2MW熱電肥聯(lián)產(chǎn)沼氣工程在豬場(chǎng)糞污和秸稈廢棄物資源化利用中的應(yīng)用

華 磊

（河南畜牧規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，河南 鄭州 450008）

中糧家佳康（永城）有限公司是隸屬于世界500強(qiáng)企業(yè)中糧集團(tuán)旗下的中糧肉食投資有限公司投資建設(shè)的全資子公司。公司建有年存欄4800頭母豬的繁殖場(chǎng)5座、年出欄11萬頭商品豬育肥場(chǎng)5座，每年出欄55萬頭育肥豬。豬場(chǎng)共分4個(gè)養(yǎng)殖區(qū)域，即養(yǎng)殖一場(chǎng)、養(yǎng)殖二場(chǎng)、養(yǎng)殖三場(chǎng)和養(yǎng)殖四場(chǎng)。由永城糧盈農(nóng)業(yè)廢棄物處理有限公司投資建設(shè)的沼氣站緊鄰養(yǎng)殖三場(chǎng)，距最遠(yuǎn)的養(yǎng)殖二場(chǎng)約900m，即四座養(yǎng)殖場(chǎng)在沼氣站周邊范圍1km以內(nèi)。養(yǎng)殖場(chǎng)豬糞采用漏糞地板工藝收集，日產(chǎn)糞污1600t，豬糞含固率約2%，豬場(chǎng)收集的糞污利用管道輸送至沼氣站。距離沼氣站5km的范圍內(nèi)共有喬樁、萬樓、趙樓、黃樓四個(gè)村，共有1666.7hm2耕地。越冬作物以小麥為主，夏熟作物以大豆為主。用于沼氣發(fā)酵的糞污和秸稈原料供應(yīng)量能得到充足保證。產(chǎn)生的沼氣用于并網(wǎng)發(fā)電，發(fā)電機(jī)組產(chǎn)生的余熱用于厭氧發(fā)酵罐增溫，產(chǎn)生的沼渣沼液用作沼氣站周邊小麥、大豆種植的有機(jī)基肥。打造“生豬養(yǎng)殖—沼氣工程—農(nóng)作物種植”的種養(yǎng)結(jié)合循環(huán)發(fā)展鏈條，實(shí)現(xiàn)區(qū)域養(yǎng)殖廢棄物和農(nóng)作物秸稈的分散收集、集中處理和資源化利用。

1 工藝流程

永城糧盈農(nóng)業(yè)廢棄物處理有限公司建設(shè)的沼氣工程工藝流程圖如圖1所示。

圖1 沼氣工程工藝流程圖

2 主要建設(shè)內(nèi)容

該工程包括預(yù)處理系統(tǒng)、厭氧發(fā)酵與沼氣貯存系統(tǒng)、沼液貯存、沼氣凈化系統(tǒng)、沼氣發(fā)電及余熱利用系統(tǒng)、沼渣沼液還田利用系統(tǒng)等。

2.1 預(yù)處理系統(tǒng)

豬糞預(yù)處理單元：進(jìn)料池，半地上鋼砼，Φ18.5×7.0m，1880.7m3。

秸稈預(yù)處理單元：水解酸化池，鋼砼，Φ8.5×6.5m，368.7m3。

2.2 厭氧發(fā)酵與沼氣貯存系統(tǒng)

CSTR一體化厭氧發(fā)酵罐：搪瓷，Φ29.03×8.4m×4座，22200m3。

一體化儲(chǔ)氣膜：聚酯纖維，Φ29.03×2.88m×4座，7620m3。

2.3 沼渣沼液貯存

沼渣堆放間：輕鋼，36.0×23.0×4.5m，828m2。

沼液貯存池：HDPE膜，110.0×50.0×5.5m，30250m3。

2.4 沼氣凈化系統(tǒng)

生物脫硫塔1座。

2.5 沼氣發(fā)電及余熱利用系統(tǒng)

沼氣發(fā)電機(jī)組：1MW撬裝式含余熱利用系統(tǒng)，2臺(tái)。

余熱蒸汽鍋爐：0.7t/h，2臺(tái)。

熱水罐：70m3，1個(gè)。

2.6 沼渣沼液還田利用系統(tǒng)

排污泵：0.75kW，2臺(tái)。

沼液輸送主管道：DN100UPVC管，20km。

沼渣運(yùn)輸車：15t，2輛。

沼液運(yùn)輸車：50t，1輛。

3 工藝特點(diǎn)

3.1 發(fā)酵原料

該項(xiàng)目秸稈TS濃度為80%，秸稈原料從田間收集后儲(chǔ)存在秸稈存儲(chǔ)區(qū)內(nèi)，每天將秸稈投入至秸稈粉碎機(jī)中進(jìn)行粉碎，粉碎粒徑為10mm，粉碎后秸稈通過進(jìn)料箱輸送進(jìn)入水解系統(tǒng)，停留約2d左右的時(shí)間。利用纖維素水解技術(shù)，經(jīng)過微生物在兼氧環(huán)境下將纖維性原料轉(zhuǎn)化為乙酸，實(shí)現(xiàn)纖維素由大分子多糖向小分子轉(zhuǎn)變，使秸稈中結(jié)構(gòu)性物料逐漸消失液化，大大縮短秸稈厭氧消化停留時(shí)間由50～90d至15～20d，極大提高秸稈的厭氧可及度。水解酸化后秸稈TS濃度為30%。

該項(xiàng)目采用先進(jìn)的熱電肥聯(lián)產(chǎn)沼氣技術(shù)，要求厭氧進(jìn)料的TS濃度不低于8%。該項(xiàng)目豬場(chǎng)糞污通過漏縫板收集，經(jīng)分析其TS濃度為6%，在進(jìn)料池內(nèi)和水解酸化后的秸稈調(diào)配勻漿后TS濃度為8%。經(jīng)混合攪拌和預(yù)加熱預(yù)處理后提升至厭氧反應(yīng)系統(tǒng)進(jìn)行發(fā)酵。

3.2 發(fā)酵工藝

該項(xiàng)目豬場(chǎng)采用漏縫板收集糞便和污水的方式，發(fā)酵原料為高濃度的混合物，因此選擇全混合厭氧消化器（CSTR），建設(shè)4座搪瓷拼裝一體化厭氧發(fā)酵罐。水力滯留期為15d，采用中溫發(fā)酵工藝，發(fā)酵溫度為35℃。為應(yīng)對(duì)永城冬季寒冷天氣，工程采取在厭氧反應(yīng)器外壁設(shè)置增溫盤管，利用沼氣發(fā)電機(jī)余熱對(duì)反應(yīng)器進(jìn)行增溫。盤管外采用150mm厚聚苯乙烯保溫材料。反應(yīng)器采用低速節(jié)能的中心攪拌機(jī)，同時(shí)在出料濃縮池和反應(yīng)器之間安裝回流泵，將出料濃縮池的底部污泥回流至反應(yīng)器，起到攪拌作用，減少有機(jī)物的流失。該工藝的物料平衡計(jì)算書見表1。

表1 物料平衡計(jì)算書

3.3 沼氣凈化

結(jié)合項(xiàng)目的產(chǎn)氣規(guī)模及沼氣用途，選用酸法脫硫。負(fù)責(zé)降解硫化氫的主要細(xì)菌是嗜酸菌群。細(xì)菌利用碳源和無機(jī)化合物，如硫化氫（H2S）、二氧化碳（CO2）作為能源的增長源自養(yǎng)。生產(chǎn)作為新陳代謝的副產(chǎn)品硫酸和單質(zhì)硫，從而降低液相的pH值。脫硫反應(yīng)器內(nèi)主要發(fā)生的反應(yīng)如下。

第一步：2H2S+O2→2S+2H2O

第二步：2S+3O2+2H2O→2H2SO4

脫硫反應(yīng)器為玻璃鋼材質(zhì)，脫硫塔負(fù)荷為8m3/（m3·h），由PLC實(shí)現(xiàn)成套系統(tǒng)運(yùn)行的自動(dòng)控制，安裝就地在線清洗裝置，保證沼氣生物脫硫系統(tǒng)穩(wěn)定高效運(yùn)行。經(jīng)過生物脫硫凈化處理后，沼氣中的H2S含量降至20mg/m3以下。

3.4 熱電肥聯(lián)產(chǎn)模式

3.4.1 沼氣發(fā)電能力

項(xiàng)目達(dá)產(chǎn)后沼氣甲烷含量達(dá)56%，在標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境下，甲烷熱值為35.87MJ/m3。該項(xiàng)目采用撬裝式進(jìn)口發(fā)電機(jī)組，沼氣利用率為87%，每立方沼氣可產(chǎn)電2.2kW·h。日產(chǎn)沼氣25000m3，年發(fā)電量1675.00萬kW·h（運(yùn)行8400 h/a，以350d/a計(jì)），裝機(jī)容量2兆瓦，項(xiàng)目最終配置2臺(tái)×1.0MW撬裝式發(fā)電機(jī)組，并網(wǎng)規(guī)模亦為2MW。

3.4.2 熱能生產(chǎn)能力

發(fā)電機(jī)組在發(fā)電同時(shí)還供應(yīng)大量熱能，按照每天用于發(fā)電的沼氣25000m3，沼氣中甲烷含量為56%，甲烷熱值為35.87MJ/m3計(jì)算，發(fā)電機(jī)余熱回收率以41%計(jì)，則每日可回收熱量為4917.69萬kcal。主要用于厭氧反應(yīng)器的增溫。

該模式的能量平衡圖見圖2。

圖2 能量平衡圖

3.4.3 沼肥還田利用

項(xiàng)目每日輸出沼液1585.39t，沼渣101.19t，年運(yùn)行時(shí)間以350d計(jì)，則全年沼渣沼液產(chǎn)生量總計(jì)59.03萬t。消納沼肥所配套土地分別屬于裴洼申、裴雙樓、盆罐窯、裴燕莊、卞莊、東王莊、黃樓、陳莊、趙樓等九個(gè)村組，此九個(gè)村組坐落于沼氣站周邊5km范圍內(nèi)，土地較為集中，地形平坦，便于沼液輸送管網(wǎng)鋪設(shè)，交通便捷，均有機(jī)耕路通往田間，利于固態(tài)沼肥運(yùn)輸。通過對(duì)當(dāng)?shù)刂饕N植作物分析調(diào)查，以小麥和大豆輪作的種植模式來消納有機(jī)肥料，施肥方案如下。

在夏季換茬時(shí)，每畝地施用10t沼肥作為大豆基肥，在大豆分枝拔節(jié)每畝地每次施用2t沼肥作為拔節(jié)肥和花莢肥，即大豆種植期間每畝地至少施用沼肥12t；在秋季換茬時(shí)，每畝地施用15t沼肥作為小麥基肥，在小麥越冬期每畝地每次施用2t沼肥作為冬臘肥，即小麥種植期間每畝地至少施工沼肥17t，以全年計(jì)，每畝地至少可施用沼肥29t，項(xiàng)目年沼肥產(chǎn)量59.03萬t，所需配套土地1360hm2，項(xiàng)目配套1666.7hm2土地，可滿足沼肥消納需求。

4 結(jié)論與建議

項(xiàng)目依托專業(yè)的畜禽糞污處理企業(yè)永城糧盈農(nóng)業(yè)廢棄物處理有限公司，采用熱電肥聯(lián)產(chǎn)工藝，建設(shè)日產(chǎn)沼氣25000m3大型沼氣工程，對(duì)養(yǎng)殖場(chǎng)的糞便和污水以及農(nóng)作物秸稈統(tǒng)一收集集中處理，進(jìn)行高濃度厭氧發(fā)酵，沼氣發(fā)電上網(wǎng)，沼渣沼液生產(chǎn)有機(jī)肥農(nóng)田利用，減少規(guī)模養(yǎng)殖場(chǎng)糞污處理設(shè)施的投資。通過項(xiàng)目專業(yè)化運(yùn)行，高效率資源化利用，確保廢棄物得到有效處理和綜合利用，實(shí)現(xiàn)以種植業(yè)為基礎(chǔ)，畜牧業(yè)為動(dòng)力的種養(yǎng)結(jié)合生態(tài)化可持續(xù)發(fā)展。為建設(shè)區(qū)域廢棄物集中處理中心和建立長效運(yùn)行機(jī)制示范。建議區(qū)域廢棄物集中處理中心收集半徑小于10km，以保證原料收集的穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性；處理中心周邊有足夠的連片農(nóng)田，便于產(chǎn)生的大量沼渣沼液能確實(shí)有效的還田利用?！?/p>