万博在线登录注册 芬蘭某万博在线登录注册廠的能源與資源回收方式及其碳排放核算

2021-09-19  來自: 万博在线登录注册 瀏覽次數:94

芬蘭舊都圖爾庫市(Turku)為芬蘭第二大海港和重要工業基地。市區面積24 km2,城市人口24萬人,計劃至2029年全1面實現碳中和目標。該市Kakolanmäki 万博在线登录注册廠 為能源利用和熱能回收結合的典型案例。

1 Kakolanmäki 万博在线登录注册 廠的 工藝 流程

圖爾庫市污 水處理 有限公司(Turun seudun puhdistamo Oy)將一處位于地下的廢棄巖石場改造成為Kakolanmäki地下式 污水 處理廠,于2009年1月1日建成并投入運行。目前,該廠承擔了圖爾庫市及其周邊14個城鎮的 市政污水 及其工業 万博在线登录注册 處理,服務人口近30萬人。該廠平均進水量為89 280 m3×d-1,2020年万博在线登录注册總量達32 587 333 m3·a-1。該万博在线登录注册廠運行穩定,平均進出水水質指標全部達到當地1 標準 (見表1)。

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Kakolanmäki万博在线登录注册廠處理工藝主要包括機械、化學和生物處理3個單元,有4條平行處理線,水處理流程如圖1所示。

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1)初級與一級處理。主要包括粗/細格柵、沉砂池、 初沉池 。進水在通過粗格柵后即投加硫酸亞鐵進行 除磷 。后續水流離開生物池進入 二沉池 時也會再投加硫酸亞鐵,使得 TP去除率高達99%。

2)生物處理。生物處理段采用傳統 活性污泥法 缺/ 好氧 工藝(A/O)。實際運行中,進水亦可跨越初沉池直接引入曝氣池,以獲得充足的 碳源 ,并根據碳源需求調整跨越初沉池直接進入曝氣池的水量。

3)深度處理。二沉池出水通過升流慢速砂濾池進行深層過濾。過濾凈化后的出水直接排入附近港口海域。

4)旁路水處理單元。為應對万博在线登录注册廠在融雪期間和夏季暴雨期的洪峰 流量 ,設置了2條由Actiflo®裝置組成旁路水處理單元。這是一種緊湊的超高速澄清工藝,具有沉降速率高、停留時間短、整體占地面積小等優點。

2 Kakolanmäki万博在线登录注册廠的能源回收模式及能量平衡核算

2020年,Kakolanmäki万博在线登录注册廠綜合能耗為35 GWh×a-1,共1產能225 GWh×a-1,即產能已超過能耗的6倍。

2.1 化學能的回收

2020年,該廠共輸送37 871.5 t·a-1脫水 污泥 至Gasum沼氣處理廠進行 厭氧 消化處理。產生沼氣經CHP用于該地區供暖和電力。部分處理后的污泥被加工為肥料制劑,或用作土地改良劑。

該廠的厭氧消化產能達到21.9 GWh×a-1,而處理污泥運行耗能(包括污泥運輸)為14.2 GWh×a-1。即該廠污泥產沼氣加CHP過程產生的能量足夠維持污泥處理加熱、攪拌及污泥運輸等過程的消耗,且尚有一1定能量盈余(7.7 GWh×a-1)。

2.2 熱能的回收

Kakolanmäki万博在线登录注册廠從污水余溫熱能回收的熱量可向外供熱,為當地近15 000戶家庭集中供暖(平均約200 GWh×a-1,占圖爾庫市供熱量的14%),夏季用于區域制冷(平均約25 GWh×a-1,占該區域制冷量的90%)。

Kakolanmäki万博在线登录注册廠的熱能回收由位于地下巖洞廠區內的水源熱泵交換站完成,以該廠二級出水為熱源回收余溫熱能,為廠區和周邊地區供熱( 冬季 工作9個月,服務人口大于整個城市人口的10%)和制冷(四季常開,但集中于夏季3個月,為周邊部分醫院、商場、寫字樓服務)。

由于還需對當地幾個醫院,以及商場和寫字樓持續供冷,熱泵旁配備了一個17 000 m3蓄冷水箱,通過水蓄冷技術(cold water accumulator,CWA)儲存熱交換產生的部分冷卻水,用于平衡供冷需求高峰時的波動。

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取平均COP(能效比)為3.7、平均提取溫差8 ℃,熱交換水量取實際提取出水量為2×107 m3(按年總出水量61%計)。計算結果得出理論熱能回收潛能為183.9 GWh×a-1,與該廠熱泵站輸出實際熱能179.0 GWh×a-1基本吻合,足以證明該廠熱能利用效率之高。

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2.3 能量平衡

由于2020年該廠万博在线登录注册單元能耗為12.76 GWh×a-1,根據年處理污水量計算,即 万博在线登录注册工藝 單位 電耗為0.39 kWh×m-3。

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回收余溫熱能用以供熱/制冷能量的占產能的比例大,近90%,為產生能量的主要來源;而污泥厭氧消化的產能占比不到10%,雖可滿足全廠運行能耗的62%,但意味著僅靠污泥厭氧消化產還難以實現能源中和運行的目標。因此,有效開發利用污水余溫熱能確實是万博在线登录注册廠實現能源回收的關鍵。

2.4 能量回收的優勢

1)Kakolanmäki万博在线登录注册廠位于圖爾庫市中心,出水回收余熱可直接接入圖爾庫市完善的熱力管網,用于周邊住宅區集中供暖、制冷。輸送熱損耗降至***。更重要的是,供熱使用后的回水再循環回熱泵用于熱交換加熱,而未直接排水,使得熱利用效率倍增。

2)熱泵提取溫差大(平均為5~10 ℃)使其低品位熱能利用率高。芬蘭冬季嚴寒漫長,夏季溫和短暫,平均提取溫差達8 ℃。

3)配置2臺unitop 50FY集中式大型熱泵使供熱系統中余熱利用效率較高。供熱端輸出熱水可達90 ℃。這種集中式大型熱泵相較于分散式小型熱泵系統的 運營 成本更低、供熱效率更高。

4)政府與企業協同參與保障了余熱回收 項目 的實施。

3 對Kakolanmäki万博在线登录注册廠的碳足跡衡算

3.1 碳排放量

——直接碳排

表5為Kakolanmäki万博在线登录注册廠氣體排放 監測 統計 數值 。其中二 氧化 碳(CO2)、甲烷(CH4)為万博在线登录注册廠直接碳排的主要貢獻者。

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——間接碳排

根據當地碳中和 政策 ,Kakolanmäki万博在线登录注册廠的運營、TSE熱泵站和Gasum沼氣廠處理污泥用電均購買自清潔能源生產電力,且污泥運輸燃料為污泥厭氧消化生產的沼氣。因此,將万博在线登录注册廠運行電耗等間接碳排放計為零。

另外,為實現碳減排,該廠自2012年開始將原先投加的氫氧化鈣改為碳酸鈣,使得因 藥劑 核算得到的CO2間接排放量降為原來的1%,大大降低了間接碳排。

赫爾辛基環境服務機構(Helsingin seudun ympäristöpalvelut, HSY)監測結果表明,Kakolanmäki万博在线登录注册廠2020年全年實際總碳排放量(以CO2 當量 計)為10 712 t,各部分碳排放量明細見表6。

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3.2 碳減排量

Kakolanmäki万博在线登录注册廠主要通過出水余熱回收及厭氧消化回收熱/電實現碳減排(見表7)。Kakolanmäki万博在线登录注册廠回收熱能與化學能所產生的碳減排效益(以CO2當量計)為-35 642.9 t·a-1。

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3.3 碳中和評價

該廠2020年實際碳排放量(以CO2當量計)為10 712 t·a-1,而碳減排量(以CO2當量計)達-35 643 t·a-1。累計-24 931 t·a-1可交易碳匯額(以CO2當量計)。

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碳中和與能源回收的概念常常被混為一談,而分析此案例可知,該 污水廠 實現碳中和是依靠TSE熱泵站回收熱能及其貢獻的碳匯,并非依靠万博在线登录注册工藝實現的能源回收。因此,在對國內万博在线登录注册廠運行進行碳中和或能源回收評價時,不應把兩者簡單的等同起來。

Kakolanmäki万博在线登录注册廠的案例也進一步表明TSE熱泵站回收的熱能貢獻占比巨大,實現了該廠的能源回收,同時產生的巨大碳匯使得該廠的碳排放為負值。

4 結語

由芬蘭Kakolanmäki万博在线登录注册廠運行實踐表明,万博在线登录注册廠實現碳中和運行的關鍵在于出水中大量余溫熱能的回收,這點經驗值得借鑒。由此可知,國內万博在线登录注册廠采用傳統污泥厭氧消化工藝很難實現能源回收及碳中和運行。例如,北京高碑店万博在线登录注册廠數據表明,該廠全年可提取平均溫差為4℃,流量為339×106 m3·a-1,說明其理論潛熱為Kakolanmäki万博在线登录注册廠的8倍。因此,應充分認識并合理利用污水余溫熱這一體量巨大的低品位能源,合理設置其回收利用方式。


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