行業動態

汙水熱能利用國際現狀與趨勢

時間:2021-08-13

  

  汙水中含有有機物(COD)化學能和余溫熱能,但這種潛能一直不被重視。已有研究表明城市汙水中所蘊含的潛能(化學能+熱能)值可達汙水處理耗能的9~10倍。同時,前期研究結論顯示,城市汙水中化學能約占總潛能值的10%,而90%的汙水潛能由熱量産生(詳見原創研究|汙水處理碳中和主力乃熱能而非化學能)。若把汙水中的熱能加以合理利用,汙水處理廠也會從原先的耗能工廠轉變爲“能源工廠”,不僅可以能量輸出方式間接實現“碳中和”運行,而且還會産生大量碳交易額。
  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。
  汙水熱能利用途徑
  ①   集中利用
  優勢:汙水處理廠出水比原汙水具有更高的潛熱值,通過水源熱泵系統提取熱能也相對容易,可避免熱交換器(熱泵)防汙、防堵、防腐構造等問題。
  限制因素:該熱能利用範圍有限,存在遠距離輸送熱損失及輸送費用問題。
  利用方式:滿足場內利用,並向汙水處理廠周邊輻射,兼顧周邊民宅供熱、制冷需要。
  應用案例
  歐洲有人提出,出水熱能可用于農業、林業産品脫水和滿足水産養殖業的更大熱量需求;
  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;
  日本劄幌市直接利用汙水處理廠出水余溫在調節池內融化運輸而來的積雪,解決冬季街道、居住區積雪處理問題。

  

  圖爲芬蘭圖爾庫市Kakolanm?ki汙水處理廠汙水余溫熱能集中利用示意圖

 
  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(详见應用案例|荷兰升级改造NEREDA并将实施热能供暖项目)。
  芬兰图尔库市Kakolanm?ki污水处理厂(详见應用案例|污水处理厂变能源工厂:芬兰Kakolanm?ki)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
  優勢:從用戶端原位利用汙水熱能的水源熱泵系統可有效解決遠距離輸送熱量損失及系統輸送費等問題。
  限制因素:腐蝕熱泵機組問題較爲嚴重。因此對熱交換器的防汙、防堵、防腐能力存在特殊要求。汙水熱能原位利用必然導致進入汙水處理廠水溫降低,在冬季會嚴重影響汙水生物處理效果。


  

  圖爲汙水余溫熱能原位利用示意圖

  應用案例
  (1)居家原位利用


  

  圖片來源:維基百科

  2012年Nolde&Partner水概念公司在德國聯邦環境基金會(DBU)資助下完成了第一個分散式建築灰水余熱回收項目,並在漢堡、法蘭克福結合汙水源分離技術建立了汙水余熱回收示範樣板。
  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
  挪威開發了淋水式換熱器,用以解決換熱器堵塞問題。目前,挪威已建成2個利用市政管道汙水交換熱源的供熱工程。
  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。
  熱能利用政策與經濟激勵
  汙水余溫熱能藉日臻完善的水源熱泵技術,工程應用在技術上已不存在太多問題,關鍵取決于政府對這一可再生清潔能源的認識、態度以及相應的政策、法律和經濟補貼。因此,有必要了解上述發達國家在這一方面的做法與經驗。
  (1)相關法律
  雖然歐洲國家爲減少化石燃料使用,鼓勵利用可再生能源,但歐盟對于汙水熱能回收還沒有制定出十分准確的政策規定,僅在宏觀上建立了應對氣候變化的彈性能源聯盟,主要開展能源供應安全、內部能源市場、節能減排和相關技術研究 


  

  圖爲影響歐洲熱泵技術發展的法律文件

  (2)組織與協作機制
  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。
  歐盟25個國家的熱泵和零部件制造商、大學/研究機構、測試實驗室和能源機構總共128個成員組成了歐洲熱泵協會(EHPA)。旨在克服市場壁壘,以加快熱泵市場發展,推動汙水熱能用于供熱、冷卻和熱水加熱領域。
  加拿大建立了一種未來城市優質能源系統(QUEST)。作爲一個合作網絡組織,鼓勵並組織來自各行各業人員參與進行能源問題平等對話和信息交流,支持在加拿大各地發展綜合社區能源系統(ICES),以提高專業知識和建設能力。
  (3)經濟政策
  設備補貼:德國在2015年開始實行市場激勵計劃(MAP),爲企業和住戶使用可再生能源供熱提供資金支持;
  瑞典爲減少家庭供暖電能消耗,政府提供資金補助來鼓勵使用汙水源熱泵交換供熱;
  英格蘭、蘇格蘭和威爾士的住戶在安裝可再生能源供熱系統時亦可獲得高達1250英鎊的政府補貼。蘇格蘭政府還發放取暖貸款基金,用以解決實施地區供熱財政和技術障礙;企業及民用工程最高可獲得50萬英鎊低息無擔保貸款(還款期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。
  美國國家稅務局發布了《商業能源投資稅收抵免》(ITC)、《節能商業建築減免》條例,對企業使用可再生能源供熱、制冷設備予以3~19美元/m2稅收減免。《住宅能效稅收抵免》條例規定對使用熱泵交換熱水器COP達到2.0以上的給予300美元稅收抵免。
  汙水熱能集中利用設想

  考慮到原位利用汙水熱能再冬季會影響汙水廠生物處理效果;集中交換熱屬低品位能源,難以用于發電,並存在傳輸距離限制等問題,對此,結合汙水處理剩余汙泥未來處理/處置路線,提出了“汙泥幹化後直接焚燒”的技術設想。(詳見原創研究|焚燒:汙泥能源/資源化之上策)
  從出水中集中交換出的熱量可用于脫水汙泥熱分散式原位幹化,使脫水汙泥含水率從80%降至40%~70%(取決于有機質含量)後直接焚燒,産生的高熱熱量可用于發電、灰分提磷後用作建築材料。從某種程度上看,汙泥幹化後焚燒相當于將低品位熱能轉化爲可發電的高品位熱能。再者,汙泥焚燒廠亦可吸納廚余等有機固體垃圾混燒,以增加熱值並減少垃圾焚燒重複投資。
  結論
  汙水中含有巨大余溫熱能,在可持續發展的全球主題下已漸漸被國際社會所關注。原位利用汙水熱能的國內外工程盡管已屢見不鮮,但由于管道腐蝕等問題難以解決,應用進展緩慢,多爲獲得政府經濟補貼支持的示範工程,維持長期運行存在爭議。包括日本直接利用汙水余溫冬季融雪的做法雖然簡單,但應用範圍和時間也十分有限。
  汙水處理廠集中交換熱雖然可以解決上述問題,唯一缺陷是交換出的熱量消納問題,這就需要在廠內和廠周邊找到穩定的熱量消納用戶。首選是服務于周邊住宅或工企空調熱量交換。從汙水處理剩余汙泥終極處理、處置角度,交換熱量用于汙泥原位熱幹化後焚燒則是一種不錯的出路。此外,在汙水處理廠周邊農田建設大棚/溫室,接收汙水處理交換熱能也是一種潛在、穩定的出路。