厲亞輝,邱惠珍,俞建龍,楊遂平
(寶鋼氣體上海基量標(biāo)準(zhǔn)氣體有限公司,上海201713)
沼氣屬于可再生能源中的生物能源,它是各種有機物質(zhì)在隔絕空氣(還原條件)、適宜的溫度、pH值條件下,經(jīng)過微生物的發(fā)酵作用產(chǎn)生的一種可燃燒氣體。沼氣屬于二次能源,并且是可再生能源。沼氣燃燒發(fā)電是隨著大型沼氣池建設(shè)和沼氣綜合利用的不斷發(fā)展而出現(xiàn)的一項沼氣利用技術(shù),它將厭氧發(fā)酵處理產(chǎn)生的沼氣用于發(fā)動機上,并裝有綜合發(fā)電裝置,以產(chǎn)生電能和熱能。沼氣發(fā)電具有創(chuàng)效、節(jié)能、安全和環(huán)保等特點,是一種分布廣泛且價廉的分布式能源。
我國沼氣發(fā)電有30多年的歷史,在“十五”期間研制出20~600 kW純?nèi)颊託獍l(fā)電機組系列產(chǎn)品,氣耗率0.6~0.8 m3/(kW·h)(沼氣熱值 ~ >21 MJ/m3)。但國內(nèi)沼氣發(fā)電研究和應(yīng)用市場都還處于不完善階段,特別是適用于我國廣大農(nóng)村地區(qū)小型沼氣發(fā)電技術(shù)研究更少,我國農(nóng)村偏遠(yuǎn)地區(qū)還有許多地方嚴(yán)重缺電,如牧區(qū)、海島、偏僻山區(qū)等高壓輸電較為困難,而這些地區(qū)卻有著豐富的生物質(zhì)原料。如能因地制宜地發(fā)展小沼氣電站,則可取長補短就地供電。
沼氣發(fā)電技術(shù)是集環(huán)保和節(jié)能于一體的能源綜合利用新技術(shù)。它是利用工業(yè)、農(nóng)業(yè)或城鎮(zhèn)生活中的大量有機廢棄物(例如酒糟液、禽畜糞、城市垃圾和污水等),經(jīng)厭氧發(fā)酵處理產(chǎn)生的沼氣,驅(qū)動沼氣發(fā)電機組發(fā)電,并可充分將發(fā)電機組的余熱用于沼氣生產(chǎn)。
沼氣發(fā)電技術(shù)本身提供的是清潔能源,不僅解決了沼氣工程中的環(huán)境問題、消耗了大量廢棄物、保護了環(huán)境、減少了溫室氣體的排放,而且變廢為寶,產(chǎn)生了大量的熱能和電能,符合能源再循環(huán)利用的環(huán)保理念,同時也帶來巨大的經(jīng)濟效益,因而沼氣發(fā)電得到國家政策大力支持。
一般來說,無論是單獨投資沼氣發(fā)電站或者是工廠自行投資發(fā)電機組都可以得到雙贏的回報效果。工廠將沼氣免費提供給電站使用,沼氣電站作為工廠的自備電廠,其發(fā)出的電將以相對網(wǎng)電而言較低的價格出售給工廠。一方面解決了產(chǎn)生的沼氣處理的費用問題,另一方面可以得到免費的原料來源,同時,可以就近供電,達到雙贏。
理想狀態(tài)下,標(biāo)準(zhǔn)配置的沼氣發(fā)電電站,電價可以按0.28元/(kW·h)考慮。對于工廠而言,以電網(wǎng)購電價格0.70元/(kW·h)計,工廠沒有對電站投資,卻節(jié)省了0.38~0.47元/(kW·h)的電費支出;對于電站而言,扣除運行成本后,還有可觀的盈利。另外沼氣的主要成分甲烷作為溫室氣體的一種,其溫室氣體效應(yīng)是二氧化碳的21倍,因此,大型的沼氣發(fā)電項目還可申請CDM項目。
沼氣發(fā)電一般要求沼氣熱值>21 MJ/m3,沼氣中雜質(zhì)含量如N2、H2S等應(yīng)控制在一定的范圍內(nèi),因此,沼氣的成分檢測及熱值的計算就起到了關(guān)鍵作用,本文結(jié)合現(xiàn)場實例介紹了沼氣成分分析的具體流程。
沼氣主要成分見表1。
表1 沼氣主要成分Table 1 Main components of Biogas
儀器:GC-910(TCD)氣相色譜儀、HP5890(FID)氣相色譜儀、VARIAN3800(PFPD)氣相色譜儀。氣體標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì):上?;繕?biāo)準(zhǔn)氣體有限公司配制,詳見表2。
表2 氣體標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)列表Table 2 The list of standard gas
無機部分組分由 GC-910(TCD)與 VARIAN3800(PFPD)氣相色譜儀檢測;有機部分組分由HP5890(FID)氣相色譜儀檢測。
圖1 GC-910(TCD)氣相色譜儀色譜氣路系統(tǒng)流程圖Fig.1 The flow chart of GC-910(TCD)gas chromatograph
分析條件見表3。
沼氣TCD譜圖及FID譜圖分別見圖2、3。
表3 分析條件表Table 3 The experimental condition
圖2 沼氣TCDFig.2 Biogas TCD
圖3 沼氣FIDFig.3 Biogas FID
檢測分析結(jié)果見表4。
沼氣中氨、氯及微量元素的檢測對項目的運行以及后續(xù)的排放有重要意義,采用原子吸收分光光度法與離子色譜法對燃?xì)庵薪饘匐x子和NH3、氯進行檢測,數(shù)據(jù)見表5。
表4 分析結(jié)果表Table 4 The results of the analysis
表5 微量元素分析結(jié)果表Table 5 The results of the analysis Trace elements
燃?xì)饨M分氣體的熱值計算見表6。
根據(jù)表4的分析結(jié)果計算沼氣的低位熱值為21.73 MJ/m3。
表6 燃?xì)饨M分氣體的熱值Table 6 The calorific value of gas components
1.實踐證明,利用生物能源沼氣發(fā)電熱電聯(lián)產(chǎn)項目,不僅可以緩解企業(yè)用電、局部偏遠(yuǎn)地區(qū)供電成本高等問題,而且可以減少廢棄物對環(huán)境的污染,減少溫室效應(yīng)氣體的排放,取得節(jié)能、增電、改善環(huán)境并達到能源循環(huán)利用的效果,為企業(yè)創(chuàng)造可觀的經(jīng)濟效益和綜合社會效益,特別值得大中型牛羊豬等養(yǎng)殖場推廣。
2.采用氣相色譜法(熱導(dǎo)、氫火焰、脈沖火焰光度檢測器)可全面分析沼氣成分,為沼氣發(fā)電熱值計算提供可靠數(shù)據(jù),有利于沼氣發(fā)電質(zhì)量控制以及發(fā)電效率的改進提高。
3.如需持續(xù)提高沼氣發(fā)電質(zhì)量及加強安全生產(chǎn)控制,還可以采用其他分析方法,對沼氣中氨、氯及微量元素作進一步檢測。
[1]吳兆流.沼氣應(yīng)用與發(fā)展[R],2009.3.28.
[2]岳勝兵,張衍林,梁浩,等.沼氣發(fā)電技術(shù)的研究與應(yīng)用[J].現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科學(xué),2008,15(1):47-52.
[3]劉顯明,李和平,贠小銀,等.沼氣發(fā)電技術(shù)工藝與余熱利用技術(shù)[J].華電技術(shù),2009,31(2):75-78.
[4]沼氣—大中型沼氣工程設(shè)計[EB/OL].(2008-09)http:∥www.bioenergy.cn.
[5]劉偉,王欣,徐曉秋,等.沼氣發(fā)電工程沼氣凈化技術(shù)研究[J].黑龍江科學(xué),2013,4(10):26-28
[6]PAISLEY M A,ANSON D.Biomass Gasification for Gas Turbine-based Power Generation.Journal of Engineering for Gas Turbines and Power[J].Transactions of the ASME,1998(4):284-288.
[7]國家環(huán)境保護局科技標(biāo)準(zhǔn)司.工業(yè)污染物產(chǎn)生和排放系統(tǒng)手冊[G].北京:中國環(huán)境科學(xué)出版社,1996.
[8]GB/T 10628—2008氣體分析校準(zhǔn)混合氣組成的測定和校驗 比較法[S].
[9]姜正侯.燃?xì)夤こ碳夹g(shù)手冊[G].上海:同濟大學(xué)出版社,1993.
[10]GB 11905—1989水質(zhì) 鈣和鎂的測定 原子吸收分光光度法[S].