啤酒廠污水處理車間沼氣的利用

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 啤酒廠污水處理車間沼氣的利用

  時間：2009-6-16    作者：代 高    文章來源：中國釀酒飲料機(jī)械專業(yè)網(wǎng)           麒麟啤酒（珠海）有限公司在新工廠污水處理車間設(shè)計招標(biāo)時，選擇了既保護(hù)環(huán)境同時又能給公司創(chuàng)造更多經(jīng)濟(jì)效益的工藝方案。       概況        近年來隨著我國人均消費(fèi)水平的提高，國內(nèi)的啤酒消費(fèi)量不斷增加，各大啤酒生產(chǎn)廠家紛紛擴(kuò)建或新建啤酒廠。基于市場的需要，麒麟啤酒（珠海）有限公司在2006年開始籌建一個年產(chǎn)20萬千升啤酒的新工廠，本著“生產(chǎn)高品質(zhì)生啤的充滿清潔感的節(jié)能型新工廠”的宗旨，通過精心設(shè)計和施工，工廠于2007年建成投產(chǎn)。       啤酒廠最大的污染是廢水排放，平均每生產(chǎn)1千升啤酒就會產(chǎn)生近5噸的廢水，這些廢水主要含糖類和醇類等有機(jī)物。有機(jī)物濃度較高，無毒，但排入水體要消耗大量的溶解氧，對水體環(huán)境造成嚴(yán)重危害。國內(nèi)啤酒廠廢水中CODcr含量一般在1000 mg/L～2500mg/L，BOD5含量為600 mg/L～1500 mg/L，具有較高的生物可降解性。       企業(yè)本著高度的社會責(zé)任感，在新工廠污水處理車間設(shè)計招標(biāo)時，就提出了不僅要達(dá)到GB19821-2005 《啤酒工業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》，更要達(dá)到廣東省地方標(biāo)準(zhǔn)DB4426-1989 《水污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》中的一級標(biāo)準(zhǔn)。在此前提下，污水處理采用厭氧+好氧的模式幾乎是唯一的選擇。在污水的厭氧處理過程中，會產(chǎn)生出大量的沼氣，早先的處理方式幾乎全部采用火炬高點燃燒放空，不僅巨大的熱量被浪費(fèi)，而且未經(jīng)脫硫處理的沼氣燃燒后產(chǎn)生的SO2對空氣也造成了污染。選擇一種環(huán)境友好，同時又能給公司創(chuàng)造最大收益的處理方法，是擺在我們面前的一個課題。       一、污水處理工藝       通過比較論證，新工廠的污水處理選用了厭氧IC反應(yīng)器+好氧活性污泥法+砂濾的處理工藝。其基本流程為：       集水井→粗格柵→細(xì)格柵→均衡池→預(yù)酸化池→IC反應(yīng)塔→兼氧池→曝氣池→二沉池→砂濾→排水明渠。       厭氧處理的核心IC反應(yīng)塔含有上下兩個類似于UASB的反應(yīng)室。其中一個負(fù)荷高，一個負(fù)荷低，它的特點是沼氣在整個反應(yīng)器中分兩個階段進(jìn)行分離。在第一階段收集的氣體驅(qū)動氣流上升，并形成內(nèi)部循環(huán)流，故此給這種反應(yīng)器起名為內(nèi)循環(huán)反應(yīng)器。       該工藝具有效率高、運(yùn)行成本低、抗沖擊負(fù)荷能力強(qiáng)的優(yōu)點。經(jīng)過處理后的廢水，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過國家一級排放標(biāo)準(zhǔn)，被大量用于新工廠的清潔、綠化和鍋爐柴油儲罐的降溫，甚至被用于污水處理車間飼養(yǎng)金魚。       麒麟啤酒新工廠污水處理系統(tǒng)的設(shè)計最大能力為：6000m3/d，COD 3000。正常生產(chǎn)情況下，平均污水處理量為1,000,000 m3/y，COD 2000左右。在IC反映塔中，大約75%的COD被生物降解轉(zhuǎn)化為甲烷，理論上，每去除1kg COD，產(chǎn)生0.35m3的CH4，由于沼氣中甲烷的含量在70%左右，所以，每年可以產(chǎn)生75萬Nm3的沼氣。根據(jù)以往的經(jīng)驗，沼氣的燃燒值在6500kcal/Nm3左右。       二、沼氣利用方法       近年來新建的啤酒廠，幾乎全部采用了厭氧+好氧的污水處理工藝，厭氧的處理過程中會產(chǎn)生大量的沼氣。因為沼氣的主要成分甲烷是一種溫室氣體，國家明令禁止直接排放，所以對于沼氣的處理和利用，已經(jīng)不單單涉及到經(jīng)濟(jì)效益問題，而是上升到了環(huán)境保護(hù)問題的高度。不同的啤酒廠對沼氣的處理方法不盡相同，大致有以下幾類：       1.副產(chǎn)沼氣用于內(nèi)燃機(jī)發(fā)電；      2.副產(chǎn)沼氣用于燃料電池發(fā)電；      3.副產(chǎn)沼氣用于大型燃煤鍋爐的助燃；      4.副產(chǎn)沼氣用小型鍋爐生產(chǎn)蒸汽；      5.少數(shù)企業(yè)采用火炬高點燃燒放空。       在我們新工廠的設(shè)計過程中，也有幾種不同的意見，大部分的人傾向于將沼氣用于內(nèi)燃機(jī)發(fā)電，最終采用哪種利用方法，我們就各種方案的投資和收益狀況進(jìn)行了調(diào)查和分析。       三、沼氣用于內(nèi)燃機(jī)發(fā)電       本世紀(jì)來，國內(nèi)許多的設(shè)備制造廠家已經(jīng)推出了一系列的內(nèi)燃機(jī)，可以使用像污水沼氣這樣的低壓低熱值氣體來發(fā)電，每立方米沼氣大約可以產(chǎn)生1.8KWH～2KWH的電能，發(fā)電裝置熱效率約為30%～35%，內(nèi)燃機(jī)的高溫尾氣熱量還可以進(jìn)行回收，副產(chǎn)低壓蒸汽、熱水或用于空調(diào)機(jī)組。       沼氣用于發(fā)電的基本流程為：       厭氧反應(yīng)器→沼氣儲罐→增壓風(fēng)機(jī)→脫硫→脫水→計量→阻火器→發(fā)電機(jī)組       該技術(shù)已成熟并工業(yè)化，在部分啤酒廠已經(jīng)有安裝投入使用的實例。建設(shè)兩套100KWH的發(fā)電機(jī)組總投資約120萬元。       如果我們采用本方案，預(yù)期總收益計算如下：       總沼氣氣量： 750,000 Nm3/a      發(fā)電效能： 2 KWH/ Nm3      電單價： 0.68元/ KWH      年收益： 1,020,000元       四、沼氣用于燃料電池發(fā)電       截至2000年為止，全球市場上已經(jīng)有近千臺工業(yè)化的燃料電池投入測試運(yùn)行，燃料電池的高效率、無污染、建設(shè)周期短、易維護(hù)以及低成本的潛能將引爆21世紀(jì)新能源與環(huán)保的綠色革命。如今，在北美、日本和歐洲，燃料電池發(fā)電正以驚人的勢頭快步進(jìn)入工業(yè)化規(guī)模應(yīng)用的階段，將成為21世紀(jì)繼火電、水電、核電后的第四代發(fā)電方式。       目前已經(jīng)投入運(yùn)行的以天然氣和凈化煤氣為燃料的MCFC和SOFC發(fā)電效率高達(dá)55%～65%，而且還可提供優(yōu)質(zhì)余熱用于聯(lián)合循環(huán)發(fā)電，是一種優(yōu)良的區(qū)域性供電電站。熱電聯(lián)供時,燃料利用率可以高達(dá)80%以上。在麒麟公司日本的一家工廠里，使用了利用沼氣為燃料的熔融碳酸鹽燃料電池系統(tǒng)，綜合熱效率達(dá)到了72%以上（發(fā)電效率47%以上、廢熱回收效率25%以上）。       按照以上數(shù)據(jù)，我們每年可以獲得的電量為：750,000Nm3×6500kcal/Nm3×4.2×47%÷3600=2,673,125KWH年收益： 1,817,725元。但燃料電池發(fā)電裝置還處于發(fā)展階段，不能做到工業(yè)化、市場化和標(biāo)準(zhǔn)化，初期的投資也十分的龐大，當(dāng)年的報價超過2萬元/KW。       五、沼氣用作鍋爐燃料       上世紀(jì)90年代后期，因為沼氣發(fā)電的技術(shù)還不十分成熟，也有一些公司采用了將沼氣送入燃煤鍋爐燃燒的方法來回收能源。這種方法只需要在現(xiàn)有的鍋爐爐膛中增加一套燃燒裝置，再對鍋爐進(jìn)行一些調(diào)整就可以了。投資很少，但經(jīng)濟(jì)效益依然十分可觀，計算如下：       燃煤發(fā)熱值：5200 kcal/kg      燃煤價格：600元/噸      年收益：750,000Nm3×6500kcal / Nm3×600 / 600元/噸（5200kcal /kg×1000）=562,500元       我公司所在的珠海市是一個環(huán)境美麗的旅游城市，被譽(yù)為“最適合居住的城市”，1998年，珠海市還榮獲“聯(lián)合國改善居住環(huán)境最佳范例獎”。為了保證空氣的質(zhì)量，珠海市政府禁止在轄區(qū)內(nèi)新增任何使用煤炭、重油和秸稈的鍋爐，在沒有管道天然氣和石油氣供應(yīng)的情況下，使用0#柴油成為公司唯一的選擇。根據(jù)啤酒廠蒸汽用量波動大的特點，新工廠鍋爐車間采用了安裝20臺1.7噸小型貫流式鍋爐的配置。       如果將沼氣用于鍋爐燃燒，相關(guān)計算如下：      沼氣總?cè)紵担?6500×750,000=4.875×109 kcal      沼氣鍋爐熱效率： 93%      燃油鍋爐熱效率： 93%      柴油燃燒值： 10,200 kcal/kg      折合柴油數(shù)量： 478 Ton      柴油價格 4800 元/噸      年收益： 2,294,400 元       使用低熱值沼氣的工業(yè)鍋爐裝置已經(jīng)是十分成熟的工業(yè)技術(shù)，為我們提供燃油鍋爐的三浦公司也生產(chǎn)同規(guī)格的低壓燃?xì)忮仩t，二者安裝尺寸和外形基本一致，能夠使用同一個臺數(shù)控制器進(jìn)行聯(lián)動控制，并將沼氣鍋爐設(shè)定為優(yōu)先啟動，能夠保證最大限度的利用沼氣，減低柴油的消耗。增加兩臺1.7噸的燃?xì)忮仩t，包括電氣控制和管路系統(tǒng)在內(nèi)，投資僅為60萬元左右。以上三種方式比較見表1。表1.      內(nèi)燃機(jī)發(fā)電 燃料電池 鍋爐燃料      沼氣儲罐 需要 需要 需要      沼氣脫硫 需要 需要 需要      沼氣脫水 需要 不需要 不需要      主要設(shè)備 2×100KW內(nèi)燃發(fā)電機(jī) 2×200KW燃料電池 2×1.7噸鍋爐      投資概算 120萬元 800萬元 60萬元      年收益 102萬元 182萬元 229萬元      運(yùn)行、維護(hù)費(fèi)用 高 中 低 將沼氣作為鍋爐燃料用于生產(chǎn)蒸汽，從而降低柴油消耗的方案，因為其投資回收快，設(shè)備、工藝技術(shù)成熟，運(yùn)行維護(hù)簡單，不需要額外的廠房等眾多優(yōu)點，成為我們最終的選擇。六、實際運(yùn)行2007年夏季，新工廠投入運(yùn)行，污水處理系統(tǒng)經(jīng)過2個月的生物啟動后，開始穩(wěn)定的產(chǎn)出沼氣，實測沼氣的主要成分如表2。表2. 單位 脫硫前 脫硫后CH4 % 60.34 73.33CO2 % 8.33 5.92O2 % 6.26 7.92N2 % 25.07 12.83H2 ppm 25 23H2S ppm 480 26燃燒值 kcal/Nm3  6357 至今為止，整個系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，僅發(fā)生過一次故障，原因為：沼氣增壓風(fēng)機(jī)進(jìn)口帶水，導(dǎo)致軸承損壞。在更換軸承后，我們又在風(fēng)機(jī)的入口增加了一條自動排水管道，徹底解決了這個問題。2008年，新工廠試運(yùn)行實際啤酒產(chǎn)量不高，沼氣產(chǎn)量沒有達(dá)到設(shè)計的數(shù)據(jù)，同時2008年的0#柴油價格暴漲，全年平均柴油價格超過6800元/噸，但我們的實際收益依然非?？捎^。表3是2008年的沼氣實際使用數(shù)據(jù)。表3. 柴油用量 沼氣用量 折合柴油 油價 沼氣收益單位 L min L 元/噸 元1月 365785 5969 13828 6730 78,6392月 212224 2560 5931 6430 32,2233月 267722 4735 10969 6520 60,4354月 309400 7134 16527 6470 90,3565月 368888 10800 25020 7300 154,3366月 340776 11319 26222 7990 177,0427月 353757 11090 25692 7990 173,4608月 353016 10514 24357 7600 156,4239月 302817 10078 23347 7380 145,59710月 271692 6096 14122 7030 83,89211月 246985 5994 13886 5800 68,05612月 245885 4443 10293 5150 44,792合計 3638948 90732 210196  1,265,250七、綜述維護(hù)我們周圍環(huán)境的碧水藍(lán)天是每個企業(yè)人的義務(wù)，充分利用每一份資源不僅能夠保護(hù)環(huán)境，也能給企業(yè)帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益。在林林總總的節(jié)能方案中，企業(yè)要根據(jù)自身的具體情況進(jìn)行分析，選擇最適合自己的工藝方案。作者單位：麒麟啤酒（珠海）有限公司