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防雨棚式沼氣發電機組制沼氣工藝

介紹了沼氣發電系統中制沼工藝以及內燃機發電技術的現狀和發展。針對沼氣發電工程的實際狀況，探討了沼氣發電余熱利用的幾種方式

關鍵詞：沼氣，發電、余熱利用
1 引言
人類對沼氣的研究起源于十八世紀，1776年，意大利科學家沃爾塔通過分析，測定沼氣的主要成分為甲烷和二氧化碳；1781年，法國科學家穆拉發明了人工沼氣發生器，之后，沼氣逐漸被人們利用。于上世紀20～30年代左右出現了沼氣生產裝置，近幾十年來，沼氣發酵技術已廣泛用于處理農業、工業以及人類生活中的各種有機廢棄物并制取沼氣，為人類生產和生活提供了豐富的可再生能源。到2005年底，我國已建成各類大中型沼氣工程3764處，總池容172萬m3，年處理1.2億噸廢棄物，年產沼氣3.4億m3，利用沼氣發電4000萬kWH，供氣138萬戶。其中處理農業廢棄物的沼氣工程運行數量為3556處，總池容100萬m3，廢棄物處理量8710噸，年產沼氣2.3億m3，供氣用戶數近132萬戶。
我國的大中型沼氣工程的技術工藝日趨成熟，配套設備已達到或接近水平。在沼氣工程的成套技術方面，可根據豬糞、雞糞、牛糞等原料特殊性的差異，進行包括預處理、厭氧、沼氣輸配、制肥、消化液后處理的全部設計；在配套設備方面，我國已成功研制了純燃沼氣發電機組，制罐、自動控制、脫硫脫水、固液分離等裝置已形成系列化成熟產品。

防雨棚式沼氣發電機組制沼氣工藝
2 沼氣發電技術
2.1制沼原料及產氣量
沼氣是有機物在厭氧條件下經微生物分解發酵而生成的一種可燃性氣體，主要原料包括人畜禽糞便、秸稈、農業有機廢棄物、農副產品加工的有機肥水、工業廢水、城市污水和垃圾、水生植物和藻類等有機物質。可燃氣體的主要成分是甲烷和二氧化碳。
制沼原料的產氣量通常根據原料中的總固體（TS）、揮發性固體（VS）、生化需氧量（BOD-是指微生物將溶液中的有機質分解所消耗氧的量）、化學需氧量（COD-是指在一定條件下，溶液中有機質與強氧化劑重鉻酸鉀作用所消耗氧的量）四項主要指標來判別，結合實際的發酵工藝及原理，可以近似得出不同制沼原料的產氣量，如圖1所示。從圖中可以看出，動物糞便的產氣率在45～80m3/噸之間。
2.2制沼技術工藝發展
隨著發酵技術工藝的發展，厭氧干式發酵技術是當前前沿的有機廢棄物處理技術。厭氧發酵和傳統的濕發酵工藝大的區別是：采用干發酵工藝時，發酵原料的干物質含量為20％～50％。而濕發酵原料的干物質含量一般在5％左右。厭氧干發酵技術的特點是在固體有機廢物厭氧發酵生產沼氣后，發酵剩余物為固體有機肥料，處理過程中沒有污水產生；厭氧干發酵系統運行時自身能耗低，冬季僅耗用滋生生產能量的10％～15％。這種技術特別適合于固體廢物量大、污水少的情況下廢棄物資源化利用。
德國的制沼工藝技術走在了世界的前列。制沼原料主要是動物糞便、能源作物、生物垃圾以及工業和農業殘渣等，針對不同的制沼原料，采取不同的制沼工藝，保證合理的沼氣產量及穩定。德國傳統的畜禽糞便沼氣制備工藝為畜禽的糞便以及沖洗水和尿全部進一套厭氧反應罐，厭氧反應罐的溫度可以調節，既可以采取中溫發酵，也可以采取高溫發酵，德國制沼工藝的*性保證了沼氣的高產量以及沼氣產量的高穩定性。圖2為德國沼氣熱電聯產發展狀況。
我國有關沼氣工程發酵工藝的原創性研究結果較少，由此導致我國沼氣工程的發酵率低。歐洲尤其是德國在沼氣行業發展速較快，制沼工藝較為*。其沼氣工程普遍采用高濃度發酵，進料濃度一般在20％TS以上（TS為含固率），我國基本上在6％TS以下。發酵濃度高，裝置產氣率就高。歐洲沼氣工程幾乎全部采用中高溫發酵，容積產氣率在1～6m3/m3?d，而我國絕大多數沼氣工程采用常溫或中溫發酵，容積產氣率一般小于1m3/m3?d，發酵效率低嚴重制約了大中型沼氣工程的發展。
2.3制沼工藝
目前，我國制沼原料主要是畜禽養殖業產生的動物糞便以及含有尿的沖洗水。我國畜禽養殖業的一個重要特征是沖洗水量大（與德國養殖業比較），一個年出欄10萬頭豬的養殖場，每天的沖洗水量約為310噸左右，沖洗水中含有微生物、寄生蟲卵，并且孽生蚊蠅，如果不處理直接排放，將會對生態環境尤其是地表水以及地下水資源造成嚴重的破壞。圖3和圖4分別是國內某研究所和德國某研究所針對華電新能源發展有限公司開展的湖北龍感湖農場沼氣發電工程所作的制沼發酵技術工藝流程圖。
國內制沼工藝針對大量的沖洗水，采取了污水處理的方式，處理后的沖洗水滿足畜禽養殖業污水排放的標準，可以直接排放。如果制沼后的沼液沒有利用的途徑或可能，那么沼液是不能直接排放的，顯然這種制沼工藝可以很好的解決這個問題。德國制沼工藝采用*的干發酵技術和針對養豬場采用大量沖洗水的特點結合大流量液態進料的高效厭氧反應塔的兩種厭氧發酵工藝，旨在提高整個發酵系統的容積產氣率。對養殖場沖洗水量增加的適應性很好。如果養豬場的沖洗水用量增加,則單位進料COD含量降低，因此只需要減少進料在高效厭氧反應塔內的平均水力停留時間，系統就可以安全處理大量的廢水。只要液態進料的總COD含量沒有大的變化，高效厭氧反應塔的產沼量將不會受大的影響。表1為國內國外工藝的對比。國內工藝側重于污水處理，德國工藝側重于產氣率，提高沼氣發電項目整體效益；國內工藝的產氣率低，需要額外添加原料，德國工藝產氣率高，不需要額外原料，整體發電經濟性較好。
2 余熱利用的探討
沼氣發電機的余熱利用分為兩部分，一是排煙的余熱利用，二是發電機自身冷卻熱量的利用。目前，國內的發電機不提供機組自身冷卻熱量的利用，只有排煙的余熱可用。國外機組，例如GE Jenbacher的內燃機，可以提供上述兩部分的余熱利用。余熱利用有以下四種方案：
（1）熱水型。利用發電機的余熱可以產生90℃甚至更高溫度的熱水。這種形式在需要供暖的北方地區可以使用。
（2）煙氣型。利用煙氣的余熱配合吸收式制冷機組，可以提供冷源負荷。
（3）蒸汽型。利用煙氣的余熱可以產生飽和蒸汽或者過熱蒸汽，但是沼氣發電機組的容量較小，蒸汽的產量較小。例如，一臺1MW的沼氣發電機組，可以產生1.0噸左右，蒸汽壓力為0.6MPa的飽和蒸汽，作為供汽負荷使用。
（4）發電型。利用發電機的余熱，配合螺桿膨脹動力機發電。一臺1MW的沼氣發電機組，利用排煙余熱，可以配置一臺70KW的螺桿膨脹動力機發電。
目前，我國集約化養殖廠一般建在農村比較偏遠的地方，養殖場周圍沒有熱、汽用戶，冷源用戶也非常少，沼氣發電廠通常建在養殖場的附近。因此，采用發電型方案可能是沼氣發電余熱利用的佳方式。