萬頭奶牛養(yǎng)殖園區(qū)沼氣發(fā)電項目工程總結(jié)

【摘要】在甘肅省蘭州牧工商有限責(zé)任公司花莊萬頭奶牛養(yǎng)殖園區(qū)建設(shè)了沼氣發(fā)電項目二期工程，采用二臺120 kW熱電聯(lián)產(chǎn)機組。2012年8月開始，機組并網(wǎng)運行發(fā)電，余熱用來給發(fā)酵罐加溫， 解決沼氣工程的冬季發(fā)酵問題。2013年1月，在環(huán)境溫度為-10 ℃的情況下，2個800 m3發(fā)酵罐內(nèi)的溫度仍維持在23 ℃上下。項目日均產(chǎn)沼氣2100m3、日均產(chǎn)電3780度、日產(chǎn)沼液105.5t、日產(chǎn)干沼渣7.4噸。

【關(guān)鍵詞】沼氣發(fā)酵；沼氣發(fā)電；熱電聯(lián)產(chǎn)；沼肥利用

本項目利用甘肅蘭州牧工商有限責(zé)任公司花莊萬頭奶牛養(yǎng)殖園區(qū)存欄2200頭成乳牛的糞便及廢水，采用800m3USR升流式厭氧反應(yīng)器二座，經(jīng)過厭氧發(fā)酵處理，日產(chǎn)沼氣2100m3。沼氣全部用于發(fā)電，發(fā)電裝置采用二臺120KW國產(chǎn)發(fā)電機改造成熱電聯(lián)產(chǎn)機組。采用并網(wǎng)不上網(wǎng)的輸配電模式，日均產(chǎn)電3780度，年均產(chǎn)電138萬度。項目年均產(chǎn)干沼渣2703噸，經(jīng)過有機肥深加工，年均產(chǎn)有機固肥45055噸；年均產(chǎn)經(jīng)過固液分離的液體肥--沼液38507噸，作為噴灌用肥采用管道輸送到鄰近的2200畝奶牛青飼料田中；整個項目是“改少污染物排放、變廢為寶、資源全面綜合利用的生態(tài)環(huán)保工程”，對畜禽業(yè)持續(xù)發(fā)展和拉動有機生態(tài)農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)發(fā)展具有示范意義。

一、試點單位基本情況

項目單位位于甘肅省蘭州市紅古區(qū)花莊鎮(zhèn)。

園區(qū)飼養(yǎng)模式為開放式棚養(yǎng)方式，牛糞通過人工進行清運，露天堆放到場區(qū)西南角的牛糞場，尿液污水則通過地下排水溝排放至集水池。

該園區(qū)正在進行作為飼草基地的2200畝土地的前期開發(fā)建設(shè)，最終將建成蘭州牧工商總公司花莊乳業(yè)生物科技園區(qū)。

近幾年當?shù)仉娏o缺狀況日益明顯。尤其是在夏季，經(jīng)常全天停電，導(dǎo)致智能擠奶系統(tǒng)不能正常運行。不僅每天要損失幾百公斤鮮奶，而且還會影響到奶牛的生長和產(chǎn)奶量的穩(wěn)定。

二、工程設(shè)計與論證

1 基礎(chǔ)建設(shè)條件

通過實地考察和研討，項目組認為，該園區(qū)的生產(chǎn)條件比較完善，具有較強的經(jīng)濟實力和發(fā)展后勁，用電需求較大，能夠較好地滿足沼氣發(fā)電工程建設(shè)的相關(guān)條件。

（1） 發(fā)酵原料充足

二期工程設(shè)計主要是針對2200頭產(chǎn)奶奶牛的糞便進行處理。按照目前實際可收集的糞便原料，可日產(chǎn)沼氣的數(shù)量約2100萬m3。

（2）建設(shè)用地充裕

奶牛飼養(yǎng)場區(qū)的南側(cè)為占地10畝的牛糞堆積場，四周開闊，可用作沼氣發(fā)電工程建設(shè)用地。

（3）用電需求較大

園區(qū)的用電負荷總計約為498 kW，其中擠奶廳的動力及冷凍系統(tǒng)用電負荷為168 kW，其他動力用電負荷250 kW，照明及生活用電30 kW。

（4）沼液消納方便

園區(qū)擁有新開發(fā)的格楞臺土地2200畝，距離養(yǎng)殖場區(qū)2 km，計劃用作青飼料田，生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)牧草，可以消納沼氣工程產(chǎn)生的沼液。

2 技術(shù)設(shè)計與論證

（1）自然地理條件

蘭州市紅古區(qū)的地理特征呈川型地貌，當?shù)睾０胃叨纫话銥? 590～1 820 m，最高為2 454.8 m，屬大陸性溫帶干旱季風(fēng)氣候，光照充足、降水少、蒸發(fā)量大。年平均氣溫7.1～9.1 ℃，夏季最高氣溫在7月，一般為36～37 ℃；冬季最低氣溫在1月一般為-10 ℃左右，極限最低氣溫為-22 ℃。地下水位深度為20～30 m。

（2）技術(shù)參數(shù)的確定

園區(qū)沼氣發(fā)電二期工程，主要是針對2200頭成年奶牛的糞便處理，設(shè)計日產(chǎn)沼氣數(shù)量2100 m3。發(fā)酵工藝采用中溫發(fā)酵，發(fā)酵總?cè)莘e為1600 m3，水力滯留期15 d左右，日產(chǎn)沼液105.5t。日產(chǎn)干沼渣7.4噸

沼氣全部用于發(fā)電，儲氣柜設(shè)計容積為400 m3。產(chǎn)生的電力用來供園區(qū)生產(chǎn)和生活使用，回收的發(fā)電余熱則用于厭氧反應(yīng)器加熱，解決增溫和越冬問題。沼渣、沼液供新開發(fā)的2200畝牧草基地使用，形成“?！印荨钡纳鷳B(tài)循環(huán)。

按每立方米沼氣生產(chǎn)電力2 kWh計算，2100 m3沼氣每天可生產(chǎn)電力4200 kWh。若按每天發(fā)電20h計算，則發(fā)電裝機的容量約為210 kW。實際采用二臺120KW的發(fā)電機熱電聯(lián)產(chǎn)機組。

（3）專家論證意見

2011年9月，項目組組織國內(nèi)沼氣工程業(yè)內(nèi)知名專家對花莊沼氣發(fā)酵工程和發(fā)電工程的設(shè)計、規(guī)劃進行了現(xiàn)場論證。專家組認為項目的工藝流程設(shè)計先進，參數(shù)選擇合理。2臺120 kW沼氣發(fā)電機組，用電高峰時開2臺，低谷時開1臺，有利于設(shè)備維護和保養(yǎng)。

3 工藝流程圖

工藝流程圖如圖1 所示。

工藝流程示意圖

三、機組性能及運行情況

1 發(fā)電機組性能參數(shù)

項目采用國產(chǎn)沼氣發(fā)電機組。參照捷克泰德姆（TEDOM）公司生產(chǎn)的沼氣發(fā)電熱電聯(lián)供機組有關(guān)標準對國內(nèi)的發(fā)電機進行改造，機組的工作燃料為沼氣。

（1）發(fā)電機組并網(wǎng)運行

運行模式：孤島運行形式獨立供電和并網(wǎng)運行方式為用戶供電。一般情況下，機組的運行方式為并網(wǎng)運行。

（2）自動化控制程度較高

發(fā)電機組可對運行狀況進行全程檢測，所有的運行數(shù)據(jù)都可顯示在機組自帶的顯示屏上。通過互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)接和數(shù)據(jù)交換，發(fā)電機組可實現(xiàn)遠距離的運行控制和監(jiān)測。

（3）運行噪音小、排放少

發(fā)電機組采用了防噪音外殼設(shè)計，噪聲比一般的機組減少了很多。經(jīng)實際測量，發(fā)電機房內(nèi)距發(fā)電機組外殼1 m處的噪聲聲級僅為75 dB，發(fā)電機房外距墻壁2 m處的噪聲僅為56 dB（人在大聲說話時的聲級為80 dB）。根據(jù)對發(fā)電機組尾氣排放進行檢測的結(jié)果，各項排放指標達到歐3級的標準要求。

（4）工程啟動運行正常、安全越冬

2012年9月，沼氣日產(chǎn)氣量最高記錄值為2400m3。項目月平均產(chǎn)氣2150m3/d以上。目前在用電荷載不足的前提下，日發(fā)電最高值為3870 kWh，月平均最高值為3000 kWh/d。

目前，項目處理的奶牛糞便及污水總量約為130 t/d，約占可收集到的2200頭奶牛全部糞尿的84.3%，發(fā)酵周期為15 d左右，發(fā)酵溫度在36 ℃左右。

（5）沼渣、沼液充分利用

沼液通過固液分離機進行固液分離。分離后產(chǎn)生的沼液清液經(jīng)高壓泵輸送到2200畝飼料田，用于改良土壤和生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)牧草；沼渣一部分供附近菜農(nóng)試用， 一部分送有機肥廠家，生產(chǎn)有機肥。

四、工程技術(shù)特點

1 先進的沼氣熱電聯(lián)產(chǎn)機組

改造后的發(fā)電機組用純沼氣替代油氣混合氣體。通過在發(fā)動機排氣口安裝檢測探頭來檢測沼氣燃燒效果，進而控制進氣閥，不但使尾氣排放達標，而且提高了氣電轉(zhuǎn)換率，發(fā)電效率達到33.6%，標準狀態(tài)下1 m3沼氣甲烷含量在65%時，可發(fā)出2 kWh的電力。通過多級余熱回收系統(tǒng)，沼氣發(fā)電機組實現(xiàn)熱電聯(lián)產(chǎn)，余熱利用效率達到40.9%，在生電的同時，標準狀態(tài)下1m3沼氣可獲得超過3 kWh的熱能?？偰茉葱食^80%。

由于發(fā)電機組采用了避震設(shè)計和增加隔音罩等設(shè)施，使發(fā)電機組運行時相距1 m處的噪聲控制在75 dB以下，大大改善了生產(chǎn)和工作環(huán)境。

發(fā)電機組同時具備并網(wǎng)運行及孤島運行等模式要求，還能實現(xiàn)發(fā)電機組運行參數(shù)的遠程監(jiān)控，實現(xiàn)無人值守運行。

2 先進的沼氣發(fā)酵裝置和增溫工藝

工程采用先進成熟的USR沼氣發(fā)酵工藝。通過采用新型的儲氣罐設(shè)計，浮罩外增加保溫殼體，保溫效果好。通過沼氣發(fā)電機組的熱電聯(lián)產(chǎn)，為沼氣工程在冬季的正常運行提供了保證，同時實現(xiàn)了28～35 ℃中溫發(fā)酵。

一年來的實際運行結(jié)果表明：項目在我國高寒地區(qū)成功有效地解決了大型沼氣工程的越冬問題，并解決了以牛糞為原料的沼氣工程中一般存在的原料易結(jié)殼和產(chǎn)氣率低的問題，證明了寒冷地區(qū)以牛糞為原料沼氣發(fā)電工程的可行性。

3 先進的監(jiān)測和顯示儀器

項目實現(xiàn)了進料溫度、濃度、酸堿度和進料量、發(fā)酵裝置產(chǎn)沼氣量、沼氣的甲烷、二氧化碳、氧氣、硫化氫和水份含量、發(fā)電機組的供氣量、發(fā)電量等多項數(shù)據(jù)的自動采集和計算機集中處理及顯示功能。為控制運行、科學(xué)試驗和數(shù)據(jù)采集提供詳實依據(jù)。

沼氣發(fā)電機組噪聲檢測，尾氣排放檢測，發(fā)電機房內(nèi)沼氣泄漏報警，以及奶牛場區(qū)、發(fā)電機房、沼氣站內(nèi)的動態(tài)圖像監(jiān)視等，對沼氣發(fā)電運行功能檢測和安全運行提供了保障。對于總結(jié)工程運行經(jīng)驗創(chuàng)造了良好的條件。

4 尚存在的問題

（1）發(fā)電機運行尚不能長期滿負荷運行

目前發(fā)電機組的基本運行模式雖為并網(wǎng)運行模式。但發(fā)出的電力只是用于園區(qū)，通過機組的自我控制，并不向電網(wǎng)額外送電。因此，發(fā)電機組的輸出功率在許多情況下要受到園區(qū)用電負荷變化的約束，尚未達到長期滿負荷運行。隨著近期花莊乳品加工廠的建成和投產(chǎn)，上述問題將得到有效解決。

（2）可再生能源電力價格優(yōu)惠政策尚未落實

由于建設(shè)單位尚未與當?shù)仉娏竞炗喫碗娚暇W(wǎng)的價格協(xié)議，沼氣發(fā)電產(chǎn)出的電力沒有計入當?shù)仉娋W(wǎng)的電力輸入，發(fā)電價格也還體現(xiàn)不出國家規(guī)定的可再生能源發(fā)電上網(wǎng)的優(yōu)惠政策，需要今后進一步落實解決。

（3）工程運行參數(shù)有待進一步改進

目前，在發(fā)電機組的余熱充分利用和沼氣的脫硫凈化方面還有許多待改進的地方。一是要通過改善換熱設(shè)備和增加熱力管道，將發(fā)電余熱用足用好；二是要改進脫硫工藝，進一步降低沼氣中的硫化氫含量，提高燃氣質(zhì)量，做好發(fā)動機的維護和使用。

五、結(jié)論

1 沼氣發(fā)電機組具有以下特點：能源利用率高，總效率達到81.5%；自動化控制程度高，操作簡便；機組運行過程中噪聲小、排放污染少；設(shè)備的生產(chǎn)質(zhì)量好，運行性能穩(wěn)定。

2 項目有效解決了園區(qū)的糞便污染問題，解決了園區(qū)的穩(wěn)定供電問題，避免因停電造成的損失，每年可節(jié)省電費支出約50萬元，資源綜合利用和環(huán)境效益明顯。

3 項目可減少貯氣和輸氣管道的投入， 是今后大中型沼氣工程的發(fā)展方向，是促進畜牧養(yǎng)殖場健康發(fā)展的重要途徑。

4 選擇單機發(fā)電容量在100～120 kW數(shù)量級的純沼氣內(nèi)燃機發(fā)電機組作為沼氣發(fā)電的設(shè)備，符合當前我國畜牧養(yǎng)殖場沼氣工程的發(fā)展方向。

5 通過一年來的運行，熱電聯(lián)產(chǎn)提高了沼氣工程能源利用效率，實現(xiàn)中溫發(fā)酵，有效解決寒冷地區(qū)沼氣發(fā)酵裝置的越冬問題。

參考文獻：

[1]劉振波. 戶用沼氣內(nèi)燃機及其發(fā)電裝置試驗研究[D].河南農(nóng)業(yè)大學(xué)，2007.

[2]譚旭娜. 城市固體廢棄物沼氣發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計[D].華南理工大學(xué)，2013.