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    行業熱點
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    污水熱能利用國際現狀與趨勢

      
      污水中含有有機物(COD)化學能和余溫熱能,但這種潛能一直不被重視。已有研究表明城市污水中所蘊含的潛能(化學能+熱能)值可達污水處理耗能的9~10倍。同時,前期研究結論顯示,城市污水中化學能約占總潛能值的10%,而90%的污水潛能由熱量產生(詳見原創研究|污水處理碳中和主力乃熱能而非化學能)。若把污水中的熱能加以合理利用,污水處理廠也會從原先的耗能工廠轉變為“能源工廠”,不僅可以能量輸出方式間接實現“碳中和”運行,而且還會產生大量碳交易額。
      生活過程因熱量輸入導致污水排放出口溫度(平均為27 ℃)比自來水溫度高出2~17 ℃??梢娢鬯鄿責崮芸偭烤薮?,約占城市廢熱排放總量的15%~40%;污水源熱泵COP(能效比)為3.5~4.6,比空氣源熱泵(COP=2.8~3.4)和地源熱泵(COP=3.3~3.8)均高,這意味著交換同量熱量比其它兩種熱源方式更省電。然而,從污水余溫熱能中提取的熱量屬于低品位能源(40~80 ℃),難以用于發電,只能被直接利用,且熱量有效輸送半徑僅為3~5 km。這就決定了污水源熱泵技術有限的應用距離。研究分別從污水余溫熱能利用途徑、相關政策法規以及經濟激勵角度分析其應用可能性,為未來污水處理廠利用余溫熱能助力實現碳中和目標確定方向。
      污水熱能利用途徑
     ?、?nbsp;  集中利用
      優勢:污水處理廠出水比原污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)防污、防堵、防腐構造等問題。
      限制因素:該熱能利用范圍有限,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,并向污水處理廠周邊輻射,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、林業產品脫水和滿足水產養殖業的更大熱量需求;
      英國學者分析了英格蘭南部污水處理廠利用出水熱能方式的經濟性,得出集中利用熱能用于維持55 ℃厭氧消化進行熱電聯產應該具有更高的經濟回報率;
      日本札幌市直接利用污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。
      
      圖為芬蘭圖爾庫市Kakolanm?ki污水處理廠污水余溫熱能集中利用示意圖
     
      根據荷蘭Utrecht污水處理廠改造規劃,該廠出水余溫熱能利用也將一并納入改造計劃。采用熱泵技術,建成后熱泵出水溫度可達到75~83 °C,每年總共可從出水中交換約400 000 000 MJ熱量,約占Utrecht市總供熱量的10~15%,可持續供應當地10 000戶居民冬季取暖供熱需求,從而大大減少天然氣使用量(詳見應用案例|荷蘭升級改造NEREDA并將實施熱能供暖項目)。
      芬蘭圖爾庫市Kakolanm?ki污水處理廠(詳見應用案例|污水處理廠變能源工廠:芬蘭Kakolanm?ki)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和制冷(四季常開,但高峰集中于夏季3個月,為周邊部分醫院和寫字樓。污水處理廠二級出水的平均溫度為14 ℃,提取后平均溫度降低約5~10 ℃。該廠產能是運行能耗的10倍之多,其中,余溫熱能供熱/制冷能量回收近90%;
      泰晤士水務公司與英國東南部泰晤士河畔金斯頓地方委員會準備協作推進“粑粑能源”(Poo power)計劃,從Hogsmill污水處理廠1/3的出水中回收余熱,預計30年服務期內每年可回收高達7 GWh熱能,相當于30年中可減少約10.5萬t CO2排放當量(詳見應用咨詢|從污水中回收熱可提供一種來自廢物的低碳能源)。
     ?、?nbsp;  原位利用
      優勢:從用戶端原位利用污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為嚴重。因此對熱交換器的防污、防堵、防腐能力存在特殊要求。污水熱能原位利用必然導致進入污水處理廠水溫降低,在冬季會嚴重影響污水生物處理效果。
      
      圖為污水余溫熱能原位利用示意圖
      應用案例
     ?。?)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筑灰水余熱回收項目,并在漢堡、法蘭克福結合污水源分離技術建立了污水余熱回收示范樣板。
      此外,蘇格蘭SHARC公司在加拿大溫哥華Seven35大樓60戶家庭中安裝了居家污水余熱回收試驗系統,采用美國FHP 熱泵和雙壁通風換熱器,并實時監控、記錄系統運行情況。
      (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個利用市政管道污水交換熱源的供熱工程。
      瑞士在熱泵系統清潔、防堵技術上進行了很多研究,以降低熱泵系統運行成本。1981 年瑞士人發明“FEKA”箱式系統,通過沉淀和篩分分離固體進行管道原位熱能利用,工程應用一直持續至21世紀。20世紀90年代,瑞士人還利用排水管道底部一體化溝槽式換熱器發明了“Rabtherm”系統,并在瑞士Basel-Bachgraben 體育場穩定運行了25 年,該系統2001年安裝應用于賓寧根,到現在也未出現污垢堵塞現象。
      德國對污水熱能利用主要以分散方式進行,并針對換熱器結垢現象發明了不同類型的清洗技術,其中,琥珀公司發明的Huber Thermwin在線自動清洗熱泵系統被用于德國多個小區的熱泵系統,同時也在瑞士一些中小型建筑污水熱能原位利用項目上獲得應用。
      熱能利用政策與經濟激勵
      污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。
     ?。?)相關法律
      雖然歐洲國家為減少化石燃料使用,鼓勵利用可再生能源,但歐盟對于污水熱能回收還沒有制定出十分準確的政策規定,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 
      
      圖為影響歐洲熱泵技術發展的法律文件
      (2)組織與協作機制
      在技術開發管理上,日本于1980 年成立了新能源開發組織,并在2003 年成為國家獨立行政機構。
      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,推動污水熱能用于供熱、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)。作為一個合作網絡組織,鼓勵并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。
     ?。?)經濟政策
      設備補貼:德國在2015年開始實行市場激勵計劃(MAP),為企業和住戶使用可再生能源供熱提供資金支持;
      瑞典為減少家庭供暖電能消耗,政府提供資金補助來鼓勵使用污水源熱泵交換供熱;
      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)。
      美國能源部(DOE)通過氣候輔助計劃(WAP)向各州發放補助金,用于可再生供熱設備改造,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補助為每戶6 500美元。
      稅收減免及其他優惠:瑞典自2005 年5 月15 日開始對公共事業中商業建筑可再生能源供熱設備(含污水源熱泵)投資實施30% 稅收減免政策,單體建筑最高補助額為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)、《節能商業建筑減免》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?!蹲≌苄Ф愂盏置狻窏l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。
      污水熱能集中利用設想
      考慮到原位利用污水熱能再冬季會影響污水廠生物處理效果;集中交換熱屬低品位能源,難以用于發電,并存在傳輸距離限制等問題,對此,結合污水處理剩余污泥未來處理/處置路線,提出了“污泥干化后直接焚燒”的技術設想。(詳見原創研究|焚燒:污泥能源/資源化之上策)
      從出水中集中交換出的熱量可用于脫水污泥熱分散式原位干化,使脫水污泥含水率從80%降至40%~70%(取決于有機質含量)后直接焚燒,產生的高熱熱量可用于發電、灰分提磷后用作建筑材料。從某種程度上看,污泥干化后焚燒相當于將低品位熱能轉化為可發電的高品位熱能。再者,污泥焚燒廠亦可吸納廚余等有機固體垃圾混燒,以增加熱值并減少垃圾焚燒重復投資。
      結論
      污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。原位利用污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,多為獲得政府經濟補貼支持的示范工程,維持長期運行存在爭議。包括日本直接利用污水余溫冬季融雪的做法雖然簡單,但應用范圍和時間也十分有限。
      污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。從污水處理剩余污泥終極處理、處置角度,交換熱量用于污泥原位熱干化后焚燒則是一種不錯的出路。此外,在污水處理廠周邊農田建設大棚/溫室,接收污水處理交換熱能也是一種潛在、穩定的出路。
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