養(yǎng)牛場(chǎng)沼氣熱電聯(lián)產(chǎn)工程設(shè)計(jì)及啟動(dòng)性能研究

摘 要：本研究旨在為規(guī)?；B(yǎng)牛場(chǎng)糞污處理選擇最合理的工藝，通過對(duì)不同處理技術(shù)的比較和篩選，設(shè)計(jì)了沼氣熱電聯(lián)產(chǎn)工程，并深入研究了其啟動(dòng)過程及運(yùn)行性能。研究結(jié)果顯示，熱電聯(lián)產(chǎn)技術(shù)不僅確保了沼氣發(fā)電的并網(wǎng)供電，還通過發(fā)電機(jī)缸套水和煙氣余熱的回收利用，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)收益和示范效應(yīng)。基于這些成效，該工程的運(yùn)行模式顯示出廣闊的推廣潛力，對(duì)我國環(huán)保產(chǎn)業(yè)的發(fā)展具有重要的參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞：養(yǎng)牛場(chǎng)；沼氣；熱電聯(lián)產(chǎn)；啟動(dòng)性能

近年來，隨著人們對(duì)高品質(zhì)乳制品和肉類需求量不斷增加，帶動(dòng)了我國規(guī)?；笄蒺B(yǎng)殖業(yè)的發(fā)展，逐步成為農(nóng)村經(jīng)濟(jì)的重要支柱[1]。規(guī)?；B(yǎng)殖集中度高，產(chǎn)生的糞污量也大，帶來的環(huán)境壓力隨之增加，畜禽糞污已成為農(nóng)村地區(qū)主要的污染來源[2]。探討和推廣高效的畜禽糞污資源化利用技術(shù)成為當(dāng)前研究的重要課題。

厭氧發(fā)酵利用厭氧微生物將糞污中的有機(jī)質(zhì)轉(zhuǎn)化為沼氣、沼渣和沼液。沼氣通過沼氣發(fā)電機(jī)組產(chǎn)生電能和熱能，電能通過并網(wǎng)供給企業(yè)和居民生產(chǎn)生活使用，余熱可以為厭氧發(fā)酵罐提供熱量或烘干沼渣使用；沼渣可以作為生產(chǎn)有機(jī)肥的原料或者通過發(fā)電機(jī)煙氣余熱烘干作為牛床墊料；沼液可以生產(chǎn)沼液肥。在資源利用方面，實(shí)現(xiàn)了糞污資源的循環(huán)利用。

沼氣熱電聯(lián)產(chǎn)始于20世紀(jì)70年代初，最早在歐美國家得到推廣和應(yīng)用，如美國的能源農(nóng)場(chǎng)、荷蘭的綠色新能源、德國的可再生能源促進(jìn)法等。生物質(zhì)能發(fā)電并網(wǎng)在歐洲（如德國、丹麥、奧地利、芬蘭、法國、瑞典等一些國家）的能源總量中所占的比例為10%左右，并一直在持續(xù)增加。德國沼氣工程的發(fā)展在世界上處于領(lǐng)先地位，其中98%的沼氣工程實(shí)現(xiàn)了發(fā)電并網(wǎng)。

相比之下，我國沼氣發(fā)電工程起步較晚，與先進(jìn)國家相比仍存在差距。在推廣沼氣發(fā)電機(jī)組實(shí)施發(fā)電并網(wǎng)方面還存在兩點(diǎn)問題：一是規(guī)模化沼氣發(fā)電工程投資大而且經(jīng)濟(jì)效益相對(duì)較低等特點(diǎn)，造成投資建設(shè)困難及投資回收周期長(zhǎng)等問題；二是由于工藝技術(shù)方面的問題，與火電相比，沼氣發(fā)電成本遠(yuǎn)高于火力發(fā)電。因此，沼氣發(fā)電并沒有太大的市場(chǎng)，對(duì)沼氣發(fā)電工程的投資資本也很少。近年來，我國相繼出臺(tái)了一些政策、規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)來鼓勵(lì)沼氣工程的發(fā)展，包括沼氣工程的建設(shè)補(bǔ)貼、原料補(bǔ)貼、發(fā)電補(bǔ)貼等 。政府要出臺(tái)更加合理的政策引導(dǎo)熱電聯(lián)產(chǎn)市場(chǎng)步入正軌，還需政府加大財(cái)政補(bǔ)貼來支持沼氣工程發(fā)展建設(shè)。

本文選取河北省某縣的一個(gè)規(guī)?；膛ｐB(yǎng)殖場(chǎng)作為案例，詳細(xì)介紹了該項(xiàng)目的設(shè)計(jì)、啟動(dòng)及運(yùn)行性能研究。通過沼氣熱電聯(lián)產(chǎn)，該項(xiàng)目將發(fā)電機(jī)煙氣余熱用于烘干沼渣，后者被用作牛床墊料；沼液則被排放至氧化塘，用于灌溉附近萬畝青貯飼料種植基地，從而實(shí)現(xiàn)了種植與養(yǎng)殖相結(jié)合、生態(tài)循環(huán)的經(jīng)營(yíng)模式。

1 建設(shè)規(guī)模

本養(yǎng)殖場(chǎng)存欄奶牛量約13 000頭，其中泌乳牛6 900頭，每年排放糞污約50萬噸。設(shè)計(jì)規(guī)模：3座6 500 m3CSTR厭氧反應(yīng)罐，年產(chǎn)沼氣800萬m3，年發(fā)電量1 500萬kWh，年產(chǎn)沼渣墊料4.38萬噸，年產(chǎn)沼液44.47萬噸。

2 工藝流程及工程設(shè)計(jì)

2.1 工藝流程選擇

對(duì)于特大型沼氣工程的建設(shè)，選擇合適的厭氧發(fā)酵技術(shù)是項(xiàng)目成功運(yùn)行的關(guān)鍵。牧場(chǎng)通過刮糞板將糞便和尿液刮到集糞池，經(jīng)糞溝溢流到接收池。物料TS濃度為4%～6.5%，故排除USR、UASB工藝；因HCPF（塞流式）工藝具有占地面積大、溫度難以控制、易產(chǎn)生浮渣等問題所以排除；干發(fā)酵適合物料TS濃度為20%～35%。因此，本項(xiàng)目最終選擇完全混合式（CSTR）厭氧發(fā)酵技術(shù)。CSTR反應(yīng)器在發(fā)酵罐頂部安裝攪拌裝置，使物料與微生物充分混合均勻，提高產(chǎn)氣效率。CSTR還具有溫度易控制且分布均勻、進(jìn)出料方便、產(chǎn)氣效率高等優(yōu)點(diǎn)。因此，我國大型沼氣工程大多數(shù)選擇CSTR工藝。

2.2 工藝流程圖

經(jīng)過大量研究對(duì)比，結(jié)合本項(xiàng)目特點(diǎn)，最終采用“預(yù)處理+中溫CSTR厭氧發(fā)酵+發(fā)電并網(wǎng)+沼渣烘干+沼液灌溉”為核心的處理工藝。具體處理工藝流程如圖1所示。

首先，牧場(chǎng)糞污通過刮糞板進(jìn)入集糞池，經(jīng)格柵溝溢流到接收池，格柵去除大塊雜質(zhì)，防止堵塞泵體和管道，接收池物料經(jīng)過滾篩提濃后的濃液進(jìn)入勻漿池進(jìn)行水解酸化，然后通過螺桿泵打入到厭氧罐進(jìn)行發(fā)酵產(chǎn)生沼氣，稀液回流到牧場(chǎng)沖糞溝用。其次，產(chǎn)生的沼氣經(jīng)脫硫、脫水凈化后，并經(jīng)氣柜緩存后通過增壓風(fēng)機(jī)增壓輸送到沼氣發(fā)電機(jī)組發(fā)電，所發(fā)的電經(jīng)過增壓并網(wǎng)銷售，發(fā)電機(jī)缸套水余熱經(jīng)過換熱后給勻漿池和厭氧罐加熱。最后，厭氧發(fā)酵罐發(fā)酵后的物料通過一、二次分離機(jī)固液分離，沼渣進(jìn)入烘干滾筒烘干產(chǎn)生牛床墊料，熱源來源于發(fā)電機(jī)組煙氣余熱，沼液排入氧化塘，最后兌入一定比例的清水灌溉牧場(chǎng)青貯農(nóng)田基地。

2.3 主要構(gòu)筑物和工藝參數(shù)

集糞池：牛舍糞污通過刮糞板將糞便、尿液一起刮到集糞池，使其混合均勻，然后通過糞溝溢流到接收池，糞溝中設(shè)置粗格柵，柵條間距25 mm。設(shè)有4座集糞池，總?cè)莘e1 200 m3，為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。

接收池：接收池安裝兩臺(tái)攪拌器，使物料充分混合均勻，由于接收池中物料TS濃度較低，通過滾篩提濃后TS濃度達(dá)到8%以上，稀液回流到牧場(chǎng)回沖池回沖糞溝，濃液進(jìn)入到勻漿池?？?cè)莘e1 800 m3，為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。

勻漿池：勻漿池內(nèi)設(shè)加熱盤管，將物料溫度提升到20 ℃左右，物料進(jìn)行水解酸化，使難溶難降解的大分子有機(jī)物水解為小分子水溶性有機(jī)物，保證了后端厭氧發(fā)酵快速高效進(jìn)行。總?cè)莘e1 000 m3，為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。

厭氧罐：厭氧發(fā)酵罐反應(yīng)器是整個(gè)項(xiàng)目的核心。采用立式焊接罐結(jié)構(gòu)，表面做防腐處理，罐外設(shè)置保溫層，罐內(nèi)設(shè)置4組加熱盤管，利用發(fā)電機(jī)缸套水余熱對(duì)罐體進(jìn)行增溫。罐體頂部設(shè)置攪拌，保障原料與產(chǎn)甲烷菌的完全混合，使得罐內(nèi)產(chǎn)生的氣體及時(shí)排到頂部，同時(shí)打破罐體上部浮渣層，保障反應(yīng)器穩(wěn)定運(yùn)行。進(jìn)出料采用自控全自動(dòng)進(jìn)出料，上進(jìn)下出方式。單座容積6 500 m3，尺寸φ×H：21×23 m，數(shù)量3座，進(jìn)料TS濃度4%以上，發(fā)酵溫度35 ℃±2 ℃，停留時(shí)間20 d，有效容積產(chǎn)氣率0.8～1.1 m3/（m3·d）。

脫硫系統(tǒng)：采用酸法生物脫硫+汽水分離器+化學(xué)脫硫方式，脫除沼氣中的水分和硫化氫。硫化氫從3 000 ppm降到10 ppm以下，處理流量為400～1 000 m3/h。凈化后沼氣進(jìn)入獨(dú)立氣柜緩存，氣柜體積5 000 m3。

沼氣發(fā)電機(jī)組：沼氣發(fā)電機(jī)組主要由沼氣內(nèi)燃機(jī)、交流發(fā)電機(jī)和余熱回收利用裝置等組成。沼氣進(jìn)入發(fā)電機(jī)前需通過增壓風(fēng)機(jī)增壓，沼氣壓力一般不低于0.2MPa，總裝機(jī)容量2.8MW。發(fā)電機(jī)缸套水余熱用于厭氧罐加溫，出水溫度為63 ℃，回水溫度為35 ℃。煙氣余熱用于沼渣烘干生產(chǎn)牛床墊料。

沼渣烘干：厭氧發(fā)酵后的沼渣經(jīng)過一、二次分離機(jī)固液分離后含固率為40%，需要對(duì)其進(jìn)行烘干，當(dāng)含固率在55%左右才能作為牛床墊料使用。烘干滾筒利用發(fā)電機(jī)煙氣余熱，溫度在460 ℃～480 ℃。

沼液：固液分離后的沼液，暫存氧化塘，然后經(jīng)過管道與一定比例的清水混合灌溉青貯農(nóng)田。

3 調(diào)試啟動(dòng)

工程竣工后，所有設(shè)備、管道、儀表等試驗(yàn)合格，單機(jī)試車、聯(lián)動(dòng)試車合格后進(jìn)行調(diào)試。菌種采用臨近項(xiàng)目地的新鮮沼液，用罐裝車?yán)\(yùn)，然后倒入勻漿池，物料與菌種比例為2：1，開啟勻漿池?cái)嚢铏C(jī)，使物料與菌種充分混合均勻，混合后的物料TS濃度4%～8%。厭氧罐每日進(jìn)料采用少量多次的方式。啟動(dòng)運(yùn)行分為三個(gè)階段：第一階段為啟動(dòng)階段，物料TS濃度為4%；第二階段為有機(jī)負(fù)荷提高階段，物料TS濃度為6%；第三階段為穩(wěn)定運(yùn)行階段，物料TS濃度為8%。系統(tǒng)運(yùn)行50 d后，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定產(chǎn)氣。在此期間，也對(duì)生物脫硫進(jìn)行了系統(tǒng)調(diào)試。產(chǎn)氣量超過350 m3/h，檢測(cè)沼氣中甲烷的純度，當(dāng)甲烷純度大于55%時(shí)，啟動(dòng)發(fā)電機(jī)，同時(shí)啟動(dòng)烘干設(shè)備。

4 啟動(dòng)運(yùn)行性能研究

4.1 啟動(dòng)過程中SCOD去除率與TS濃度變化

SCOD是指原料中需要被氧化的還原性物質(zhì)的量，通常作為衡量污水中有機(jī)物含量多少的參數(shù)。啟動(dòng)和馴化同時(shí)進(jìn)行，通過控制水力負(fù)荷、有機(jī)負(fù)荷、PH以及溫度等參數(shù)，來完成厭氧罐的成功啟動(dòng)。

啟動(dòng)分為三個(gè)階段：第一階段為啟動(dòng)初期階段（1～20 d）。經(jīng)過勻漿池接種的物料分別一次性投入2 000 m3罐內(nèi)，控制物料TS濃度為4%，平均SCOD濃度為630 mg/L，水力負(fù)荷為0.43 m3/（m2·d）。由圖2可知，SCOD去除率先降低后升高的趨勢(shì)，說明發(fā)酵初期隨著原料內(nèi)復(fù)雜有機(jī)質(zhì)的降解，單位體積內(nèi)溶解性化學(xué)需氧量（SCOD）的含量升高。隨著罐內(nèi)產(chǎn)氫、產(chǎn)乙酸菌、產(chǎn)甲烷菌等微生物的不斷增長(zhǎng)繁殖，有機(jī)物質(zhì)被消耗，SCOD的去除率呈不斷上升趨勢(shì)。

當(dāng)SCOD去除率超過60%時(shí)，進(jìn)入第二階段提高有機(jī)負(fù)荷和水力負(fù)荷期（20～50 d）。物料濃度由4%提高到6%，控制物料平均SCOD濃度為1 036 mg/L。起初SCOD去除率出現(xiàn)一個(gè)短暫的下降，然后不斷上升。第32 d時(shí)，SCOD的去除率達(dá)到66%。此時(shí)，提高水力負(fù)荷為0.7 m3/（m2·d），為了防止罐內(nèi)酸化，保持罐內(nèi)溫度穩(wěn)定增加達(dá)到設(shè)計(jì)溫度，按照此條件又連續(xù)運(yùn)行了20 d，系統(tǒng)才處于設(shè)計(jì)的穩(wěn)定狀態(tài)。

第三階段為穩(wěn)定運(yùn)行階段（第50 d），此時(shí)將物料TS濃度提高至8%，水力負(fù)荷提高至1.03 m3/（m2·d），達(dá)到滿負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)。此時(shí)，物料平均SCOD濃度為1 486 mg/L。隨著厭氧罐內(nèi)微生物數(shù)量達(dá)到最大值且處于一個(gè)平衡穩(wěn)定狀態(tài)，罐內(nèi)可被分解的有機(jī)物質(zhì)被大量消耗，發(fā)酵完成后的平均SCOD濃度為530.4 mg/L，SCOD的去除率平均為64.3%。

4.2 啟動(dòng)過程中產(chǎn)氣量與產(chǎn)甲烷含量分析

系統(tǒng)啟動(dòng)運(yùn)行后，由圖3可知，產(chǎn)氣主要分為三個(gè)階段：第一階段（0～12 d），產(chǎn)氣量少，產(chǎn)氣速率緩慢，主要是因?yàn)閱?dòng)初期，產(chǎn)酸菌處于優(yōu)勢(shì)，產(chǎn)甲烷菌繁殖處于遲緩期，罐內(nèi)物料中含產(chǎn)甲烷菌數(shù)量較少，日平均產(chǎn)氣量為1 356 m3，容積產(chǎn)氣率為0.07 m3/（m3·d），平均甲烷含量?jī)H為20%。第二階段（13～50 d），為產(chǎn)氣速率快速增長(zhǎng)階段。隨著溫度及負(fù)荷的增加，產(chǎn)甲烷菌快速增長(zhǎng)繁殖，產(chǎn)氣速率達(dá)到最大。日產(chǎn)氣量由2 004 m3增長(zhǎng)到19 654 m3，日平均產(chǎn)氣量為10 242 m3，容積產(chǎn)氣率為0.53 m3/（m3·d），甲烷含量30 d后趨于穩(wěn)定，為56%～66%。從第51 d開始，厭氧罐產(chǎn)氣趨于穩(wěn)定，日平均產(chǎn)氣量為21 654 m3，容積產(chǎn)氣率為1.11 m3/（m3·d），甲烷含量為65%～67%，標(biāo)志著厭氧發(fā)酵成功啟動(dòng)。

4.3 啟動(dòng)過程中硫化氫含量及去除效果分析

本系統(tǒng)采用酸法生物脫硫技術(shù)脫除沼氣中的硫化氫，啟動(dòng)與厭氧罐同時(shí)進(jìn)行。啟動(dòng)初期，硫化氫含量較低，隨著產(chǎn)氣量不斷增加，沼氣中硫化氫含量也逐漸增加。第38 d后，硫化氫含量趨于穩(wěn)定，達(dá)到2 786 ppm。啟動(dòng)初期，硫化氫去除效率較低，僅為45%。隨著脫硫塔內(nèi)填料上脫硫桿菌不斷地增長(zhǎng)繁殖，脫硫效率也迅速提高。第64 d系統(tǒng)穩(wěn)定后，處理后沼氣中的硫化氫濃度≤100 ppm，去除效率在96.4%～98.5%，脫硫效果較好。生物脫硫后沼氣進(jìn)入化學(xué)脫硫塔進(jìn)一步脫除剩余的硫化氫，出氣硫化氫含量為零，滿足發(fā)電機(jī)運(yùn)行要求。

4.4 啟動(dòng)過程中發(fā)電量及產(chǎn)墊料量分析

系統(tǒng)運(yùn)行32 d后，產(chǎn)氣量達(dá)到9 058 m3/d，啟動(dòng)1.2MW發(fā)電機(jī)組，發(fā)電機(jī)功率控制在80%～95%，每天平均發(fā)電量為2.24萬度。同時(shí)，啟動(dòng)煙氣烘干滾筒進(jìn)行烘干沼渣。沼渣是經(jīng)過兩次固液分離后含水率在60%左右，每天可生產(chǎn)含水率45%左右墊料45 t。第50 d后，隨著產(chǎn)氣量增加，達(dá)到19 654 m3/d，啟動(dòng)另一臺(tái)1.6MW發(fā)電機(jī)組，發(fā)電機(jī)功率控制在70%～95%，此時(shí)日均發(fā)電量為4.78萬kWh，每天平均可生產(chǎn)干墊料98 t。由圖5可知，墊料產(chǎn)量與發(fā)電量成正相關(guān)系。當(dāng)發(fā)電機(jī)功率低于70%時(shí)，煙氣溫度相對(duì)較低，烘干后的沼渣水分在50%以上，不能滿足生產(chǎn)要求，所以根據(jù)產(chǎn)氣量需要調(diào)整發(fā)電機(jī)功率。

結(jié)語

CSTR厭氧發(fā)酵工藝在規(guī)?；B(yǎng)牛場(chǎng)糞污處理方面表現(xiàn)出了優(yōu)異的性能。該工藝能夠?qū)崿F(xiàn)物料的均勻混合，容易控制溫度，具有較強(qiáng)的抗沖擊負(fù)荷能力，并且容積產(chǎn)氣效率高。與其他傳統(tǒng)工藝相比，CSTR厭氧發(fā)酵工藝具有廣泛的推廣應(yīng)用前景。

經(jīng)過50 d的啟動(dòng)調(diào)試期，系統(tǒng)未出現(xiàn)酸化現(xiàn)象并逐漸趨于穩(wěn)定。在穩(wěn)定運(yùn)行階段，系統(tǒng)的日均產(chǎn)氣量達(dá)到21 654 m3，容積產(chǎn)氣率為1.11 m3/（m3·d），甲烷含量維持在65%～67%。日均發(fā)電量達(dá)到4.78萬kWh，日產(chǎn)干墊料量為98 t。

采用酸法生物脫硫技術(shù)實(shí)現(xiàn)了高效的脫硫效果。處理后的沼氣中硫化氫濃度降至100 ppm以下，脫硫效率在96.4%～98.5%。通過化學(xué)脫硫方法進(jìn)一步處理后，硫化氫含量降至零，完全滿足了發(fā)電機(jī)的運(yùn)行要求。

熱電聯(lián)產(chǎn)技術(shù)的應(yīng)用不僅確保了沼氣發(fā)電的并網(wǎng)供電，同時(shí)利用發(fā)電機(jī)組的缸套水為罐體加熱，以及利用煙氣余熱烘干沼渣，實(shí)現(xiàn)了有效的余熱利用，帶來了顯著的經(jīng)濟(jì)效益和良好的示范效應(yīng)。

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收稿時(shí)間：2025-03-07

作者簡(jiǎn)介：邢帆（1984—），男，碩士研究生，高級(jí)工程師。研究方向：有機(jī)廢棄物處理與資源化利用、能源環(huán)保技術(shù)開發(fā)與投資利用、環(huán)境污染防治。

*通訊作者：肖太民（1987—），男，碩士，工程師。研究方向：工農(nóng)業(yè)固廢資源化。