沼气发电技术工艺及余热利用技术

　第 31卷 第 2期 华电技术 Vol. 31　No. 2　 　　2009年 2月 Huadian Technology Feb. 2009　 　 沼气发电技术工艺及余热利用技术 B iogas power generation technology and waste heat utilization technology 刘显明 ,李和平 ,贠小银 ,张宇 ,邱河梅 L IU Xian2m ing, L I He2p ing, YUN Xiao2yin, ZHANG Yu, Q IU He2mei (中国华电工程 (集团 )有限公司 ,北京 　100048) (China Huadian Engineering Corporation L im ited, Beijing 100048, China) 摘 　要 :介绍了沼气发电技术的发展状况。根据制沼原料中总固体、生化需氧量、化学需氧量和挥发性性固 体的 4项判别指标 ,结合实际的发酵工艺原理 ,得出不同制沼原料的产气量。针对沼气发电工程的实际情 况 ,探讨了沼气发电余热利用的几种 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 的可行性。 关键词 :沼气发电技术 ;制沼原料 ;产气量 ;制沼工艺 ;余热利用 中图分类号 : TK 6　　　文献标志码 : A　　　文章编号 : 1674 - 1951 (2009) 02 - 0074 - 05 Abstract: The development of biogas power generation technology was introduced. Based on the four determ inant in2 dexes which inclutes the total solid, the biochem ical oxygen demand, the chem ical oxygen demand and volatile sol2 id, combining with the p rincip le of p ractical fermentation p rocess, the biogas p roductions of diffirent raw materials were obtained. A imm ing at the p ractical situation of biogas power generation p roject, the fasibilities of several p lans for waste heat utilization of biogas power generation were discussed. Key words: biogas generation technology; raw material for p roducing biogas; biogas p roduction; biogas p roduction technology; waste heat utilization 收稿日期 : 2008 - 11 - 21 0　引言 人类对沼气的研究起源于 18世纪 , 1776年 ,意 大利科学家沃尔塔通过 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 ,测定沼气的主要成分 为甲烷和二氧化碳 ; 1781年 ,法国科学家穆拉发明 了人工沼气发生器 ,之后 ,沼气逐渐被人们利用 [ 1 ]。 我国于 20世纪二三十年代出现了沼气生产装置 ,几 十年来 ,沼气发酵技术已广泛用于处理农业、工业以 及人类生活中的各种有机废弃物并制取沼气 ,为人 类生产和生活提供了丰富的可再生能源。到 2005 年底 ,我国已建成各类大中型沼气工程 3 764处 ,总 池容 172万 m3 ,年处理 1. 2亿 t废弃物 ,年产沼气 3. 4亿 m3 ,利用沼气发电 4 000万 kW ·h,供气 138 万户。其中处理农业废弃物的沼气工程运行数量为 3 556处 ,总池容 100万 m3 ,废弃物处理量 8 710 t,年 产沼气 2. 3亿 m3 ,供气用户数近 132万户 [ 2 ]。 我国的大中型沼气工程的技术工艺日趋成熟 , 配套设备已达到或接近国际水平。在沼气工程的成 套技术方面 ,可根据猪粪、鸡粪、牛粪等原料特殊性 的差异 ,进行包括预处理、厌氧、沼气输配、制肥、消 化液后处理的全部 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 ;在配套设备方面 ,我国已成 功研制了纯燃沼气发电机组 ,制罐、自动控制、脱硫 脱水、固 -液分离等装置已形成系列化成熟产品。 目前 ,我国大中型沼气发电工程普遍存在的问 题是沼气发酵原料转化率低、产气率低 ,运行稳定性 差、经济效益低、进料浓度低且量大、厌氧发酵后的 深度处理、沼气内燃机发电效率低和余热利用率低 等问题 ,这些问题都会导致热电联产机组的总热效 率低的结果。 1　沼气发电技术 1. 1　制沼原料及产气量 沼气是有机物在厌氧条件下经微生物分解发酵 而生成的一种可燃性气体 ,主要原料包括人畜禽粪 　第 2期 刘显明 ,等 :沼气发电技术工艺及余热利用技术 ·75·　 图 2　德国沼气热电联产的发展 便、秸秆、农业有机废弃物、农副产品加工的有机肥 水、工业废水、城市污水和垃圾、水生植物和藻类等 有机物质。可燃气体的主要成分是甲烷和二氧 化碳。 制沼原料的产气量通常根据原料中的总固体 ( TS)、挥发性固体 (VS)、生化需氧量 (BOD是指微 生物将溶液中的有机质分解所消耗氧的量 )、化学 需氧量 (COD是指在一定条件下 ,溶液中有机质与 强氧化剂重铬酸钾作用所消耗氧的量 ) 4项主要指 标来判别 [ 3 ] ,结合实际的发酵工艺及原理 ,可以近 似得出不同制沼原料的产气量 ,如图 1所示 [ 4 ] (资 料来自德国可再生能源协会 )。从图 1中可以看 出 ,动物粪便的产气率在 45～80m3 / t。 1. 2　制沼技术工艺发展 随着发酵技术工艺的发展 ,厌氧干式发酵技术 是当前国际前沿的有机废弃物处理技术。厌氧发酵 和传统的湿发酵工艺最大的区别是在采用干发酵工 艺时 ,发酵原料干物质的质量分数为 20% ～50%。 而湿发酵原料干物质的质量分数一般在 5%左右。 厌氧干发酵技术的特点是在固体有机废物厌氧发酵 生产沼气后 ,发酵剩余物为固体有机肥料 ,处理过程 中没有污水产生 ;厌氧干发酵系统运行时自身能耗 低 ,冬季仅耗用滋生生产能量的 10% ～15%。这种 技术特别适合于固体废物量大、污水少的情况下废 弃物资源化利用。 德国的制沼工艺技术走在了世界的前列。制沼 原料主要是动物粪便、能源作物、生物垃圾以及工业 和农业残渣等 ,针对不同的制沼原料 ,采取不同的制 图 1　原料的平均产气量 (m3 / t鲜料 ) 沼工艺 ,保证合理的沼气产量及稳定。德国传统的 畜禽粪便沼气制备工艺为畜禽的粪便以及冲洗水和 尿全部进一套厌氧反应罐 ,厌氧反应罐的温度可以 调节 ,既可以采取中温发酵 ,也可以采取高温发酵 , 德国制沼工艺的先进性保证了沼气的高产量以及沼 气产量的高稳定性。图 2为德国沼气热电联产发展 状况 [ 4 ]。 　　我国有关沼气工程发酵工艺的原创性研究结果 较少 ,由此导致我国沼气工程的发酵率低。欧洲尤 其是德国在沼气行业发展速度较快 ,制沼工艺较为 　·76· 华电技术 第 31卷 　 先进。其沼气工程普遍采用高浓度发酵 ,进料浓度含 固率 ( TS)一般在 20%以上 ,我国的进料浓度含固率 (TS)基本上在 6%以下。发酵浓度高 ,装置产气率就 高。欧洲沼气工程几乎全部采用中高温发酵 ,单位容 积产气率在 1～6m3 / d,而我国绝大多数沼气工程采用 常温或中温发酵 ,单位容积产气率一般小于 1m3 / d,发 酵效率低严重制约了大中型沼气工程的发展。 1. 3　制沼工艺 目前 ,我国制沼原料主要是畜禽养殖业产生的动 物粪便以及含有尿的冲洗水。我国畜禽养殖业的一 个重要特征是冲洗水量大 (与德国养殖业比较 ) ,一个 年出栏 10万头猪的养殖场 ,每天的冲洗水量约为 310 t左右 ,冲洗水中含有病原微生物、寄生虫卵 ,并且 孽生蚊蝇 ,如果不处理直接排放 ,将会对生态环境尤 其是地表水以及地下水资源造成严重的破坏。图 3 和图 4分别是国内某研究所和德国某研究所针对中 国华电集团新能源发展有限公司开发的湖北龙感湖 农场沼气发电工程所做的制沼发酵技术工艺流程图。 　　国内制沼工艺针对大量的冲洗水 ,采取了污水 处理的方式 ,处理后的冲洗水满足畜禽养殖业污水 排放的 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 ,可以直接排放。如果制沼后的沼液没 有利用的途径或可能 ,沼液不能直接排放 ,这种制沼 工艺就能很好地解决这个问题。德国制沼工艺采用 了先进的干发酵技术 ,针对中国养猪场采用大量冲 洗水的特点 ,结合大流量液态进料的高效厌氧反应 塔的 2种厌氧发酵工艺 ,旨在提高整个发酵系统的 容积产气率。对养殖场冲洗水量增加的适应性效果 较好。如果养猪场的冲洗水用量增加 ,则单位进料 COD含量降低 ,因此 ,只需要减少进料在高效厌氧 反应塔内的平均水力停留时间 ,系统就可以安全处 　第 2期 刘显明 ,等 :沼气发电技术工艺及余热利用技术 ·77·　 表 1　我国与德国制沼工艺比较 序号 项目 我国制沼工艺 德国制沼工艺 1 沼气发电装机容量 /MW 1 1 2 沼气产量 / (m3 ·h - 1 ) 493 473 3 制沼原料 猪粪、尿、冲洗水 猪粪、尿、冲洗水 4 养猪场规模 (出栏量 ) /万头 10 10 5 是否额外收集猪粪 是 ,额外收集猪粪 120 t/d 不需要 6 常温厌氧消化池单位容积产气量 / (m3 ·d - 1 ) 0. 21 7 高效厌氧反应塔单位容积产气量 / (m3 ·d - 1 ) 5. 8 8 中温厌氧消化池单位容积产气量 / (m3 ·d - 1 ) 1. 5 9 固态厌氧发酵罐单位容积产气量 / (m3 ·d - 1 ) 3. 1 理大量的废水。只要液态进料的总 COD含量没有 大的变化 ,高效厌氧反应塔的产沼量将不会受大的 影响。表 1为我国与德国制沼工艺的对比。我国工 艺侧重于污水处理 ,德国工艺侧重于产气率 ,以提高 沼气发电项目整体效益。国内工艺的产气率低 ,需 要额外添加原料 ,德国工艺产气率高 ,不需要额外原 料 ,整体发电经济性较好。 1. 4　内燃发电机技术 沼气发电在发达国家已受到广泛重视和积极推 广 ,如美国的能源农场、德国的可再生能源促进法的 颁布、日本的阳光工程、荷兰的绿色能源等。生物质 能发电并网在西欧如德国、丹麦、奥地利、芬兰、法 国、瑞典等一些国家的能源总量中所占的比例为 10%左右 ,并一直在持续增加。沼气发电设备方面 , 德国、丹麦、奥地利、美国的纯燃沼气发电机组比较 先进 ,气耗率 ≤0. 5 m3 / ( kW ·h) (沼气热值 ≥25 MJ /m3 ) ,价格在 500～750美元 / ( kW ·h)。我国在 “九五 ”、“十五 ”期间研制出 20～500 kW 纯燃沼气 发电机组系列产品 ,气耗率 0. 6～0. 8 m3 / ( kW ·h) (沼 气 热 值 ≥ 21 MJ /m3 ) , 价 格 在 300 ～ 500 美元 / ( kW ·h) ,其性价比有较大的优势 [ 5 ]。 但是 ,国内机组与国外机组相比 ,在运行、控制 以及维护方面有较大差距 ,主要表现有 6点。 (1)国外机组运行稳定 ,年运行可以达到 8 300 h, 无振动、噪声小 ;国内机组可燃气体浓度瞬时变化造 成电压波动大 ,经常出现停机现象 ,故障率高 ,经常需 要停机维护。 (2)国外机组对沼气中甲烷含量要求比较宽 松 ,机组能适应沼气中甲烷含量范围为 38% ～ 65%。机组采用稀燃技术 ,根据沼气中甲烷的质量 分数自动调节空气与沼气的比例 ,达到最佳燃烧 状态。 (3)能量利用方面。能够实现冷、热电联产 ,能 量总利用率可以达到 83% ,发电效率大于 40% ,国 内机组的发电效率 36%左右 ,总的能量利用率只有 60%左右。 (4)国外机组运行可以达到无人值守的状态 , 机组自动切换市网与独立供电之间的切换。 (5)国外机组寿命可以达到 50年 , 20万 h进行 中修 , 1 万 h 进行配件更换 ,机组的运行费用为 0. 041元 / ( kW ·h) ,国内机组的运行费用大约为 0. 06元 / ( kW ·h)。 (6)机组的容量偏小。目前 ,国内主流的沼气 发电机组容量普遍小于 1 000 kW ,最成熟的大型发 电机组的容量为 500 kW ,这与国内的沼气发电的规 模普遍较小有关系。 因此 ,提升沼气发电及组的容量、发电的性能、 发电效率以及总体利用热效率是国内沼气发电及厂 商需要重点解决的问题。 2　余热利用的探讨 沼气发电机的余热利用分为 2部分 :一是排烟 的余热利用 ,二是发电机自身冷却热量的利用。目 前 ,国内的发电机不提供机组自身冷却热量的利用 , 只有排烟的余热可用。国外机组 ,例如 GE Jenbach2 er的内燃机 ,可以提供上述 2部分的余热利用。常 见的余热利用方案有 4种。 (1)热水型。利用发电机的余热可以产生 90 ℃ 甚至更高温度的热水。这种形式在需要供暖的北方 地区可以使用。 (2)烟气型。利用烟气的余热配合吸收式制冷 机组 ,可以提供冷源负荷。 (3)蒸汽型。利用烟气的余热可以产生饱和蒸 汽或者过热蒸汽 ,但是沼气发电机组的容量较小 ,蒸 　·78· 华电技术 第 31卷 　 汽的产量较小。例如 , 1台 1MW 的沼气发电机组 , 可以产生 1. 0 t左右的饱和蒸汽 (蒸汽压力为 0. 6 MPa) ,作为供汽负荷使用。 (4)发电型。利用发电机的余热 ,配合螺杆膨 胀动力机发电。1台 1MW的沼气发电机组 ,利用排 烟余热 ,可以配置 1台 70 kW 的螺杆膨胀动力机 发电。 目前 ,我国集约化养殖厂一般建在农村比较偏 远的地方 ,养殖场周围没有热、汽用户 ,冷源用户也 非常少 ,沼气发电厂通常建在养殖场的附近。因此 , 采用发电型方案可能是沼气发电余热利用的最佳 方式。 3　结论 以湖北龙感湖农场沼气发电厂为例 ,介绍了国 内和德国的制沼工艺。国内工艺针对养殖场冲洗水 量大的特点 ,采用污水处理工艺 ,处理后的冲洗水可 以达标排放。德国制沼工艺侧重于产气量 ,同样针 对冲洗水量大的特点 ,采取高效发酵装置 ,提高了制 沼整体产气率。国内制沼工艺单位容积产气量小于 每天 1. 5m3 / d,德国制沼工艺单位容积产气率每天 在 3. 1～5. 8m3 / d之间。对国内和国外沼气发电内 燃机进行了比较 ,国内发电机在总体性能、维护、容 量等方面都要逊于国外的发电机组。对沼气发电的 余热利用进行了探讨 ,结果沼气发电的特点 ,提出了 沼气内燃机发电配合螺杆膨胀动力发电机 ,提升了 余热利用的品味以及发电厂的经济效益。 参考文献 : [ 1 ]庞云芝. 中国沼气产业化途径与关键技术 [ C ]∥2007国 际甲烷市场化大会暨博览会 论文 政研论文下载论文大学下载论文大学下载关于长拳的论文浙大论文封面下载 集. 北京 :国家安全生 产监督管理总局信息研究院 , 2007. 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