靜脈產業園沼氣利用方式比較分析

張桂仙

摘? 要：靜脈產業園中垃圾焚燒發電滲濾液處理和餐廚垃圾處理在厭氧發酵環節中產生沼氣，沼氣可作為能源回收利用，具有一定的經濟效益。該文依據實踐經驗，介紹了靜脈產業園中餐廚垃圾厭氧產沼和垃圾焚燒電廠滲濾液產沼聯合利用模式下的3種利用方式：沼氣入爐焚燒發電，沼氣內燃機發電和沼氣提純制壓縮天然氣（CNG）。該文從技術和經濟角度對這3種利用方式進行了對比，認為沼氣內燃機發電是最優的利用方式。

關鍵詞：靜脈產業園;沼氣利用;經濟分析

中圖分類號：? ?X705 文獻標志碼：A

靜脈產業園是指依托生活垃圾焚燒廠的優勢，將糞便、污泥、餐廚等處理項目合并建設至焚燒廠周邊，使各項目之間形成物質與能量的循環利用，最終實現廢物無害化、減量化、資源化處理[1-3]。隨著全國各地靜脈產業園的規劃建設，餐廚垃圾和垃圾焚燒的協同處理模式越來越得到普及和推廣[4]。

沼氣是有機物質在厭氧條件下，經過微生物發酵作用而生成的一種混合氣體[5]。主要成分中甲烷含量約占總體積的55%～70%左右，其蘊含有大量的熱值[6-7]，經過處理后加以利用可以產生較好的經濟效益。在餐廚垃圾處理與生活垃圾焚燒廠共建的靜脈產業園中，沼氣主要產生在靜脈產業園垃圾于滲濾液、餐廚垃圾等有機垃圾厭氧處理過程中，如果將各個子項產生沼氣合并處理后進行利用，形成規模效應，將會有效降低生產成本，提高經濟效益和環境效益。目前較為普遍的沼氣利用方式主要為3種：沼氣回垃圾焚燒爐焚燒、沼氣內燃機發電以及提純制壓縮天然氣（CNG）[8]。

該文以某靜脈產業園為例，其中餐廚垃圾處理項目規模100 t/d，生活垃圾焚燒發電廠滲濾液處理站規模300 t/d，將兩項目產生的沼氣合并處理，對3種常見的沼氣利用方式進行分析對比，為靜脈產業園沼氣利用路線提供參考。

1 沼氣產量基本情況

研究表明，每噸餐廚垃圾發酵約可產生77.8 m3沼氣[9]，餐廚垃圾處理量為100 t/d的工程日產沼氣約7 780 Nm3。滲濾液系統設計處理能力300 t/d，按照1 m3滲濾液厭氧可產生14 Nm3沼氣計算，則估算滲濾液處理系統平均每天產沼量為4 200 Nm3。本項目總沼氣產量為12 000 Nm3/d（500 m3/h）。

沼氣成份如下：CH4：55%～75%（體積百分比）;CO2：25% ～ 40%（體積百分比）;其他氣體：5%～10 %（體積百分比）;低位熱值：LHV=20.8～23.6 MJ/Nm3。

2 沼氣處理方案收入比較

2.1 沼氣回焚燒爐燃燒

沼氣回爐焚燒流程如圖1所示，沼氣經增壓風機增壓后通過燃燒器送入焚燒爐膛進行燃燒，燃燒所得的熱量和垃圾焚燒產生的熱量一同發電，以實現對資源的回收利用。將沼氣引入焚燒爐焚燒可以提高垃圾焚燒溫度，加強二噁英分解效果，沼氣中硫化氫在燃燒后轉化為二氧化硫，經過焚燒爐后端的煙氣處理系統處理后達標排放。

沼氣回焚燒爐與垃圾一起燃燒，可利用其燃燒過程中產生的熱量，增加鍋爐的蒸發量，相應增加汽輪機的輸出，從而提高產電率。該項目沼氣回焚燒爐燃燒發電效率按25%計算，沼氣低位熱值20.8 MJ/Nm3，每年按8000 h運行，則年發電量為20.8×500/3.6×25%×8000=578萬kW·h，焚燒廠標桿電價為0.4元/kW·h，每年可增加收入231.2萬元。

2.2 沼氣內燃機發電

沼氣通過內燃機發電是沼氣能量利用的另一種有效形式。沼氣內燃機發電利用工藝如圖2所示，沼氣能量利用流程為產生的沼氣進入儲存柜儲存，然后進行脫硫、除濕、穩壓防爆等處理后進入內燃機發電，最后產生的電力并網。由于沼氣中含有少量的H2S氣體，該氣體對發動機有強烈的腐蝕作用，且燃燒后會產生二氧化硫等酸性氣體，因此沼氣進入內燃機前必須先進行脫硫處理，同時要去除沼氣中的飽和水，以及增加穩壓防爆設備。相較于沼氣回焚燒爐燃燒，沼氣內燃機發電的設備投資和運行費用增多。

沼氣能量在沼氣發電過程中能源轉化效率能達到40%左右，目前可再生能源發電上網電價0.75元/kW·h，經濟效益顯著。根據國內已實施沼氣發電廠的運行經驗，參考沼氣產量，該項目選取單臺發電功率為1 000 kW燃氣內燃機組，型號選定為卡特彼勒CG170-12，發電效率38%。沼氣低位熱值約為20.8 MJ/Nm3，每年按8 000 h運行，則發電量為20.8×500/3.6×38%×8000=878萬kW·h，扣除自用電10%，年上網發電量為790.2萬kW·h。按可再生能源發電上網電價約0.75元/kW·h，每年可增加收入592.7萬元。

2.3 沼氣壓縮提純制CNG

壓縮天然氣（Compressed Natural Gas，簡稱CNG）是指經加壓并以氣態儲存在容器中的天然氣，可作為車輛燃料使用。產生的沼氣經濕法干法兩次脫硫、冷凍脫水和變壓吸附處理后，去除原沼氣中的雜質，將甲烷分離出來，使其純度達到《車用壓縮天然氣》（GB18047—2000）的要求，再通過CNG壓縮裝置壓縮至22 MPa裝入罐車。該項目沼氣提純制CNG后日產量約為：12000×0.58=6960 m3/d，每年按8 000 h運行，則可生產出232萬m3CNG ，按每方CNG售價2.0元計算，每年可增加收入464.0萬元。

3 方案經濟性比較

該文在評價經濟性時采用考慮資金時間價值的動態評價指標，對各沼氣利用方式進行經濟評價。即將現值分攤到壽命期內各年的等額年值，可用式（1）計算，3種方案費用年值見表1。

（1）

式中：AC—費用年值，元。PC—費用現值，元。n—設備使用年限，a。i—年利率，取現年貸款利率4.9%。

為保持沼氣發電運行周期的穩定性，沼氣內燃機發電機組一般選取進口機組，其造價和維護費較國產機組要高出很多，因而造成方案2初期設備投資和運行維護費用要高于其他2種方案。其次是沼氣提純制CNG，而方案1沼氣回爐焚燒由于沼氣不需要預處理，可省去預處理設備的投資費用和運行費用。綜合收入和支出費用結果，3種沼氣利用方式的綜合經濟效益比較見表2。

由表2可知，采用沼氣回焚燒爐燃燒，投資和運營成本最低，投資成本收回最快，但是能源利用效率最低，且上網電量并不享受電價補貼，因而收入最低，每年凈利潤133.5萬元。如果采用方案2和方案3則每年凈收益分別為251.6萬元和218.9萬元。沼氣內燃機發電和沼氣提純制CNG相較于進入焚燒爐焚燒發電，對能源的利用率更高，內燃機發電機組前期投資成本較大，運營和維修費也較高，但收入可觀，年凈利潤可達251.6萬元，適合規模較大的長期運營項目。沼氣制CNG成品出售單價較高，經濟利潤可觀，當CNG成品售價為[251.6（沼氣內燃機發電年凈利潤，萬元）+245.1（沼氣制CNG費用年值，萬元）]×10000/[12000（沼氣產量，m3）×0.58（沼氣提純制CNG比例）×8000（年運行時間，h）/24]=2.14元時，沼氣制CNG成品出售年利率與沼氣內燃機發電的年利潤持平，但是需要投入另外的運輸和銷售成本，并且參考各地的實際情況，其銷路不穩定，投資回報有一定的風險。

4 結論

沼氣經燃燒器回爐燃燒工藝簡單，投資成本較低，還可以增加發電量，但是對安全的性能要求較高，并且利用效率較低，適用于小規模的沼氣項目;沼氣內燃機發電雖然費用年值最高，利潤也最高，適合大型沼氣項目和長期運營項目;沼氣提純制CNG出售其年利潤受出售單價影響較大，當出售單價在2.14元/Nm3 CNG時，年凈利潤與沼氣內燃機發電持平，雖然經濟性較好，但銷路不能保證，同時還需增加運輸和銷售環節，需要增加相應的人工和運輸成本。

綜上所述，對于此3種沼氣利用方式的選取需要因地制宜，綜合考慮沼氣的產量和實際情況。對于該項目中餐廚垃圾和焚燒廠滲濾液處理的沼氣利用，沼氣內燃機發電方案從經濟性和適應性方面優于其他2種利用方式，是最適宜的方案。

參考文獻

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