靜脈產(chǎn)業(yè)園沼氣利用方式比較分析

張桂仙

摘? 要：靜脈產(chǎn)業(yè)園中垃圾焚燒發(fā)電滲濾液處理和餐廚垃圾處理在厭氧發(fā)酵環(huán)節(jié)中產(chǎn)生沼氣，沼氣可作為能源回收利用，具有一定的經(jīng)濟(jì)效益。該文依據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，介紹了靜脈產(chǎn)業(yè)園中餐廚垃圾厭氧產(chǎn)沼和垃圾焚燒電廠滲濾液產(chǎn)沼聯(lián)合利用模式下的3種利用方式：沼氣入爐焚燒發(fā)電，沼氣內(nèi)燃機(jī)發(fā)電和沼氣提純制壓縮天然氣（CNG）。該文從技術(shù)和經(jīng)濟(jì)角度對(duì)這3種利用方式進(jìn)行了對(duì)比，認(rèn)為沼氣內(nèi)燃機(jī)發(fā)電是最優(yōu)的利用方式。

關(guān)鍵詞：靜脈產(chǎn)業(yè)園;沼氣利用;經(jīng)濟(jì)分析

中圖分類號(hào)：? ?X705 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

靜脈產(chǎn)業(yè)園是指依托生活垃圾焚燒廠的優(yōu)勢(shì)，將糞便、污泥、餐廚等處理項(xiàng)目合并建設(shè)至焚燒廠周邊，使各項(xiàng)目之間形成物質(zhì)與能量的循環(huán)利用，最終實(shí)現(xiàn)廢物無害化、減量化、資源化處理[1-3]。隨著全國各地靜脈產(chǎn)業(yè)園的規(guī)劃建設(shè)，餐廚垃圾和垃圾焚燒的協(xié)同處理模式越來越得到普及和推廣[4]。

沼氣是有機(jī)物質(zhì)在厭氧條件下，經(jīng)過微生物發(fā)酵作用而生成的一種混合氣體[5]。主要成分中甲烷含量約占總體積的55%～70%左右，其蘊(yùn)含有大量的熱值[6-7]，經(jīng)過處理后加以利用可以產(chǎn)生較好的經(jīng)濟(jì)效益。在餐廚垃圾處理與生活垃圾焚燒廠共建的靜脈產(chǎn)業(yè)園中，沼氣主要產(chǎn)生在靜脈產(chǎn)業(yè)園垃圾于滲濾液、餐廚垃圾等有機(jī)垃圾厭氧處理過程中，如果將各個(gè)子項(xiàng)產(chǎn)生沼氣合并處理后進(jìn)行利用，形成規(guī)模效應(yīng)，將會(huì)有效降低生產(chǎn)成本，提高經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益。目前較為普遍的沼氣利用方式主要為3種：沼氣回垃圾焚燒爐焚燒、沼氣內(nèi)燃機(jī)發(fā)電以及提純制壓縮天然氣（CNG）[8]。

該文以某靜脈產(chǎn)業(yè)園為例，其中餐廚垃圾處理項(xiàng)目規(guī)模100 t/d，生活垃圾焚燒發(fā)電廠滲濾液處理站規(guī)模300 t/d，將兩項(xiàng)目產(chǎn)生的沼氣合并處理，對(duì)3種常見的沼氣利用方式進(jìn)行分析對(duì)比，為靜脈產(chǎn)業(yè)園沼氣利用路線提供參考。

1 沼氣產(chǎn)量基本情況

研究表明，每噸餐廚垃圾發(fā)酵約可產(chǎn)生77.8 m3沼氣[9]，餐廚垃圾處理量為100 t/d的工程日產(chǎn)沼氣約7 780 Nm3。滲濾液系統(tǒng)設(shè)計(jì)處理能力300 t/d，按照1 m3滲濾液厭氧可產(chǎn)生14 Nm3沼氣計(jì)算，則估算滲濾液處理系統(tǒng)平均每天產(chǎn)沼量為4 200 Nm3。本項(xiàng)目總沼氣產(chǎn)量為12 000 Nm3/d（500 m3/h）。

沼氣成份如下：CH4：55%～75%（體積百分比）;CO2：25% ～ 40%（體積百分比）;其他氣體：5%～10 %（體積百分比）;低位熱值：LHV=20.8～23.6 MJ/Nm3。

2 沼氣處理方案收入比較

2.1 沼氣回焚燒爐燃燒

沼氣回爐焚燒流程如圖1所示，沼氣經(jīng)增壓風(fēng)機(jī)增壓后通過燃燒器送入焚燒爐膛進(jìn)行燃燒，燃燒所得的熱量和垃圾焚燒產(chǎn)生的熱量一同發(fā)電，以實(shí)現(xiàn)對(duì)資源的回收利用。將沼氣引入焚燒爐焚燒可以提高垃圾焚燒溫度，加強(qiáng)二噁英分解效果，沼氣中硫化氫在燃燒后轉(zhuǎn)化為二氧化硫，經(jīng)過焚燒爐后端的煙氣處理系統(tǒng)處理后達(dá)標(biāo)排放。

沼氣回焚燒爐與垃圾一起燃燒，可利用其燃燒過程中產(chǎn)生的熱量，增加鍋爐的蒸發(fā)量，相應(yīng)增加汽輪機(jī)的輸出，從而提高產(chǎn)電率。該項(xiàng)目沼氣回焚燒爐燃燒發(fā)電效率按25%計(jì)算，沼氣低位熱值20.8 MJ/Nm3，每年按8000 h運(yùn)行，則年發(fā)電量為20.8×500/3.6×25%×8000=578萬kW·h，焚燒廠標(biāo)桿電價(jià)為0.4元/kW·h，每年可增加收入231.2萬元。

2.2 沼氣內(nèi)燃機(jī)發(fā)電

沼氣通過內(nèi)燃機(jī)發(fā)電是沼氣能量利用的另一種有效形式。沼氣內(nèi)燃機(jī)發(fā)電利用工藝如圖2所示，沼氣能量利用流程為產(chǎn)生的沼氣進(jìn)入儲(chǔ)存柜儲(chǔ)存，然后進(jìn)行脫硫、除濕、穩(wěn)壓防爆等處理后進(jìn)入內(nèi)燃機(jī)發(fā)電，最后產(chǎn)生的電力并網(wǎng)。由于沼氣中含有少量的H2S氣體，該氣體對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)有強(qiáng)烈的腐蝕作用，且燃燒后會(huì)產(chǎn)生二氧化硫等酸性氣體，因此沼氣進(jìn)入內(nèi)燃機(jī)前必須先進(jìn)行脫硫處理，同時(shí)要去除沼氣中的飽和水，以及增加穩(wěn)壓防爆設(shè)備。相較于沼氣回焚燒爐燃燒，沼氣內(nèi)燃機(jī)發(fā)電的設(shè)備投資和運(yùn)行費(fèi)用增多。

沼氣能量在沼氣發(fā)電過程中能源轉(zhuǎn)化效率能達(dá)到40%左右，目前可再生能源發(fā)電上網(wǎng)電價(jià)0.75元/kW·h，經(jīng)濟(jì)效益顯著。根據(jù)國內(nèi)已實(shí)施沼氣發(fā)電廠的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，參考沼氣產(chǎn)量，該項(xiàng)目選取單臺(tái)發(fā)電功率為1 000 kW燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)組，型號(hào)選定為卡特彼勒CG170-12，發(fā)電效率38%。沼氣低位熱值約為20.8 MJ/Nm3，每年按8 000 h運(yùn)行，則發(fā)電量為20.8×500/3.6×38%×8000=878萬kW·h，扣除自用電10%，年上網(wǎng)發(fā)電量為790.2萬kW·h。按可再生能源發(fā)電上網(wǎng)電價(jià)約0.75元/kW·h，每年可增加收入592.7萬元。

2.3 沼氣壓縮提純制CNG

壓縮天然氣（Compressed Natural Gas，簡稱CNG）是指經(jīng)加壓并以氣態(tài)儲(chǔ)存在容器中的天然氣，可作為車輛燃料使用。產(chǎn)生的沼氣經(jīng)濕法干法兩次脫硫、冷凍脫水和變壓吸附處理后，去除原沼氣中的雜質(zhì)，將甲烷分離出來，使其純度達(dá)到《車用壓縮天然氣》（GB18047—2000）的要求，再通過CNG壓縮裝置壓縮至22 MPa裝入罐車。該項(xiàng)目沼氣提純制CNG后日產(chǎn)量約為：12000×0.58=6960 m3/d，每年按8 000 h運(yùn)行，則可生產(chǎn)出232萬m3CNG ，按每方CNG售價(jià)2.0元計(jì)算，每年可增加收入464.0萬元。

3 方案經(jīng)濟(jì)性比較

該文在評(píng)價(jià)經(jīng)濟(jì)性時(shí)采用考慮資金時(shí)間價(jià)值的動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)指標(biāo)，對(duì)各沼氣利用方式進(jìn)行經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)。即將現(xiàn)值分?jǐn)偟綁勖趦?nèi)各年的等額年值，可用式（1）計(jì)算，3種方案費(fèi)用年值見表1。

（1）

式中：AC—費(fèi)用年值，元。PC—費(fèi)用現(xiàn)值，元。n—設(shè)備使用年限，a。i—年利率，取現(xiàn)年貸款利率4.9%。

為保持沼氣發(fā)電運(yùn)行周期的穩(wěn)定性，沼氣內(nèi)燃機(jī)發(fā)電機(jī)組一般選取進(jìn)口機(jī)組，其造價(jià)和維護(hù)費(fèi)較國產(chǎn)機(jī)組要高出很多，因而造成方案2初期設(shè)備投資和運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用要高于其他2種方案。其次是沼氣提純制CNG，而方案1沼氣回爐焚燒由于沼氣不需要預(yù)處理，可省去預(yù)處理設(shè)備的投資費(fèi)用和運(yùn)行費(fèi)用。綜合收入和支出費(fèi)用結(jié)果，3種沼氣利用方式的綜合經(jīng)濟(jì)效益比較見表2。

由表2可知，采用沼氣回焚燒爐燃燒，投資和運(yùn)營成本最低，投資成本收回最快，但是能源利用效率最低，且上網(wǎng)電量并不享受電價(jià)補(bǔ)貼，因而收入最低，每年凈利潤133.5萬元。如果采用方案2和方案3則每年凈收益分別為251.6萬元和218.9萬元。沼氣內(nèi)燃機(jī)發(fā)電和沼氣提純制CNG相較于進(jìn)入焚燒爐焚燒發(fā)電，對(duì)能源的利用率更高，內(nèi)燃機(jī)發(fā)電機(jī)組前期投資成本較大，運(yùn)營和維修費(fèi)也較高，但收入可觀，年凈利潤可達(dá)251.6萬元，適合規(guī)模較大的長期運(yùn)營項(xiàng)目。沼氣制CNG成品出售單價(jià)較高，經(jīng)濟(jì)利潤可觀，當(dāng)CNG成品售價(jià)為[251.6（沼氣內(nèi)燃機(jī)發(fā)電年凈利潤，萬元）+245.1（沼氣制CNG費(fèi)用年值，萬元）]×10000/[12000（沼氣產(chǎn)量，m3）×0.58（沼氣提純制CNG比例）×8000（年運(yùn)行時(shí)間，h）/24]=2.14元時(shí)，沼氣制CNG成品出售年利率與沼氣內(nèi)燃機(jī)發(fā)電的年利潤持平，但是需要投入另外的運(yùn)輸和銷售成本，并且參考各地的實(shí)際情況，其銷路不穩(wěn)定，投資回報(bào)有一定的風(fēng)險(xiǎn)。

4 結(jié)論

沼氣經(jīng)燃燒器回爐燃燒工藝簡單，投資成本較低，還可以增加發(fā)電量，但是對(duì)安全的性能要求較高，并且利用效率較低，適用于小規(guī)模的沼氣項(xiàng)目;沼氣內(nèi)燃機(jī)發(fā)電雖然費(fèi)用年值最高，利潤也最高，適合大型沼氣項(xiàng)目和長期運(yùn)營項(xiàng)目;沼氣提純制CNG出售其年利潤受出售單價(jià)影響較大，當(dāng)出售單價(jià)在2.14元/Nm3 CNG時(shí)，年凈利潤與沼氣內(nèi)燃機(jī)發(fā)電持平，雖然經(jīng)濟(jì)性較好，但銷路不能保證，同時(shí)還需增加運(yùn)輸和銷售環(huán)節(jié)，需要增加相應(yīng)的人工和運(yùn)輸成本。

綜上所述，對(duì)于此3種沼氣利用方式的選取需要因地制宜，綜合考慮沼氣的產(chǎn)量和實(shí)際情況。對(duì)于該項(xiàng)目中餐廚垃圾和焚燒廠滲濾液處理的沼氣利用，沼氣內(nèi)燃機(jī)發(fā)電方案從經(jīng)濟(jì)性和適應(yīng)性方面優(yōu)于其他2種利用方式，是最適宜的方案。

參考文獻(xiàn)

[1]徐俊虎， 夏麗華， 程小波， 等.中國靜脈產(chǎn)業(yè)園3.0發(fā)展模式規(guī)劃路線研究[J]. 再生資源與循環(huán)經(jīng)濟(jì)， 2018， 11（9）：3-7.

[2]董芳青， 馮真真， 楚春禮. 適用于靜脈產(chǎn)業(yè)園物質(zhì)流分析的指標(biāo)體系建設(shè)探討及案例分析[J].未來與發(fā)展， 2019， 43（4）：41-47.

[3]郭婷珍， 李彥， 王瑩. 歐美國家垃圾困境與靜脈經(jīng)濟(jì)對(duì)中國的啟示[J]. 中國經(jīng)貿(mào)導(dǎo)刊（中）， 2018， 909（26）：77-78.

[4]畢少杰， 洪秀杰， 韓曉亮， 等. 餐廚垃圾處理現(xiàn)狀及資源化利用進(jìn)展[J]. 中國沼氣， 2016， 34（2）：58-61.

[5]李明全. 沼氣工程的建設(shè)與管理[J]. 中國畜牧業(yè)， 2019（16）.

[6]劉鋒， 吳建華， 馬三劍. 檸檬酸廢水厭氧產(chǎn)沼氣的分析與利用[J].蘇州科技學(xué)院學(xué)報(bào)（工程技術(shù)版）， 2001， 14（3）：36-39.

[7]于潔. 變壓吸附提純沼氣中CH4的試驗(yàn)研究[D]. 哈爾濱：東北農(nóng)業(yè)大學(xué)， 2012.

[8]鄧舟， 耿欣， 張麗穎， 等.沼氣利用方式的碳足跡分析[J].環(huán)境衛(wèi)生工程， 2010， 18（5）：23-26.

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