沼氣發電系統綜述

張 斌 王麗娜

(國網技術學院，山東 泰安 271000)

1 沼氣資源的特點

沼氣是有機物質在厭氧條件下，經過微生物的發酵作用而生成的一種混合氣體。沼氣是多種氣體的混合物，一般含甲烷50～70%，其余為二氧化碳和少量的氮、氫和硫化氫等。其特性與天然氣相似。沼氣無色、無味、無毒，比空氣輕，難溶于水，易燃。沼氣是性能較好的燃料，純燃氣熱值為21.98MJ／m3(甲烷含量60%、二氧化碳含量32%)時，屬中等熱值燃料，沼氣還是可再生能源。因此，高效的利用沼氣資源，可以有效的減少污染，也使資源得到了綜合利用。

2 沼氣發電動力裝置

2.1 沼氣發電動力裝置的選擇

沼氣以燃燒方式發電，是利用沼氣燃燒產生的熱能直接或間接地轉化為機械能并帶動發電機而發電。沼氣可以被多種動力設備使用，如內燃機、燃氣輪機、鍋爐等。對于采用沼氣發動機（內燃機）、燃氣輪機和鍋爐（蒸汽輪機）發電這三種形式來說，前兩者燃料燃燒釋放的熱量通過動力發電機組和熱交換器轉換再利用，相對于不進行余熱利用的鍋爐（蒸汽輪機）機組，其綜合熱效率要高。而采用沼氣發動機方式的結構最簡單，而且具有成本低、操作簡便等優點。

在4MW 以下的功率范圍內，采用內燃機有較高的利用效率。相對燃煤、燃油發電來說，沼氣發電的特點是功率小，對于這種類型的發電動力設備，國際上普遍采用內燃機發電機組進行發電，否則在經濟上不可行。

沼氣發動機一般分為壓燃和點燃兩種型式。壓燃式發動機使用的是柴油、沼氣兩種燃料，發動機首先通過壓燃少量的柴油從而將沼氣點燃進行燃燒做功。壓燃式的優點是可調節柴油／沼氣燃料比，能夠適應沼氣量和甲烷濃度的變化，當沼氣不足甚至停氣時，發動機仍能正常工作。缺點是系統較為復雜，發動機價格也高。點燃式發動機特點是系統簡單，操作方便，不需要輔助燃料，但受沼氣供應的影響，適合于沼氣供應穩定的情況。

2.2 沼氣發動機的關鍵技術

沼氣發動機要解決的核心問題是沼氣的凈化處理和混合。

2.2.1 沼氣的凈化處理

沼氣的產生主要是通過無氧環境下污水、污泥中的厭氧菌菌群的作用，使有機物經液化、氣化而分解成沼氣。生成的沼氣中含有腐蝕性介質，有微量的水分和H2S 等，這些腐蝕性介質會對輸氣管道和發動機部件產生腐蝕，影響發動機的正常運行和使用壽命。為了除去這些腐蝕性介質，可對沼氣進行脫硫，將干式脫硫塔安裝在進氣管道上，脫硫劑為鐵屑；或者采用濕式脫硫塔，脫硫劑為NaOH 堿液，濃度30%。另外，為保證沼氣質量，還要在進氣管道上安裝過濾除塵、除濕、除油裝置。

2.2.2 沼氣發電機組的防腐處理

沼氣中含有的H2S 和水分形成弱酸液，對管道及發動機的金屬部件產生腐蝕，特別是對銅質及鋁質部件腐蝕更為嚴重。因此，應對輸氣管道中的易腐蝕部件進行防護處理。另外，沼氣中的H2S 燃燒會產生S02，S02的腐蝕性更強，所以燃燒室和排氣管均應采取防腐措施。

2.2.3 電控混合器技術

普通的燃氣發動機在CH4濃度變化時無法自動調節空燃比，會導致發動機的輸出功率和轉速波動較大，甚至因點火問題停機。

沼氣發電機組采用電控混合器，電腦實時監控燃氣的燃燒情況，將信號發送到ECU，然后由ECU 發出信號，改變氣道的流通面積，從而根據CH4濃度的變化合理匹配沼氣和空氣的流量，實現實時調節空燃比。

3 沼氣發動機發電系統

3.1 系統組成

圖1 典型沼氣內燃機發電系統圖

如圖1 所示，沼氣發電系統主要由消化池、儲氣罐、供氣泵、沼氣發動機、交流發電機、沼氣鍋爐、廢熱回收裝置（冷卻器、給水預熱器、熱交換器、汽水分離器、廢熱鍋爐等），以及脫硫化氫及二氧化碳塔、穩壓箱、配電系統、并網輸電控制系統等部分組成。

沼氣內燃機發電系統主要由以下幾部分組成：

（1）沼氣內燃機（發動機）。與通用的內燃機一樣，沼氣內燃機也具有進氣、壓縮、燃燒膨脹做功及排氣四個基本過程。由于沼氣的燃燒熱值及特點與汽油、柴油不同，沼氣內燃機必須適合于甲烷的燃燒特性而設計，一般具有較高的壓縮比，點火期比汽、柴油機提前，必須采用耐腐蝕缸體和管道等。

（2）交流發電機。與通用交流發電機一樣，沒有特殊之處，只需與沼氣內燃發動機功率和其他要求匹配即可。

（3）廢熱回收裝置。采用水-廢氣熱交換器、冷卻水-空氣熱交換器及預熱鍋爐等廢熱回收裝置回收由發動機排出的廢熱尾氣，提高機組總能量利用率。回收的廢熱可用于消化池料液的升溫或采暖。

（4）氣源處理。沼氣在進入內燃機之前必須經過凈化處理，將硫化氫含量降到500mg/m3以下。

3.2 注意問題

根據沼氣發動機的工作特點，在組建沼氣發動機發電機組系統時，要著重考慮以下幾個方面：

3.2.1 沼氣脫硫及穩壓、防爆裝置

沼氣中含有少量的H2S，對發動機有強烈的腐蝕作用，因此沼氣要先經過脫硫裝置。為了使沼氣的流量調節準確，應確保進入發動機時的壓力穩定，所以需要在沼氣進氣管路上安裝穩壓裝置。另外，為了防止進氣管路回火引起沼氣管路發生爆炸，應在沼氣供應管路上安置防回火與防爆裝置。

3.2.2 進氣系統

在進氣總管上，需加裝一套沼氣-空氣混合器，以調節空燃比和混合氣進氣量。混合器應調節精確、靈敏。

3.2.3 發動機

沼氣的燃燒速度很慢，若發動機內的燃燒過程組織不利，會影響發動機運行壽命，所以對沼氣發動機有較高的要求。

3.2.4 調速系統

沼氣發動機的運行是聯軸驅動發電機穩定運轉，以用電設備為負荷進行發電，由于用電設備的裝載、卸載都會使沼氣發動機負荷產生波動，為了確保發電機正常發電，沼氣發動機上需要安裝調速與穩速控制系統。

4 前景展望

沼氣發電是提高沼氣綜合利用的有效方法，也使沼氣的利用有了更為廣闊的前景。它即能提供清潔能源，又能解決環境問題。尤其是具有一定規模的大中型沼氣工程，沼氣發電應是其運營的首選途徑。如果能實現熱電聯產，經濟效益將更為顯著。從我國沼氣生產潛力、發電設備水平、市場需求以及國家政策導向來看，可以預見沼氣發電有很大的發展空間。

國外的發展經驗表明，目前沼氣發展的原動力主要是政策激勵，沼氣發展迅速的一些國家，都有相應的激勵政策，包括價格激勵、財政補貼、減免稅費、配額制度以及加強科研投入等，這些經驗對我國發展沼氣發電產業極具借鑒價值。

［1］惠晶，方光輝.新能源轉換與控制技術[M].北京：機械工業出版社，2008，2：164－176.

［2］吳治堅，葉枝全，沈輝.新能源和可再生能源的利用[M].北京：機械工業出版社，2006，1：73－103.

［3］袁振宏，吳創之，馬隆龍，等.生物質能利用原理與技術[M].北京：化學工業出版社，2004，11：67－149.

［4］王長貴，崔容強，周篁.新能源發電技術[M].北京：中國電力出版社，2003：215－241.

［5］陳澤智.生物質沼氣發電技術[J].環境保護.2000，10：41－42.

［6］滕傳均，汪國英.沼氣發電技術[J].農村使用技術，2005，1，10.

［7］岳勝兵，張衍林，梁浩，雒華杰.沼氣發電技術的研究與應用[J].現代農業科學，2008，1（15）：47－52.

［8］曾國揆,李云.國外沼氣發電產業動態及其在中國的發展[J].產業觀察（16）:42－48.

［9］孔慶陽.沼氣發電機組的開發利用[J].山東內燃機（92）：28－31.