生物質(zhì)沼氣發(fā)電技術(shù)應(yīng)用實(shí)例分析

金珍　劉昌盛

摘 要：生物質(zhì)沼氣是一種清潔環(huán)保的可再生能源。利用生物質(zhì)沼氣發(fā)電，同時(shí)充分利用發(fā)電過程中的余熱資源，是發(fā)展綠色循環(huán)經(jīng)濟(jì)、實(shí)現(xiàn)農(nóng)牧業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要途徑。本文通過介紹生物質(zhì)沼氣發(fā)電技術(shù)在現(xiàn)代養(yǎng)牛場中的應(yīng)用，對(duì)沼氣發(fā)電機(jī)組設(shè)備配置、能源利用效率、沼氣發(fā)電并網(wǎng)和綜合效益等進(jìn)行了深入分析和研究。

關(guān)鍵詞：養(yǎng)牛場；沼氣發(fā)電；并網(wǎng)發(fā)電

中圖分類號(hào)：TK6 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

沼氣發(fā)電技術(shù)是集環(huán)保和節(jié)能于一體的能源綜合利用技術(shù)，利用工業(yè)、農(nóng)業(yè)或城鎮(zhèn)生活中的大量有機(jī)廢棄物，經(jīng)厭氧發(fā)酵處理產(chǎn)生的沼氣，驅(qū)動(dòng)沼氣發(fā)電機(jī)組發(fā)電，并可充分將發(fā)電機(jī)組的余熱用于沼氣生產(chǎn)等工藝，綜合能源利用效率達(dá)80%以上。沼氣發(fā)電技術(shù)不但消耗了大量廢棄物、保護(hù)了環(huán)境、減少了溫室氣體的排放，而且產(chǎn)生了大量的熱能和電能，符合能源循環(huán)利用的理念，同時(shí)也帶來巨大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。

沼氣的主要成份有CH4、CO2及少量的H2S、CO、H2、N2、NH3、O2氣等。CH4一般占總體積的55%～70%，CO2占總體積的30%～40%，其它氣體含量一般不超過總體積的2%。沼氣的成份決定于發(fā)酵原料、發(fā)酵條件、發(fā)酵階段等多種因素。影響厭氧發(fā)酵產(chǎn)生沼氣的因素主要有原料配比、厭氧碳氮比、反應(yīng)溫度、pH值等。一般情況下，原料碳氮比20～30、溫度30℃～45℃、pH值6.8～7.5是厭氧發(fā)酵反應(yīng)產(chǎn)沼氣的適宜條件。

1 項(xiàng)目概況

沼氣發(fā)電項(xiàng)目位于遼寧省沈陽市法庫縣，項(xiàng)目對(duì)奶牛養(yǎng)殖場牲畜糞便進(jìn)行處理，并利用其產(chǎn)生的沼氣進(jìn)行發(fā)電，余熱資源充分利用，供給廠區(qū)的沼氣發(fā)生工藝和生活用熱水。項(xiàng)目的建成對(duì)優(yōu)化區(qū)域能源結(jié)構(gòu)、改善當(dāng)?shù)丨h(huán)境、發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)、建設(shè)節(jié)約型社會(huì)具有重要意義。

本項(xiàng)目奶牛場飼養(yǎng)規(guī)模為50000頭奶牛，牛糞收集半徑為5km～10km。根據(jù)奶牛糞便排

量相關(guān)資料，平均每頭牛每天產(chǎn)糞量為30kg/頭·d，固體物含量18%，糞便收集率90%，每噸牛糞料液平均每天產(chǎn)氣45m3。

牛糞料液：

50000×30×90%=1350t/d；

產(chǎn)沼氣量為：1350×45=60750m3/d；

平均每小時(shí)產(chǎn)氣量：60750/24= 2530m3/h。

通過糞便收集車，對(duì)項(xiàng)目周邊范圍內(nèi)的數(shù)十個(gè)分散式奶牛養(yǎng)殖基地進(jìn)行糞便收集。將收集的牛糞料液和項(xiàng)目廠區(qū)內(nèi)的生活污水一同混入水解沉砂池，經(jīng)過1～3天的水力停留，去除糞便料液中的雜物，然后將料液抽入反應(yīng)罐，隨著發(fā)酵反應(yīng)的進(jìn)行，依次經(jīng)過水解酸化階段、產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸階段和產(chǎn)甲烷階段，產(chǎn)生的沼氣經(jīng)過生物脫硫塔去除其中的H2S，達(dá)到燃?xì)鈨?nèi)燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)燃燒的進(jìn)氣要求。沼氣經(jīng)過干式儲(chǔ)氣柜進(jìn)入到燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組，輸出電力實(shí)現(xiàn)上網(wǎng)售電，同時(shí)產(chǎn)生的余熱可供厭氧發(fā)酵反應(yīng)和廠區(qū)生活用熱。在后發(fā)酵罐完成最終的厭氧反應(yīng)產(chǎn)沼氣的過程后，發(fā)酵污泥通過固液分離裝置得到沼渣和沼液，可以用于農(nóng)作物肥料、改善土壤營養(yǎng)結(jié)構(gòu)和制成高附加值的牲畜飼料。

2 技術(shù)方案

2.1 能源方案

燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)發(fā)電機(jī)以其發(fā)電效率高、運(yùn)行安全穩(wěn)定、操作靈活便捷等優(yōu)勢，在近年來的燃?xì)獍l(fā)電領(lǐng)域占到越來越大的市場份額。通過國內(nèi)外相關(guān)產(chǎn)品的對(duì)比分析、綜合考慮，采用美國通用GE-Jenbacher JMS420GS-B.L內(nèi)燃發(fā)電機(jī)，單臺(tái)發(fā)電功率1415kW。

項(xiàng)目平均產(chǎn)沼氣2530m3/h，J420燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組進(jìn)氣量為672m3/h，為保證沼氣的充分利用，結(jié)合機(jī)組自身的運(yùn)行方式和特點(diǎn)，確定利用4臺(tái)JMS420GS-B.L發(fā)電機(jī)組并聯(lián)運(yùn)行，總發(fā)電功率5660kW。在機(jī)組停機(jī)或檢修的情況下，利用沼氣鍋爐產(chǎn)生蒸汽供廠區(qū)內(nèi)的生活生產(chǎn)需要。此外系統(tǒng)還配置火炬，在沼氣燃燒設(shè)備不能正常運(yùn)行時(shí)，將產(chǎn)生的沼氣通過點(diǎn)燃的方式進(jìn)行處理。

在沼氣燃燒發(fā)生過程中產(chǎn)生大量的余熱，包括沼氣燃燒的煙氣排放和機(jī)組本身散熱冷卻帶出的熱量。煙氣溫度高達(dá)400℃以上，高溫循環(huán)缸套水溫度在90℃以上，為了充分利用這部分熱量，項(xiàng)目采用余熱鍋爐、板式換熱器和相關(guān)泵組等回收裝置，產(chǎn)生蒸汽和熱水用于加熱沼氣厭氧發(fā)生罐和為廠區(qū)提供生活熱水，提高能源的綜合利用率。

2.2 設(shè)備配置

在沼氣發(fā)電能源站內(nèi)，設(shè)備配置主要包括燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組、余熱蒸汽鍋爐、沼氣鍋爐以及水工循環(huán)系統(tǒng)，各個(gè)設(shè)備之間通過通信協(xié)議和程序進(jìn)行運(yùn)行控制和操作管理，實(shí)現(xiàn)整個(gè)能源站的供能可靠穩(wěn)定。表1為沼氣發(fā)電能源站的主要設(shè)備參數(shù)表。

2.3 電力運(yùn)行

國家和地方積極鼓勵(lì)和倡導(dǎo)可再生能源發(fā)電上網(wǎng)，相繼出臺(tái)了一些指導(dǎo)性政策和激勵(lì)性措施，例如《國家電網(wǎng)關(guān)于做好分布式能源并網(wǎng)服務(wù)工作意見》、《可再生能源發(fā)電價(jià)格和費(fèi)用分?jǐn)偣芾碓囆修k法》、《國家發(fā)展改革委員會(huì)可再生能源電價(jià)附加補(bǔ)助資金說明》和《國家電監(jiān)會(huì)關(guān)于可再生能源電價(jià)補(bǔ)貼和配額交易方案的通知》等。一方面促進(jìn)了國家電網(wǎng)的供需平衡，調(diào)整電力產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)和分配；另一方面通過大力開發(fā)利用可再生能源，建設(shè)環(huán)境友好型、資源節(jié)約型社會(huì)，實(shí)現(xiàn)資源環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展。

燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組為0.38kV低壓電力輸出，通過升壓變壓器將輸出電壓升至10.5kV，與周邊市政電網(wǎng)的電壓一致，同時(shí)電力輸出的頻率、周期、相位、相序等參數(shù)要與市政電網(wǎng)完全同期一致，偏差值在電力部門和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定范圍內(nèi)。通過并網(wǎng)同期設(shè)備、同期開關(guān)斷路、同期保護(hù)、電能計(jì)量等措施，保證能源站上網(wǎng)售電的安全穩(wěn)定可靠。依據(jù)國家相關(guān)的可再生能源發(fā)電上網(wǎng)補(bǔ)貼政策，商議協(xié)調(diào)政府、財(cái)政、電力等部門，確定最終的上網(wǎng)售電價(jià)格為0.6元/kWh。

3 效益分析

3.1 經(jīng)濟(jì)效益

考慮到機(jī)組的停機(jī)檢修和維護(hù)保養(yǎng)，燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組年運(yùn)行時(shí)間8000小時(shí)，能源站總發(fā)電裝機(jī)容量5660kW，年沼氣發(fā)電量4528萬kWh，按照并網(wǎng)上網(wǎng)電價(jià)補(bǔ)貼0.6元/kWh，則年發(fā)電直接創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)效益2717萬元。此外，沼氣發(fā)電能源站充分利用煙氣和缸套循環(huán)冷卻水的余熱資源，年產(chǎn)184℃、1.0MPa蒸汽27200t和60℃熱水60230t，供廠區(qū)沼氣發(fā)生工藝和生活用熱水。

3.2 環(huán)境效益

沼氣是一種清潔可再生的能源，燃燒后CO2排放量是同樣發(fā)電量火力電廠CO2排放量的40%，幾乎不產(chǎn)生SO2、粉塵顆粒物等大氣污染物。項(xiàng)目年發(fā)電和余熱綜合利用能量，折合成標(biāo)準(zhǔn)煤22383t，減少CO2排放量35900t，減少SO2排放量190t，減少粉塵排放量224t，對(duì)于區(qū)域性大氣環(huán)境質(zhì)量改善和保護(hù)具有重要作用。

3.3 社會(huì)效益

綠色循環(huán)生態(tài)農(nóng)牧業(yè)是以物質(zhì)循環(huán)和能量轉(zhuǎn)化規(guī)律為依據(jù)，以科學(xué)技術(shù)為支撐，以經(jīng)濟(jì)、生態(tài)和社會(huì)效益有機(jī)統(tǒng)一為目標(biāo)的良性循環(huán)的新型綜合系統(tǒng)。根據(jù)生態(tài)循環(huán)再利用、再生產(chǎn)的循環(huán)鏈原理發(fā)展農(nóng)牧業(yè)，不僅可以凈化生活氛圍，解決能源環(huán)境問題，而且還可以有效轉(zhuǎn)化利用廢棄物，促進(jìn)行業(yè)的良性循環(huán)，實(shí)現(xiàn)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

[1]于海濱.畜禽養(yǎng)殖業(yè)沼氣發(fā)電前景廣闊[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2006（10）：58-61.

[2]王冬梅.利用沼氣沼渣發(fā)酵生物有機(jī)肥[J].中國資源綜合利用，2003（06）：19-21.

[3]施晨路.能源農(nóng)場—中國可持續(xù)農(nóng)業(yè)新模式[J].可再生能源，2006：73-75.

[4]馬躍峰.沼氣技術(shù)與新疆綠洲生態(tài)農(nóng)業(yè)建設(shè)[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境與發(fā)展，2003（05）：31-32.

[5]夏訓(xùn)峰.沼氣法處理規(guī)模化養(yǎng)殖場畜禽糞便優(yōu)點(diǎn)及問題[J].可再生能源，2003（02）：26-28.

[6]姚向君.生物質(zhì)能資源清潔轉(zhuǎn)化技術(shù)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2004.