上海崇明生物質能發電工程技術方案研究

徐中華

(上海華電閔行能源有限公司，上海 201108)

1 工程背景

當前，全世界都面臨著資源和環境的嚴峻挑戰，化石能源儲備量日益減少，油荒、煤荒讓人們清醒地認識到能源的多元化勢在必行。生物質能源開發利用是生物質熱化學轉化技術中最具實用性的一種，將低品位的固態生物質轉化為高品位的可燃氣體，可用于多種用途。而將生物質用于發電，是構筑穩定、經濟、清潔、安全能源供應體系，突破經濟社會發展資源環境制約的重要途徑。《國民經濟和社會發展第十一個五年規劃綱要》和《可再生能源中長期發展規劃》中確定了生物質能發展的重點是生物質能開發利用。

中國華電集團公司上海分公司緊緊把握上海市能源發展“十二五”規劃等政策方針，以“安全、清潔、高效”的清潔能源為主要發展方向，全力推進天然氣、風電、太陽能、生物質能等能源項目。2010年年底，為實現在生物質能項目上的突破，配合崇明縣創建“綠色能源示范縣”工作，中國華電集團公司上海分公司提出了科學的、有針對性的、可操作的可再生能源項目發展規劃。2011年2月，中國華電集團公司上海分公司與上海市崇明縣人民政府簽署了《合作框架協議》，確定在崇明縣開發建設各類可再生能源發電項目。2011年5月，中國華電集團公司上海分公司完成了崇明縣生物質能發電項目物料平衡研究及項目建設方案規劃設計。方案擬建設上海崇明島農業廢棄物綜合處理利用中心，進行秸稈、禽畜糞便制氣發電。

雖然我國在生物質能源開發方面也取得了巨大成就，但是技術水平與發達國家相比仍有差距。投資回報率低，運行成本高，難以形成規模效益;缺少技術規范，未形成系列產品，難以獲得市場認可;自動化程度低，效率低，這些都是產業化過程中亟須解決的問題。中國華電集團公司把生物發電技術作為重要課題，進行大量的實踐、試驗，致力于不斷提高生物質發電技術。

2 技術方案

2．1 技術路線選擇

沼氣是各種有機物質隔絕空氣(厭氧)后在適宜的溫度、濕度下，經過微生物發酵產生的一種可燃燒氣體。

沼氣厭氧發酵工藝一般可采用濕式厭氧發酵和干式厭氧發酵2種，根據崇明縣農業和養殖業的特點，該期沼氣集中供氣及發電工程推薦采用濕式中溫厭氧發酵技術，并充分考慮沼渣、沼液的綜合利用，以達到綠色、環保的目的。

2．2 工程規模選擇

2．2．1 崇明縣生物質能資源條件及利用現狀

該工程主要以禽畜糞便和農作物秸稈為原料生產沼氣。在以農業和養殖業為主的崇明縣，可利用的禽畜糞便和農作物秸稈資源非常豐富，規模化養殖場主要是將糞便進行簡易發酵做成低氮有機肥還田，一般散養戶基本不處理。

2．2．2 沼氣集中供氣及發電工程規模選擇

根據現場物料平衡調查，該工程選址于崇明縣中西部。站址附近規模化的養殖場相對集中，周邊15 km范圍內主要有種畜場、奶牛場、農場等。

生物質制沼氣系統主要原料為禽畜糞便，輔助原料為秸稈，禽畜糞便輸送距離不宜過大。秸稈經過粉碎、壓縮后較便于運輸，所以沼氣集中供氣及發電工程規模的選擇主要是考慮周邊養殖場的禽畜糞便產量。經過計算，將站址附近的禽畜糞便處理后并輔以少量秸稈，每年所產沼氣可滿足2×1MW沼氣發電機組的用氣需求。

綜合考慮可利用資源，擬建設一座2×1MW的沼氣集中供氣及發電站，該站每天處理禽畜糞便及秸稈，可有效緩解禽畜糞便對環境的污染。

2×1MW沼氣集中供氣及發電站每年生產的含水率為10%的沼渣肥和含水率為95%的液體肥，能夠滿足周邊耕地或果林的有機肥需求。

2．3 工藝流程

將收集來的禽畜糞便倒入配料池，與已粉碎成一定粒度的農作物秸稈配成料漿，然后泵入厭氧反應罐，產生的沼氣經脫水、脫硫后通過管道輸送至前衛村供給村民使用，多余的沼氣可用于發電;沼渣經壓濾脫水、堆化、造粒、包裝外售;沼液可用于周邊農業的灌溉、施肥。沼氣制備、集中供氣及發電工藝流程如圖1所示。

整個系統主要由原料儲存系統、原料預處理系統、厭氧消化處理系統、固/液分離及儲存系統、沼氣收集凈化儲存系統、沼氣發電系統、沼渣脫水制肥系統、沼液綜合利用和事故處理系統、厭氧消化罐保溫增溫系統、電氣控制系統和其他附屬系統組成。

2．3．1 物料收集系統

原料主要來源是當地養殖場的禽畜糞便及農場的秸稈。物料收集系統主要是運輸車輛與倉庫，原料由運輸車輛運送到沼氣站料場倉庫。

2．3．2 物料儲存系統

建(構)筑物包括原料儲存場，可以存儲1周的原料量。

2．3．3 預處理系統

建(構)筑物包括預處理車間、調漿軟化池、均質進料池、物料提升泵房等。預處理車間主要進行原料的粉碎打漿;將粉碎后的物料暫存于調漿軟化池，加入水或者沼液進行調節;將漿料投入均質進料池，2個進料池輪流進料。

預處理系統的設備包括切割機、粉碎機、攪拌機、換熱器、物料提升泵等。

2．3．4 沼氣生產系統

建(構)筑物包括厭氧反應器、操作間等。漿料在反應器中進行厭氧消化，這是產生沼氣的核心裝置，配備攪拌器;操作間內集中放置反應器和各種設備的電源開關及操作工具。

沼氣生產系統的設備包括攪拌器、工藝管路以及配套鋼結構，采用機械攪拌。

目前，厭氧產沼氣過程中成熟的工藝設備包括完全混合厭氧工藝反應器、厭氧接觸工藝反應器、上流式厭氧污泥床反應器及升流式厭氧固體反應器，各種類型的厭氧工藝各有其優、缺點和適用范圍，在一定的條件下選擇合適的工藝形式是厭氧消化工藝的關鍵所在。最適合該工程的工藝設備為完全混合厭氧反應器。

2．3．5 沼氣凈化系統

從厭氧發酵系統收集來的沼氣，經過預處理后能達到居民用氣及發電機設備用氣要求，系統壓力的穩定通過自控系統和風機連鎖調節來實現。建(構)筑物包括沼氣凈化間和控制間，設備包括風機、化學脫硫塔、脫水器、凝水器等。

2．3．6 沼氣儲存及供氣系統

沼氣儲存裝置主要有鋼質耐壓儲罐和干式雙膜氣袋，其安全性均較好。考慮到該工程需對前衛村集中供氣，對氣源氣壓穩定性要求較高，故采用鋼質耐壓儲罐。

圖1 沼氣制備、集中供氣及發電工藝流程

2．3．7 沼氣發電并網系統

建(構)筑物包括沼氣加壓機房、沼氣發電機房、并網機房、控制機房等。

沼氣發電設備包括沼氣加壓機、沼氣發電機、電力并網設備、控制設備等，發電機組為核心設備。

純進口發電機組雖然性能穩定，但單機價格非常昂貴，為了提高我國沼氣機組的技術水平，降低機組的投入成本，該工程可以考慮引進進口發動機。發動機具有米勒循環、稀薄燃燒及空燃比控制系統，配套國內制造技術較成熟的發電機、冷卻系統、可編程控制器(PLC)整機控制系統及相關輔助配套設施，國產化程度達到40%左右。

2．3．8 熱能利用系統

總的熱能利用方案是將生物質沼氣發電系統所產生的余熱充分加以回收利用，發電機組在發電的同時還供應大量熱能，這部分熱能能否有效利用是節能的關鍵。該方案是將回收的這部分余熱供給發酵罐中物料進行增溫及保溫，從而達到降低能耗的目的。

2．3．9 電氣控制系統

電氣控制系統包括全廠供電和控制系統、厭氧反應監控系統、氣體預處理控制系統等。2．3．10 沼渣、沼液儲存系統

沼渣、沼液排出之后，部分沼液回流到均質進料池中，部分沼液暫存于沼液池，沼液和沼渣經過固、液分離之后，分別暫存于沼液池和沼渣池中。沼渣作為肥料可以直接用于農田，也可以進行工業加工，制作工業有機肥。沼液不僅可以作為有機肥料和飼料添加劑，還具有抗病殺蟲、防凍抗凍等多重功效。

3 結束語

項目建成后，必將有效利用崇明縣的生物資源，緩解禽畜糞便對環境的污染，解決秸稈焚燒與粗放式利用的問題，有效改善環境質量;同時，可有效結合國家產業政策，實現節能降耗的目的，促進當地經濟可持續發展。通過原料收購及加工，增加項目區域居民收入，有利于崇明縣綠色能源縣項目的建設，加快崇明縣實現現代化生態島區的進程。

生物質制氣發電技術是一項較新的技術，目前還不很成熟，還有許多方面需要完善。利用現有技術，研究開發經濟上可行、效率較高的生物質氣化發電系統是我國今后能否有效利用生物質的關鍵，需要政府給予政策扶持和資金優惠，促進生物質發電企業可持續發展，加快生物質發電商業化進程。

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