万峰 捷成洋行北京代表处
利用AO法对污水净化是目前世界上普遍采用的污水净化方法之一。对于城市污水处理厂而言，由于每天处理的水量巨大，每天都产生大量的残留物—污泥。为了避免二次污染，对污水处理过程中产生的污泥进行厌氧消化，去除其有机成份是通常使用的方法。对厌氧消化过程中产生的沼气如何处理就成了人们关注的焦点。
在污水处理厂中产生的沼气，作为一种再生能源，其主要成份为甲烷(CH4)。其典型的组成为：
CH4 60%
CO2 30%
N2 8.0%
CO 0.3%
H2S 0.1%
其它 1.2%
LHV 5000 kcal/Nm3
经科学认定，作为温室气体的甲烷CH4对大气的危害是CO2的24.5倍。如对沼气处理不当，排放到大气中，其对局部环境和整个地球的环境危害极大。国际环保组织经常性开展国际会议，对各个国家的温室气体排放量都有一定的限制。与此同时，以甲烷为主要成分的沼气是非常理想的再生能源。
随着人们环保意识的不断增强，人们对作为再生能源的沼气的利用越来越重视。人们一直在寻求一种技术，在不产生二次污染的前提下，将沼气的化学能充分高效地利用。燃气内燃机在完全满足人们对环保严格要求的同时，利用四冲程、高压点火、涡轮增压、中冷器、稀释燃烧等技术，通过沼气在气缸内燃烧做功，将沼气的化学能转换成机械能。
与此同时，利用热回收技术，将燃气内燃机中润滑油、中冷器、缸套水和尾气排放中的热量充分回收利用，组成热动机组。一般从内燃机热回收系统中吸收的热量以90℃的热水形式供给热交换中心使用。内燃机正常回水温度为70℃。在污水处理厂中，可利用这一热量给消化池进行加热。
燃气内燃机机械效率通常达40%，热效率可达50%，总效率高达90%。通常在O2为5%的情况下，燃烧后的排放NOx≤500mg/Nm3，完全满足环保的要求。因此，燃气内燃机对沼气的利用是一种非常理想的途径。
目前国外技术先进、开发成熟的燃气内燃机机组，通常配有a.全自动电脑控制系统，b.紧急冷却系统，c.润滑油自动补给系统，d.尾气消音器等。
a.全自动电脑控制系统。该系统可根据设定的程序，实现自动启动、停车。在运行过程中，可将运行的状况，如内燃机缸内工作压力、温度，排气温度，转速，输出功率等主要参数显示在控制面板上。控制系统还有记忆功能，在机组停机后，可调出一段时间的记忆信息，帮助判断故障原因。该系统还可利用电话线，实现远程监控，方便判断机组的运行状况，便于维修。
b.紧急冷却系统是为在回水温度过高时，为防止内燃机机组过热而设的散热装置。在热回收系统正常工作，回水温度低于设定值时，紧急冷却系统不工作，处于待机状态。由于某种原因，回水温度超过设定值时，该系统会紧急启动，将多余热量散掉，使回水温度降到设定值以下，保护内燃机组的正常运行。
由于紧急冷却系统的散热器通常放置于室外，在室外温度低于0℃的情况下，为防止散热器被冻裂，起热交换作用的循环水一定要采用防冻液。
c.润滑油自动补给系统。随着内燃机机组的运行，起为机组润滑作用的润滑油都有不同程度的消耗，润滑油自动补给系统可以在不停车的情况下，自动补充所需的润滑油。也可以在停车时实现自动/手动更换润滑油。
d.尾气消音器。内燃机组产生的噪音主要体现在尾气排放上，在尾气排放末端如尾气消音器是减少噪音的最好办法。一般燃气内燃机组的整体噪音可控制在95dB(A)以下。
根据污水处理厂的特点，人们通常利用燃气内燃机的机械输出直接驱动鼓风机，组成沼气内燃机鼓风机组，给曝气池供氧；也可利用燃气内燃机带动发电机，组成发电机组进行发电。我们称带热回收的沼气内燃机鼓风机组为热动联供机组；带热回收的沼气发电机组为热电联供机组。
那么，利用沼气内燃机鼓风机组和沼气内燃机发电机组哪种形式更好呢?答案是各有优缺点。
由于燃气内燃机不要求防爆，因此可以将沼气内燃机驱动鼓风机组直接安装在电机驱动的鼓风机组机房内，两者共用同一风廊系统。不必再为沼气内燃机组设立独立的空间，这样就节省了空间。与利用沼气发电机组发电，再由电机驱动鼓风机组相比，沼气内燃机直接驱动鼓风机，减少了机械能转化成电能，再由电能转化成机械能的二次能源转换，提高了转换效率。在投资上也减少了一台发电机和一台电动机的投资。多数污水处理厂为了避免启动电流过大，均采用高压电机，高压发电机和高压电动机的成本也是很高的。这种直接驱动的方式缺点是由于气柜与鼓风机房有一定的距离，沼气输送管线需要一定的长度；同时，鼓风机房与热交换中心的距离如比较远，也要考虑管线的保温问题。
沼气内燃机发电机组的是灵活性强，它可以根据实际沼气的产生优点量随时消耗沼气，转换成电能。相对沼气鼓风机组而言，沼气发电机组的优势是可以满负荷工作，充分发挥沼气内燃机的功效。另外，沼气热电联供机组的安装位置不受局限，可以选择离气柜较近并方便热交换的地方。
总之，不论是沼气内燃机鼓风机组，还是沼气内燃机发电机组在技术上都非常成熟。在世界上及国内各污水处理厂中普遍使用。
使用沼气内燃机的经济性究竟如何呢?举一个中等规模污水处理厂的例子，每天产生5，000立方米沼气，可选用一台500千瓦沼气内燃机，每天可转换的能量相当于12，000度电，同时产生可利用热量1，290万大卡。每年按8，000小时计算，可发电或节电总量达400万度。
那么，沼气内燃机的运行成本怎样?按照燃气内燃机的使用要求，工作约500小时需更换润滑油。仍然以500千瓦沼气内燃机为例，更换一次润滑油228升，需约5，000元人民币，500小时均摊5，000人民币的零配件费，总成本1万元。而500小时发电或节电250，000度，按0.5元/度电费计算，折合12.5万元。其消耗占总收益的8%。再考虑沼气的成本和人工费用，它的总成本应在10%左右。这只是考虑了它的发电效益，如再考虑它热量回收利用所节省的能源，沼气内燃机产生的经济效益显而易见。
既然使用沼气内燃机的效益这么明显，那么在国内有的污水处理厂中沼气内燃机为什么搁置不用呢?这里的原因主要有：
1.沼气系统不够完善，进气压力不足；
2.脱硫效果不好，气体湿度过高。
由于上述两点直接影响燃气内燃机的使用，我们有必要着重介绍一下。
目前国际上技术较成熟的燃气内燃机燃料进气分为高压进气和低压进气两种。高压进气的燃气内燃机一般是为天然气的使用而设计的，它的进气压力需要600mbar(6米水柱)，而从沼气柜出来的气体压力仅为20mbar左右。这么高的压力提升就需要较大的增压器系统，这样的增压器就需要安置在防爆的增压机房内。加压后的沼气还要储存在一个2000m3左右的稳压罐内。这种机组系统复杂、占地面积大、投资增加。低压进气的燃气内燃机进气压力一般为80mbar(800mm水柱)，由于增压倍数低，这种系统所需的增压器不需要防爆；增压器本身的体积也较小。如能采用管式增压器，其体积就更小了。这种增压器系统也不需要设置稳压罐。
无论是哪种进气压力的燃气内燃机都需要满足进气压力的需要，否则，就会产生内燃机动力不足的问题，造成内燃机喘震，自动停车。
由于燃气内杉机本身设计上和材料上的特点，它对硫化物的腐蚀特别明感。超标的硫化物如遇到湿气或水就会产生酸性物质，可以造成涡轮增压器和中冷器的腐蚀；降低润滑油的使用寿命；如尾气热交换器被腐蚀，热循环水就会进入到内燃机缸体和气缸中，造成更大的损失。由于沼气中H2S的彻底去除是有一定难度的，气体内的湿度是产生酸性物质的间接条件。因此，气体的除湿也是非常重要的。
四冲程，点火式燃气内燃机对燃气特性的具体要求如下：
a)最大允许温度变化梯度：0.5%/30秒
b)最大允许短时气体压力变化梯度：10mbar/秒
c)燃气质量：进入燃气内燃机之前的燃气质量必需遵守表中详细列出的要求，所有气体量是在燃气标准状态下的值，即温度0℃，压力1，013bar，热值10kWh/m3。其他热值应按比例进行直接换算。
根据沼气组成的特点，要达到表中气体质量的要求并不难。如使沼气中H2S的含量小于200ppm或300mg/Nm3是比较理想的。另外，在沼气传输过程中，从消化池中出来的沼气有机会与润滑油等油性物质接触，沼气中含有油颗粒，应采用活性碳过滤器和油水分离器加以去除。具体脱硫、除油、除尘、除湿的方法是在进入气柜之前，采用先湿式脱硫、后干式脱硫；在出气柜之后，采用活性碳过滤器、油水分离器和气水分离器的综合工艺。这样脱硫、除油、除尘、除湿的效果极佳。
还有，有人关心燃气内燃机在北方寒冷地区的使用情况。东北地区冬季室外温度虽然很低，但污水处理厂中的消化池是全封闭设备，配有加热系统及保温措施，且正常的消化温度为中温发酵(仅为32—35℃)，这样的工艺本身使沼气在冬季室外温度比较低的情况下仍能正常产生。唯一需考虑的问题是加强消化池及其配套的管路系统的保温措施。事实上，冬季污泥中的有机成分和BOD指数均高于夏季，沼气的产生率要高一些。只是由于气温低，污泥或废液的温度较低，发醉时间稍长；沼气在沼气柜中的温度要低一些，相反沼气的密度要高一些。这不影响沼气在内燃机中的燃烧。这在纬度很高的加拿大Annacis岛污水处理厂中已经得到证实。
目前人们对包括沼气在内的再生能源的利用认识程度在不断提高。国家也在政策上给予大力支持，国务院、国家计委曾多次下发文件，在政策上给使用部门以优惠。
随着燃气内燃气在市场中应用的越来越普遍，在技术上遇到的问题会越来越多，我们将不断探讨。使燃气内燃机在污水处理厂中的应用不断完善，造福于社会。
燃气内燃机在污水处理厂中的应用
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