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污水热能利用国际现状与趋势

文字:[大][中][小] 手机页面二维码 2021/8/6     浏览次数:    


  污水中含有有机物(COD)化学能和余温热能,但这种潜能一直不被重视。已有研究表明城市污水中所蕴含的潜能(化学能+热能)值可达污水处理耗能的9~10倍。同时,前期研究结论显示,城市污水中化学能约占总潜能值的10%,而90%的污水潜能由热量产生(详见原创研究|污水处理碳中和主力乃热能而非化学能)。若把污水中的热能加以合理利用,污水处理厂也会从原先的耗能工厂转变为“能源工厂”,不仅可以能量输出方式间接实现“碳中和”运行,而且还会产生大量碳交易额。
  生活过程因热量输入导致污水排放出口温度(平均为27 ℃)比自来水温度高出2~17 ℃。可见污水余温热能总量巨大,约占城市废热排放总量的15%~40%;污水源热泵COP(能效比)为3.5~4.6,比空气源热泵(COP=2.8~3.4)和地源热泵(COP=3.3~3.8)均高,这意味着交换同量热量比其它两种热源方式更省电。然而,从污水余温热能中提取的热量属于低品位能源(40~80 ℃),难以用于发电,只能被直接利用,且热量有效输送半径仅为3~5 km。这就决定了污水源热泵技术有限的应用距离。研究分别从污水余温热能利用途径、相关政策法规以及经济激励角度分析其应用可能性,为未来污水处理厂利用余温热能助力实现碳中和目标确定方向。
 污水热能利用途径
  ①   集中利用
  优势:污水处理厂出水比原污水具有更高的潜热值,通过水源热泵系统提取热能也相对容易,可避免热交换器(热泵)防污、防堵、防腐构造等问题。
  限制因素:该热能利用范围有限,存在远距离输送热损失及输送费用问题。
  利用方式:满足场内利用,并向污水处理厂周边辐射,兼顾周边民宅供热、制冷需要。
应用案例
  欧洲有人提出,出水热能可用于农业、林业产品脱水和满足水产养殖业的更大热量需求;
  英国学者分析了英格兰南部污水处理厂利用出水热能方式的经济性,得出集中利用热能用于维持55 ℃厌氧消化进行热电联产应该具有更高的经济回报率;
  日本札幌市直接利用污水处理厂出水余温在调节池内融化运输而来的积雪,解决冬季街道、居住区积雪处理问题。
  图为芬兰图尔库市Kakolanmäki污水处理厂污水余温热能集中利用示意图
 
  根据荷兰Utrecht污水处理厂改造规划,该厂出水余温热能利用也将一并纳入改造计划。采用热泵技术,建成后热泵出水温度可达到75~83 °C,每年总共可从出水中交换约400 000 000 MJ热量,约占Utrecht市总供热量的10~15%,可持续供应当地10 000户居民冬季取暖供热需求,从而大大减少天然气使用量(详见应用案例|荷兰升级改造NEREDA并将实施热能供暖项目)。
  芬兰图尔库市Kakolanmäki污水处理厂(详见应用案例|污水处理厂变能源工厂:芬兰Kakolanmäki)以该厂二级出水为热源回收余温热能,为厂区和周边地区供热和制冷(四季常开,但高峰集中于夏季3个月,为周边部分医院和写字楼。污水处理厂二级出水的平均温度为14 ℃,提取后平均温度降低约5~10 ℃。该厂产能是运行能耗的10倍之多,其中,余温热能供热/制冷能量回收近90%;
  泰晤士水务公司与英国东南部泰晤士河畔金斯顿地方委员会准备协作推进“粑粑能源”(Poo power)计划,从Hogsmill污水处理厂1/3的出水中回收余热,预计30年服务期内每年可回收高达7 GWh热能,相当于30年中可减少约10.5万t CO2排放当量(详见应用咨询|从污水中回收热可提供一种来自废物的低碳能源)。
 ②   原位利用
  优势:从用户端原位利用污水热能的水源热泵系统可有效解决远距离输送热量损失及系统输送费等问题。
  限制因素:腐蚀热泵机组问题较为严重。因此对热交换器的防污、防堵、防腐能力存在特殊要求。污水热能原位利用必然导致进入污水处理厂水温降低,在冬季会严重影响污水生物处理效果。
  图为污水余温热能原位利用示意图
 应用案例
  (1)居家原位利用
  图片来源:维基百科
  2012年Nolde&Partner水概念公司在德国联邦环境基金会(DBU)资助下完成了第一个分散式建筑灰水余热回收项目,并在汉堡、法兰克福结合污水源分离技术建立了污水余热回收示范样板。
  此外,苏格兰SHARC公司在加拿大温哥华Seven35大楼60户家庭中安装了居家污水余热回收试验系统,采用美国FHP 热泵和双壁通风换热器,并实时监控、记录系统运行情况。
 (2)管道原位利用
  挪威开发了淋水式换热器,用以解决换热器堵塞问题。目前,挪威已建成2个利用市政管道污水交换热源的供热工程。
  瑞士在热泵系统清洁、防堵技术上进行了很多研究,以降低热泵系统运行成本。1981 年瑞士人发明“FEKA”箱式系统,通过沉淀和筛分分离固体进行管道原位热能利用,工程应用一直持续至21世纪。20世纪90年代,瑞士人还利用排水管道底部一体化沟槽式换热器发明了“Rabtherm”系统,并在瑞士Basel-Bachgraben 体育场稳定运行了25 年,该系统2001年安装应用于宾宁根,到现在也未出现污垢堵塞现象。
  德国对污水热能利用主要以分散方式进行,并针对换热器结垢现象发明了不同类型的清洗技术,其中,琥珀公司发明的Huber Thermwin在线自动清洗热泵系统被用于德国多个小区的热泵系统,同时也在瑞士一些中小型建筑污水热能原位利用项目上获得应用。
热能利用政策与经济激励
  污水余温热能藉日臻完善的水源热泵技术,工程应用在技术上已不存在太多问题,关键取决于政府对这一可再生清洁能源的认识、态度以及相应的政策、法律和经济补贴。因此,有必要了解上述发达国家在这一方面的做法与经验。
 (1)相关法律
  虽然欧洲国家为减少化石燃料使用,鼓励利用可再生能源,但欧盟对于污水热能回收还没有制定出十分准确的政策规定,仅在宏观上建立了应对气候变化的弹性能源联盟,主要开展能源供应安全、内部能源市场、节能减排和相关技术研究 
  图为影响欧洲热泵技术发展的法律文件
  (2)组织与协作机制
  在技术开发管理上,日本于1980 年成立了新能源开发组织,并在2003 年成为国家独立行政机构。
  欧盟25个国家的热泵和零部件制造商、大学/研究机构、测试实验室和能源机构总共128个成员组成了欧洲热泵协会(EHPA)。旨在克服市场壁垒,以加快热泵市场发展,推动污水热能用于供热、冷却和热水加热领域。
  加拿大建立了一种未来城市优质能源系统(QUEST)。作为一个合作网络组织,鼓励并组织来自各行各业人员参与进行能源问题平等对话和信息交流,支持在加拿大各地发展综合社区能源系统(ICES),以提高专业知识和建设能力。
  (3)经济政策
  设备补贴:德国在2015年开始实行市场激励计划(MAP),为企业和住户使用可再生能源供热提供资金支持;
  瑞典为减少家庭供暖电能消耗,政府提供资金补助来鼓励使用污水源热泵交换供热;
  英格兰、苏格兰和威尔士的住户在安装可再生能源供热系统时亦可获得高达1250英镑的政府补贴。苏格兰政府还发放取暖贷款基金,用以解决实施地区供热财政和技术障碍;企业及民用工程最高可获得50万英镑低息无担保贷款(还款期10~15年)。
  美国能源部(DOE)通过气候辅助计划(WAP)向各州发放补助金,用于可再生供热设备改造,主要是用以提高低收入家庭能源利用效率;在降低住房能耗上的平均补助为每户6 500美元。
  税收减免及其他优惠:瑞典自2005 年5 月15 日开始对公共事业中商业建筑可再生能源供热设备(含污水源热泵)投资实施30% 税收减免政策,单体建筑最高补助额为5 000 000 克朗。
  美国国家税务局发布了《商业能源投资税收抵免》(ITC)、《节能商业建筑减免》条例,对企业使用可再生能源供热、制冷设备予以3~19美元/m2税收减免。《住宅能效税收抵免》条例规定对使用热泵交换热水器COP达到2.0以上的给予300美元税收抵免。
  污水热能集中利用设想
  考虑到原位利用污水热能再冬季会影响污水厂生物处理效果;集中交换热属低品位能源,难以用于发电,并存在传输距离限制等问题,对此,结合污水处理剩余污泥未来处理/处置路线,提出了“污泥干化后直接焚烧”的技术设想。(详见原创研究|焚烧:污泥能源/资源化之上策)
  从出水中集中交换出的热量可用于脱水污泥热分散式原位干化,使脱水污泥含水率从80%降至40%~70%(取决于有机质含量)后直接焚烧,产生的高热热量可用于发电、灰分提磷后用作建筑材料。从某种程度上看,污泥干化后焚烧相当于将低品位热能转化为可发电的高品位热能。再者,污泥焚烧厂亦可吸纳厨余等有机固体垃圾混烧,以增加热值并减少垃圾焚烧重复投资。
  结论
  污水中含有巨大余温热能,在可持续发展的全球主题下已渐渐被国际社会所关注。原位利用污水热能的国内外工程尽管已屡见不鲜,但由于管道腐蚀等问题难以解决,应用进展缓慢,多为获得政府经济补贴支持的示范工程,维持长期运行存在争议。包括日本直接利用污水余温冬季融雪的做法虽然简单,但应用范围和时间也十分有限。
  污水处理厂集中交换热虽然可以解决上述问题,唯一缺陷是交换出的热量消纳问题,这就需要在厂内和厂周边找到稳定的热量消纳用户。首选是服务于周边住宅或工企空调热量交换。从污水处理剩余污泥终极处理、处置角度,交换热量用于污泥原位热干化后焚烧则是一种不错的出路。此外,在污水处理厂周边农田建设大棚/温室,接收污水处理交换热能也是一种潜在、稳定的出路。





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