沼气发电

概述沼气燃烧发电是随着大型沼气池建设和沼气综合利用的不断发展而出现的一项沼气利用技术，它将厌氧发酵处理产生的沼气用于发动机上，并装有综合发电装置，以产生电能和热能。沼气发电具有创效、节能、安全和环保等特点，是一种分布广泛且价廉的分布式能源。发展史沼气发电在发达国家已受到广泛重视和积极推广。生物质能发电在西欧一些国家占能源总量的10%左右。我国沼气发电有30多年的历史，在“十五”期间研制出20～600kW纯燃沼气发电机组系列产品，气耗率0．6～0．8m0／kwh(沼气热值~21MJ／m0)。我国沼气发电研发有20多年的历史，目前国内0.8-5000kw各级容量的沼气发电机组均已先后鉴定和投产，主要产品又已全部使用沼气的纯沼气发动机及部分使用沼气的双燃料沼气-柴油发动机。沼气发电技术沼气发电技术是集环保和节能于一体的能源综合利用新技术。它是利用工业、农业或城镇生活中的大量有机废弃物（例如酒糟液、禽畜粪、城市垃圾和污水等），经厌氧发酵处理产生的沼气，驱动沼气发电机组发电，并可充分将发电机组的余热用于沼气生产沼气发电技术本身提供的是清洁能源，不仅解决了沼气工程中的环境问题、消耗了大量废弃物、保护了环境、减少了温室气体的排放，而且变废为宝，产生了大量的热能和电能，符合能源再循环利用的环保理念，同时也带来巨大的经济效益。沼气发电项目状况目前，除西藏区以外，我国内地其他所有省市区均建设了大中型沼气发电项目，仅2009年，获得发改委批复的沼气发电CDM项目就有28个，其中大多数为垃圾填埋场的沼气发电项目，部分为养殖场发电及工业废料（酒精厂）发电项目。除这些较大的项目申请了CDM项目外，国内还有众多小型沼气发电工程。目前，国内很多废水厌氧处理的沼气，CH4含量在50-60%之间，如果选用合适的沼气发电机组，每方沼气可发电2.2-2.6度，而现在很多企业为节省投资，上容量小的机组，每方沼气只能发1.8度电。以17000M3/天，热值为25MJ/M3沼气为例，每方沼气发1.8度电的机组比每方沼气发2.6度电的机组每年少发300多万度电。沼气发电工艺流程畜禽场鲜粪通过上料系统投入厌氧消化器（或在计量池内混合后泵入厌氧消化器）。畜禽舍冲洗水汇集到计量池，直接泵入厌氧消化器的前部，在消化器内搅拌装置作用下，配置成高浓度的发酵液（TS浓度在9%左右）。为保持沼气池内的温度在36℃左右，沼气池内设有盘管装置，热源为太阳能或其它外部供热。粪污经厌氧消化，产生的沼气经脱硫、脱水、脱杂净化后进入发电系统进行发电。沼渣、沼液经平板滤池过滤脱水，分离的沼渣作为有机肥，沼液进入贮存池作为液态有机肥直接施用于农田或处理达标后排放。一个完整的大中型沼气发电工程，无论其规模大小，都包括了如下的工艺流程：原料（粪污）的收集、预处理、厌氧消化系统、出料的后处理系统、沼气净化系统、沼气发电系统、电气及控制系统、余热利用系统等、循环冷却系统、静音系统等系统组成1.原料收集2.原料预处理3.厌氧消化系统4.出料（沼渣、沼液）的后处理5.沼气储存及净化系统6.余热利用系统7.电气及控制系统在目前阶段实施养殖场沼气发电，最好能选择有足够农作物面积配套的项目（方式一），以降低投资、运营成本。工艺流程图消化系统储气罐发电机余热利用原料收集充足稳定的原料供应是厌氧消化工艺的基础。原料的收集方式又直接影响原料的质量，如一个猪场采用自动化冲洗，其污水TS浓度一般只有1.5%～3.5%，若采用乔粪板刮出，则原料浓度可达5%～6%，如手工清运浓度可达20%左右。因此，在养殖场或工厂设计时应当根据当地条件合理安排畜禽粪污的收集方式和集中地点，以便就近进行沼气发酵处理。原料预处理原料常混杂有生产作业中的各种杂物，为便于用泵输送及防止发酵过程中出现故障，或为了减少原料中的悬浮固体含量，有的在进入消化器前还要进行升温或降温等，因而要对原料进行预处理。在预处理时，牛和猪粪中的长草、鸡粪中的鸡毛都应去除，否则极易引起管道堵塞。采用搅龙除草机去除牛粪中的长草，可以收到较好的效果，再配用切割泵进一步切短残留的较长纤维和杂草可有效地防止管路堵塞。鸡粪中含有较多贝壳粉和砂砾等，必须进行沉淀清除，否则会很快大量沉积于消化器底部，不仅难以排除，而且会影响沼气池容积。厌氧消化系统1、厌氧消化原理厌氧消化是一个复杂的过程，可概括为三个阶段。第一阶段，粪污在水解与发酵细菌的作用下，使碳水化合物、蛋白质与脂肪经水解和发酵转化为单糖、氨基酸、脂肪酸、甘油、二氧化碳和氢等。第二阶段，是在产氢产乙酸菌的作用下，把第一阶段的产物转化成氢、二氧化碳和乙酸。第三阶段，通过两组生理物性上不同的产甲烷菌的作用，将氢和二氧化碳转化为甲烷或对乙酸脱羧产生甲烷发酵阶段，脂肪酸在专性厌氧菌-产甲烷菌的作用下转化为CH4和CO2。厌氧消化系统2、厌氧消化工艺的分类1）按消化温度的不同可以分为中温消化（适应温度区为30-38℃）和高温消化（适应温度区为50-57℃）。2）按运行方式的不同可分为一级消化和二级消化。厌氧消化系统3、厌氧消化反应器的选择（1）塞流式反应器(PlugFlowReactor，简称PFR)塞流式反应器也称推流式反应器，是一种长方形的非完全混合式反应器。高浓度悬浮固体发酵原料从一端进入，从另一端排出，原料在消化器内的流动呈活塞式推移状态。（2）升流式固体反应器(UpflowSolidsReactor，简称USR)升流式固体反应器是一种结构简单、适用于高悬浮固体原料的反应器。原料从底部进入消化器内，与消化器里的活性污泥接触，使原料得到快速消化。未消化的生物质固体颗粒和沼气发酵微生物靠自然沉降滞留于消化器内，上清液从消化器上部溢出，这样可以得到比水力滞留期高得多的固体滞留期(SRT)和微生物滞留期(MRT)，从而提高了固体有机物的分解率和消化器的效率。厌氧消化系统4、消化池的结构厌氧消化系统中消化池是主要的核心设备，消化池的外形有矩形、方形、圆柱形、蛋形等。矩形池用于现场条件受限制的情况。它的造价最省，但操作很困难，主要是因为方形结构搅拌不均，易形成死区。圆柱形池:过去普遍使用的构造是带圆锥底板的低圆柱形，该圆池一般由钢筋混凝土制成。垂直边高度6-14m，直径8-40m.圆锥形底便于清扫。北方地区部分消化池采用砖砌外表，中间有空气夹层，内填土，聚苯乙烯塑料，玻璃纤维和绝热板材料等。蛋形池：目前较广泛使用的是蛋形消化池。上部的陡坡和底板的锥体有得于减少浮渣和砂粒造成的问题，从而减少消化池清掏的工作量。蛋形消化池与传统矮圆柱形池相比搅拌要求要少，后者大部分的搅拌能量用于维持砂粒悬浮和控制浮渣形成。厌氧消化系统5、沼气池的形式沼气池主要由水压式沼气池，浮罩式沼气池、半塑式沼气池和罐式沼气池四种基本类型变化形成的。我国农村一般以建筑圆柱形水压式沼气池最合算。圆柱形水压式沼气池的工作原理是气压水、水压气。发酵池以液面为界，上部为贮气间，下部为发酵间。出料（沼渣、沼液）的后处理出料后处理的方式多种多样，最简便的方法是直接用作肥料施入农田土壤或排入鱼塘，但施肥有季节性，而且单位面积有施肥限制，因此这类工程需养殖场周边有足够的农田、鱼塘、植物塘等，能够完全消纳经厌氧发酵后的沼渣、沼液，使沼气利用工程成为生态农业园区的纽带。沼气储存及净化系统沼气是一种混合气体，它的主要成分是甲烷，其次还含有二氧化碳、硫化氢、饱和水蒸气、高碳烃等（从乙烷C2H6到庚烷C7H16）；有时还含有一氧化碳、氮气、氦气、氢气、硅氧烷、卤代烃及固体颗粒物等杂质。由于沼气含有以上杂质且沼气的流量、压力、温度、浓度等都很不稳定，直接用于燃气发电势必造成燃气发电机的设备腐蚀、研磨等问题，从而严重缩短燃气发电机的寿命，所以在利用之前，必须对沼气进行净化处理以解决上述问题。净化系统组成沼气净化系统由贮气袋、过滤器、脱水器、脱硫塔、精滤器、阻火器等组成。余热利用系统燃发电机组排放的尾气温度很高，约为450-550℃，800KW进口机组小时尾气排放量约为3100m3,若直接排入大气，不仅造成能源浪费，还减少了不可再生能源的利用率，并且将会对附近环境造成影响。为了充分和合理地利用这部分余热，在尾气排放管道上设置余热利用锅炉，有效吸收高温烟气中的热量。余热锅炉吸收排烟的热量后加热软化水，被加热的软化水再去加热消化部分，确保消化池内维护35℃的中温消化时所需要的温度电气及控制系统控制系统主要用于沼气发电系统的监测与控制，将各在线仪表所采集到的信号通过控制系统在上位机上显示，操作人员可通过上位机对整个系统进行监视、控制和调节。电气系统分高压配电系统和低压配电系统项目建设的难点及处理措施厌氧发酵的稳定运行沼渣沼液的处理机组规模及电力输出方式的确定厌氧发酵的稳定运行问题：因为养殖场沼气发电在中国属于相对较新的行业，气体净化、沼气发电系统已基本成熟，但厌氧发酵的持续稳定运行是一个难点。影响厌氧发酵的主要问题包括堵塞、温度控制。解决方法：通过前端增加净化装置、运营中更准确控制温度来解决。沼渣沼液的处理问题：厌氧发酵之后的沼渣沼液需得到妥善处置，否则将会造成二次污染。解决办法：A、农用处理B、自然处理C、处理达标农用处理沼气工程周边配套有较大面积的农业作物、鱼塘等，能够就地消纳沼气发酵的残留物（沼液）。该方式的优势是投资和运行成本均较低，是一种最为经济的工程模式，目前世界上养殖场沼气发电最发达的德国基本采用此方式（通过严格控制畜牧业与种植业的协调发展来保障）。自然处理：对沼液采用部分还田或分季节还田，多余的沼液进行低能耗或无动力的自然处理（氧化沟、氧化塘、人工湿地等），达到控制污染物总量减排的目的。该方式成本也较低，但对周围环境可能造成影响，需要结合项目实际情况来考虑是否适用。处理达标将沼液进行固液分离，分离出来的沼渣制成商品固体有机肥料，分离后的清液经过好氧或物化等深度处理达到排放标准后直接排放。该方式的工程投资和运行费用都较高，除了沼气发电之外，应以处理养殖场污水达标为主要建设目标。在目前阶段实施养殖场沼气发电，最好能选择有足够农作物面积配套的项目（方式A），以降低投资、运营成本。机组规模及电力输出方式的确定问题：需要根据各项目情况，决定配备净化设备和沼气发电机组的规模，避免能源或设备的浪费或闲置；解决办法：根据实际需要确定电气线路电力的输出方式（养殖场自用或上网）