日本某污水处理厂沼气发电流程简介

沼气工程技术是中国应用最广泛的生物质能开发利用技术。2000年时,中国工业废水年总排放量达194.20亿t,废水中含有机物(COD)704.5万t。随着厌氧发酵技术的发展,用此技术处理工业有机废水量可达22亿t以上,估计每年实际可转化的沼气约为60亿t。另外,中国畜禽养殖场每年排放16.76亿t废水和废渣(据1999年统计),到2010年底,据有关部门不完全统计,已有大中小型沼气工程7.3032万处,其中大型沼气工程4963处、中型沼气工程22795处、小型沼气工程45259处；已有生活污水处理沼气工程19.16万处、农村户用沼气池3850万户。有近4000万户1.5亿人受益。目前,年产沼气总量142.6亿m3,折合标准煤2500万t,可减排二氧化碳5000多万t。同时,0.5～250kW不同容量的沼气发电机组已形成系列产品,沼气发电已在工矿企业、乡村城镇以及少煤缺水地区普遍采用。当前的发展趋势是提高机组的先进性、经济性、可靠性和发展大容量机组,主要措施如下：

(1)开发100～500kW大中型系列机组,以满足大型环保处理工程建设沼气电厂的需要。

(2)研制自动控制空气、沼气量和空气燃料比的调速装置,以及直接用沼气启动的先进装置,提高机组调速和启动性能。

(3)优化沼气气源工程设计,提高产气量。

(4)加强对与机组配套的废热回收装置的研究,提高能量利用率。

(5)降低发动机噪声,改善操作环境。

4.2.4.1　沼气发电技术

沼气技术主要利用厌氧法处理禽畜粪便和高浓度有机废水,是发展较早的生物质能利用技术。20世纪80年代以前,发展中国家主要发展沼气池技术,以农作物秸秆和禽畜粪便为原料生产沼气作为生活炊事燃料；而发达国家则主要发展厌氧技术以处理禽畜粪便和高浓度有机废水。

日本、丹麦、荷兰、德国、法国、美国等发达国家均普遍采取厌氧法处理禽畜粪便；印度、菲律宾、泰国等发展中国家也建设了大中型沼气工程处理禽畜粪便的应用示范工程。

美国、英国等发达国家的沼气发电技术主要用于垃圾填埋场的沼气处理工艺。美国在沼气发电领域有许多成熟的技术和工程,处于世界领先水平,截至20世纪末,已有61个垃圾填埋场使用内燃机发电,加上使用汽轮机发电的装机,总容量已达340 MW。美国纽约斯塔藤垃圾处理站投资2000万美元,采用湿法处理垃圾,日产26万m3沼气,用于发电、回收肥料,效益可观。另外许多奶牛场也积极利用牛粪制造沼气发电。欧洲用于沼气发电的内燃机,较大的单机容量在0.4～2 MW,填埋沼气的发电效率约为1.68～2kW·h/m3。

英国垃圾沼气的开发利用仅次于美国,垃圾沼气发电技术经过开发和成功示范,促进垃圾沼气的发电成本大幅度下降。20世纪末,英国以垃圾为原料实现沼气发电18 MW,还将投资1.5亿英镑(1英镑=9.4元人民币),建造更多的垃圾沼气发电厂。荷兰IC公司采用新的自循环厌氧技术,已使啤酒废水厌氧处理的产气率达到10m3/d的水平,从而大大节省了投资、运行成本和占地面积。

4.2.4.2　沼气发电的特点

沼气是一种可燃气体,在厌氧条件下由有机物经多种微生物的分解与转化作用后产生。其主要成分是甲烷和二氧化碳,其中甲烷含量一般为60%～70%,二氧化碳含量为30%～40%(容积比)。

甲烷是作用强烈的温室气体,其导致温室效应的效果是二氧化碳的23倍。从环保角度讲,控制甲烷及沼气排放已成为保护大气的一个重要方面；从能源角度讲,沼气又是性能较好的燃料,纯燃料热值为2l.98 MJ/m3(甲烷含量60%,二氧化碳含量32%),属中等热值燃料；沼气还是生物质可再生能源。

因此,要控制沼气污染,又要开发新能源,就要高效利用沼气。以沼气作为动力机的燃料,带动发电机运转,获得高品位电能的沼气发电技术,是沼气综合利用的有效方式之一。

沼气发电是以沼气作为往复式发动机和汽轮机的主要燃料来源,以发动机的动力来驱动发电机发电的过程,是沼气能量利用的一种有效方式。沼气能量转换过程为：化学能—热能—机械能—电能,受热力学第二定律的限制,热能不能完全转化为机械能,热能的卡诺循环效率不超过40%,大部分能量随废气排出。因此,回收发动机中的废气是提高沼气能量总利用率的必要途径,余热回收的发电系统总效率可达60%～70%。图4.2为日本某污水处理厂沼气发电系统的流程简图。

图4.2　日本某污水处理厂沼气发电系统流程

该厂所产沼气应用于另一些方面：一部分用于沼气锅炉；另一部分用于发动机,发动机排出的废弃余热由冷却水收回。热水送至废热锅炉或沼气锅炉,产出的蒸汽用于加热消化池,可满足消化池所需的全部热量。沼气发电不仅解决了燃烧沼气锅炉的热量供需矛盾,而且沼气发电的经济收益要比直接燃烧锅炉高得多。

4.2.4.3　沼气发电技术的应用

沼气发电在发达国家已受到广泛重视和积极推广,如美国有能源农场、日本有阳光工程、荷兰有绿色能源等。生物质能发电并网在西欧一些国家(如德国、丹麦、奥地利、芬兰、法国、瑞典等)的能源总量的比例为10%左右,未来将增加到25%。我国沼气发电研发有已30多年的历史,特别是“九五”“十五”期间,大批科研单位、院校和企业先后从事了沼气发电技术的研究及沼气发电设备的开发。在这一领域中,形成了科研、技术骨干队伍,建立了相应的科研、生产基地,积累了较多的成功和失败的经验,为沼气发电技术的应用研究及沼气发电设备质量的不断创新奠定了基础。国内现有的0.8～5000kW各级容量的沼气发电机组均已鉴定和投产,主要产品有以全部使用沼气的纯沼气发动机及部分使用沼气的双燃料沼气-柴油发动机。这些机组各具特色,在技术和结构上也都有突破和创新,已在我国部分农村和有机废水的沼气工程上配套使用。近十几年,基于农村家庭责任制问题,大中型的工厂化畜牧场的建立及倡导环境保护等原因,我国的沼气发动机、沼气发电机组已向两极方向发展。农村主要向3～10kW的沼气发动机和沼气发电机组方向发展,而酒厂、糖厂、畜牧场、污水处理厂等的大中型环保能源工程,主要向单机容量为50～200kW的沼气发电机组方向发展。

沼气发电技术主要应用在禽畜场沼气、工业废水处理沼气及垃圾填埋沼气三个方面。

我国的沼气发动机主要为两大类,即双燃料式和全烧式。其中,对沼气-柴油,双燃料发动机所做的研究开发工作较多。全国范围内,已经正式运行的发电机组可节约75%的柴油,大大降低了发电成本。如山东某酒厂安装了两台120kW的沼气发电机组,170m3酒糟日产沼气4800m3,发电8640kW·h,能够满足该厂的基本生产用电,全年能源节约开支29万元,工程运行一年即收回全部成本。

在先进的沼气发电技术研究方面,“大型高效厌氧沼气发电技术及示范电厂”是由农业部沼气科学研究所主持研究的“十五”国家重点科技攻关课题,已于2004年1月通过了中国科学院高技术研究与发展局组织的课题验收。该装置整体沼气发酵能力达到4万m3以上,池容产气率大于或等于4.0 m3。另外,已研制出的600kW沼气发电机组的成套技术与装备,填补了我国大功率沼气发电机组的空白。

有关沼气发电设备方面的研究,德国、丹麦、奥地利、美国等国开发、利用的纯燃沼气发电机组比较先进,其气耗率小于或等于0.5 m3/(kW·h)(沼气热值大于或等于25 MJ/m3),价格在300～500美元/kW。我国在“九五”“十五”期间研制出20～600 kW纯燃沼气发电机组系列产品,气耗率为0.6～0.8 m3/(kW·h)(沼气热值大于或等于21MJ/m3),价格在200～300美元/kW之间,其性价比有较大的优势,适合我国经济发展状况。

1.关于典型沼气工程实例分析

例如用城市污水制取沼气的大型工程有德国不来梅市西豪逊污水处理厂和汉堡污水处理厂,其主要特点如下：(www.xing528.com)

(1)产气量高,处理污水量大。西豪逊污水处理厂的沼气池容积为4×6000m3,产气量为12500m3/d,日处理污水量为15万m3；汉堡污水处理厂沼气池容积为5×8000m3,产气率4万～6万m3/d,日处理污水量为35万m3。

(2)沼气池的结构和建筑材料。沼气池的建筑材料采用预应力钢筋混凝土,池形都为卵圆形,结构为发酵池和储气箱相分离。西豪逊污水处理厂消化罐内刷PVC涂料,池子外面包有60～80mm达尔丰保温材料,保温层外面用镀锌压形钢板复面；汉堡污水处理厂消化罐内未刷涂料,池子外面用10cm玻璃纤维保温,采用木板固定。据德国专家介绍,卵形消化罐具有经济合理、受力性能好、搅拌效果佳等优点。同时,采用预应力钢筋混凝土结构,可节省钢材,因其防腐性能较好。汉堡污水处理厂消化罐已使用20多年,还未出现过问题。

(3)发酵的基本情况。西豪逊污水处理厂的发酵温度为28℃(原采用33℃)；汉堡污水处理厂为35℃。西豪逊污水处理厂进料干物质浓度为50%,滞留期为30d,沼气池负荷为1.7 kg/(m3·d)BOD(生化需氧量),1kg有机原料的产气率为500L,采用二级发酵技术；汉堡污水厂进料干物质浓度为70%,采用二级发酵技术,滞留期第一级为16～18d,第二级为4d,沼气池的负荷为2.5～3.0kg/(m3·d)BOD,原料的产气率为每立方米料液生成20m3沼气。发酵料液的加热是通过热交换器进行料液循环来完成的。在西豪逊污水厂,专门用三台热水锅炉供给加热,每台的加热量为35000cal/h(1cal=4.1868J),每天约消耗1/3沼气用于加热保温；汉堡污水厂主要是利用发电机组的余热供给沼气池加热。西豪逊污水处理厂利用液体循环搅拌、机械搅拌同气体搅拌相结合的搅拌方式；汉堡污水处理厂利用液体循环搅拌同机械搅拌(阿基米德螺旋搅拌器)相结合的方式(该厂认为机械搅拌效果最好,不宜采用气体搅拌),整个装置机械化和自动化程度很高。汉堡污水厂设有一个控制室来控制沼气池的运转。

(4)沼气的用途。西豪逊污水处理厂每天沼气产量的1/3用于料液的加热保温,1/3用于发电,剩下的1/3放掉。该厂沼气发电机组的容量为2台200kW、2台300kW,其中1台300kW发电机组每天工作12h,2台200kW发电机组每天工作12h。除300kW发电机组以外,全都采用全烧沼气技术。全年的发电量为120万kW·h。汉堡污水处理厂生产的沼气用于开动气体发电机组,每天发电6万kW·h,全厂自给有余,并有少量售给国家大电网。由于利用发电机组的余热加温发酵料液,所以沼气热效率达70%以上,其具体分配为发电机输出功率为30%～35%,从冷却水和排气中回收热量40%。

(5)造价。汉堡污水处理厂的沼气工程总投资(包括建池、发电设备、控制系统及其他附属设备等费用)为2.5亿马克(1马克=4.13元人民币),平均每立方米造价为6250马克；西豪逊污水处理厂总投资为5000万马克,平均每立方米造价为2000马克。

在我国,大型沼气发电工程的案例有浙江长征化工厂酒精糟沼气发电工程。浙江省内最大的酒精生产厂——长征化工厂,年产酒精12000t,向大运河日排放酒精糟液600t,成为大运河的主要污染源,严重影响了运河水系的生态环境。因此,该厂酒精糟液的综合治理是一项紧迫而有意义的工作。

沼气发电厂的设计容量为1000kW,要求发电机组单机功率不小于330kW。实际建设中,用天然气发电机组改装而成的发电机单机最大功率达450kW,电厂最大发电机容量可达1350kW,均超过设计指标。

2.沼气发电站的设计

(1)沼气发电机组的选型。选用单机功率500kW的12V 190 ZDT2天然气发电机组,以沼气为燃料。发电机组转速1000r/min时,耗气率约0.7m3/(kW·h),电功率可达350kW以上。所以选用四台12V 190 ZDT2天然气发电机组,日常使用三台即可满足要求。

(2)系统的工艺设计。沼气发电厂有与普通内燃机发电厂相同的系统,如冷却水系统、加热系统、排气系统和电气系统；还有较特殊的系统,包括沼气系统、通风系统和排气系统。

沼气系统应确保发电机组有清洁的燃料连续供其使用。刚产出的沼气是含饱和水蒸气的混合气体,除含有甲烷、二氧化碳外,还含有硫化氢和悬浮的颗粒状杂质。硫化氢不仅有毒,而且有很强的腐蚀性,过量的硫化氢和杂质会缩减发电机的寿命,所以新生成的沼气不宜直接用作发电机燃料。电厂的沼气系统除具有常规储气和稳压装置外,还应有脱硫、过滤和干燥设备。发电机组以处理过的沼气为燃料。沼气的主要成分是甲烷,易燃、易爆,空气中甲烷爆炸的最低、最高极限为空气体积的5%、15%。消除火灾隐患、防止可燃气体集聚的有效手段是加强通风,由于沼气比空气轻,所以采用由下而上的通风方式。将风机设在发电机房的地沟内,使新鲜空气经由地沟向发电机组四周强制送风,并与机房顶部的排风机组成通风回路。

发动机排气系统的设计,一般以降低排气背压和噪声为主要目的。沼气燃烧的过程会有相当数量的水分生成,其中一部分呈饱和水蒸气状被排气带走,另有一定数量的冷凝水会积存在排气系统中,所以沼气发电机组的排气系统还要考虑排水的功能性。

发动机排气系统常用金属结构的消声器,其体积小、安装方便,但流阻大。而且排气系统存留的水分会对沼气发电机组造成腐蚀,所以采用地下消声坑的设计是可取的。由于地下消声坑的尺寸限制不大,有利于降低流阻,减少噪声,排除水分。

(3)发电机组的改装设计。原则上,气体燃料发动机可燃用各种不同的气体燃料,据此,天然气发动机也可燃用沼气。但由于各种气体燃料的组分不同,其热值、物理性能、着火温度、爆炸极限、燃烧特性均存在较大差异。所以,天然气发动机燃用沼气时,应针对不同的燃料属性,对发动机的相关部件进行必要的调整或改装。例如,发动机的空气-燃气混合器,它如同汽油机的化油器,是燃料的控制与调节装置,它的合适与否会直接影响发动机的动力特性和经济性。

(4)沼气发电机组的调试与运行。沼气发电机组的调试以现场实际的燃料特性为依据,目的是将空燃比和点火提前调整到最佳范围,使发动机达到设计的性能指标。其中空燃比的调整是关键。要避免调试过程的盲目性,必须随时监测气体燃料的成分和空燃比,以便随时判断调试的走向。

影响沼气发电扩大应用的因素除一次性投资较大外,对管理、操作和维修的技术要求较高也是原因之一。所以,沼气发电的利用需要因时、因地制宜,对电力缺乏的地区,沼气发电仍不失为沼气利用的最佳选择。

3.沼气发电产业化可行性分析

(1)沼气发电具有巨大的动力源潜在市场。工业化沼气的生产原料主要来自规模化畜禽养殖场粪污厌氧处理,酿酒、制糖业等工业有机废水厌氧处理,城市污水厂的污泥厌氧处理和城市垃圾填埋四个方面。

我国的畜禽养殖业发展很快,主要呈现两大趋势：一是在农业总产值中占的比重增大；二是向规模化养殖发展。我国原有7000多家大中型畜禽养殖场。

我国加入世界贸易组织以后,畜禽养殖业与国际接轨,规模化养殖的覆盖面越来越大,那么畜禽粪污处理沼气工程的建设与运行也越来越规模化。

据统计,2011年我国废水排放量为652.1亿t,因此利用工业有机废水生产沼气的潜力巨大。2001年时要求生活污水处理率达20%,2005年时要求生活污水处理率达60%,2012年时要求生活污水处理率达80%以上,可见城市生活污水处理厂的数量在大幅度的增长。与之相对应,污水处理厂的污泥厌氧消化工程数量也需大幅度增加。

2011年我国约有2/3的城市陷入垃圾围城的困境。我国仅“城市垃圾”的年产量就近1.5亿t,垃圾中被丢弃的“可再生资源”价值高达250亿元。垃圾填埋场中蕴藏的沼气资源已开始被人们发掘和重视。我国已有部分垃圾场的沼气被收集起来用于发电,如果所有的垃圾场沼气都能被收集起来,将有大量的沼气可用于发电。

随着国民经济的发展,沼气的生产潜力将远大于当前水平。在国家环保政策的引导下,沼气潜力会被逐渐释放出来,沼气的发展会越来越快,作为发电动力燃料的沼气会越来越多,从动力源的角度给沼气发电提供发展空间。

(2)沼气发电更适用于大中型沼气工程。一般来说,各地的万吨酒精厂、规模化畜禽养殖场、城市生活污水处理厂和城市生活垃圾填埋场是当地的支柱产业和必要的公益型企业,但同时也是破坏当地环境、空气的重大污染源。对于高浓度有机废水(物)的治理,目前国际上公认首选的技术是厌氧消化(沼气技术)。一个年产5万t酒精的生产厂,其处理酒精废液的沼气工程可日产沼气4万～5万m3；一座中小城市的污水处理厂或垃圾填埋场,日产沼气(或垃圾填埋气)近万立方米；一个饲养规模1万头的猪场和1000头的奶牛场,粪污处理沼气工程可日产沼气1000m3以上。由于这些企业多数远离城镇,沼气无法作为城镇居民的生活燃料集中供给(主要是距离远和输气管网的建设费用太高)。若沼气作为锅炉燃料替代原煤直接燃烧,其经济价值就会变得很低。另外,工厂、污水处理厂或规模化畜禽养殖场又是用电大户,近年来国内电力日趋紧张,特别是经济发达地区的企业,经常受到国家电网用电量的限制(每星期停电1～2d),或计划外用电需高价购买。因此,像工厂、污水处理厂或规模化畜禽养殖场等用电大户已开始意识到沼气发电既可提高沼气自身的经济价值,又能为企业缓解电力紧缺的压力。

(3)沼气发电是实施可持续发展战略的要求万吨酒精厂、规模化畜禽养殖场、城市生活污水处理厂等所排放的典型的高浓度有机废水(物)是国内主要污染源,必须从源头治理。同时我们也应意识到,它又是可开发利用的宝贵资源。通过科学的处理和加工,便可将其转化为不可缺少的生产和生活原料。以厌氧消化(沼气技术)为核心进行综合治理并利用工程技术处理有机废水(物),既经济(节能、产能)又有效(仅厌氧消化工序有机物的去除率可达到75%以上),而且厌氧消化的副产物——沼液、沼渣又是优质有机肥料,是生态农业的种植业所需要的。

随着我国经济的高速发展,对石化能源的需求量越来越大,致使煤炭短缺、价格飙升,电力供应紧张。因此,因地制宜地利用生物质沼气发电,并建立分散、独立的沼气发电厂,可为实现我国可持续发展战略提供保障。沼气发电是一个系统工程,包括沼气生产、沼气净化与储存、沼气发电及上网等多项单元技术的优化组合,也涉及有关沼气发电的政府扶持政策和技术法规。通过对国内已有的沼气发电工程的剖析,对发达国家沼气发电经验的借鉴,以国家对可再生能源的政策导向为依据,沼气发电产业将成为朝阳产业,我国沼气发电产业将有突破性进展。