污泥厌氧消化沼气安全系统的设置及控制研究

摘要：大中型污水处理厂污泥厌氧消化产生的沼气是一种具有较高利用价值,同时运行具有一定危险性的能源。污水处理厂对沼气进行回收利用,可以达到节约能耗、降低运行成本的目的。以典型的污泥厌氧消化沼气安全利用系统为例,着重从系统角度介绍了工艺流程的设计、安全装置的设置以及系统压力的设定和控制。

关键词：沼气利用 安全系统 工艺设计 污水处理厂

　　污泥厌氧消化是一种使污泥达到稳定状态的非常有效的处理方法。污泥中的有机物厌氧消化后主要产物是消化气(沼气)。随着污泥中有机物成分以及消化工艺的不同,沼气的化学成分也各异,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氢组成,燃烧热值约18800～25000kJ/m3[1]。大中型污水处理厂对消化产生的沼气进行回收利用,可以达到节约能耗、降低运行成本的目的。同时,空气中沼气含量达到一定浓度会具有毒性;沼气与空气以1∶(8．6～20．8)(体积比)混合时,如遇明火会引起爆炸[2]。因此,污水处理厂沼气利用系统如果设计操作不当将会有很大的危险。北京市市政工程设计研究总院在1992年～1996年先后完成了南部非洲博茨瓦纳污水处理厂工程、高碑店污水处理厂一期工程和二期工程污泥中温厌氧消化处理系统和相应的沼气收集利用系统的设计。本文旨在综合以上三个沼气利用系统设计的基础上,着重从污泥厌氧消化沼气系统的安全设置及工艺控制方面进行论述。

　　污泥厌氧消化沼气利用工艺流程由图1可知污泥消化沼气系统一般分为4个子系统:沼气收集净化贮存系统、沼气搅拌系统、沼气利用系统和废气燃烧系统。下面对沼气安全系统的硬件(沼气系统工艺流程设计及安全装置)设置及软件(沼气系统压力的设计及构筑物、设备间的连锁控制)进行阐述。2沼气系统工艺流程设计及安全装置的设置2

　　1　沼气净化污泥消化产生的沼气是处于汽水饱和态的混合气。

　　沼气自消化池进入管道时,温度逐渐降低,管道中会产生大量含杂质的冷凝水,如果不从系统中除去,容易堵塞、破坏管道设备。同时沼气中的h2s气体溶于水形成的氢硫酸会腐蚀管道和毁坏设备。沼气净化主要是脱硫和去除冷凝水及杂质[3]。沼气自消化池进入管道时,在最靠近消化池的国内应用较多的是同济大学及武汉东湖水厂的产品,因本工程目的之一是为第四水厂做试验,所以两格分别采用了两家产品,都取得了良好的效果。

　　此外,前序网格反应池的设计也取得了成功,因气浮的原理与沉淀恰恰相反,所以对矾花的要求不是很高,只要形成能够与微气泡相粘附的中小矾花即可。于是我们适当缩短了反应时间,采用的时间仅为9min,同时也调整了絮凝剂的投加量,降低了药耗。

　　这次龙山水厂气浮工艺的成功应用,使我们对处理水库水、低浊水又有了新的认识,同时我们还在对是否可用出厂压力水取代回流水泵,降低能耗,水流由接触室流往分离区流速多大更合适等问题做进一步的探讨,愿经过试验分析,实践总结,使气浮工艺更加成熟地应用于自来水生产。

　　位置,温降值最大,产生的冷凝水量多,在此点必须设置冷凝水去除罐。在沼气管路系统中,在避免沼气流速过大而夹带水汽的前提下,管道坡度应设计为1%～2%或尽可能更大。在博茨瓦纳污水处理厂运行中发现,个别坡度为0．005左右的管道管壁容易积冷凝水。较长的管线应特别考虑设计成有一定的起伏,在所有低点都应该考虑设置冷凝水去除罐。另外,在重要设备如沼气压缩机、沼气锅炉、沼气发电机、废气燃烧器、脱硫塔等设备沼气管线入口处,在干式气柜的进口处和湿式气柜的进出口处都设置冷凝水去除罐。有时在某些设备如有密封水系统的沼气压缩机出口处还需要设置装有高压排水阀的去除罐。正常运行期间操作人员每天检查时,都会发现一些去除器(特别是靠近消化池的)有大量的冷凝水排出。当构筑物和设备检修时,还可以向冷凝水去除器中注水,作为水封罐。

　　沼气中的杂质一部分随排除冷凝水去除,另一部分被阻留在消焰器填料间缝隙里的杂质也随定期清洗消焰器而被清除,如果沼气利用设备有特殊要求,还应在沼气进入设备前设置气体过滤器为防止氢硫酸腐蚀管道和毁坏设备,城市污水厂污泥产生的沼气进入贮气柜之前一般应该设置脱硫装置。城市污水处理厂沼气脱硫装置一般采用氧化铁的干法脱硫和naoh,na2co3的湿法脱硫。

　　2．2　沼气安全利用

　　2．2．1　防爆保护和火焰消除

　　沼气与空气在一定的混合比和遭遇明火情况下会引起沼气爆炸或燃烧。

　　消焰器的设置有效地防止了外部火焰进入沼气系统及火焰在管路中的传播,进而保证了系统的安全运行。在所有沼气系统与外界连通部位(如:与真空压力安全阀、机械排气阀连接安装处),以及气柜、沼气压缩机、沼气锅炉、沼气发电机、废气燃烧器沼气管进口处都设置了消焰器。消焰器内部填充了金属填料,当火焰通过消焰器填料间缝隙时,热量被吸收,温度降低到燃点以下,达到消焰目的。

　　从消化池流出的沼气中常带有泡沫和浮渣等杂质,容易堵塞填料,阻碍气体通过,增加管路阻力。处理厂操作人员可以测量记录沼气通过不同部位消焰器的压力变化以确定检查清洗填料的周期,实际运行中经常会出现由于消焰器清洗不及时而产生的系统压力波动和运行问题。所以设计时,在消焰器的前后一般设置阀门以便维护。

　　2．2．2　压力安全防护

　　沼气利用系统是一个压力系统,如果沼气收集和使用不平衡,系统压力可能升高超过允许值;污泥或沼气从消化池或气柜过快地排出可能引起构筑物内部的真空状态。

　　系统的压力安全防护装置的设置从压力值上可以考虑分为三个层次:

　　(1)正常运行压力。沼气系统在设计时应该尽量考虑采用低压系统,低压系统有利于消化污泥中的沼气释放出来,同时增强系统的运行安全性。系统正常运行压力在设定范围内会有一定的波动,不同压力管线之间的连通管和沼气利用设备进气之前一般应设置不同形式的调节阀,使进入设备的沼气压力平稳并满足使用要求。

　　(2)防止超压的紧急释放装置。系统中产生多余的气体会使系统压力升高。防止系统超压可以使用废气燃烧器将沼气烧掉;如果还不能阻止系统压力继续上升,设置在低压气柜顶部的机械排气阀或沼气输送管路上的压力释放阀将动作以排放多余气体。排气阀也需要与消焰器同步安装。

　　(3)超压和负压状态下的保护措施。当废气燃烧器和沼气紧急释放装置在系统压力不断升高时出现故障或不能阻止压力进一步升高时,为防止系统超压对构筑物和设备可能造成的破坏性影响,在消化池和气柜顶部都设置了真空压力安全阀。同时,在污泥或沼气从消化池或气柜过快地排出而可能引起构筑物内部的真空状态的时候,真空压力安全阀还会动作使空气进入构筑物,起到最终防护的作用。因为真空压力安全阀安装在沼气系统与外界大气连通的部位,也需要与消焰器同步安装,以避免外部的火源进入沼气系统。在真空压力安全阀和消焰器与消化池连接处设置了常开的阀门,便于检修设备。不同位置的压力安全阀的设定应在系统工作压力的基本值上根据各构筑物间的管路损失设定相应值。操作人员同样需要定期清理超压排气口和真空进气口的密封面。在沼气压缩机和脱硫装置的入口处安装了负压防止阀,防止阀门前部系统沼气量不够的情况下,后部沼气利用系统依然继续抽吸气体。

　　2．2．3　沼气安全利用与贮气柜连接的后续系统有沼气搅拌系统、沼气利用系统和废气燃烧系统。

　　(1)沼气搅拌系统。沼气搅拌系统是指沼气由沼气压缩机送回消化池用以对消化污泥进行搅拌。消化池搅拌还可以采用机械搅拌,省去了沼气压缩机系统及可能附带的冷却水循环系统,使系统更加简单。如果消化池采用溢流排泥,搅拌采用机械搅拌,就可以降低沼气系统压力出现大的波动的概率。

　　(2)沼气利用系统。沼气利用系统一般有:

　　①使用沼气锅炉直接为消化池或其他建筑物提供热能;

　　②使用沼气发电机发电供处理厂内部使用,余热还可为消化池或其他建筑物提供热能;

　　③直接作为可燃气体利用等。可根据具体情况进行分析和选择。

　　(3)废气燃烧系统。当沼气利用设备不能完全消耗消化池产生的沼气时,为防止沼气量不断增加致使系统压力超出正常范围,多余的沼气将被废气燃烧器烧掉。废气燃烧器一般在支状管线的末端,使用频率相对沼气利用设施低,运行时会发现由于长期积存在管线末端的气体成分不理想,难于使用沼气完成点火过程(也与废气燃烧器点火方式有关),所以还可以考虑在废气燃烧器旁设置备用点火源(如小的液化石油气罐)。沼气系统压力设计及构筑物、设备间的连锁控制沼气系统的硬件设施完成后,接下来需要完成系统安全操作的软件部分,即整个系统压力的设定及各构筑物、设备之间的连锁控制。