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防雨棚式沼氣發(fā)電機(jī)組制沼氣工藝

介紹了沼氣發(fā)電系統(tǒng)中制沼工藝以及內(nèi)燃機(jī)發(fā)電技術(shù)的現(xiàn)狀和發(fā)展。針對(duì)沼氣發(fā)電工程的實(shí)際狀況，探討了沼氣發(fā)電余熱利用的幾種方式

關(guān)鍵詞：沼氣，發(fā)電、余熱利用
1 引言
人類對(duì)沼氣的研究起源于十八世紀(jì)，1776年，意大利科學(xué)家沃爾塔通過分析，測(cè)定沼氣的主要成分為甲烷和二氧化碳；1781年，法國科學(xué)家穆拉發(fā)明了人工沼氣發(fā)生器，之后，沼氣逐漸被人們利用。于上世紀(jì)20～30年代左右出現(xiàn)了沼氣生產(chǎn)裝置，近幾十年來，沼氣發(fā)酵技術(shù)已廣泛用于處理農(nóng)業(yè)、工業(yè)以及人類生活中的各種有機(jī)廢棄物并制取沼氣，為人類生產(chǎn)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(chǎn)沼氣3.4億m3，利用沼氣發(fā)電4000萬kWH，供氣138萬戶。其中處理農(nóng)業(yè)廢棄物的沼氣工程運(yùn)行數(shù)量為3556處，總池容100萬m3，廢棄物處理量8710噸，年產(chǎn)沼氣2.3億m3，供氣用戶數(shù)近132萬戶。
我國的大中型沼氣工程的技術(shù)工藝日趨成熟，配套設(shè)備已達(dá)到或接近水平。在沼氣工程的成套技術(shù)方面，可根據(jù)豬糞、雞糞、牛糞等原料特殊性的差異，進(jìn)行包括預(yù)處理、厭氧、沼氣輸配、制肥、消化液后處理的全部設(shè)計(jì)；在配套設(shè)備方面，我國已成功研制了純?nèi)颊託獍l(fā)電機(jī)組，制罐、自動(dòng)控制、脫硫脫水、固液分離等裝置已形成系列化成熟產(chǎn)品。

防雨棚式沼氣發(fā)電機(jī)組制沼氣工藝
2 沼氣發(fā)電技術(shù)
2.1制沼原料及產(chǎn)氣量
沼氣是有機(jī)物在厭氧條件下經(jīng)微生物分解發(fā)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(nóng)業(yè)有機(jī)廢棄物、農(nóng)副產(chǎn)品加工的有機(jī)肥水、工業(yè)廢水、城市污水和垃圾、水生植物和藻類等有機(jī)物質(zhì)。可燃?xì)怏w的主要成分是甲烷和二氧化碳。
制沼原料的產(chǎn)氣量通常根據(jù)原料中的總固體（TS）、揮發(fā)性固體（VS）、生化需氧量（BOD-是指微生物將溶液中的有機(jī)質(zhì)分解所消耗氧的量）、化學(xué)需氧量（COD-是指在一定條件下，溶液中有機(jī)質(zhì)與強(qiáng)氧化劑重鉻酸鉀作用所消耗氧的量）四項(xiàng)主要指標(biāo)來判別，結(jié)合實(shí)際的發(fā)酵工藝及原理，可以近似得出不同制沼原料的產(chǎn)氣量，如圖1所示。從圖中可以看出，動(dòng)物糞便的產(chǎn)氣率在45～80m3/噸之間。
2.2制沼技術(shù)工藝發(fā)展
隨著發(fā)酵技術(shù)工藝的發(fā)展，厭氧干式發(fā)酵技術(shù)是當(dāng)前前沿的有機(jī)廢棄物處理技術(shù)。厭氧發(fā)酵和傳統(tǒng)的濕發(fā)酵工藝大的區(qū)別是：采用干發(fā)酵工藝時(shí)，發(fā)酵原料的干物質(zhì)含量為20％～50％。而濕發(fā)酵原料的干物質(zhì)含量一般在5％左右。厭氧干發(fā)酵技術(shù)的特點(diǎn)是在固體有機(jī)廢物厭氧發(fā)酵生產(chǎn)沼氣后，發(fā)酵剩余物為固體有機(jī)肥料，處理過程中沒有污水產(chǎn)生；厭氧干發(fā)酵系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)自身能耗低，冬季僅耗用滋生生產(chǎn)能量的10％～15％。這種技術(shù)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(shù)走在了世界的前列。制沼原料主要是動(dòng)物糞便、能源作物、生物垃圾以及工業(yè)和農(nóng)業(yè)殘?jiān)龋槍?duì)不同的制沼原料，采取不同的制沼工藝，保證合理的沼氣產(chǎn)量及穩(wěn)定。德國傳統(tǒng)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(jìn)一套厭氧反應(yīng)罐，厭氧反應(yīng)罐的溫度可以調(diào)節(jié)，既可以采取中溫發(fā)酵，也可以采取高溫發(fā)酵，德國制沼工藝的*性保證了沼氣的高產(chǎn)量以及沼氣產(chǎn)量的高穩(wěn)定性。圖2為德國沼氣熱電聯(lián)產(chǎn)發(fā)展?fàn)顩r。
我國有關(guān)沼氣工程發(fā)酵工藝的原創(chuàng)性研究結(jié)果較少，由此導(dǎo)致我國沼氣工程的發(fā)酵率低。歐洲尤其是德國在沼氣行業(yè)發(fā)展速較快，制沼工藝較為*。其沼氣工程普遍采用高濃度發(fā)酵，進(jìn)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(fā)酵濃度高，裝置產(chǎn)氣率就高。歐洲沼氣工程幾乎全部采用中高溫發(fā)酵，容積產(chǎn)氣率在1～6m3/m3?d，而我國絕大多數(shù)沼氣工程采用常溫或中溫發(fā)酵，容積產(chǎn)氣率一般小于1m3/m3?d，發(fā)酵效率低嚴(yán)重制約了大中型沼氣工程的發(fā)展。
2.3制沼工藝
目前，我國制沼原料主要是畜禽養(yǎng)殖業(yè)產(chǎn)生的動(dòng)物糞便以及含有尿的沖洗水。我國畜禽養(yǎng)殖業(yè)的一個(gè)重要特征是沖洗水量大（與德國養(yǎng)殖業(yè)比較），一個(gè)年出欄10萬頭豬的養(yǎng)殖場(chǎng)，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(huì)對(duì)生態(tài)環(huán)境尤其是地表水以及地下水資源造成嚴(yán)重的破壞。圖3和圖4分別是國內(nèi)某研究所和德國某研究所針對(duì)華電新能源發(fā)展有限公司開展的湖北龍感湖農(nóng)場(chǎng)沼氣發(fā)電工程所作的制沼發(fā)酵技術(shù)工藝流程圖。
國內(nèi)制沼工藝針對(duì)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(yǎng)殖業(yè)污水排放的標(biāo)準(zhǔn)，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(gè)問題。德國制沼工藝采用*的干發(fā)酵技術(shù)和針對(duì)養(yǎng)豬場(chǎng)采用大量沖洗水的特點(diǎn)結(jié)合大流量液態(tài)進(jìn)料的高效厭氧反應(yīng)塔的兩種厭氧發(fā)酵工藝，旨在提高整個(gè)發(fā)酵系統(tǒng)的容積產(chǎn)氣率。對(duì)養(yǎng)殖場(chǎng)沖洗水量增加的適應(yīng)性很好。如果養(yǎng)豬場(chǎng)的沖洗水用量增加,則單位進(jìn)料COD含量降低，因此只需要減少進(jìn)料在高效厭氧反應(yīng)塔內(nèi)的平均水力停留時(shí)間，系統(tǒng)就可以安全處理大量的廢水。只要液態(tài)進(jìn)料的總COD含量沒有大的變化，高效厭氧反應(yīng)塔的產(chǎn)沼量將不會(huì)受大的影響。表1為國內(nèi)國外工藝的對(duì)比。國內(nèi)工藝側(cè)重于污水處理，德國工藝側(cè)重于產(chǎn)氣率，提高沼氣發(fā)電項(xiàng)目整體效益；國內(nèi)工藝的產(chǎn)氣率低，需要額外添加原料，德國工藝產(chǎn)氣率高，不需要額外原料，整體發(fā)電經(jīng)濟(jì)性較好。
2 余熱利用的探討
沼氣發(fā)電機(jī)的余熱利用分為兩部分，一是排煙的余熱利用，二是發(fā)電機(jī)自身冷卻熱量的利用。目前，國內(nèi)的發(fā)電機(jī)不提供機(jī)組自身冷卻熱量的利用，只有排煙的余熱可用。國外機(jī)組，例如GE Jenbacher的內(nèi)燃機(jī)，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(fā)電機(jī)的余熱可以產(chǎn)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(qū)可以使用。
（2）煙氣型。利用煙氣的余熱配合吸收式制冷機(jī)組，可以提供冷源負(fù)荷。
（3）蒸汽型。利用煙氣的余熱可以產(chǎn)生飽和蒸汽或者過熱蒸汽，但是沼氣發(fā)電機(jī)組的容量較小，蒸汽的產(chǎn)量較小。例如，一臺(tái)1MW的沼氣發(fā)電機(jī)組，可以產(chǎn)生1.0噸左右，蒸汽壓力為0.6MPa的飽和蒸汽，作為供汽負(fù)荷使用。
（4）發(fā)電型。利用發(fā)電機(jī)的余熱，配合螺桿膨脹動(dòng)力機(jī)發(fā)電。一臺(tái)1MW的沼氣發(fā)電機(jī)組，利用排煙余熱，可以配置一臺(tái)70KW的螺桿膨脹動(dòng)力機(jī)發(fā)電。
目前，我國集約化養(yǎng)殖廠一般建在農(nóng)村比較偏遠(yuǎn)的地方，養(yǎng)殖場(chǎng)周圍沒有熱、汽用戶，冷源用戶也非常少，沼氣發(fā)電廠通常建在養(yǎng)殖場(chǎng)的附近。因此，采用發(fā)電型方案可能是沼氣發(fā)電余熱利用的佳方式。