沼气发电技术

沼气发电技术中国科技大学——朱艳华总述一.沼气的产生二.沼气的发电机原理及沼气发电三.沼气发电的现状四.沼气发电的前景五.沼气发电的危害六.沼气发电相关政策第一章沼气的产生第一节•什么是沼气，换句话说沼气的成分有哪些•沼气是甲烷、二氧化碳和氮气等的混合气体，具有较高的热值，可用做烧饭、点灯，也可以驱动内燃机和发电机。1立方米沼气约相当于1．2千克煤或0．7千克汽油，可供3吨卡车行驶2．8千米，相当于60瓦～100瓦灯光的沼气灯照明6小时。沼气燃烧后的产物是二氧化碳和水，不污染空气，不危害农作物和人体健康。沼气发电机组第一章沼气的产生第二节•沼气是由生物能源转换而来。植物在生长过程中，吸收太阳能贮藏在体内。植物死亡后，在微生物的作用下，有机质发酵分解，产生蕴藏着大量能量的沼气。当沼气燃烧时，这种能量就转变为光和热而被利用。•人工制取沼气的方法叫做厌氧消化，这是在隔绝空气的条件下，利用甲烷细菌使有机物发酵而分解。沼气发电机第一章沼气的产生第三节•20世纪初期，就已作为城市下水的处理方法而得到发展应用。沼气的利用对处理粪便、垃圾有积极作用，可变废为宝，因此它是一项有价值的环保技术。开发沼气资源也是解决农村燃料问题的重要途径之一。•产生沼气的原料为有机物，如人畜粪便、杂草、秸秆、树叶、垃圾等。含有机物在2％以上的工农业生产废渣和废水，如酿造废渣、食品加工废渣以及污水处理厂的剩余污泥和沉淀污泥等，也都可以做原料。沼气发电机组，垃圾填埋场第二章沼气的发电机原理及沼气发电第一节•沼气发电机的原理•其工作原理就是通过垂直植入垃圾堆体里若干根抽气井，不间断将沼气抽出，经过收集管网送至发电机机组，再经过冷却脱硫脱水、过滤净化等处理后，产生的纯沼气在发电机组里燃烧后发电，再并入电网。•沼气发电的原理：根据化学原理把可用物质，进行化学反应。产生一种化学物质叫二氧化氢，把这种有效气体点燃，就可以利用火力来发电，完成这项任务。大型沼气发电站第二章沼气发电第二节•为什么要沼气发电，有哪些优点？•沼气发电是集环保与节能于一体的能源综合利用新技术。它利用工业农业和城镇生活中的大量有机废弃物，经验氧发酵处理产生的沼气，驱动沼气发电机组发电，并可充分利用发电机组的余热用于沼气生产，是综合热效率大80%左右，大大高于一般30-40%的发电效率，用户的经济效益显著。沼气发电的简单过程第二章沼气发电第三节•沼气发电对沼气有什么要求？•沼气中杂质含量如Si、HS等应控制在一定的范围内，沼气的温度为10~60℃，压力为0~5kpa，具体见沼气的气质要求，一般禽畜粪厌氧处理的沼气都能满足发电的气质要求，污水处理沼气需要脱硫等处理，垃圾填埋沼气需要脱水等处理。第二章沼气发电第四节•沼气发电一方气发多少电？•一度电运行成本（大修费用，财务费用，设备折旧）多少？一台设备一年运行多长时间？500KW发电机组，每月上网电量多少？一台设备运行多长时间大修？大修一次需多少时间？费用多少？•一方气发1.7KW.hr左右（沼气中甲烷浓度按照50%计算）。每千瓦时（含大修费，财务费用，折旧费用）运行费用为0.04—0.05元。设备一年运行时间7200hr以上。500KW发电机组每月发电量25万千瓦时以上。一台设备运行三年大修一次，一次费用7万元左右。大修大约需15—25天。第三章沼气发电的现状第一节•沼气发电总述•能源是国民经济发展和社会活动的基础，随着全面建设小康社会步伐的加快，中国对能源生产和消费也提出了更高的要求。可再生能源是中国实现可持续发展的重要能源，沼气发电是可再生能源的主要利用方式，合理有效利用这一新型能源，技术与产业化水平是关键。第三章沼气发电的现状第二节•国内外沼气发电技术现状•沼气技术即厌氧消化技术，主要用于处理畜禽粪便和高浓度工业有机废水。我国经过几十年的研发应用，在全国兴建了大中型沼气工程2000多座；户用农村沼气池1060万户，数量位居世界第一。不论是厌氧消化工艺技术的积累，还是建造、运行管理等方面的经验，整体水平已进入国际先进行列。第三章沼气发电的现状第三节•我国沼气发电研发工作有20多年的历史，特别是“九五”、“十五”期间有一批科研单位、院校和企业先后从事了沼气发电技术的研究及沼气发电设备的开发。在这一领域中，逐渐建立起一支科研能力强、水平高的骨干队伍，并建立了相应的科研、生产基地，积累了较多的成功经验，为沼气发电技术的应用研究及沼气发电的设备质量再上台阶奠定了基础。。第三章沼气发电的现状第四节•沼气发电部国外现状•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。第三章沼气发电的现状第五节•世界上最大沼气发电站在韩国建成投产•据韩国媒体报道，韩国日前建成世界最大规模的利用垃圾沼气的发电站，发电规模为50兆瓦级，2008年12月12日正式投入运营。•这座沼气发电站利用的是韩国首都首尔地区产生的垃圾。业内人士指出，将垃圾作为可再生能源的资源化政策能取得替代能源进口的效益，减少温室气体，进而对防止地球变暖发挥作用。第三章沼气发电的现状第六节•美国用填充地的垃圾沼气发电•美国政府的环境保护署说，在美国，大约有四百处设有甲烷发电厂，其中一个设在宾夕法尼亚州的兰卡斯特郡，名称是“佛雷农场填充地”。这个地方由当地政府管理，环保署认为这个填充地是一个模范，因为它把甲烷输送到一个民营发电厂，为大约四千个家庭提供足够的电力。第三章沼气发电的现状第七节•坦桑尼亚麻渣沼气发电潜力巨大•由于坦桑尼亚是世界主要生产剑麻的国家之一，因此坦桑尼亚麻渣发电的潜力不小。据坦桑尼亚剑麻委员会的统计数字，坦桑尼亚现年产剑麻2.7万吨。按照剑麻生产仅能利用2%原材料的比例，坦桑尼亚现有麻渣约132万吨，可以转化成为500兆瓦的发电能力(坦桑尼亚现有发电能力为580兆瓦)。第四章沼气发电的前景第一节•总述•生物质能是来源于太阳能的一种可再生能源，具有资源丰富、含碳量低的特点，加之在其生长过程中吸收大气中的C02，因而用新技术开发利用生物质能不仅有助于减轻温室效应和生态良性循环，而且可替代部分石油、煤炭等化石燃料，成为解决能源与环境问题的重要途径。第四章沼气发电的前景第二节•随着对环境的日益重视，人们开始利用各种方式来减少工农业生产对环境的破坏。近十几年来，在各级政府有关部门和企业的帮助协调下，用于处理畜禽粪便及各种生产、生活污水的大中型沼气工程纷纷上马，至1998年底，我国已建成大中型沼气工程742处，年产沼气量为16393.94万立方米；垃圾填埋法产生沼气是处理城市垃圾的主要方式之一，具有简单易行和费用较低的特点，同时还可回收能源，正受到世界各国的普遍欢迎。目前，全世界共建成4817座垃圾填埋场，每年可回收沼气51.42亿立方米。第四章沼气发电的前景第三节•沼气发电技术进展状况•沼气燃烧发电是随着沼气综合利用的不断发展而出现的一项沼气利用技术，它将沼气用于发动机上，并装有综合发电装置，以产生电能和热能，是有效利用沼气的一种重要方式。目前用于沼气发电的设备主要有内燃机和汽轮机。第四章沼气发电的前景第四节•沼气发电前景广阔•沼气发电工程本身是提供清洁能源，解决环境问题的工程，它的运行不仅解决沼气工程中的一些主要环境问题，而且由于其产生大量电能和热能，又为沼气的综合利用找到了广泛的应用前景：•1)有助于减少温室气体的排放通过沼气发电工程可以减少CH4的排放，每减少1屯CH4的排放，相当于减少25吨C02的排放，对缓和温室效应有利。第四章沼气发电的前景第四节•2)有利于变废为宝，提高沼气工程的综合效益我们以沼电在酒厂中的的综合效益为例：四川荣县进行了120kW沼气发电的生产和示范。用酒糟废水经厌氧消化产生沼气，发电效率为1.69kWh／m3，当年成本为0.0465元／kWh。沼电能够基本满足该厂的生产用电：山东昌乐酒厂安装2台120kW的沼气发电机组，170m3酒糟日产沼气4800m3，发电8640kwh，全年能源节约开支29万元，工程运行一年即收回全部成本。第四章沼气发电的前景第五节•沼气发电商业化发展的主要障碍•80年代是我国沼气发电研究的起始阶段，也是较为活跃的时期。但近十年的发展比较缓慢。•主要存在以下障碍：1技术障碍•我国沼气发动机的开发研究主要集中在内燃机系列上，一般只是对柴油机和汽油机进行较浅层次的改装，对发动机的热工性能研究不深，由于产品质量不过关，在运行使用中出现诸多问题，给用户带来不便，从而影响其发展进程。第四章沼气发电的前景第五节•导致这种情况的根本原因是没有对沼气发动机进行深入的研究，技术不过关，缺乏足够的生产实践。致使发动机在运行中产生热负荷高、可靠性差、起动困难；另外我国研制的全烧沼气发动机的排气温度过高，气阀易烧坏，使气缸盖等成为易损件等诸多技术问题。•2市场障碍•由于我国沼气发动机存在许多问题，先前应用国产发电机组的沼气发电工程有许多长期处于停机状态。第四章沼气发电的前景第五节•这就使后来发展的绝大多数沼气工程放弃了沼气发电方式，转而寻求其他的利用途径。少数沼气发电工程(如天津、杭州等)依靠贷款引进购买较为成熟的国外发电机组设备来维持运行。我国生产厂家则由于技术不够成熟而造成买方市场的严重匮乏，沼气发动机和发电机组无法形成规模化批量生产，使科研生产单位缺乏相关的研究经费，没有对其作深入研究开发的积极性，不能提供质量过关的产品，进一步阻碍产品的市场化进程，对生产科研单位自身以及沼气发电领域的发展都不利。第四章沼气发电的前景第五节•3政策障碍•缺乏相应的激励政策和限制性政策，不能有效地动员和吸收投资，成为影响其技术发展的一个重要原因。•由于目前沼气发电工程在技术和市场化方面面临许多问题，这就需要国家在这个领域给予政策方面的扶持。如果国家给予在税收、贷款方面的优惠政策、投资补贴和产业保护措施，以及电力部门在沼气电力并网方面给予支持和帮助，制定优惠的上网电价，将大大改善沼气发电的经济性和市场前景，对其进入市场具有很积极的作用。第五章沼气发电的危害第一节•沼气中含有一定量的硫化氢，是一种剧毒气体。而且沼气比较易燃，在与空气混合后易爆炸。沼气的主要成分甲烷造成的温室效应比二氧化碳还要大得多，而且甲烷比空气轻，易扩散。扩散后难集中处理。•健康危害侵入途径：吸入。健康危害：甲烷对人基本无毒，但浓度过高时，使空气中氧含量明显降低，使人窒息。当空气中甲烷达25%-30%时，可引起头痛、头晕、乏力、注意力不集中、呼吸和心跳加速、共济失调。若不及时远离，可致窒息死亡。皮肤接触液化的甲烷，可致冻伤。第五章沼气发电的危害第一节•毒性：属微毒类。允许气体安全地扩散到大气中或当作燃料使用。有单纯性窒息作用，在高浓度时因缺氧窒息而引起中毒。空气中达到25～30%出现头昏、呼吸加速、运动失调。•急性毒性：小鼠吸入42%浓度×60分钟，麻醉作用；兔吸入42%浓度×60分钟，麻醉作用。•危险特性：易燃，与空气混合能形成爆炸性混合物，遇热源和明火有燃烧爆炸的危险。与五氧化溴、氯气、次氯酸、三氟化氮、液氧、二氟化氧及其它强氧化剂接触反应剧烈。第六章沼气发电的相关政策•当前，沼气建设已纳入国家农村基础设施建设投资规划之中，其在优化农业资源配置、调整农业结构、提高农业综合生产力和可持续发展能力中的作用已逐渐为人们所认识。国家加大了对农村沼气等农村基础设施建设的扶持力度。•最后祝福我国越来越繁荣昌盛，越来越强大，成为地球的霸主。