防雨棚式沼气发电机组制沼气工艺

介绍了沼气发电系统中制沼工艺以及内燃机发电技术的现状和发展。针对沼气发电工程的实际状况，探讨了沼气发电余热利用的几种方式

关键词：沼气，发电、余热利用
1 引言
人类对沼气的研究起源于十八世纪，1776年，意大利科学家沃尔塔通过分析，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。于上世纪20～30年代左右出现了沼气生产装置，近几十年来，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3764处，总池容172万m3，年处理1.2亿吨废弃物，年产沼气3.4亿m3，利用沼气发电4000万kWH，供气138万户。其中处理农业废弃物的沼气工程运行数量为3556处，总池容100万m3，废弃物处理量8710吨，年产沼气2.3亿m3，供气用户数近132万户。
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；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。

防雨棚式沼气发电机组制沼气工艺
2 沼气发电技术
2.1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）四项主要指标来判别，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。从图中可以看出，动物粪便的产气率在45～80m3/吨之间。
2.2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大的区别是：采用干发酵工艺时，发酵原料的干物质含量为20％～50％。而湿发酵原料的干物质含量一般在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*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。
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较快，制沼工艺较为*。其沼气工程普遍采用高浓度发酵，进料浓度一般在20％TS以上（TS为含固率），我国基本上在6％TS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，容积产气率在1～6m3/m3?d，而我国绝大多数沼气工程采用常温或中温发酵，容积产气率一般小于1m3/m3?d，发酵效率低严重制约了大中型沼气工程的发展。
2.3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吨左右，冲洗水中含有微生物、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华电新能源发展有限公司开展的湖北龙感湖农场沼气发电工程所作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，可以直接排放。如果制沼后的沼液没有利用的途径或可能，那么沼液是不能直接排放的，显然这种制沼工艺可以很好的解决这个问题。德国制沼工艺采用*的干发酵技术和针对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两种厌氧发酵工艺，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很好。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为国内国外工艺的对比。国内工艺侧重于污水处理，德国工艺侧重于产气率，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。
2 余热利用的探讨
沼气发电机的余热利用分为两部分，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 Jenbacher的内燃机，可以提供上述两部分的余热利用。余热利用有以下四种方案：
（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，蒸汽的产量较小。例如，一台1MW的沼气发电机组，可以产生1.0吨左右，蒸汽压力为0.6MPa的饱和蒸汽，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。一台1MW的沼气发电机组，利用排烟余热，可以配置一台70KW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佳方式。