萬頭奶牛養殖園區沼氣發電項目工程總結

【摘要】在甘肅省蘭州牧工商有限責任公司花莊萬頭奶牛養殖園區建設了沼氣發電項目二期工程，采用二臺120 kW熱電聯產機組。2012年8月開始，機組并網運行發電，余熱用來給發酵罐加溫， 解決沼氣工程的冬季發酵問題。2013年1月，在環境溫度為-10 ℃的情況下，2個800 m3發酵罐內的溫度仍維持在23 ℃上下。項目日均產沼氣2100m3、日均產電3780度、日產沼液105.5t、日產干沼渣7.4噸。

【關鍵詞】沼氣發酵；沼氣發電；熱電聯產；沼肥利用

本項目利用甘肅蘭州牧工商有限責任公司花莊萬頭奶牛養殖園區存欄2200頭成乳牛的糞便及廢水，采用800m3USR升流式厭氧反應器二座，經過厭氧發酵處理，日產沼氣2100m3。沼氣全部用于發電，發電裝置采用二臺120KW國產發電機改造成熱電聯產機組。采用并網不上網的輸配電模式，日均產電3780度，年均產電138萬度。項目年均產干沼渣2703噸，經過有機肥深加工，年均產有機固肥45055噸；年均產經過固液分離的液體肥--沼液38507噸，作為噴灌用肥采用管道輸送到鄰近的2200畝奶牛青飼料田中；整個項目是“改少污染物排放、變廢為寶、資源全面綜合利用的生態環保工程”，對畜禽業持續發展和拉動有機生態農業產業發展具有示范意義。

一、試點單位基本情況

項目單位位于甘肅省蘭州市紅古區花莊鎮。

園區飼養模式為開放式棚養方式，牛糞通過人工進行清運，露天堆放到場區西南角的牛糞場，尿液污水則通過地下排水溝排放至集水池。

該園區正在進行作為飼草基地的2200畝土地的前期開發建設，最終將建成蘭州牧工商總公司花莊乳業生物科技園區。

近幾年當地電力緊缺狀況日益明顯。尤其是在夏季，經常全天停電，導致智能擠奶系統不能正常運行。不僅每天要損失幾百公斤鮮奶，而且還會影響到奶牛的生長和產奶量的穩定。

二、工程設計與論證

1 基礎建設條件

通過實地考察和研討，項目組認為，該園區的生產條件比較完善，具有較強的經濟實力和發展后勁，用電需求較大，能夠較好地滿足沼氣發電工程建設的相關條件。

（1） 發酵原料充足

二期工程設計主要是針對2200頭產奶奶牛的糞便進行處理。按照目前實際可收集的糞便原料，可日產沼氣的數量約2100萬m3。

（2）建設用地充裕

奶牛飼養場區的南側為占地10畝的牛糞堆積場，四周開闊，可用作沼氣發電工程建設用地。

（3）用電需求較大

園區的用電負荷總計約為498 kW，其中擠奶廳的動力及冷凍系統用電負荷為168 kW，其他動力用電負荷250 kW，照明及生活用電30 kW。

（4）沼液消納方便

園區擁有新開發的格楞臺土地2200畝，距離養殖場區2 km，計劃用作青飼料田，生產優質牧草，可以消納沼氣工程產生的沼液。

2 技術設計與論證

（1）自然地理條件

蘭州市紅古區的地理特征呈川型地貌，當地海拔高度一般為1 590～1 820 m，最高為2 454.8 m，屬大陸性溫帶干旱季風氣候，光照充足、降水少、蒸發量大。年平均氣溫7.1～9.1 ℃，夏季最高氣溫在7月，一般為36～37 ℃；冬季最低氣溫在1月一般為-10 ℃左右，極限最低氣溫為-22 ℃。地下水位深度為20～30 m。

（2）技術參數的確定

園區沼氣發電二期工程，主要是針對2200頭成年奶牛的糞便處理，設計日產沼氣數量2100 m3。發酵工藝采用中溫發酵，發酵總容積為1600 m3，水力滯留期15 d左右，日產沼液105.5t。日產干沼渣7.4噸

沼氣全部用于發電，儲氣柜設計容積為400 m3。產生的電力用來供園區生產和生活使用，回收的發電余熱則用于厭氧反應器加熱，解決增溫和越冬問題。沼渣、沼液供新開發的2200畝牧草基地使用，形成“牛→沼→草”的生態循環。

按每立方米沼氣生產電力2 kWh計算，2100 m3沼氣每天可生產電力4200 kWh。若按每天發電20h計算，則發電裝機的容量約為210 kW。實際采用二臺120KW的發電機熱電聯產機組。

（3）專家論證意見

2011年9月，項目組組織國內沼氣工程業內知名專家對花莊沼氣發酵工程和發電工程的設計、規劃進行了現場論證。專家組認為項目的工藝流程設計先進，參數選擇合理。2臺120 kW沼氣發電機組，用電高峰時開2臺，低谷時開1臺，有利于設備維護和保養。

3 工藝流程圖

工藝流程圖如圖1 所示。

工藝流程示意圖

三、機組性能及運行情況

1 發電機組性能參數

項目采用國產沼氣發電機組。參照捷克泰德姆（TEDOM）公司生產的沼氣發電熱電聯供機組有關標準對國內的發電機進行改造，機組的工作燃料為沼氣。

（1）發電機組并網運行

運行模式：孤島運行形式獨立供電和并網運行方式為用戶供電。一般情況下，機組的運行方式為并網運行。

（2）自動化控制程度較高

發電機組可對運行狀況進行全程檢測，所有的運行數據都可顯示在機組自帶的顯示屏上。通過互聯網聯接和數據交換，發電機組可實現遠距離的運行控制和監測。

（3）運行噪音小、排放少

發電機組采用了防噪音外殼設計，噪聲比一般的機組減少了很多。經實際測量，發電機房內距發電機組外殼1 m處的噪聲聲級僅為75 dB，發電機房外距墻壁2 m處的噪聲僅為56 dB（人在大聲說話時的聲級為80 dB）。根據對發電機組尾氣排放進行檢測的結果，各項排放指標達到歐3級的標準要求。

（4）工程啟動運行正常、安全越冬

2012年9月，沼氣日產氣量最高記錄值為2400m3。項目月平均產氣2150m3/d以上。目前在用電荷載不足的前提下，日發電最高值為3870 kWh，月平均最高值為3000 kWh/d。

目前，項目處理的奶牛糞便及污水總量約為130 t/d，約占可收集到的2200頭奶牛全部糞尿的84.3%，發酵周期為15 d左右，發酵溫度在36 ℃左右。

（5）沼渣、沼液充分利用

沼液通過固液分離機進行固液分離。分離后產生的沼液清液經高壓泵輸送到2200畝飼料田，用于改良土壤和生產優質牧草；沼渣一部分供附近菜農試用， 一部分送有機肥廠家，生產有機肥。

四、工程技術特點

1 先進的沼氣熱電聯產機組

改造后的發電機組用純沼氣替代油氣混合氣體。通過在發動機排氣口安裝檢測探頭來檢測沼氣燃燒效果，進而控制進氣閥，不但使尾氣排放達標，而且提高了氣電轉換率，發電效率達到33.6%，標準狀態下1 m3沼氣甲烷含量在65%時，可發出2 kWh的電力。通過多級余熱回收系統，沼氣發電機組實現熱電聯產，余熱利用效率達到40.9%，在生電的同時，標準狀態下1m3沼氣可獲得超過3 kWh的熱能。總能源效率超過80%。

由于發電機組采用了避震設計和增加隔音罩等設施，使發電機組運行時相距1 m處的噪聲控制在75 dB以下，大大改善了生產和工作環境。

發電機組同時具備并網運行及孤島運行等模式要求，還能實現發電機組運行參數的遠程監控，實現無人值守運行。

2 先進的沼氣發酵裝置和增溫工藝

工程采用先進成熟的USR沼氣發酵工藝。通過采用新型的儲氣罐設計，浮罩外增加保溫殼體，保溫效果好。通過沼氣發電機組的熱電聯產，為沼氣工程在冬季的正常運行提供了保證，同時實現了28～35 ℃中溫發酵。

一年來的實際運行結果表明：項目在我國高寒地區成功有效地解決了大型沼氣工程的越冬問題，并解決了以牛糞為原料的沼氣工程中一般存在的原料易結殼和產氣率低的問題，證明了寒冷地區以牛糞為原料沼氣發電工程的可行性。

3 先進的監測和顯示儀器

項目實現了進料溫度、濃度、酸堿度和進料量、發酵裝置產沼氣量、沼氣的甲烷、二氧化碳、氧氣、硫化氫和水份含量、發電機組的供氣量、發電量等多項數據的自動采集和計算機集中處理及顯示功能。為控制運行、科學試驗和數據采集提供詳實依據。

沼氣發電機組噪聲檢測，尾氣排放檢測，發電機房內沼氣泄漏報警，以及奶牛場區、發電機房、沼氣站內的動態圖像監視等，對沼氣發電運行功能檢測和安全運行提供了保障。對于總結工程運行經驗創造了良好的條件。

4 尚存在的問題

（1）發電機運行尚不能長期滿負荷運行

目前發電機組的基本運行模式雖為并網運行模式。但發出的電力只是用于園區，通過機組的自我控制，并不向電網額外送電。因此，發電機組的輸出功率在許多情況下要受到園區用電負荷變化的約束，尚未達到長期滿負荷運行。隨著近期花莊乳品加工廠的建成和投產，上述問題將得到有效解決。

（2）可再生能源電力價格優惠政策尚未落實

由于建設單位尚未與當地電力公司簽訂送電上網的價格協議，沼氣發電產出的電力沒有計入當地電網的電力輸入，發電價格也還體現不出國家規定的可再生能源發電上網的優惠政策，需要今后進一步落實解決。

（3）工程運行參數有待進一步改進

目前，在發電機組的余熱充分利用和沼氣的脫硫凈化方面還有許多待改進的地方。一是要通過改善換熱設備和增加熱力管道，將發電余熱用足用好；二是要改進脫硫工藝，進一步降低沼氣中的硫化氫含量，提高燃氣質量，做好發動機的維護和使用。

五、結論

1 沼氣發電機組具有以下特點：能源利用率高，總效率達到81.5%；自動化控制程度高，操作簡便；機組運行過程中噪聲小、排放污染少；設備的生產質量好，運行性能穩定。

2 項目有效解決了園區的糞便污染問題，解決了園區的穩定供電問題，避免因停電造成的損失，每年可節省電費支出約50萬元，資源綜合利用和環境效益明顯。

3 項目可減少貯氣和輸氣管道的投入， 是今后大中型沼氣工程的發展方向，是促進畜牧養殖場健康發展的重要途徑。

4 選擇單機發電容量在100～120 kW數量級的純沼氣內燃機發電機組作為沼氣發電的設備，符合當前我國畜牧養殖場沼氣工程的發展方向。

5 通過一年來的運行，熱電聯產提高了沼氣工程能源利用效率，實現中溫發酵，有效解決寒冷地區沼氣發酵裝置的越冬問題。

參考文獻：

[1]劉振波. 戶用沼氣內燃機及其發電裝置試驗研究[D].河南農業大學，2007.

[2]譚旭娜. 城市固體廢棄物沼氣發電系統設計[D].華南理工大學，2013.