就需要安置在防爆的增壓機房內。加壓后的沼氣還要儲存在一個2000m3左右的穩壓罐內。這種機組系統復雜、占地面積大、投資增加。低壓進氣的燃氣內燃機進氣壓力一般為80mbar(800mm水柱)，由于增壓倍數低，這種系統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。這種增壓器系統也不需要設置穩壓罐。

　　無論是哪種進氣壓力的燃氣內燃機都需要滿足進氣壓力的需要，否則，就會產生內燃機動力不足的問題，造成內燃機喘震，自動停車。

　　由于燃氣內杉機本身設計上和材料上的特點，它對硫化物的腐蝕特別明感。超標的硫化物如遇到濕氣或水就會產生酸性物質，可以造成渦輪增壓器和中冷器的腐蝕;降低潤滑油的使用壽命;如尾氣熱交換器被腐蝕，熱循環水就會進入到內燃機缸體和氣缸中，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，氣體內的濕度是產生酸性物質的間接條件。因此，氣體的除濕也是非常重要的。

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　　四沖程，點火式燃氣內燃機對燃氣特性的具體要求如下：

　　a)最大允許溫度變化梯度：0.5%/30秒

　　b)最大允許短時氣體壓力變化梯度：10mbar/秒

　　c)燃氣質量：進入燃氣內燃機之前的燃氣質量必需遵守表中詳細列出的要求， 所有氣體量是在燃氣標準狀態下的值，即溫度0℃，壓力1，013bar，熱值10kWh/m3。其他熱值應按比例進行直接換算。

　　根據沼氣組成的特點，要達到表中氣體質量的要求并不難。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會與潤滑油等油性物質接觸，沼氣中含有油顆粒，應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，有人關心燃氣內燃機在北方寒冷地區的使用情況。東北地區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備，配有加熱系統及保溫措施，且正常的消化溫度為中溫發酵(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生。唯一需考慮的問題是加強消化池及其配套的管路系統的保溫措施。事實上，冬季污泥中的有機成分和BOD指數均高于夏季，沼氣的產生率要高一些。只是由于氣溫低，污泥或廢液的溫度較低，發醉時間稍長;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。這不影響沼氣在內燃機中的燃燒。這在緯度很高的加拿大Annacis島污水處理廠中已經得到證實。

　　目前人們對包括沼氣在內的再生能源的利用認識程度在不斷提高。國家也在政策上給予大力支持，國務院、國家計委曾多次下發文件，在政策上給使用部門以優惠。

　　隨著燃氣內燃氣在市場中應用的越來越普遍，在技術上遇到的問題會越來越多，我們將不斷探討。使燃氣內燃機在污水處理廠中的應用不斷完善，造福于社會。