沼氣發(fā)電系統(tǒng)綜述

張 斌 王麗娜

(國網(wǎng)技術(shù)學(xué)院，山東 泰安 271000)

1 沼氣資源的特點(diǎn)

沼氣是有機(jī)物質(zhì)在厭氧條件下，經(jīng)過微生物的發(fā)酵作用而生成的一種混合氣體。沼氣是多種氣體的混合物，一般含甲烷50～70%，其余為二氧化碳和少量的氮、氫和硫化氫等。其特性與天然氣相似。沼氣無色、無味、無毒，比空氣輕，難溶于水，易燃。沼氣是性能較好的燃料，純?nèi)細(xì)鉄嶂禐?1.98MJ／m3(甲烷含量60%、二氧化碳含量32%)時(shí)，屬中等熱值燃料，沼氣還是可再生能源。因此，高效的利用沼氣資源，可以有效的減少污染，也使資源得到了綜合利用。

2 沼氣發(fā)電動(dòng)力裝置

2.1 沼氣發(fā)電動(dòng)力裝置的選擇

沼氣以燃燒方式發(fā)電，是利用沼氣燃燒產(chǎn)生的熱能直接或間接地轉(zhuǎn)化為機(jī)械能并帶動(dòng)發(fā)電機(jī)而發(fā)電。沼氣可以被多種動(dòng)力設(shè)備使用，如內(nèi)燃機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)、鍋爐等。對(duì)于采用沼氣發(fā)動(dòng)機(jī)（內(nèi)燃機(jī)）、燃?xì)廨啓C(jī)和鍋爐（蒸汽輪機(jī)）發(fā)電這三種形式來說，前兩者燃料燃燒釋放的熱量通過動(dòng)力發(fā)電機(jī)組和熱交換器轉(zhuǎn)換再利用，相對(duì)于不進(jìn)行余熱利用的鍋爐（蒸汽輪機(jī)）機(jī)組，其綜合熱效率要高。而采用沼氣發(fā)動(dòng)機(jī)方式的結(jié)構(gòu)最簡單，而且具有成本低、操作簡便等優(yōu)點(diǎn)。

在4MW 以下的功率范圍內(nèi)，采用內(nèi)燃機(jī)有較高的利用效率。相對(duì)燃煤、燃油發(fā)電來說，沼氣發(fā)電的特點(diǎn)是功率小，對(duì)于這種類型的發(fā)電動(dòng)力設(shè)備，國際上普遍采用內(nèi)燃機(jī)發(fā)電機(jī)組進(jìn)行發(fā)電，否則在經(jīng)濟(jì)上不可行。

沼氣發(fā)動(dòng)機(jī)一般分為壓燃和點(diǎn)燃兩種型式。壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)使用的是柴油、沼氣兩種燃料，發(fā)動(dòng)機(jī)首先通過壓燃少量的柴油從而將沼氣點(diǎn)燃進(jìn)行燃燒做功。壓燃式的優(yōu)點(diǎn)是可調(diào)節(jié)柴油／沼氣燃料比，能夠適應(yīng)沼氣量和甲烷濃度的變化，當(dāng)沼氣不足甚至停氣時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)仍能正常工作。缺點(diǎn)是系統(tǒng)較為復(fù)雜，發(fā)動(dòng)機(jī)價(jià)格也高。點(diǎn)燃式發(fā)動(dòng)機(jī)特點(diǎn)是系統(tǒng)簡單，操作方便，不需要輔助燃料，但受沼氣供應(yīng)的影響，適合于沼氣供應(yīng)穩(wěn)定的情況。

2.2 沼氣發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)

沼氣發(fā)動(dòng)機(jī)要解決的核心問題是沼氣的凈化處理和混合。

2.2.1 沼氣的凈化處理

沼氣的產(chǎn)生主要是通過無氧環(huán)境下污水、污泥中的厭氧菌菌群的作用，使有機(jī)物經(jīng)液化、氣化而分解成沼氣。生成的沼氣中含有腐蝕性介質(zhì)，有微量的水分和H2S 等，這些腐蝕性介質(zhì)會(huì)對(duì)輸氣管道和發(fā)動(dòng)機(jī)部件產(chǎn)生腐蝕，影響發(fā)動(dòng)機(jī)的正常運(yùn)行和使用壽命。為了除去這些腐蝕性介質(zhì)，可對(duì)沼氣進(jìn)行脫硫，將干式脫硫塔安裝在進(jìn)氣管道上，脫硫劑為鐵屑；或者采用濕式脫硫塔，脫硫劑為NaOH 堿液，濃度30%。另外，為保證沼氣質(zhì)量，還要在進(jìn)氣管道上安裝過濾除塵、除濕、除油裝置。

2.2.2 沼氣發(fā)電機(jī)組的防腐處理

沼氣中含有的H2S 和水分形成弱酸液，對(duì)管道及發(fā)動(dòng)機(jī)的金屬部件產(chǎn)生腐蝕，特別是對(duì)銅質(zhì)及鋁質(zhì)部件腐蝕更為嚴(yán)重。因此，應(yīng)對(duì)輸氣管道中的易腐蝕部件進(jìn)行防護(hù)處理。另外，沼氣中的H2S 燃燒會(huì)產(chǎn)生S02，S02的腐蝕性更強(qiáng)，所以燃燒室和排氣管均應(yīng)采取防腐措施。

2.2.3 電控混合器技術(shù)

普通的燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)在CH4濃度變化時(shí)無法自動(dòng)調(diào)節(jié)空燃比，會(huì)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率和轉(zhuǎn)速波動(dòng)較大，甚至因點(diǎn)火問題停機(jī)。

沼氣發(fā)電機(jī)組采用電控混合器，電腦實(shí)時(shí)監(jiān)控燃?xì)獾娜紵闆r，將信號(hào)發(fā)送到ECU，然后由ECU 發(fā)出信號(hào)，改變氣道的流通面積，從而根據(jù)CH4濃度的變化合理匹配沼氣和空氣的流量，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)空燃比。

3 沼氣發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)電系統(tǒng)

3.1 系統(tǒng)組成

圖1 典型沼氣內(nèi)燃機(jī)發(fā)電系統(tǒng)圖

如圖1 所示，沼氣發(fā)電系統(tǒng)主要由消化池、儲(chǔ)氣罐、供氣泵、沼氣發(fā)動(dòng)機(jī)、交流發(fā)電機(jī)、沼氣鍋爐、廢熱回收裝置（冷卻器、給水預(yù)熱器、熱交換器、汽水分離器、廢熱鍋爐等），以及脫硫化氫及二氧化碳塔、穩(wěn)壓箱、配電系統(tǒng)、并網(wǎng)輸電控制系統(tǒng)等部分組成。

沼氣內(nèi)燃機(jī)發(fā)電系統(tǒng)主要由以下幾部分組成：

（1）沼氣內(nèi)燃機(jī)（發(fā)動(dòng)機(jī)）。與通用的內(nèi)燃機(jī)一樣，沼氣內(nèi)燃機(jī)也具有進(jìn)氣、壓縮、燃燒膨脹做功及排氣四個(gè)基本過程。由于沼氣的燃燒熱值及特點(diǎn)與汽油、柴油不同，沼氣內(nèi)燃機(jī)必須適合于甲烷的燃燒特性而設(shè)計(jì)，一般具有較高的壓縮比，點(diǎn)火期比汽、柴油機(jī)提前，必須采用耐腐蝕缸體和管道等。

（2）交流發(fā)電機(jī)。與通用交流發(fā)電機(jī)一樣，沒有特殊之處，只需與沼氣內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)功率和其他要求匹配即可。

（3）廢熱回收裝置。采用水-廢氣熱交換器、冷卻水-空氣熱交換器及預(yù)熱鍋爐等廢熱回收裝置回收由發(fā)動(dòng)機(jī)排出的廢熱尾氣，提高機(jī)組總能量利用率?；厥盏膹U熱可用于消化池料液的升溫或采暖。

（4）氣源處理。沼氣在進(jìn)入內(nèi)燃機(jī)之前必須經(jīng)過凈化處理，將硫化氫含量降到500mg/m3以下。

3.2 注意問題

根據(jù)沼氣發(fā)動(dòng)機(jī)的工作特點(diǎn)，在組建沼氣發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)電機(jī)組系統(tǒng)時(shí)，要著重考慮以下幾個(gè)方面：

3.2.1 沼氣脫硫及穩(wěn)壓、防爆裝置

沼氣中含有少量的H2S，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)有強(qiáng)烈的腐蝕作用，因此沼氣要先經(jīng)過脫硫裝置。為了使沼氣的流量調(diào)節(jié)準(zhǔn)確，應(yīng)確保進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)的壓力穩(wěn)定，所以需要在沼氣進(jìn)氣管路上安裝穩(wěn)壓裝置。另外，為了防止進(jìn)氣管路回火引起沼氣管路發(fā)生爆炸，應(yīng)在沼氣供應(yīng)管路上安置防回火與防爆裝置。

3.2.2 進(jìn)氣系統(tǒng)

在進(jìn)氣總管上，需加裝一套沼氣-空氣混合器，以調(diào)節(jié)空燃比和混合氣進(jìn)氣量?；旌掀鲬?yīng)調(diào)節(jié)精確、靈敏。

3.2.3 發(fā)動(dòng)機(jī)

沼氣的燃燒速度很慢，若發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)的燃燒過程組織不利，會(huì)影響發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行壽命，所以對(duì)沼氣發(fā)動(dòng)機(jī)有較高的要求。

3.2.4 調(diào)速系統(tǒng)

沼氣發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行是聯(lián)軸驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)，以用電設(shè)備為負(fù)荷進(jìn)行發(fā)電，由于用電設(shè)備的裝載、卸載都會(huì)使沼氣發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷產(chǎn)生波動(dòng)，為了確保發(fā)電機(jī)正常發(fā)電，沼氣發(fā)動(dòng)機(jī)上需要安裝調(diào)速與穩(wěn)速控制系統(tǒng)。

4 前景展望

沼氣發(fā)電是提高沼氣綜合利用的有效方法，也使沼氣的利用有了更為廣闊的前景。它即能提供清潔能源，又能解決環(huán)境問題。尤其是具有一定規(guī)模的大中型沼氣工程，沼氣發(fā)電應(yīng)是其運(yùn)營的首選途徑。如果能實(shí)現(xiàn)熱電聯(lián)產(chǎn)，經(jīng)濟(jì)效益將更為顯著。從我國沼氣生產(chǎn)潛力、發(fā)電設(shè)備水平、市場需求以及國家政策導(dǎo)向來看，可以預(yù)見沼氣發(fā)電有很大的發(fā)展空間。

國外的發(fā)展經(jīng)驗(yàn)表明，目前沼氣發(fā)展的原動(dòng)力主要是政策激勵(lì)，沼氣發(fā)展迅速的一些國家，都有相應(yīng)的激勵(lì)政策，包括價(jià)格激勵(lì)、財(cái)政補(bǔ)貼、減免稅費(fèi)、配額制度以及加強(qiáng)科研投入等，這些經(jīng)驗(yàn)對(duì)我國發(fā)展沼氣發(fā)電產(chǎn)業(yè)極具借鑒價(jià)值。

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