图1  沼气罐每天生产出14000m3沼气

沼气燃烧加热的热水在污泥干燥、建筑采暖和热水供应中发挥着重要的作用，多余的沼气还可以被用来发电。而微型燃气轮机在沼气罐的改造中发挥着重要的作用。据认为,微型燃气轮机发电技术有可能掀起“电源小型分散化”的技术革新热潮，从而成为21世纪能源技术的主流。

污水处理后的污泥生产出的沼气在污水处理厂的电力和采暖供应中占有相当大的比重，可有效节约污水净化企业的生产运行费用，以提高污水处理厂的经济效益。到目前为止，柏林水务公司利用自己的污泥发电为污水处理厂提供的电力已占总电力消耗的43%。

德国：污泥制沼气应用案例

Schönerlinde市的污水处理厂是柏林市第三大污水处理厂，1985年一期工程结束后，即结束了19世纪James Hobrecht在柏林市北区建造的城市污水处理厂的历史。Schönerlinde市的污水处理厂每年能够完成柏林市东北区和柏林周边地区近400亿m3污水的净化处理。从1986年开始的二期工程，首先是建造一套化学除磷设备，随后是6个使用中的污水净化设备的现代化升级改造、新建第七个带有生物除磷、脱氮的污水处理设备（1999~2005年）。污水净化处理后污泥的腐化是在4个总容量32000m3的大型沼气罐中进行的（图1）。沼气的最大生产能力为14000m3/d，一般情况下生产出来的沼气都存放在两个容积各5000m3的沼气罐中，这些沼气可用于污泥干燥和热水锅炉的燃料（图2）。沼气燃烧加热的热水在污泥干燥、建筑采暖和热水供应中发挥着重要的作用。在当地的一个中央供电供暖站中，污水处理厂多余的沼气被用来发电。

图2  燃烧沼气的热水锅炉

微型燃气轮机在沼气罐改造中的作用

在沼气罐的现代化技术改造中，对罐内的管道和控制系统进行了更新，从而能够更好地实现污泥的混合搅拌。仅这一技改措施就把电力生产能力翻了一番。Schönerlinde市的污水处理厂流程工艺技术的负责人Karsten Schwieger先生说：“这是使用沼气以来得到的一个额外收获。在这一技术改造方案中使用了美国Chatsworth市卡普斯顿微型燃气轮机厂为奥地利Rottenbach市VTA技术有限责任公司生产的微型燃气轮机。整个技改方案于2012年2月13日完工并投产使用。这一燃气涡轮机是整个柏林市惟一一台利用沼气发电、供暖的涡轮机。”

采用卡普斯顿微型燃气轮机的决策是2009年8月做出的。当时技术改造项目的设计师还不敢肯定是使用65kW的还是200kW的燃气轮机（图3和图4）。最后，在进行了大量的调查研究之后、根据沼气生产设备性能改进后的沼气产能最终决定了采用200kW的涡轮机。与传统的热电联产设备相比较，这种微型燃气涡轮机的优点在于：它具有很高的工作可靠性、很低的有害气体排放率。而且200kW的燃气涡轮机采用的是空气轴承，无需润滑和冷却。这一涡轮机的另一个优点是结构紧凑（3660×1700×2490mm），因此所需的安装场地面积较小。而最重要的是其维护保养的费用很低。当人们知道微型燃气涡轮机维护保养只需半天时间，而传统的热电联产设备维护保养需要持续几周时间时，就可以知道这一具有创新性技术的新设备能够节约多少维护保养费用了。Karten Schwieger先生说：传统热电联产设备一次维护保养的费用就相当于微型燃气涡轮机投资的1/3了。

图3  微型燃气涡轮机是一台单轴机械设备

微型燃气轮机的工作原理

图5清楚地展示了这种微型燃气轮机的工作原理。从图中可以看出：微型燃气轮机是单一轴机械，发电机、压缩机和涡轮机都安装在同一轴上。奥地利VTA公司的B. Eder工程师在介绍这一燃气涡轮机的工作原理时说：首先是燃烧用的空气进入发电机腔，对发电机进行冷却，然后进入微型涡轮机腔，在压缩机室中，被热交换器预热的气体压缩，这也大大地减少了燃烧室中所需的燃料量，最后，在燃烧室中沼气与添加的辅助燃料一起燃烧。炙热的燃烧气体驱动着涡轮机旋转，从而使压缩机压缩、发电机发电。当炙热燃气把自己的一部分热能传输给热交换器之后，剩余的气体沿废气热交换器方向排出涡轮机，经烟道排出。

图4  功率200kW的卡普斯顿微型燃气轮机

电力是由高速旋转的永磁发电机发出的。发电机的永磁磁铁直接安装在涡轮机的驱动轴上；因此，发电机与涡轮机的转速相同（例如：96000r/min）。由此而产生的高频电流首先由集成在燃气涡轮机控制电气系统中的1600Hz的变频器调频，转换为50Hz、400V的交流电。

这一微型燃气涡轮机的电气效率可达26%~33%，比热电联产设备的电气效率（约39%）略低。而这一不足可由较低的维护保养费用来得以补偿。

图5  微型燃气涡轮机中气流流动的示意图

小结

热电联产和微型燃气涡轮机的使用突破了原来污水处理厂能源利用潜力的界限。一方面因为污泥没有其他来源，因而也不会一下子生产出大量的沼气；另一方面，Ruhleben污水处理厂对污泥干燥之后还有其他的用途。由于污水处理厂具有靠近风力发电厂这样的有利地理位置，因此计划到2012年底时在污水处理厂区的闲置空地上再安装3台功率各2MW的风力涡轮发电机。经过2年时间的繁琐手续后，2011年年底时就已经获得了有关部门的建筑批文。设备建成后，整个污水处理厂所需电力的80%就可以自给自足了。也就是说：每年CO2可以减少排放6400t。