上海崇明生物質(zhì)能發(fā)電工程技術(shù)方案研究

徐中華

(上海華電閔行能源有限公司，上海 201108)

1 工程背景

當(dāng)前，全世界都面臨著資源和環(huán)境的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，化石能源儲(chǔ)備量日益減少，油荒、煤荒讓人們清醒地認(rèn)識(shí)到能源的多元化勢(shì)在必行。生物質(zhì)能源開(kāi)發(fā)利用是生物質(zhì)熱化學(xué)轉(zhuǎn)化技術(shù)中最具實(shí)用性的一種，將低品位的固態(tài)生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為高品位的可燃?xì)怏w，可用于多種用途。而將生物質(zhì)用于發(fā)電，是構(gòu)筑穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)、清潔、安全能源供應(yīng)體系，突破經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展資源環(huán)境制約的重要途徑。《國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展第十一個(gè)五年規(guī)劃綱要》和《可再生能源中長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃》中確定了生物質(zhì)能發(fā)展的重點(diǎn)是生物質(zhì)能開(kāi)發(fā)利用。

中國(guó)華電集團(tuán)公司上海分公司緊緊把握上海市能源發(fā)展“十二五”規(guī)劃等政策方針，以“安全、清潔、高效”的清潔能源為主要發(fā)展方向，全力推進(jìn)天然氣、風(fēng)電、太陽(yáng)能、生物質(zhì)能等能源項(xiàng)目。2010年年底，為實(shí)現(xiàn)在生物質(zhì)能項(xiàng)目上的突破，配合崇明縣創(chuàng)建“綠色能源示范縣”工作，中國(guó)華電集團(tuán)公司上海分公司提出了科學(xué)的、有針對(duì)性的、可操作的可再生能源項(xiàng)目發(fā)展規(guī)劃。2011年2月，中國(guó)華電集團(tuán)公司上海分公司與上海市崇明縣人民政府簽署了《合作框架協(xié)議》，確定在崇明縣開(kāi)發(fā)建設(shè)各類可再生能源發(fā)電項(xiàng)目。2011年5月，中國(guó)華電集團(tuán)公司上海分公司完成了崇明縣生物質(zhì)能發(fā)電項(xiàng)目物料平衡研究及項(xiàng)目建設(shè)方案規(guī)劃設(shè)計(jì)。方案擬建設(shè)上海崇明島農(nóng)業(yè)廢棄物綜合處理利用中心，進(jìn)行秸稈、禽畜糞便制氣發(fā)電。

雖然我國(guó)在生物質(zhì)能源開(kāi)發(fā)方面也取得了巨大成就，但是技術(shù)水平與發(fā)達(dá)國(guó)家相比仍有差距。投資回報(bào)率低，運(yùn)行成本高，難以形成規(guī)模效益;缺少技術(shù)規(guī)范，未形成系列產(chǎn)品，難以獲得市場(chǎng)認(rèn)可;自動(dòng)化程度低，效率低，這些都是產(chǎn)業(yè)化過(guò)程中亟須解決的問(wèn)題。中國(guó)華電集團(tuán)公司把生物發(fā)電技術(shù)作為重要課題，進(jìn)行大量的實(shí)踐、試驗(yàn)，致力于不斷提高生物質(zhì)發(fā)電技術(shù)。

2 技術(shù)方案

2．1 技術(shù)路線選擇

沼氣是各種有機(jī)物質(zhì)隔絕空氣(厭氧)后在適宜的溫度、濕度下，經(jīng)過(guò)微生物發(fā)酵產(chǎn)生的一種可燃燒氣體。

沼氣厭氧發(fā)酵工藝一般可采用濕式厭氧發(fā)酵和干式厭氧發(fā)酵2種，根據(jù)崇明縣農(nóng)業(yè)和養(yǎng)殖業(yè)的特點(diǎn)，該期沼氣集中供氣及發(fā)電工程推薦采用濕式中溫厭氧發(fā)酵技術(shù)，并充分考慮沼渣、沼液的綜合利用，以達(dá)到綠色、環(huán)保的目的。

2．2 工程規(guī)模選擇

2．2．1 崇明縣生物質(zhì)能資源條件及利用現(xiàn)狀

該工程主要以禽畜糞便和農(nóng)作物秸稈為原料生產(chǎn)沼氣。在以農(nóng)業(yè)和養(yǎng)殖業(yè)為主的崇明縣，可利用的禽畜糞便和農(nóng)作物秸稈資源非常豐富，規(guī)?；B(yǎng)殖場(chǎng)主要是將糞便進(jìn)行簡(jiǎn)易發(fā)酵做成低氮有機(jī)肥還田，一般散養(yǎng)戶基本不處理。

2．2．2 沼氣集中供氣及發(fā)電工程規(guī)模選擇

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)物料平衡調(diào)查，該工程選址于崇明縣中西部。站址附近規(guī)?；酿B(yǎng)殖場(chǎng)相對(duì)集中，周邊15 km范圍內(nèi)主要有種畜場(chǎng)、奶牛場(chǎng)、農(nóng)場(chǎng)等。

生物質(zhì)制沼氣系統(tǒng)主要原料為禽畜糞便，輔助原料為秸稈，禽畜糞便輸送距離不宜過(guò)大。秸稈經(jīng)過(guò)粉碎、壓縮后較便于運(yùn)輸，所以沼氣集中供氣及發(fā)電工程規(guī)模的選擇主要是考慮周邊養(yǎng)殖場(chǎng)的禽畜糞便產(chǎn)量。經(jīng)過(guò)計(jì)算，將站址附近的禽畜糞便處理后并輔以少量秸稈，每年所產(chǎn)沼氣可滿足2×1MW沼氣發(fā)電機(jī)組的用氣需求。

綜合考慮可利用資源，擬建設(shè)一座2×1MW的沼氣集中供氣及發(fā)電站，該站每天處理禽畜糞便及秸稈，可有效緩解禽畜糞便對(duì)環(huán)境的污染。

2×1MW沼氣集中供氣及發(fā)電站每年生產(chǎn)的含水率為10%的沼渣肥和含水率為95%的液體肥，能夠滿足周邊耕地或果林的有機(jī)肥需求。

2．3 工藝流程

將收集來(lái)的禽畜糞便倒入配料池，與已粉碎成一定粒度的農(nóng)作物秸稈配成料漿，然后泵入?yún)捬醴磻?yīng)罐，產(chǎn)生的沼氣經(jīng)脫水、脫硫后通過(guò)管道輸送至前衛(wèi)村供給村民使用，多余的沼氣可用于發(fā)電;沼渣經(jīng)壓濾脫水、堆化、造粒、包裝外售;沼液可用于周邊農(nóng)業(yè)的灌溉、施肥。沼氣制備、集中供氣及發(fā)電工藝流程如圖1所示。

整個(gè)系統(tǒng)主要由原料儲(chǔ)存系統(tǒng)、原料預(yù)處理系統(tǒng)、厭氧消化處理系統(tǒng)、固/液分離及儲(chǔ)存系統(tǒng)、沼氣收集凈化儲(chǔ)存系統(tǒng)、沼氣發(fā)電系統(tǒng)、沼渣脫水制肥系統(tǒng)、沼液綜合利用和事故處理系統(tǒng)、厭氧消化罐保溫增溫系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)和其他附屬系統(tǒng)組成。

2．3．1 物料收集系統(tǒng)

原料主要來(lái)源是當(dāng)?shù)仞B(yǎng)殖場(chǎng)的禽畜糞便及農(nóng)場(chǎng)的秸稈。物料收集系統(tǒng)主要是運(yùn)輸車輛與倉(cāng)庫(kù)，原料由運(yùn)輸車輛運(yùn)送到沼氣站料場(chǎng)倉(cāng)庫(kù)。

2．3．2 物料儲(chǔ)存系統(tǒng)

建(構(gòu))筑物包括原料儲(chǔ)存場(chǎng)，可以存儲(chǔ)1周的原料量。

2．3．3 預(yù)處理系統(tǒng)

建(構(gòu))筑物包括預(yù)處理車間、調(diào)漿軟化池、均質(zhì)進(jìn)料池、物料提升泵房等。預(yù)處理車間主要進(jìn)行原料的粉碎打漿;將粉碎后的物料暫存于調(diào)漿軟化池，加入水或者沼液進(jìn)行調(diào)節(jié);將漿料投入均質(zhì)進(jìn)料池，2個(gè)進(jìn)料池輪流進(jìn)料。

預(yù)處理系統(tǒng)的設(shè)備包括切割機(jī)、粉碎機(jī)、攪拌機(jī)、換熱器、物料提升泵等。

2．3．4 沼氣生產(chǎn)系統(tǒng)

建(構(gòu))筑物包括厭氧反應(yīng)器、操作間等。漿料在反應(yīng)器中進(jìn)行厭氧消化，這是產(chǎn)生沼氣的核心裝置，配備攪拌器;操作間內(nèi)集中放置反應(yīng)器和各種設(shè)備的電源開(kāi)關(guān)及操作工具。

沼氣生產(chǎn)系統(tǒng)的設(shè)備包括攪拌器、工藝管路以及配套鋼結(jié)構(gòu)，采用機(jī)械攪拌。

目前，厭氧產(chǎn)沼氣過(guò)程中成熟的工藝設(shè)備包括完全混合厭氧工藝反應(yīng)器、厭氧接觸工藝反應(yīng)器、上流式厭氧污泥床反應(yīng)器及升流式厭氧固體反應(yīng)器，各種類型的厭氧工藝各有其優(yōu)、缺點(diǎn)和適用范圍，在一定的條件下選擇合適的工藝形式是厭氧消化工藝的關(guān)鍵所在。最適合該工程的工藝設(shè)備為完全混合厭氧反應(yīng)器。

2．3．5 沼氣凈化系統(tǒng)

從厭氧發(fā)酵系統(tǒng)收集來(lái)的沼氣，經(jīng)過(guò)預(yù)處理后能達(dá)到居民用氣及發(fā)電機(jī)設(shè)備用氣要求，系統(tǒng)壓力的穩(wěn)定通過(guò)自控系統(tǒng)和風(fēng)機(jī)連鎖調(diào)節(jié)來(lái)實(shí)現(xiàn)。建(構(gòu))筑物包括沼氣凈化間和控制間，設(shè)備包括風(fēng)機(jī)、化學(xué)脫硫塔、脫水器、凝水器等。

2．3．6 沼氣儲(chǔ)存及供氣系統(tǒng)

沼氣儲(chǔ)存裝置主要有鋼質(zhì)耐壓儲(chǔ)罐和干式雙膜氣袋，其安全性均較好?？紤]到該工程需對(duì)前衛(wèi)村集中供氣，對(duì)氣源氣壓穩(wěn)定性要求較高，故采用鋼質(zhì)耐壓儲(chǔ)罐。

圖1 沼氣制備、集中供氣及發(fā)電工藝流程

2．3．7 沼氣發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)

建(構(gòu))筑物包括沼氣加壓機(jī)房、沼氣發(fā)電機(jī)房、并網(wǎng)機(jī)房、控制機(jī)房等。

沼氣發(fā)電設(shè)備包括沼氣加壓機(jī)、沼氣發(fā)電機(jī)、電力并網(wǎng)設(shè)備、控制設(shè)備等，發(fā)電機(jī)組為核心設(shè)備。

純進(jìn)口發(fā)電機(jī)組雖然性能穩(wěn)定，但單機(jī)價(jià)格非常昂貴，為了提高我國(guó)沼氣機(jī)組的技術(shù)水平，降低機(jī)組的投入成本，該工程可以考慮引進(jìn)進(jìn)口發(fā)動(dòng)機(jī)。發(fā)動(dòng)機(jī)具有米勒循環(huán)、稀薄燃燒及空燃比控制系統(tǒng)，配套國(guó)內(nèi)制造技術(shù)較成熟的發(fā)電機(jī)、冷卻系統(tǒng)、可編程控制器(PLC)整機(jī)控制系統(tǒng)及相關(guān)輔助配套設(shè)施，國(guó)產(chǎn)化程度達(dá)到40%左右。

2．3．8 熱能利用系統(tǒng)

總的熱能利用方案是將生物質(zhì)沼氣發(fā)電系統(tǒng)所產(chǎn)生的余熱充分加以回收利用，發(fā)電機(jī)組在發(fā)電的同時(shí)還供應(yīng)大量熱能，這部分熱能能否有效利用是節(jié)能的關(guān)鍵。該方案是將回收的這部分余熱供給發(fā)酵罐中物料進(jìn)行增溫及保溫，從而達(dá)到降低能耗的目的。

2．3．9 電氣控制系統(tǒng)

電氣控制系統(tǒng)包括全廠供電和控制系統(tǒng)、厭氧反應(yīng)監(jiān)控系統(tǒng)、氣體預(yù)處理控制系統(tǒng)等。2．3．10 沼渣、沼液儲(chǔ)存系統(tǒng)

沼渣、沼液排出之后，部分沼液回流到均質(zhì)進(jìn)料池中，部分沼液暫存于沼液池，沼液和沼渣經(jīng)過(guò)固、液分離之后，分別暫存于沼液池和沼渣池中。沼渣作為肥料可以直接用于農(nóng)田，也可以進(jìn)行工業(yè)加工，制作工業(yè)有機(jī)肥。沼液不僅可以作為有機(jī)肥料和飼料添加劑，還具有抗病殺蟲(chóng)、防凍抗凍等多重功效。

3 結(jié)束語(yǔ)

項(xiàng)目建成后，必將有效利用崇明縣的生物資源，緩解禽畜糞便對(duì)環(huán)境的污染，解決秸稈焚燒與粗放式利用的問(wèn)題，有效改善環(huán)境質(zhì)量;同時(shí)，可有效結(jié)合國(guó)家產(chǎn)業(yè)政策，實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗的目的，促進(jìn)當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展。通過(guò)原料收購(gòu)及加工，增加項(xiàng)目區(qū)域居民收入，有利于崇明縣綠色能源縣項(xiàng)目的建設(shè)，加快崇明縣實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化生態(tài)島區(qū)的進(jìn)程。

生物質(zhì)制氣發(fā)電技術(shù)是一項(xiàng)較新的技術(shù)，目前還不很成熟，還有許多方面需要完善。利用現(xiàn)有技術(shù)，研究開(kāi)發(fā)經(jīng)濟(jì)上可行、效率較高的生物質(zhì)氣化發(fā)電系統(tǒng)是我國(guó)今后能否有效利用生物質(zhì)的關(guān)鍵，需要政府給予政策扶持和資金優(yōu)惠，促進(jìn)生物質(zhì)發(fā)電企業(yè)可持續(xù)發(fā)展，加快生物質(zhì)發(fā)電商業(yè)化進(jìn)程。

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