生物质沼气发电技术应用实例分析

金珍　刘昌盛

摘 要：生物质沼气是一种清洁环保的可再生能源。利用生物质沼气发电，同时充分利用发电过程中的余热资源，是发展绿色循环经济、实现农牧业可持续发展的重要途径。本文通过介绍生物质沼气发电技术在现代养牛场中的应用，对沼气发电机组设备配置、能源利用效率、沼气发电并网和综合效益等进行了深入分析和研究。

关键词：养牛场；沼气发电；并网发电

中图分类号：TK6 文献标识码：A

沼气发电技术是集环保和节能于一体的能源综合利用技术，利用工业、农业或城镇生活中的大量有机废弃物，经厌氧发酵处理产生的沼气，驱动沼气发电机组发电，并可充分将发电机组的余热用于沼气生产等工艺，综合能源利用效率达80%以上。沼气发电技术不但消耗了大量废弃物、保护了环境、减少了温室气体的排放，而且产生了大量的热能和电能，符合能源循环利用的理念，同时也带来巨大的经济和社会效益。

沼气的主要成份有CH4、CO2及少量的H2S、CO、H2、N2、NH3、O2气等。CH4一般占总体积的55%～70%，CO2占总体积的30%～40%，其它气体含量一般不超过总体积的2%。沼气的成份决定于发酵原料、发酵条件、发酵阶段等多种因素。影响厌氧发酵产生沼气的因素主要有原料配比、厌氧碳氮比、反应温度、pH值等。一般情况下，原料碳氮比20～30、温度30℃～45℃、pH值6.8～7.5是厌氧发酵反应产沼气的适宜条件。

1 项目概况

沼气发电项目位于辽宁省沈阳市法库县，项目对奶牛养殖场牲畜粪便进行处理，并利用其产生的沼气进行发电，余热资源充分利用，供给厂区的沼气发生工艺和生活用热水。项目的建成对优化区域能源结构、改善当地环境、发展循环经济、建设节约型社会具有重要意义。

本项目奶牛场饲养规模为50000头奶牛，牛粪收集半径为5km～10km。根据奶牛粪便排

量相关资料，平均每头牛每天产粪量为30kg/头·d，固体物含量18%，粪便收集率90%，每吨牛粪料液平均每天产气45m3。

牛粪料液：

50000×30×90%=1350t/d；

产沼气量为：1350×45=60750m3/d；

平均每小时产气量：60750/24= 2530m3/h。

通过粪便收集车，对项目周边范围内的数十个分散式奶牛养殖基地进行粪便收集。将收集的牛粪料液和项目厂区内的生活污水一同混入水解沉砂池，经过1～3天的水力停留，去除粪便料液中的杂物，然后将料液抽入反应罐，随着发酵反应的进行，依次经过水解酸化阶段、产氢产乙酸阶段和产甲烷阶段，产生的沼气经过生物脱硫塔去除其中的H2S，达到燃气内燃气发动机燃烧的进气要求。沼气经过干式储气柜进入到燃气发电机组，输出电力实现上网售电，同时产生的余热可供厌氧发酵反应和厂区生活用热。在后发酵罐完成最终的厌氧反应产沼气的过程后，发酵污泥通过固液分离装置得到沼渣和沼液，可以用于农作物肥料、改善土壤营养结构和制成高附加值的牲畜饲料。

2 技术方案

2.1 能源方案

燃气内燃机发电机以其发电效率高、运行安全稳定、操作灵活便捷等优势，在近年来的燃气发电领域占到越来越大的市场份额。通过国内外相关产品的对比分析、综合考虑，采用美国通用GE-Jenbacher JMS420GS-B.L内燃发电机，单台发电功率1415kW。

项目平均产沼气2530m3/h，J420燃气发电机组进气量为672m3/h，为保证沼气的充分利用，结合机组自身的运行方式和特点，确定利用4台JMS420GS-B.L发电机组并联运行，总发电功率5660kW。在机组停机或检修的情况下，利用沼气锅炉产生蒸汽供廠区内的生活生产需要。此外系统还配置火炬，在沼气燃烧设备不能正常运行时，将产生的沼气通过点燃的方式进行处理。

在沼气燃烧发生过程中产生大量的余热，包括沼气燃烧的烟气排放和机组本身散热冷却带出的热量。烟气温度高达400℃以上，高温循环缸套水温度在90℃以上，为了充分利用这部分热量，项目采用余热锅炉、板式换热器和相关泵组等回收装置，产生蒸汽和热水用于加热沼气厌氧发生罐和为厂区提供生活热水，提高能源的综合利用率。

2.2 设备配置

在沼气发电能源站内，设备配置主要包括燃气发电机组、余热蒸汽锅炉、沼气锅炉以及水工循环系统，各个设备之间通过通信协议和程序进行运行控制和操作管理，实现整个能源站的供能可靠稳定。表1为沼气发电能源站的主要设备参数表。

2.3 电力运行

国家和地方积极鼓励和倡导可再生能源发电上网，相继出台了一些指导性政策和激励性措施，例如《国家电网关于做好分布式能源并网服务工作意见》、《可再生能源发电价格和费用分摊管理试行办法》、《国家发展改革委员会可再生能源电价附加补助资金说明》和《国家电监会关于可再生能源电价补贴和配额交易方案的通知》等。一方面促进了国家电网的供需平衡，调整电力产业结构和分配；另一方面通过大力开发利用可再生能源，建设环境友好型、资源节约型社会，实现资源环境的可持续发展。

燃气发电机组为0.38kV低压电力输出，通过升压变压器将输出电压升至10.5kV，与周边市政电网的电压一致，同时电力输出的频率、周期、相位、相序等参数要与市政电网完全同期一致，偏差值在电力部门和相关标准的规定范围内。通过并网同期设备、同期开关断路、同期保护、电能计量等措施，保证能源站上网售电的安全稳定可靠。依据国家相关的可再生能源发电上网补贴政策，商议协调政府、财政、电力等部门，确定最终的上网售电价格为0.6元/kWh。

3 效益分析

3.1 经济效益

考虑到机组的停机检修和维护保养，燃气发电机组年运行时间8000小时，能源站总发电装机容量5660kW，年沼气发电量4528万kWh，按照并网上网电价补贴0.6元/kWh，则年发电直接创造经济效益2717万元。此外，沼气发电能源站充分利用烟气和缸套循环冷却水的余热资源，年产184℃、1.0MPa蒸汽27200t和60℃热水60230t，供厂区沼气发生工艺和生活用热水。

3.2 环境效益

沼气是一种清洁可再生的能源，燃烧后CO2排放量是同样发电量火力电厂CO2排放量的40%，几乎不产生SO2、粉尘颗粒物等大气污染物。项目年发电和余热综合利用能量，折合成标准煤22383t，减少CO2排放量35900t，减少SO2排放量190t，减少粉尘排放量224t，对于区域性大气环境质量改善和保护具有重要作用。

3.3 社会效益

绿色循环生态农牧业是以物质循环和能量转化规律为依据，以科学技术为支撑，以经济、生态和社会效益有机统一为目标的良性循环的新型综合系统。根据生态循环再利用、再生产的循环链原理发展农牧业，不仅可以净化生活氛围，解决能源环境问题，而且还可以有效转化利用废弃物，促进行业的良性循环，实现社会可持续发展。

参考文献

[1]于海滨.畜禽养殖业沼气发电前景广阔[J].农业工程学报，2006（10）：58-61.

[2]王冬梅.利用沼气沼渣发酵生物有机肥[J].中国资源综合利用，2003（06）：19-21.

[3]施晨路.能源农场—中国可持续农业新模式[J].可再生能源，2006：73-75.

[4]马跃峰.沼气技术与新疆绿洲生态农业建设[J].农业环境与发展，2003（05）：31-32.

[5]夏训峰.沼气法处理规模化养殖场畜禽粪便优点及问题[J].可再生能源，2003（02）：26-28.

[6]姚向君.生物质能资源清洁转化技术[M].北京：化学工业出版社，2004.