【摘要】在甘肅省蘭州牧工商有限責(zé)任公司花莊萬(wàn)頭奶牛養(yǎng)殖園區(qū)建設(shè)了沼氣發(fā)電項(xiàng)目二期工程，采用二臺(tái)120 kW熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組。2012年8月開(kāi)始，機(jī)組并網(wǎng)運(yùn)行發(fā)電，余熱用來(lái)給發(fā)酵罐加溫， 解決沼氣工程的冬季發(fā)酵問(wèn)題。2013年1月，在環(huán)境溫度為-10 ℃的情況下，2個(gè)800 m3發(fā)酵罐內(nèi)的溫度仍維持在23 ℃上下。項(xiàng)目日均產(chǎn)沼氣2100m3、日均產(chǎn)電3780度、日產(chǎn)沼液105.5t、日產(chǎn)干沼渣7.4噸。

【關(guān)鍵詞】沼氣發(fā)酵；沼氣發(fā)電；熱電聯(lián)產(chǎn)；沼肥利用

本項(xiàng)目利用甘肅蘭州牧工商有限責(zé)任公司花莊萬(wàn)頭奶牛養(yǎng)殖園區(qū)存欄2200頭成乳牛的糞便及廢水，采用800m3USR升流式厭氧反應(yīng)器二座，經(jīng)過(guò)厭氧發(fā)酵處理，日產(chǎn)沼氣2100m3。沼氣全部用于發(fā)電，發(fā)電裝置采用二臺(tái)120KW國(guó)產(chǎn)發(fā)電機(jī)改造成熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組。采用并網(wǎng)不上網(wǎng)的輸配電模式，日均產(chǎn)電3780度，年均產(chǎn)電138萬(wàn)度。項(xiàng)目年均產(chǎn)干沼渣2703噸，經(jīng)過(guò)有機(jī)肥深加工，年均產(chǎn)有機(jī)固肥45055噸；年均產(chǎn)經(jīng)過(guò)固液分離的液體肥--沼液38507噸，作為噴灌用肥采用管道輸送到鄰近的2200畝奶牛青飼料田中；整個(gè)項(xiàng)目是“改少污染物排放、變廢為寶、資源全面綜合利用的生態(tài)環(huán)保工程”，對(duì)畜禽業(yè)持續(xù)發(fā)展和拉動(dòng)有機(jī)生態(tài)農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)發(fā)展具有示范意義。

一、試點(diǎn)單位基本情況

項(xiàng)目單位位于甘肅省蘭州市紅古區(qū)花莊鎮(zhèn)。

園區(qū)飼養(yǎng)模式為開(kāi)放式棚養(yǎng)方式，牛糞通過(guò)人工進(jìn)行清運(yùn)，露天堆放到場(chǎng)區(qū)西南角的牛糞場(chǎng)，尿液污水則通過(guò)地下排水溝排放至集水池。

該園區(qū)正在進(jìn)行作為飼草基地的2200畝土地的前期開(kāi)發(fā)建設(shè)，最終將建成蘭州牧工商總公司花莊乳業(yè)生物科技園區(qū)。

近幾年當(dāng)?shù)仉娏o缺狀況日益明顯。尤其是在夏季，經(jīng)常全天停電，導(dǎo)致智能擠奶系統(tǒng)不能正常運(yùn)行。不僅每天要損失幾百公斤鮮奶，而且還會(huì)影響到奶牛的生長(zhǎng)和產(chǎn)奶量的穩(wěn)定。

二、工程設(shè)計(jì)與論證

1 基礎(chǔ)建設(shè)條件

通過(guò)實(shí)地考察和研討，項(xiàng)目組認(rèn)為，該園區(qū)的生產(chǎn)條件比較完善，具有較強(qiáng)的經(jīng)濟(jì)實(shí)力和發(fā)展后勁，用電需求較大，能夠較好地滿足沼氣發(fā)電工程建設(shè)的相關(guān)條件。

（1） 發(fā)酵原料充足

二期工程設(shè)計(jì)主要是針對(duì)2200頭產(chǎn)奶奶牛的糞便進(jìn)行處理。按照目前實(shí)際可收集的糞便原料，可日產(chǎn)沼氣的數(shù)量約2100萬(wàn)m3。

（2）建設(shè)用地充裕

奶牛飼養(yǎng)場(chǎng)區(qū)的南側(cè)為占地10畝的牛糞堆積場(chǎng)，四周開(kāi)闊，可用作沼氣發(fā)電工程建設(shè)用地。

（3）用電需求較大

園區(qū)的用電負(fù)荷總計(jì)約為498 kW，其中擠奶廳的動(dòng)力及冷凍系統(tǒng)用電負(fù)荷為168 kW，其他動(dòng)力用電負(fù)荷250 kW，照明及生活用電30 kW。

（4）沼液消納方便

園區(qū)擁有新開(kāi)發(fā)的格楞臺(tái)土地2200畝，距離養(yǎng)殖場(chǎng)區(qū)2 km，計(jì)劃用作青飼料田，生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)牧草，可以消納沼氣工程產(chǎn)生的沼液。

2 技術(shù)設(shè)計(jì)與論證

（1）自然地理?xiàng)l件

蘭州市紅古區(qū)的地理特征呈川型地貌，當(dāng)?shù)睾０胃叨纫话銥? 590～1 820 m，最高為2 454.8 m，屬大陸性溫帶干旱季風(fēng)氣候，光照充足、降水少、蒸發(fā)量大。年平均氣溫7.1～9.1 ℃，夏季最高氣溫在7月，一般為36～37 ℃；冬季最低氣溫在1月一般為-10 ℃左右，極限最低氣溫為-22 ℃。地下水位深度為20～30 m。

（2）技術(shù)參數(shù)的確定

園區(qū)沼氣發(fā)電二期工程，主要是針對(duì)2200頭成年奶牛的糞便處理，設(shè)計(jì)日產(chǎn)沼氣數(shù)量2100 m3。發(fā)酵工藝采用中溫發(fā)酵，發(fā)酵總?cè)莘e為1600 m3，水力滯留期15 d左右，日產(chǎn)沼液105.5t。日產(chǎn)干沼渣7.4噸

沼氣全部用于發(fā)電，儲(chǔ)氣柜設(shè)計(jì)容積為400 m3。產(chǎn)生的電力用來(lái)供園區(qū)生產(chǎn)和生活使用，回收的發(fā)電余熱則用于厭氧反應(yīng)器加熱，解決增溫和越冬問(wèn)題。沼渣、沼液供新開(kāi)發(fā)的2200畝牧草基地使用，形成“牛→沼→草”的生態(tài)循環(huán)。

按每立方米沼氣生產(chǎn)電力2 kWh計(jì)算，2100 m3沼氣每天可生產(chǎn)電力4200 kWh。若按每天發(fā)電20h計(jì)算，則發(fā)電裝機(jī)的容量約為210 kW。實(shí)際采用二臺(tái)120KW的發(fā)電機(jī)熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組。

（3）專家論證意見(jiàn)

2011年9月，項(xiàng)目組組織國(guó)內(nèi)沼氣工程業(yè)內(nèi)知名專家對(duì)花莊沼氣發(fā)酵工程和發(fā)電工程的設(shè)計(jì)、規(guī)劃進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)論證。專家組認(rèn)為項(xiàng)目的工藝流程設(shè)計(jì)先進(jìn)，參數(shù)選擇合理。2臺(tái)120 kW沼氣發(fā)電機(jī)組，用電高峰時(shí)開(kāi)2臺(tái)，低谷時(shí)開(kāi)1臺(tái)，有利于設(shè)備維護(hù)和保養(yǎng)。

3 工藝流程圖

工藝流程圖如圖1 所示。

工藝流程示意圖

三、機(jī)組性能及運(yùn)行情況

1 發(fā)電機(jī)組性能參數(shù)

項(xiàng)目采用國(guó)產(chǎn)沼氣發(fā)電機(jī)組。參照捷克泰德姆（TEDOM）公司生產(chǎn)的沼氣發(fā)電熱電聯(lián)供機(jī)組有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)國(guó)內(nèi)的發(fā)電機(jī)進(jìn)行改造，機(jī)組的工作燃料為沼氣。

（1）發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)運(yùn)行

運(yùn)行模式：孤島運(yùn)行形式獨(dú)立供電和并網(wǎng)運(yùn)行方式為用戶供電。一般情況下，機(jī)組的運(yùn)行方式為并網(wǎng)運(yùn)行。

（2）自動(dòng)化控制程度較高

發(fā)電機(jī)組可對(duì)運(yùn)行狀況進(jìn)行全程檢測(cè)，所有的運(yùn)行數(shù)據(jù)都可顯示在機(jī)組自帶的顯示屏上。通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)接和數(shù)據(jù)交換，發(fā)電機(jī)組可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的運(yùn)行控制和監(jiān)測(cè)。

（3）運(yùn)行噪音小、排放少

發(fā)電機(jī)組采用了防噪音外殼設(shè)計(jì)，噪聲比一般的機(jī)組減少了很多。經(jīng)實(shí)際測(cè)量，發(fā)電機(jī)房?jī)?nèi)距發(fā)電機(jī)組外殼1 m處的噪聲聲級(jí)僅為75 dB，發(fā)電機(jī)房外距墻壁2 m處的噪聲僅為56 dB（人在大聲說(shuō)話時(shí)的聲級(jí)為80 dB）。根據(jù)對(duì)發(fā)電機(jī)組尾氣排放進(jìn)行檢測(cè)的結(jié)果，各項(xiàng)排放指標(biāo)達(dá)到歐3級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)要求。

（4）工程啟動(dòng)運(yùn)行正常、安全越冬

2012年9月，沼氣日產(chǎn)氣量最高記錄值為2400m3。項(xiàng)目月平均產(chǎn)氣2150m3/d以上。目前在用電荷載不足的前提下，日發(fā)電最高值為3870 kWh，月平均最高值為3000 kWh/d。

目前，項(xiàng)目處理的奶牛糞便及污水總量約為130 t/d，約占可收集到的2200頭奶牛全部糞尿的84.3%，發(fā)酵周期為15 d左右，發(fā)酵溫度在36 ℃左右。

（5）沼渣、沼液充分利用

沼液通過(guò)固液分離機(jī)進(jìn)行固液分離。分離后產(chǎn)生的沼液清液經(jīng)高壓泵輸送到2200畝飼料田，用于改良土壤和生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)牧草；沼渣一部分供附近菜農(nóng)試用， 一部分送有機(jī)肥廠家，生產(chǎn)有機(jī)肥。

四、工程技術(shù)特點(diǎn)

1 先進(jìn)的沼氣熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組

改造后的發(fā)電機(jī)組用純沼氣替代油氣混合氣體。通過(guò)在發(fā)動(dòng)機(jī)排氣口安裝檢測(cè)探頭來(lái)檢測(cè)沼氣燃燒效果，進(jìn)而控制進(jìn)氣閥，不但使尾氣排放達(dá)標(biāo)，而且提高了氣電轉(zhuǎn)換率，發(fā)電效率達(dá)到33.6%，標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下1 m3沼氣甲烷含量在65%時(shí)，可發(fā)出2 kWh的電力。通過(guò)多級(jí)余熱回收系統(tǒng)，沼氣發(fā)電機(jī)組實(shí)現(xiàn)熱電聯(lián)產(chǎn)，余熱利用效率達(dá)到40.9%，在生電的同時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下1m3沼氣可獲得超過(guò)3 kWh的熱能?？偰茉葱食^(guò)80%。

由于發(fā)電機(jī)組采用了避震設(shè)計(jì)和增加隔音罩等設(shè)施，使發(fā)電機(jī)組運(yùn)行時(shí)相距1 m處的噪聲控制在75 dB以下，大大改善了生產(chǎn)和工作環(huán)境。

發(fā)電機(jī)組同時(shí)具備并網(wǎng)運(yùn)行及孤島運(yùn)行等模式要求，還能實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)組運(yùn)行參數(shù)的遠(yuǎn)程監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守運(yùn)行。

2 先進(jìn)的沼氣發(fā)酵裝置和增溫工藝

工程采用先進(jìn)成熟的USR沼氣發(fā)酵工藝。通過(guò)采用新型的儲(chǔ)氣罐設(shè)計(jì)，浮罩外增加保溫殼體，保溫效果好。通過(guò)沼氣發(fā)電機(jī)組的熱電聯(lián)產(chǎn)，為沼氣工程在冬季的正常運(yùn)行提供了保證，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了28～35 ℃中溫發(fā)酵。

一年來(lái)的實(shí)際運(yùn)行結(jié)果表明：項(xiàng)目在我國(guó)高寒地區(qū)成功有效地解決了大型沼氣工程的越冬問(wèn)題，并解決了以牛糞為原料的沼氣工程中一般存在的原料易結(jié)殼和產(chǎn)氣率低的問(wèn)題，證明了寒冷地區(qū)以牛糞為原料沼氣發(fā)電工程的可行性。

3 先進(jìn)的監(jiān)測(cè)和顯示儀器

項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)了進(jìn)料溫度、濃度、酸堿度和進(jìn)料量、發(fā)酵裝置產(chǎn)沼氣量、沼氣的甲烷、二氧化碳、氧氣、硫化氫和水份含量、發(fā)電機(jī)組的供氣量、發(fā)電量等多項(xiàng)數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集和計(jì)算機(jī)集中處理及顯示功能。為控制運(yùn)行、科學(xué)試驗(yàn)和數(shù)據(jù)采集提供詳實(shí)依據(jù)。

沼氣發(fā)電機(jī)組噪聲檢測(cè)，尾氣排放檢測(cè)，發(fā)電機(jī)房?jī)?nèi)沼氣泄漏報(bào)警，以及奶牛場(chǎng)區(qū)、發(fā)電機(jī)房、沼氣站內(nèi)的動(dòng)態(tài)圖像監(jiān)視等，對(duì)沼氣發(fā)電運(yùn)行功能檢測(cè)和安全運(yùn)行提供了保障。對(duì)于總結(jié)工程運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)創(chuàng)造了良好的條件。

4 尚存在的問(wèn)題

（1）發(fā)電機(jī)運(yùn)行尚不能長(zhǎng)期滿負(fù)荷運(yùn)行

目前發(fā)電機(jī)組的基本運(yùn)行模式雖為并網(wǎng)運(yùn)行模式。但發(fā)出的電力只是用于園區(qū)，通過(guò)機(jī)組的自我控制，并不向電網(wǎng)額外送電。因此，發(fā)電機(jī)組的輸出功率在許多情況下要受到園區(qū)用電負(fù)荷變化的約束，尚未達(dá)到長(zhǎng)期滿負(fù)荷運(yùn)行。隨著近期花莊乳品加工廠的建成和投產(chǎn)，上述問(wèn)題將得到有效解決。

（2）可再生能源電力價(jià)格優(yōu)惠政策尚未落實(shí)

由于建設(shè)單位尚未與當(dāng)?shù)仉娏竞炗喫碗娚暇W(wǎng)的價(jià)格協(xié)議，沼氣發(fā)電產(chǎn)出的電力沒(méi)有計(jì)入當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)的電力輸入，發(fā)電價(jià)格也還體現(xiàn)不出國(guó)家規(guī)定的可再生能源發(fā)電上網(wǎng)的優(yōu)惠政策，需要今后進(jìn)一步落實(shí)解決。

（3）工程運(yùn)行參數(shù)有待進(jìn)一步改進(jìn)

目前，在發(fā)電機(jī)組的余熱充分利用和沼氣的脫硫凈化方面還有許多待改進(jìn)的地方。一是要通過(guò)改善換熱設(shè)備和增加熱力管道，將發(fā)電余熱用足用好；二是要改進(jìn)脫硫工藝，進(jìn)一步降低沼氣中的硫化氫含量，提高燃?xì)赓|(zhì)量，做好發(fā)動(dòng)機(jī)的維護(hù)和使用。

五、結(jié)論

1 沼氣發(fā)電機(jī)組具有以下特點(diǎn)：能源利用率高，總效率達(dá)到81.5%；自動(dòng)化控制程度高，操作簡(jiǎn)便；機(jī)組運(yùn)行過(guò)程中噪聲小、排放污染少；設(shè)備的生產(chǎn)質(zhì)量好，運(yùn)行性能穩(wěn)定。

2 項(xiàng)目有效解決了園區(qū)的糞便污染問(wèn)題，解決了園區(qū)的穩(wěn)定供電問(wèn)題，避免因停電造成的損失，每年可節(jié)省電費(fèi)支出約50萬(wàn)元，資源綜合利用和環(huán)境效益明顯。

3 項(xiàng)目可減少貯氣和輸氣管道的投入， 是今后大中型沼氣工程的發(fā)展方向，是促進(jìn)畜牧養(yǎng)殖場(chǎng)健康發(fā)展的重要途徑。

4 選擇單機(jī)發(fā)電容量在100～120 kW數(shù)量級(jí)的純沼氣內(nèi)燃機(jī)發(fā)電機(jī)組作為沼氣發(fā)電的設(shè)備，符合當(dāng)前我國(guó)畜牧養(yǎng)殖場(chǎng)沼氣工程的發(fā)展方向。

5 通過(guò)一年來(lái)的運(yùn)行，熱電聯(lián)產(chǎn)提高了沼氣工程能源利用效率，實(shí)現(xiàn)中溫發(fā)酵，有效解決寒冷地區(qū)沼氣發(fā)酵裝置的越冬問(wèn)題。

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