餐廚垃圾厭氧消化工程中沼氣利用方式的選擇
——以四川某項(xiàng)目為例

查羅男 孫巖斌 郭 強(qiáng) 曲 垚 王紀(jì)曄

中國城市建設(shè)研究院有限公司

1 引言

近年來，隨著城鎮(zhèn)居民生活水平的提高，餐廚垃圾產(chǎn)生量日益增加，個(gè)別非法營運(yùn)機(jī)構(gòu)利用餐廚垃圾生產(chǎn)的“地溝油”、“泔水豬”等產(chǎn)品流向市場，對食品安全和市民健康造成嚴(yán)重威脅。為保障人民群眾飲食安全，根據(jù)《國務(wù)院辦公廳關(guān)于加強(qiáng)地溝油整治和餐廚廢棄物管理的意見》（國辦發(fā)[2010]36號），進(jìn)一步加強(qiáng)餐廚廢棄物管理。自2011年餐廚垃圾處理工作開始布局，國家發(fā)改委先后批復(fù)了100個(gè)餐廚垃圾試點(diǎn)城市，全國在建或已投產(chǎn)的餐廚垃圾處理廠超過200座。

目前國內(nèi)餐廚垃圾主流處理技術(shù)路線是以厭氧消化產(chǎn)沼氣用于能源再生利用為處理目標(biāo)技術(shù)路線。餐廚垃圾處理工程厭氧消化產(chǎn)生的沼氣具有燃燒供熱、提純壓縮、燃燒發(fā)電等多種利用途徑，不同利用途徑受到不同工程建設(shè)條件影響，同時(shí)也會影響工程建設(shè)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。本文以四川某項(xiàng)目為例，探討餐廚垃圾厭氧消化處理工程中沼氣利用途徑的選擇。

2 四川某餐廚垃圾處理項(xiàng)目概況

四川某餐廚垃圾處理項(xiàng)目位于一座靜脈產(chǎn)業(yè)園內(nèi)，緊鄰1000t/d生活垃圾焚燒發(fā)電廠，餐廚垃圾處理規(guī)模為100t/d，采用“預(yù)處理+粗油脂制取+中溫濕式厭氧消化+沼氣資源化利用”工藝，日產(chǎn)沼氣量約7500Nm3，工藝流程如下圖所示。

圖1 餐廚垃圾處理工藝流程圖

3 餐廚垃圾厭氧產(chǎn)沼氣主要成分

餐廚垃圾在厭氧發(fā)酵過程中，經(jīng)微生物消化作用將有機(jī)物轉(zhuǎn)化為甲烷、二氧化碳、無機(jī)營養(yǎng)物質(zhì)和腐殖質(zhì)。餐廚垃圾厭氧消化產(chǎn)生的沼氣是一種混合性氣體，其主要成分如表1所示。沼氣利用前均需進(jìn)行除塵脫硫等凈化處理，凈化后的沼氣進(jìn)入后續(xù)利用單元。

表1 餐廚垃圾厭氧消化沼氣主要成分表

4 沼氣處理利用方式

餐廚垃圾處理工藝中往往需要用到蒸汽和熱水，以四川某項(xiàng)目為例，由于餐廚垃圾油脂含量較高，需用蒸汽對餐廚垃圾處理提取出油脂，中溫厭氧消化系統(tǒng)需要用到熱水換熱以維持厭氧消化溫度在35±2℃，因此，常規(guī)餐廚垃圾處理工程中均會配備沼氣鍋爐，利用沼氣鍋爐燃燒沼氣向處理工藝供熱。鍋爐燃燒供廠內(nèi)用熱外剩余沼氣主要有火炬燃燒、提純制CNG、內(nèi)燃機(jī)發(fā)電和送至焚燒廠焚燒發(fā)電等利用途徑。

4.1 火炬燃燒

沼氣火炬是餐廚垃圾厭氧消化處理工程的必要設(shè)施。沼氣量較少、富?；蛘叱霈F(xiàn)緊急意外事故時(shí)，沼氣由火炬系統(tǒng)燃燒放空。沼氣火炬系統(tǒng)可保證沼氣能夠及時(shí)、安全、可靠地放空燃燒，保證在運(yùn)行過程中實(shí)現(xiàn)低噪聲無煙燃燒。

4.2 提純制取CNG

餐廚垃圾厭氧消化處理產(chǎn)生的沼氣中CH4含量約55%～70%，可通過水洗提純、變壓吸附、膜分離等技術(shù)進(jìn)行提純并壓縮制成CNG 壓縮天然氣出售，CNG 中CH4含量≥97%，產(chǎn)品質(zhì)量指標(biāo)應(yīng)滿足GB 18047—2000《車用壓縮天然氣》的要求（見表2）。

表2 壓縮天然氣的技術(shù)指標(biāo)

4.3 內(nèi)燃機(jī)發(fā)電

經(jīng)凈化后的沼氣具有較高熱值，可在廠內(nèi)配置內(nèi)燃發(fā)電機(jī)和余熱回收裝置，利用富余沼氣進(jìn)行熱電聯(lián)產(chǎn)。沼氣發(fā)電機(jī)發(fā)電效率一般在35%～42%之間，配套余熱回收，余熱利用效率可達(dá)到95%。

由于餐廚垃圾處理工程規(guī)模普遍較小，配置沼氣發(fā)電機(jī)組一般在0.5MW～2MW，發(fā)電多為廠內(nèi)自用，單獨(dú)辦理上網(wǎng)手續(xù)較難。若臨近有生活垃圾焚燒發(fā)電廠，可在廠內(nèi)配置同期裝置，沼氣通過沼氣發(fā)電機(jī)發(fā)電后，通過同期裝置后借有焚燒廠線路并入高壓電網(wǎng)。

4.4 焚燒發(fā)電

近年來，固體廢棄物處理項(xiàng)目越來越多以靜脈產(chǎn)業(yè)園模式建設(shè)，各類固體廢棄物處理設(shè)施不再是孤立的項(xiàng)目，可與周邊項(xiàng)目進(jìn)行有機(jī)銜接。若餐廚垃圾厭氧消化處理工程臨近生活垃圾焚燒發(fā)電廠，可將富余的沼氣通過管道送入焚燒廠，進(jìn)入焚燒爐與生活垃圾一同進(jìn)行焚燒處理，產(chǎn)生的熱能通過焚燒廠系統(tǒng)進(jìn)行發(fā)電，提高焚燒廠的發(fā)電量，最終通過焚燒廠上網(wǎng)線路并入高壓電網(wǎng)。

5 沼氣利用方式的比較與選擇

由于火炬燃燒的主要意義在于安全保障，無法實(shí)現(xiàn)沼氣的資源化利用，本文主要對提純制CNG、內(nèi)燃機(jī)發(fā)電和送至焚燒廠焚燒發(fā)電三種沼氣利用途徑進(jìn)行綜合比選分析。

以四川某項(xiàng)目為例，項(xiàng)目緊鄰生活垃圾焚燒發(fā)電廠，沼氣產(chǎn)量約7500Nm3/d，其中鍋爐燃燒供熱消耗沼氣約2500Nm3/d，富余沼氣約5000Nm3/d。結(jié)合該項(xiàng)目特點(diǎn)，對三種沼氣利用途徑就產(chǎn)品出路、預(yù)處理要求、土建投入、占地面積、運(yùn)行管理穩(wěn)定性等方面進(jìn)行比選如表3。

提純制取的CNG雖較穩(wěn)定，但是本工程產(chǎn)生的沼氣量較小，投資和運(yùn)行成本較大，占地面積較大，同時(shí)制取的CNG需要考慮外售銜接的問題，適用于沼氣產(chǎn)量較大且具備下游市場的情況；內(nèi)燃機(jī)發(fā)電多收益最高，但受限于項(xiàng)目規(guī)模，上網(wǎng)手續(xù)辦理困難，很難獲得發(fā)電上網(wǎng)收益，多用于廠內(nèi)自用；輸送至焚燒廠發(fā)電方案利用鄰近焚燒廠設(shè)施對沼氣進(jìn)行利用，可提高焚燒廠發(fā)電量、借用焚燒廠線路上網(wǎng)、保障發(fā)電的穩(wěn)定性，同時(shí)無土建及相關(guān)設(shè)備投入，節(jié)約用地，節(jié)省人工及維護(hù)成本。

四川某項(xiàng)目的沼氣利用途徑充分結(jié)合工程建設(shè)條件，與生活垃圾焚燒發(fā)電廠銜接，選擇凈化后送至焚燒廠焚燒發(fā)電的方式。來自厭氧發(fā)酵的沼氣

采用濕法脫硫、氣柜儲存、冷凍脫水等將沼氣凈化后，一部分沼氣送至沼氣鍋爐提供熱源，另一部分沼氣輸送至焚燒廠焚燒發(fā)電上網(wǎng)進(jìn)行利用。同時(shí)設(shè)置暗火火炬系統(tǒng)，保證緊急情況下沼氣的燃燒及排放。

6 結(jié)論

目前國內(nèi)餐廚垃圾主流處理技術(shù)路線是以厭氧消化產(chǎn)沼氣用于能源再生利用為處理目標(biāo)技術(shù)路線。常規(guī)餐廚垃圾處理工程中均會配備沼氣鍋爐，利用沼氣鍋爐燃燒沼氣向處理工藝供熱。鍋爐燃燒供廠內(nèi)用熱外剩余沼氣主要有火炬燃燒、提純制CNG、內(nèi)燃機(jī)發(fā)電和送至焚燒廠焚燒發(fā)電等利用途徑。沼氣利用途徑的確定要綜合項(xiàng)目規(guī)模、周邊條件、投資收益等進(jìn)行綜合比選確定。四川某項(xiàng)目緊鄰生活垃圾焚燒發(fā)電廠，推薦采用送至焚燒廠焚燒發(fā)電并網(wǎng)的利用方式。

表3 沼氣利用方式比選