李　軍　　史　駿

提要　大中型污水處理廠污泥厭氧消化產生的沼氣是一種具有較高利用價值,同時運行具有一定危險性的能源。污水處理廠對沼氣進行回收利用,可以達到節約能耗、降低運行成本的目的。以典型的污泥厭氧消化沼氣安全利用系統為例,著重從系統角度介紹了工藝流程的設計、安全裝置的設置以及系統壓力的設定和控制。
關鍵詞　沼氣利用　安全系統　工藝設計　污水處理廠

　　污泥厭氧消化是一種使污泥達到穩定狀態的非常有效的處理方法。污泥中的有機物厭氧消化后主要產物是消化氣(沼氣)。隨著污泥中有機物成分以及消化工藝的不同,沼氣的化學成分也各異,一般由60%～70%的甲烷、25%～40%的二氧化碳和少量的氮硫化物和硫化氫組成,燃燒熱值約18800～25000kJ/m3[1]。大中型污水處理廠對消化產生的沼氣進行回收利用,可以達到節約能耗、降低運行成本的目的。同時,空氣中沼氣含量達到一定濃度會具有毒性;沼氣與空氣以1∶(8．6～20．8)(體積比)混合時,如遇明火會引起爆炸[2]。因此,污水處理廠沼氣利用系統如果設計操作不當將會有很大的危險。北京市市政工程設計研究總院在1992年～1996年先后完成了南部非洲博茨瓦納污水處理廠工程、高碑店污水處理廠一期工程和二期工程污泥中溫厭氧消化處理系統和相應的沼氣收集利用系統的設計。本文旨在綜合以上三個沼氣利用系統設計的基礎上,著重從污泥厭氧消化沼氣系統的安全設置及工藝控制方面進行論述。
　污泥厭氧消化沼氣利用工藝流程由圖1可知污泥消化沼氣系統一般分為4個子系統:沼氣收集凈化貯存系統、沼氣攪拌系統、沼氣利用系統和廢氣燃燒系統。下面對沼氣安全系統的硬件(沼氣系統工藝流程設計及安全裝置)設置及軟件(沼氣系統壓力的設計及構筑物、設備間的連鎖控制)進行闡述。2沼氣系統工藝流程設計及安全裝置的設置2
．1　沼氣凈化污泥消化產生的沼氣是處于汽水飽和態的混合氣。沼氣自消化池進入管道時,溫度逐漸降低,管道中
會產生大量含雜質的冷凝水,如果不從系統中除去,容易堵塞、破壞管道設備。同時沼氣中的h2s氣體溶于水形成的氫硫酸會腐蝕管道和毀壞設備。沼氣凈化主要是脫硫和去除冷凝水及雜質[3]。沼氣自消化池進入管道時,在最靠近消化池的國內應用較多的是同濟大學及武漢東湖水廠的產品,因本工程目的之一是為第四水廠做試驗,所以兩格分別采用了兩家產品,都取得了良好的效果。
此外,前序網格反應池的設計也取得了成功,因氣浮的原理與沉淀恰恰相反,所以對礬花的要求不是很高,只要形成能夠與微氣泡相粘附的中小礬花即可。于是我們適當縮短了反應時間,采用的時間僅為9min,同時也調整了絮凝劑的投加量,降低了藥耗。
這次龍山水廠氣浮工藝的成功應用,使我們對處理水庫水、低濁水又有了新的認識,同時我們還在對是否可用出廠壓力水取代回流水泵,降低能耗,水流由接觸室流往分離區流速多大更合適等問題做進一步的探討,愿經過試驗分析,實踐總結,使氣浮工藝更加成熟地應用于自來水生產。

位置,溫降值最大,產生的冷凝水量多,在此點必須設置冷凝水去除罐。在沼氣管路系統中,在避免沼氣流速過大而夾帶水汽的前提下,管道坡度應設計為1%～2%或盡可能更大。在博茨瓦納污水處理廠運行中發現,個別坡度為0．005左右的管道管壁容易積冷凝水。較長的管線應特別考慮設計成有一定的起伏,在所有低點都應該考慮設置冷凝水去除罐。另外,在重要設備如沼氣壓縮機、沼氣鍋爐、沼氣發電機、廢氣燃燒器、脫硫塔等設備沼氣管線入口處,在干式氣柜的進口處和濕式氣柜的進出口處都設置冷凝水去除罐。有時在某些設備如有密封水系統的沼氣壓縮機出口處還需要設置裝有高壓排水閥的去除罐。正常運行期間操作人員每天檢查時,都會發現一些去除器(特別是靠近消化池的)有大量的冷凝水排出。當構筑物和設備檢修時,還可以向冷凝水去除器中注水,作為水封罐。
沼氣中的雜質一部分隨排除冷凝水去除,另一部分被阻留在消焰器填料間縫隙里的雜質也隨定期清洗消焰器而被清除,如果沼氣利用設備有特殊要求,還應在沼氣進入設備前設置氣體過濾器
為防止氫硫酸腐蝕管道和毀壞設備,城市污水廠污泥產生的沼氣進入貯氣柜之前一般應該設置脫硫裝置。城市污水處理廠沼氣脫硫裝置一般采用氧化鐵的干法脫硫和naoh,na2co3的濕法脫硫。
2．2　沼氣安全利用
2．2．1　防爆保護和火焰消除
沼氣與空氣在一定的混合比和遭遇明火情況下會引起沼氣爆炸或燃燒。消焰器的設置有效地防止了外部火焰進入沼氣系統及火焰在管路中的傳播,進而保證了系統的安全運行。在所有沼氣系統與外界連通部位(如:與真空壓力安全閥、機械排氣閥連接安裝處),以及氣柜、沼氣壓縮機、沼氣鍋爐、沼氣發電機、廢氣燃燒器沼氣管進口處都設置了消焰器。消焰器內部填充了金屬填料,當火焰通過消焰器填料間縫隙時,熱量被吸收,溫度降低到燃點以下,達到消焰目的。
從消化池流出的沼氣中常帶有泡沫和浮渣等雜質,容易堵塞填料,阻礙氣體通過,增加管路阻力。處理廠操作人員可以測量記錄沼氣通過不同部位消焰器的壓力變化以確定檢查清洗填料的周期,實際運行中經常會出現由于消焰器清洗不及時而產生的系統壓力波動和運行問題。所以設計時,在消焰器的前后一般設置閥門以便維護。
2．2．2　壓力安全防護
沼氣利用系統是一個壓力系統,如果沼氣收集和使用不平衡,系統壓力可能升高超過允許值;污泥或沼氣從消化池或氣柜過快地排出可能引起構筑物內部的真空狀態。系統的壓力安全防護裝置的設置從壓力值上可以考慮分為三個層次:(1)正常運行壓力。沼氣系統在設計時應該盡量考慮采用低壓系統,低壓系統有利于消化污泥中的沼氣釋放出來,同時增強系統的運行安全性。系統正常運行壓力在設定范圍內會有一定的波動,不同壓力管線之間的連通管和沼氣利用設備進氣之前一般應設置不同形式的調節閥,使進入設備的沼氣壓力平穩并滿足使用要求。
(2)防止超壓的緊急釋放裝置。系統中產生多余的氣體會使系統壓力升高。防止系統超壓可以使用廢氣燃燒器將沼氣燒掉;如果還不能阻止系統壓力繼續上升,設置在低壓氣柜頂部的機械排氣閥或沼氣輸送管路上的壓力釋放閥將動作以排放多余氣體。排氣閥也需要與消焰器同步安裝。
(3)超壓和負壓狀態下的保護措施。當廢氣燃燒器和沼氣緊急釋放裝置在系統壓力不斷升高時出現故障或不能阻止壓力進一步升高時,為防止系統超壓對構筑物和設備可能造成的破壞性影響,在消化池和氣柜頂部都設置了真空壓力安全閥。同時,在污泥或沼氣從消化池或氣柜過快地排出而可能引起構筑物內部的真空狀態的時候,真空壓力安全閥還會動作使空氣進入構筑物,起到最終防護的作用。因為真空壓力安全閥安裝在沼氣系統與外界大氣連通的部位,也需要與消焰器同步安裝,以避免外部的火源進入沼氣系統。在真空壓力安全閥和消焰器與消化池連接處設置了常開的閥門,便于檢修設備。不同位置的壓力安全閥的設定應在系統工作壓力的基本值上根據各構筑物間的管路損失設定相應值。操作人員同樣需要定期清理超壓排氣口和真空進氣口的密封面。在沼氣壓縮機和脫硫裝置的入口處安裝了負壓防止閥,防止閥門前部系統沼氣量不夠的情況下,后部沼氣利用系統依然繼續抽吸氣體。
2．2．3　沼氣安全利用與貯氣柜連接的后續系統有沼氣攪拌系統、沼氣利用系統和廢氣燃燒系統。
(1)沼氣攪拌系統。沼氣攪拌系統是指沼氣由沼氣壓縮機送回消化池用以對消化污泥進行攪拌。消化池攪拌還可以采用機械攪拌,省去了沼氣壓縮機系統及可能附帶的冷卻水循環系統,使系統更加簡單。如果消化池采用溢流排泥,攪拌采用機械攪拌,就可以降低沼氣系統壓力出現大的波動的概率。
(2)沼氣利用系統。沼氣利用系統一般有:①使用沼氣鍋爐直接為消化池或其他建筑物提供熱能;②使用沼氣發電機發電供處理廠內部使用,余熱還可為消化池或其他建筑物提供熱能;③直接作為可燃氣體利用等。可根據具體情況進行分析和選擇。
(3)廢氣燃燒系統。當沼氣利用設備不能完全消耗消化池產生的沼氣時,為防止沼氣量不斷增加致使系統壓力超出正常范圍,多余的沼氣將被廢氣燃燒器燒掉。廢氣燃燒器一般在支狀管線的末端,使用頻率相對沼氣利用設施低,運行時會發現由于長期積存在管線末端的氣體成分不理想,難于使用沼
氣完成點火過程(也與廢氣燃燒器點火方式有關),所以還可以考慮在廢氣燃燒器旁設置備用點火源(如小的液化石油氣罐)。沼氣系統壓力設計及構筑物、設備間的連鎖控制沼氣系統的硬件設施完成后,接下來需要完成系統安全操作的軟件部分,即整個系統壓力的設定及各構筑物、設備之間的連鎖控制。
3．1　系統工作壓力的設定整個沼氣系統工作壓力的設定需要綜合考慮以下幾個因素:①沼氣系統保證在正壓情況下運行;②貯
氣柜自重情況下的靜壓;③綜合考慮從消化池至貯氣柜最終到沼氣利用設備的管路損失,保證正常工況下,氣體至沼氣利用設備增壓機或廢氣燃燒器入口處壓力滿足設備要求;④消化池中氣相壓力盡可能低,使沼氣能夠最大量地從污泥中釋放出來。綜合上面的限定可以得到消化池正常工作壓力。運行時,一般通過改變貯氣柜頂部的配重來設定和調節消化池的工作壓力(即系統壓力)。系統基本運行壓力確定后,可以按如前所述的原則完成緊急排放、超壓和負壓情況下安全設施的設定工作。
3．2　構筑物及設備自身系統的壓力保護消化池、貯氣柜、沼氣壓縮機及各種沼氣利用設備 的工作壓力在系統正常工作值的基礎上壓力會有波動,各設備及構筑物自身系統也應有一定的控制和安全裝置,以保證其異常運行時也不致影響整個系統。
(1)沼氣壓縮機將沼氣送入消化池進行污泥攪拌。沼氣壓縮機自身系統應具有保護功能:進氣壓力低到一定設定值時報警,繼續降低時,停機;出氣壓力高過一定設定值時報警,繼續升高時,停機。壓縮機自身系統的這些設置可以避免在系統壓力低于正常值時過分抽吸沼氣造成負壓,或使后部系統壓力超過允許值。
(2)沼氣鍋爐、沼氣發電機、沼氣發動機等設備進氣端也有相同的保護設置。
(3)消化池、貯氣柜頂部安裝了真空壓力安全閥,防止過高壓力破壞構筑物的氣密性及負壓可能對結構造成的毀壞。
(4)高壓系統中使用的球罐頂部同樣需要安裝過壓排氣閥。
3．3　系統中設備、構筑物之間的連鎖控制
沼氣系統中構筑物及設備之間有管線連通,使之不是彼此孤立而是可以連鎖控制的。沼氣系統也正是通過各部分之間的連鎖控制從而形成一個整體,使安全性得到整體提高。低壓系統的總氣量體現在貯氣柜高度值變化上,貯氣柜對整個系統具有氣量調蓄和穩壓的作用,系統內部可以互相補氣以平衡壓力。同時,貯氣柜的高度值可以傳送到中控,既便于監視,又用來對系統中各設備開停進行連鎖控制。下面是基于博茨瓦納污水處理廠工程中采用的低壓沼氣利用系統提出的連鎖控制方案:
(1)貯氣柜高度在總高度的5%～90%之間為正常運行區域。
(2)貯氣柜高度低于總高度的5%時,停止沼氣壓縮機,停止沼氣使用設備如鍋爐、發電機、發動機。如果系統控制出現故障,壓力降低到真空安全閥的設定值時,真空安全閥動作,防止負壓可能對結構造成的毀壞。
(3)貯氣柜高度高于總高度的90%時,啟動廢氣燃燒器。由于廢氣燃燒器的使用,貯氣柜高度將開始降低,當貯氣柜高度低于總高度的80%時,停止廢氣燃燒器。
(4)如果廢氣燃燒器出現故障,貯氣柜高度繼續升高到93%時,氣柜頂部設置機械排氣閥排氣。
(5)貯氣柜高度高于95%時報警,并在中控室顯示報警信號。
(6)貯氣柜高度依然繼續升高到頂點,系統壓力開始升高,到達壓力安全閥的設定開啟值時,壓力安全閥動作以保護構筑物免受毀壞。壓力安全閥的動作壓力值必須低于貯氣柜氣密性保護的最高壓力值。如果難以通過沼氣氣柜的高度值傳入中控系統以控制設備運行時,也可以通過在線儀表采集壓力值就地或遠程控制沼氣設備的開停。綜上,沼氣統各構筑物和設備之間只有通過連鎖控制,才能真正聯合成一個整體系統,使各部分安全設置及設備的作用發揮出來,更進一步確保了沼氣系統的安全運行。
4　結論
(1)沼氣利用首先要去除沼氣中的冷凝水、硫化氫和雜質,然后可以按照正常運行壓力、防止超壓的緊急釋放、超壓和負壓狀態下的三個保護層次設置沼氣安全裝置和設定運行壓力值。
(2)沼氣系統中安全裝置的設置和壓力設定應該和各構筑物、設備之間形成連鎖控制,氣柜高度的變化反映了系統中沼氣量和壓力的變化,可以作為各構筑物設備之間形成連鎖控制的紐帶,也可以直接通過沼氣管路中壓力的變化進行控制。參
考文獻1
　water institute of southern Africa.Anaerobic Digestion of waste-water sLudge:operating guide,1992,82
　申丘澈、名取真合著.污水污泥處置.吳自邁譯.北京:中國建筑工業出版社,19813
　金儒霖主編.污泥處置.北京:中國建筑工業出版社,19934
　揚振沂譯.厭氣消化設備設計手冊.中國市政工程西南設計院、香港藝高工程有限公司,19945
　北京市市政工程設計研究總院主編.給水排水設計手冊第5冊—城市排水.北京:中國建筑工業出版社,1986⊙
作者通訊處:100022北京平樂園100號北京工業大學建工學院城建系給排水教研室　
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史駿　100045北京市市政工程設計研究總院　
收稿日期:2001 5 18