馬宗虎，傅國志，徐 攀

（中國華電工程（集團）有限公司，北京 100035）

0 前言

中國是一個畜牧業(yè)大國。2006 年，中國生豬出欄數(shù)66 098.60 萬頭，牛5 602.85 萬頭，羊32 967.55 萬只，家禽101.76 億只。全國每年產(chǎn)生的畜禽糞便總量為30 億t，僅鮮糞就有16 億t[1]。中國畜禽養(yǎng)殖業(yè)快速發(fā)展，畜禽糞便和污水的產(chǎn)生量增加，絕大多數(shù)的畜禽養(yǎng)殖場(戶)沒有相應(yīng)的畜禽糞便綜合利用和污水配套處理設(shè)施，任意排放的現(xiàn)象非常嚴重，畜禽糞便污染會對人體健康、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)產(chǎn)生影響[2-5]，畜禽糞便污染已成為農(nóng)村面源污染的主要組成。畜禽糞便產(chǎn)生的甲烷是主要的溫室氣體之一，1990 年中國動物廢棄物甲烷排放量為1.198 Tg，占全球糞便源甲烷排放量的10%左右，其中豬糞的甲烷排放量最大，占總量的85.8%[6]。大中型沼氣工程是解決畜禽糞便污染的有效途徑[7-8]，在強調(diào)可持續(xù)發(fā)展的大背景下，大力推廣沼氣工程顯得尤為重要[9]。沼氣發(fā)電在發(fā)達國家已受到廣泛重視和積極推廣，如美國的能源農(nóng)場、德國的可再生能源促進法的頒布、日本的陽光工程、荷蘭的綠色能源等[10]。建設(shè)沼氣發(fā)電工程可以有效地解決養(yǎng)殖場廢棄物的污染問題，減少溫室氣體排放，生產(chǎn)綠色能源，實現(xiàn)資源、環(huán)境與經(jīng)濟、社會的發(fā)展相協(xié)調(diào)。

湖北華電龍感湖沼氣發(fā)電項目是一個典型的利用養(yǎng)殖廢棄物進行能源化利用項目，占地面積30 余畝，由中國華電集團公司投資建設(shè)，依托湖北省黃岡市龍感湖管理區(qū)存欄量達5.6萬頭的規(guī)模豬場，豬場每天產(chǎn)生豬糞便120 t（總固體濃度TS 25%）。2010 年開始建設(shè)1.338 MW 大型熱電肥聯(lián)產(chǎn)沼氣工程，年產(chǎn)沼氣348 萬m3，年發(fā)電785萬 kW·h。項目于2012年5月投入試運行。

1 工程設(shè)計

1.1 工藝流程

該項目每天從養(yǎng)殖場收集50 t 固體糞便（25%干物質(zhì)含量），通過卡車送入勻漿池。養(yǎng)殖場每天產(chǎn)生的380 噸沖洗水和液體糞便混合物（4.6%干物質(zhì)含量）經(jīng)集污池收集后進入項目勻漿池。在勻漿池中布置了2 臺攪拌器，經(jīng)過攪拌后的物料由1 臺中央泵輸送到并聯(lián)運行的3 個厭氧發(fā)酵罐進行厭氧處理。中央泵可以實現(xiàn)3 個發(fā)酵罐之間物料相互流動，同時作為發(fā)酵罐的事故物料泵。每個發(fā)酵罐中布置了3 臺攪拌器，通過攪拌使物料均勻，有利于產(chǎn)生沼氣。工藝中產(chǎn)生的沼氣將被用于2 臺內(nèi)燃發(fā)電機組發(fā)電。已發(fā)酵的物料通過布置在發(fā)酵罐上部的溢流口，依靠重力流入固液分離車間進行固液分離。分離后的液體進入廠區(qū)內(nèi)的沼液儲存池，通過潛污泵輸送至廠外沼液儲存池，根據(jù)我國法律規(guī)定，沼液須儲存2 個月以上方可進入農(nóng)田施用。分離后的沼渣可以進行干化、堆肥、固化或者用于豬飼料的添加劑和固體有機肥料。工藝流程見圖1。

1.2 主要工程設(shè)施

該項目主要工程設(shè)施見表1。

1.3 預(yù)處理部分

本工程設(shè)置了一個直徑16 m、高3 m、有效容積為530 m3的勻漿池，對每天產(chǎn)生的糞便、尿液和沖洗水進行收集。勻漿池中設(shè)置了2 臺攪拌器和1 臺潛污泵。通過潛污泵可以把物料投入3個發(fā)酵罐中。糞污最大的儲存時間是1 d，潛污泵以18～20 m3/h 的進料方式將物料投加到發(fā)酵罐中。

表1 主要工程設(shè)施

1.4 厭氧發(fā)酵部分

本工程設(shè)置了3 個發(fā)酵罐，沿南北直線布置，方便發(fā)酵罐的物料進出管、沼氣出管布置。發(fā)酵罐采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，直徑26 m、高8 m，壁厚300 mm，有效容積為3 812 m3。發(fā)酵罐之間的間距為5 m，發(fā)酵罐外部設(shè)有盤梯，發(fā)酵罐之間有平臺連接。發(fā)酵罐頂部布置了7.5 m 高的雙膜貯氣裝置。每個發(fā)酵罐設(shè)置了2 個觀察窗以及觀察用的照明燈以及溢流管。

發(fā)酵罐的東側(cè)布置了1 200 m3的沼液儲存池。沼液儲存池的頂部設(shè)置了沼氣收集裝置，以進一步收集剩余的沼氣，增大電廠的經(jīng)濟效益。

沼液儲存池的東側(cè)布置了勻漿池，勻漿池與沼液儲存池之間設(shè)有圍墻，以改善電廠廠區(qū)內(nèi)的運行環(huán)境。勻漿池的體積為530 m3，直徑16 m、深3 m。

1.4.1 進料濃度

豬糞沼氣工程厭氧部分運行時應(yīng)注意控制進料TS 濃度。過低的TS 濃度系統(tǒng)增溫將耗去大量能量。TS 濃度過高又易使厭氧系統(tǒng)氨氮濃度過高，影響厭氧系統(tǒng)的運行效率。實際運行中一般要求發(fā)酵液中氨含量不超過3.8 kg·t-1。沼液的回流使用也會帶來氨的積累，因此，在操作運行中不進行沼液回流。

該工程設(shè)計進料TS 濃度為7%，當(dāng)進料TS 濃度7%時系統(tǒng)產(chǎn)氣效率最高。該工程啟動期間熱量來源于鍋爐燃燒，產(chǎn)生沼氣大部分用于內(nèi)燃機發(fā)電，其余部分火炬燃燒，避免甲烷直接排放。

1.4.2 攪拌系統(tǒng)

發(fā)酵罐內(nèi)攪拌可以使原料與微生物充分接觸，大大提高厭氧發(fā)酵速度。攪拌器是厭氧反應(yīng)系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)備，關(guān)系到厭氧反應(yīng)的效率和系統(tǒng)的可靠性。本工程每個發(fā)酵罐里面配備3～4臺可移動式潛水?dāng)嚢杵?，可以充分攪拌物料，使物料均勻。安裝在支撐桿上的攪拌器可以上下移動攪拌，防止發(fā)酵罐內(nèi)液面上層物料發(fā)泡結(jié)殼。攪拌器也可以在同一水平面轉(zhuǎn)動，還可以定點多角度旋轉(zhuǎn)，可防止原料因攪拌死角在罐體里長時間沉積而導(dǎo)致發(fā)酵罐堵塞。此外該攪拌系統(tǒng)運行費用相對較低，維修方便。攪拌器監(jiān)測系統(tǒng)可以在攪拌器發(fā)生故障前報警，攪拌器的維修可以在15～20 min 內(nèi)完成，不會影響厭氧系統(tǒng)正常工作，并且也不需要清空發(fā)酵罐。而國內(nèi)常見的固定的攪拌器維修往往需要清空發(fā)酵罐，維修完成后還需要重新啟動厭氧反應(yīng)，花費的時間可長達數(shù)月。

1.4.3 產(chǎn)氣儲氣脫硫一體化裝置

本工程采用世界領(lǐng)先的產(chǎn)氣儲氣脫硫一體化的厭氧反應(yīng)罐，節(jié)省了建設(shè)用地、脫硫設(shè)備和儲氣設(shè)備的投資，加快了建設(shè)進度。儲氣膜內(nèi)膜和發(fā)酵液面間有一圈木質(zhì)橫梁作為支撐架，防止內(nèi)膜掉入發(fā)酵罐液體中。每個發(fā)酵罐集氣裝置的體積為1 391 m3。集氣裝置的頂部設(shè)置了高低壓保護、壓力監(jiān)測以及緊急狀態(tài)的瀉壓裝置。

1.5 沼氣凈化部分

1.5.1 罐內(nèi)生物脫硫

本工程采用世界領(lǐng)先的產(chǎn)氣儲氣脫硫一體化的厭氧反應(yīng)罐，沼氣脫硫部分完全在發(fā)酵罐內(nèi)部完成，系統(tǒng)穩(wěn)定運行后沼氣硫化氫脫除率超過99%。在生物脫硫系統(tǒng)形成前，需要先向發(fā)酵罐內(nèi)加入一定量的化學(xué)制劑，保證凈化氣中H2S 含量滿足發(fā)電機要求。根據(jù)本工程環(huán)評的要求，二氧化硫的總排放量為140 kg·a-1。因此，要求沼氣中H2S含量約為28 mg/m3。厭氧反應(yīng)罐內(nèi)通入一定量的空氣，維持沼氣內(nèi)氧氣含量在一定的濃度，罐內(nèi)脫硫菌即可將沼氣中的硫化氫轉(zhuǎn)化為單質(zhì)硫或硫酸鹽，從而使沼氣得以凈化。單質(zhì)硫在脫硫網(wǎng)上積聚，最終掉入發(fā)酵罐中隨發(fā)酵完的物料排出罐體。通過這種罐內(nèi)生物脫硫方式可以使H2S 去除率達到發(fā)電機組對進氣中硫含量的要求。

目前，國內(nèi)普遍采用的化學(xué)脫硫的方式運行成本大約為0.1 元/m3，而發(fā)酵罐內(nèi)部脫硫的運行成本幾乎可以忽略不計，以一個日產(chǎn)1 萬m3沼氣的項目為例，每天節(jié)省的脫硫成本即為1 000 元。

本工程H2S 去除率一直較為穩(wěn)定。表2 為本工程生物脫硫啟動2 周后連續(xù)10 d 監(jiān)測數(shù)據(jù)。

表2 生物脫硫運行記錄(沼氣H2S 檢測值)

1.5.2 脫水

為了滿足內(nèi)燃發(fā)電機組的要求，同時保護內(nèi)燃發(fā)動機，沼氣進入內(nèi)燃機組之前必須脫水。本工程根據(jù)采用管道埋地的方式脫水。沼氣管道的埋地深度為大于1 m，可去除沼氣中的大部分水。在發(fā)酵罐、儲存塘及冷凝器之間鋪設(shè)的沼氣管道要保持1%的坡度以實現(xiàn)脫除水的匯集，管道的連接處應(yīng)該是柔性的，這樣可以避免地面環(huán)境對管道的破壞。管道收集的水通過排水井中的潛水泵排出。

1.6 余熱發(fā)電型方案

本工程采用雙螺桿膨脹動力發(fā)電機，帶螺桿膨脹動力發(fā)電機的熱力系統(tǒng)流程圖見圖2。螺桿膨脹動力機具有3個非常重要的技術(shù)特點：

1）熱源適應(yīng)范圍非常寬廣?？梢赃m用于過熱蒸汽、飽和蒸汽、汽水混合物、熱水和高含鹽份的各種低品位熱源的熱電轉(zhuǎn)換，屬于國際上唯一具備如此優(yōu)點的熱動力機。

2）變工況能力十分優(yōu)越。在熱源負荷和參數(shù)大范圍（從120%到10%范圍）變化波動的情況下，不僅運行穩(wěn)定可靠，而且高效平穩(wěn)。

3）維護費用和使用技術(shù)門檻很低。屬于10 年無大修的動力機，小修維護和運行操作都簡單方便，對用戶原系統(tǒng)不產(chǎn)生干擾影響，安裝和移動十分簡易。

沼氣內(nèi)燃機發(fā)電可利用的余熱有4 部分。一是一級中冷器的熱量106 kW；二是潤滑油冷卻熱量76 kW；三是缸套冷卻熱量196 kW；四是排煙利用熱量354 kW。上述熱量均指單機可利用的熱量。其中，前3 部分的熱量通過換熱提供給發(fā)酵罐所需的熱量，如果發(fā)酵罐需要的熱量較少，多余的熱量通過緊急散熱器進行散熱。螺桿膨脹動力發(fā)電機利用燃機排煙的余熱。利用余熱鍋爐，吸收排煙的余熱，單機可產(chǎn)生0.47 t·h-1，167.7 ℃、0.65 MPa 的飽和蒸汽，進入螺桿膨脹動力發(fā)電機膨脹做功發(fā)電，發(fā)電功率為34 kW，2 臺燃機配一臺螺桿膨脹動力發(fā)電機，發(fā)電機的裝機功率為68 kW。螺桿膨脹動力機的排汽參數(shù)為88 ℃的飽和蒸汽，進入凝汽器冷凝為88 ℃的飽和水，進入余熱鍋爐循環(huán)使用。凝汽器的冷卻水入口溫度為55 ℃，出口水溫75 ℃，冷卻水的流量為5 kg/s，冷卻水進入冷卻塔冷卻后再進入冷凝器循環(huán)使用。

2 工程特點

該工程設(shè)計主要特點有：

1）采用TS 7%的CSTR 高濃度發(fā)酵工藝，38 ℃中溫發(fā)酵，裝置容積產(chǎn)氣率0.86 Nm3/m3,氣年產(chǎn)量348 萬m3。

2）采用熱電肥聯(lián)產(chǎn)運行方式，沼氣用于發(fā)電上網(wǎng)，選用2 臺635 kW顏巴赫(GE Jenbacher)發(fā)電機組，年發(fā)電785 萬 kW·h，發(fā)電機組電效率39.9%，熱效率33%，可回收熱量1047 kW，發(fā)電機組電熱總效率可達72.9%。發(fā)酵后的沼液存儲后用于周邊農(nóng)場，實現(xiàn)養(yǎng)殖場廢棄物的零排放。

3）可移動式潛水?dāng)嚢杵?。可以將發(fā)酵罐內(nèi)物料充分攪勻，防止發(fā)酵原料上層結(jié)殼發(fā)泡，不留攪拌死角，防止原料在罐體里長時間沉積導(dǎo)致發(fā)酵罐堵塞。此外該攪拌系統(tǒng)還具有運行費用低，易于維修的特點。

4）采用罐內(nèi)生物脫硫工藝。通過這種簡單的脫硫方式可以使H2S 含量降到10 mg/m3以下，達到發(fā)電機組對進氣中硫含量的要求。該工藝技術(shù)國內(nèi)領(lǐng)先，脫硫效率高，成本低，無二次污染。

5）本工程采用世界領(lǐng)先的產(chǎn)氣儲氣脫硫一體化的發(fā)酵罐，節(jié)省了建設(shè)用地、脫硫設(shè)備和儲氣設(shè)備投資，加快了建設(shè)進度。

6）使用螺桿膨脹動力機進行余熱發(fā)電，推廣螺桿膨脹動力機對我國國民經(jīng)濟和能源戰(zhàn)略將產(chǎn)生深遠的影響，可以將我國能源的利用效率提高到一個全新水平，對我國資源循環(huán)節(jié)約和環(huán)境保護都將產(chǎn)生積極的社會意義和經(jīng)濟意義。

3 結(jié)語

湖北華電龍感湖沼氣發(fā)電工程采用世界先進的沼氣制備工藝和設(shè)備，將養(yǎng)殖場動物糞便等廢棄物轉(zhuǎn)化為清潔的沼氣資源。沼氣熱電聯(lián)產(chǎn)有利于優(yōu)化區(qū)域有機廢棄物的綜合利用。通過本項目建設(shè)，發(fā)酵后沼渣、沼液均得到有序利用，有效減少了水體或土壤有機污染。沼氣工程啟動運行一年來，各項指標達到設(shè)計要求。本項目的建成，使龍感湖農(nóng)場建立在資源的可持續(xù)利用和良好的生態(tài)環(huán)境基礎(chǔ)上，保護了自然資源，保持了資源的可持續(xù)供給能力，逐步使資源、環(huán)境與經(jīng)濟、社會的發(fā)展相協(xié)調(diào)。龍感湖沼氣發(fā)電項目無論是生產(chǎn)工藝還是設(shè)備技術(shù)方面，都屬國際一流國內(nèi)領(lǐng)先的地位，項目的建設(shè)得到國家能源局、湖北省發(fā)改委以及相關(guān)部門的高度重視和關(guān)注。該項目必將成為我國生物質(zhì)沼氣發(fā)電領(lǐng)域建設(shè)和發(fā)展的示范和標桿。

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