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啤酒厂污水处理后的沼气发电及余热利用

国际节能环保网  来源:沼气圈  日期:2018-05-06

一、引言

全球最大的某啤酒酿造中心,生产规模已达到年产啤酒150万t水平。该啤酒厂长期坚持以实现经济效益与环境效益的双赢为经营理念,按照循环经济“减量化、再利用、资源化”三大原则,采取了一系列切实可行的各项节能降耗、保护环境的措施。

该啤酒厂的生产废水主要来源为麦芽车间、酿造车间及包装车间等,这些生产废水中含有大量高强度的有机污染物,如浸麦废水、麦汁残余物、糖化醪残留物、麦汁和凝固物沉渣、酵母残留物和凝固物沉渣、硅藻土酵母蛋白质沉淀物、啤酒及微细有机残留物等。

废水COD一般在2200-2800mg/L,废水量每日有1.2-1.5万m?,建厂初期污水处理工艺采用的活性污泥法好氧生物处理技术,占地多,处理污水有限,并在污水处理过程中会产生硫化氢及沼气影响周边环境。

该厂扩建为年产啤酒能力150万t,同时改建了污水处理站,采用第三代UASB污水厌氧生物处理技术,是一种具有容积负荷高、占地少、投资省等突出优点的污水处理技术。

该啤酒厂在污水厌氧生物处理中采用IC内循环式厌氧反应技术,除了污水处理达标排放之外还产生相当多的沼气(甲烷含量在75%左右)。沼气中的甲烷排放至大气中会造成大气污染,其温室效应是二氧化碳的21倍。如何回收利用沼气“节能减排”,使啤酒厂经济良性循环是首要考虑的问题。

二、沼气回收利用工艺与系统组成

在沼气回收利用工艺中,首先是对沼气进行净化处理,然后进行发电,再把余热进一步利用于制冷。由于沼气中含有大量的甲烷(经检测达到81%),热值已接近天然气,所以采用高品位的能源先去产生有高附加值的电能,再将发电中所产生的低品位能源中温烟气(400℃左右)及热水(100℃左右)去制冷,用于啤酒生产。该啤酒厂沼气回收利用工艺将能源梯级利用,热效益可达70%。

1沼气回收利用工艺流程

图1、沼气回收利用工艺流程图

生产啤酒的污水经过IC反应器后产生沼气每日可达1-1.2万m?,沼气中甲烷含量在75%-80%,每立方沼气热值为26.8-28.6MJ。

由于沼气中含有害杂质(如硫化氢、固形物、水分等),因此必须要进行净化处理,并经过升压以满足发电设备的要求,发电装置采用燃气内燃机带动发电设备,电能以400V在常去内电网并网使用,沼气在内燃机内燃烧做功带动发电设备。内燃机排出400℃以上的中温烟气及缸套等冷却水这些低品位热量(约占总热量能的50%-55%)。将这些低品位的热量引至吸收式装置中制取冷水(7-10℃)用以麦芽车间(或其他生产车间)用冷。目前这套装置已投入正常运行,发电和制冷工作正常。

该啤酒厂在沼气回收利用项目中,采用了一系列国内外较先进的、科技含量高的技术设备和新工艺;在沼气净化处理脱硫工序中采用了国际先进的荷兰帕克生物脱硫工艺,吸收硫化氢的碱液经过生物菌的作用再生循环使用;内燃机组采用国际先进的美国卡特比勒电控和稀薄燃烧技术,保持内燃机高效率和长周期运行;在低品位能源利用中采用了国内先进的长沙远大溴化锂吸收式非电制冷技术 ,达到能源充分利用的效果;在抽吸沼气中采用正压式抽取技术,确保沼气输送系统的安全和可靠。这些先进技术和装备,为沼气回收利用并顺利投产使用奠定了基础。

2沼气回收利用的主要组成系统

(1) 沼气脱硫系统

主要设备有洗涤塔 、生物反应器 、沉淀器 、循环泵 、罗茨风机等。脱硫系统能脱除沼气中硫化物并转变成可回收利用的单质硫 , 处理后能达到内燃发动机及溴化锂吸收式制冷装置的要求。

(2) 沼气净化系统

主要设备有罗茨风机、冷凝器、过滤器、制冷装置、气水分离器和空冷器等。净化系统能使沼气除去大部分水分,气体中残留固形物和压力均能满足内燃发动机的要求。

(3) 沼气储存和紧急燃烧系统

主要设备有稳压柜、管道阻火器和紧急切断阀、沼气燃烧器等。该系统能收集沼气、稳定沼气压力并起到发电机组用沼气时负荷调节和缓冲作用;沼气燃烧器用于紧急状况下或发电设备故障时的沼气直接燃烧。

(4) 内燃机及发电系统

主要设备有内燃机、发电机、无刷励磁装置、涡轮增压器、空气过滤器、阻火器、紧急切断阀、油循环装置、缸套冷却水循环装置等。内燃机及发电系统通过稀薄燃烧技术和电子自动调节技术使得沼气在内燃机内部充分燃烧做功,并带动无刷励磁发电机旋转发电。

(5) 发电机控制并网系统

主要设备有主控制柜、2台发电机分控制柜、低压母联柜及低压输送开关柜等。发电机控制并网系统可采用手动或自动按设定程序启动运行或停机,手动或自动并车上网,并按电网要求自动调节发电机电压、频率、负荷。

(6) 热交换系统

主要设备有缸套热水热交换器、中后冷却水热交换器、循环水泵、冷却水泵和冷却塔等。热交换系统能将缸套热水(105℃)的热量传递给循环水并输送到溴化锂吸收式制冷装置制冷;并将中后冷却水(55℃)的热量传递到冷却塔冷却水中得到降温并保持稳定。

(7) 制冷系统

主要设备有烟管、烟气三通阀、热水三通阀、热交换器、溴化锂吸收式制冷装置、循环水泵、冷媒循环泵、冷媒储罐等。制冷系统首先将烟气、缸套热水引入溴化锂制冷装置通过热交换和溴化锂工作特性,将烟气和缸套热水的热能通过真空状态下溴化锂溶液的吸收、冷凝浓缩、节流降压和蒸发产生制冷效应。降温到7~10℃的冷媒由储存罐收集并通过冷媒泵输送到麦芽车间等用冷单位。

三、沼气回收利用的实践效果

1沼气回收利用项目的规模

啤酒生产污水经过IC厌氧反应塔后生成沼气,其数量随污水中有机物含量多少而变化。珠江啤酒污水处理站在夏季啤酒产量较多时生成沼气约500~800m?/h,每日沼气量约1~1. 4万m?,冬季啤酒产量减少时,生成沼气约 200~300m?/h ,每日沼气量约0. 5~0. 8万m?。经不完全统计,2005年、2006年沼气量分别有258万m?和 271万m?。

啤酒污水沼气中由于含甲烷较多(75%左右),所以在使用燃气内燃机进行发电每立方沼气可发电2~2.2kWh。该公司根据沼气量的变化情况和燃气机内燃机的特性,在项目中设置了2台燃气内燃发电机组,发电能力为1421kWh(1台961kWh,1台460kWh)。

在气量大时可以开2台发电机组全负荷发电,气量小时则开1台发电机组,达到气量变化均能满足发电要求。为了尽可能满足内燃机排出的烟气和缸套热水的热量交换利用需要,选择了1台150万kcal·h 的溴化锂吸收式制冷机。制冷机具有烟气、热水及补燃的功能,能满足各种情况下制冷量的需求。

2发电能力及制冷能力

经测算该啤酒厂在产量150万t啤酒时,每年沼气产量在300万m?左右,用沼气净化后年发电量可达到600万kWh。沼气回收利用系统中各种风机、水泵等设备用电约为发电量的10%~11%,余下500多万kWh电能通过输配电网路供应厂内用电。

沼气发电后产生400℃以上的烟气和105℃的缸套热水全部引入溴化锂吸收式制冷机进行热交换做功制冷水(7~10℃ ) , 全年烟气和缸套热水充分利用制冷量可达到7×105万kcal。

3经济效益

沼气回收利用的经济效益主要是发电和制冷节电两个方面的成效。年发电量约600万kWh,可供公司厂内用电500万kWh,电能价值 425万元,可减少公司外购电6%~8%。每年可产生冷量7×105万kcal,相当于节电124.8万kWh,价值106万元。沼气回收利用的年发电和节电价值共计约 531万元。

由于该系统采用进口设备,资金前期投入较大,投资回收期大约需要8年,若获得CDM准许,投资回收期可缩短一半。

4社会效益

该啤酒厂沼气回收利用的目的是能源资源利用最大化。它符合 “节能减排”环境保护的要求,是能源清洁使用和循环经济的一种方式 。

在能源资源利用上尽可能做到最大化,提高能源利用率和达到较高热效率。经过净化后的沼气在利用上采取能源梯级利用,高品位洁净燃气先进行发电,发电后排出的低热量的烟气和缸套水再进行制冷,其能源利用率为单纯发电的能源利用率的两倍 。

在环境保护上减少了温室气体的排放。沼气通过发电和制冷,每年可创造出700多万kWh绿色环保的电,CO2排放量每年可以减少5万 t 。

四、结语

啤酒厂沼气回收项目的建成展示了企业废弃物中的生物能源的合理利用,做到“经济效益与环境效益”双赢。沼气回收利用所采用的技术达到了冷热电区域联产CCHP技术和楼宇冷热电联供BCHP技术的综合应用。沼气回收利用不仅在啤酒行业中可行,而且在粮食加工、食品加工、酒类加工、造纸行业、生活垃圾处理、瓦斯煤矿处理等行业都有类似的废弃能源再生利用的可能性 。

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