生物質沼氣發電技術應用實例分析

金珍　劉昌盛

摘 要：生物質沼氣是一種清潔環保的可再生能源。利用生物質沼氣發電，同時充分利用發電過程中的余熱資源，是發展綠色循環經濟、實現農牧業可持續發展的重要途徑。本文通過介紹生物質沼氣發電技術在現代養牛場中的應用，對沼氣發電機組設備配置、能源利用效率、沼氣發電并網和綜合效益等進行了深入分析和研究。

關鍵詞：養牛場；沼氣發電；并網發電

中圖分類號：TK6 文獻標識碼：A

沼氣發電技術是集環保和節能于一體的能源綜合利用技術，利用工業、農業或城鎮生活中的大量有機廢棄物，經厭氧發酵處理產生的沼氣，驅動沼氣發電機組發電，并可充分將發電機組的余熱用于沼氣生產等工藝，綜合能源利用效率達80%以上。沼氣發電技術不但消耗了大量廢棄物、保護了環境、減少了溫室氣體的排放，而且產生了大量的熱能和電能，符合能源循環利用的理念，同時也帶來巨大的經濟和社會效益。

沼氣的主要成份有CH4、CO2及少量的H2S、CO、H2、N2、NH3、O2氣等。CH4一般占總體積的55%～70%，CO2占總體積的30%～40%，其它氣體含量一般不超過總體積的2%。沼氣的成份決定于發酵原料、發酵條件、發酵階段等多種因素。影響厭氧發酵產生沼氣的因素主要有原料配比、厭氧碳氮比、反應溫度、pH值等。一般情況下，原料碳氮比20～30、溫度30℃～45℃、pH值6.8～7.5是厭氧發酵反應產沼氣的適宜條件。

1 項目概況

沼氣發電項目位于遼寧省沈陽市法庫縣，項目對奶牛養殖場牲畜糞便進行處理，并利用其產生的沼氣進行發電，余熱資源充分利用，供給廠區的沼氣發生工藝和生活用熱水。項目的建成對優化區域能源結構、改善當地環境、發展循環經濟、建設節約型社會具有重要意義。

本項目奶牛場飼養規模為50000頭奶牛，牛糞收集半徑為5km～10km。根據奶牛糞便排

量相關資料，平均每頭牛每天產糞量為30kg/頭·d，固體物含量18%，糞便收集率90%，每噸牛糞料液平均每天產氣45m3。

牛糞料液：

50000×30×90%=1350t/d；

產沼氣量為：1350×45=60750m3/d；

平均每小時產氣量：60750/24= 2530m3/h。

通過糞便收集車，對項目周邊范圍內的數十個分散式奶牛養殖基地進行糞便收集。將收集的牛糞料液和項目廠區內的生活污水一同混入水解沉砂池，經過1～3天的水力停留，去除糞便料液中的雜物，然后將料液抽入反應罐，隨著發酵反應的進行，依次經過水解酸化階段、產氫產乙酸階段和產甲烷階段，產生的沼氣經過生物脫硫塔去除其中的H2S，達到燃氣內燃氣發動機燃燒的進氣要求。沼氣經過干式儲氣柜進入到燃氣發電機組，輸出電力實現上網售電，同時產生的余熱可供厭氧發酵反應和廠區生活用熱。在后發酵罐完成最終的厭氧反應產沼氣的過程后，發酵污泥通過固液分離裝置得到沼渣和沼液，可以用于農作物肥料、改善土壤營養結構和制成高附加值的牲畜飼料。

2 技術方案

2.1 能源方案

燃氣內燃機發電機以其發電效率高、運行安全穩定、操作靈活便捷等優勢，在近年來的燃氣發電領域占到越來越大的市場份額。通過國內外相關產品的對比分析、綜合考慮，采用美國通用GE-Jenbacher JMS420GS-B.L內燃發電機，單臺發電功率1415kW。

項目平均產沼氣2530m3/h，J420燃氣發電機組進氣量為672m3/h，為保證沼氣的充分利用，結合機組自身的運行方式和特點，確定利用4臺JMS420GS-B.L發電機組并聯運行，總發電功率5660kW。在機組停機或檢修的情況下，利用沼氣鍋爐產生蒸汽供廠區內的生活生產需要。此外系統還配置火炬，在沼氣燃燒設備不能正常運行時，將產生的沼氣通過點燃的方式進行處理。

在沼氣燃燒發生過程中產生大量的余熱，包括沼氣燃燒的煙氣排放和機組本身散熱冷卻帶出的熱量。煙氣溫度高達400℃以上，高溫循環缸套水溫度在90℃以上，為了充分利用這部分熱量，項目采用余熱鍋爐、板式換熱器和相關泵組等回收裝置，產生蒸汽和熱水用于加熱沼氣厭氧發生罐和為廠區提供生活熱水，提高能源的綜合利用率。

2.2 設備配置

在沼氣發電能源站內，設備配置主要包括燃氣發電機組、余熱蒸汽鍋爐、沼氣鍋爐以及水工循環系統，各個設備之間通過通信協議和程序進行運行控制和操作管理，實現整個能源站的供能可靠穩定。表1為沼氣發電能源站的主要設備參數表。

2.3 電力運行

國家和地方積極鼓勵和倡導可再生能源發電上網，相繼出臺了一些指導性政策和激勵性措施，例如《國家電網關于做好分布式能源并網服務工作意見》、《可再生能源發電價格和費用分攤管理試行辦法》、《國家發展改革委員會可再生能源電價附加補助資金說明》和《國家電監會關于可再生能源電價補貼和配額交易方案的通知》等。一方面促進了國家電網的供需平衡，調整電力產業結構和分配；另一方面通過大力開發利用可再生能源，建設環境友好型、資源節約型社會，實現資源環境的可持續發展。

燃氣發電機組為0.38kV低壓電力輸出，通過升壓變壓器將輸出電壓升至10.5kV，與周邊市政電網的電壓一致，同時電力輸出的頻率、周期、相位、相序等參數要與市政電網完全同期一致，偏差值在電力部門和相關標準的規定范圍內。通過并網同期設備、同期開關斷路、同期保護、電能計量等措施，保證能源站上網售電的安全穩定可靠。依據國家相關的可再生能源發電上網補貼政策，商議協調政府、財政、電力等部門，確定最終的上網售電價格為0.6元/kWh。

3 效益分析

3.1 經濟效益

考慮到機組的停機檢修和維護保養，燃氣發電機組年運行時間8000小時，能源站總發電裝機容量5660kW，年沼氣發電量4528萬kWh，按照并網上網電價補貼0.6元/kWh，則年發電直接創造經濟效益2717萬元。此外，沼氣發電能源站充分利用煙氣和缸套循環冷卻水的余熱資源，年產184℃、1.0MPa蒸汽27200t和60℃熱水60230t，供廠區沼氣發生工藝和生活用熱水。

3.2 環境效益

沼氣是一種清潔可再生的能源，燃燒后CO2排放量是同樣發電量火力電廠CO2排放量的40%，幾乎不產生SO2、粉塵顆粒物等大氣污染物。項目年發電和余熱綜合利用能量，折合成標準煤22383t，減少CO2排放量35900t，減少SO2排放量190t，減少粉塵排放量224t，對于區域性大氣環境質量改善和保護具有重要作用。

3.3 社會效益

綠色循環生態農牧業是以物質循環和能量轉化規律為依據，以科學技術為支撐，以經濟、生態和社會效益有機統一為目標的良性循環的新型綜合系統。根據生態循環再利用、再生產的循環鏈原理發展農牧業，不僅可以凈化生活氛圍，解決能源環境問題，而且還可以有效轉化利用廢棄物，促進行業的良性循環，實現社會可持續發展。

參考文獻

[1]于海濱.畜禽養殖業沼氣發電前景廣闊[J].農業工程學報，2006（10）：58-61.

[2]王冬梅.利用沼氣沼渣發酵生物有機肥[J].中國資源綜合利用，2003（06）：19-21.

[3]施晨路.能源農場—中國可持續農業新模式[J].可再生能源，2006：73-75.

[4]馬躍峰.沼氣技術與新疆綠洲生態農業建設[J].農業環境與發展，2003（05）：31-32.

[5]夏訓峰.沼氣法處理規?；B殖場畜禽糞便優點及問題[J].可再生能源，2003（02）：26-28.

[6]姚向君.生物質能資源清潔轉化技術[M].北京：化學工業出版社，2004.