李 利， 劉 蔚， 張廷軍， 馮 冰

(中國(guó)華電科工集團(tuán)有限公司， 北京 100170)

全球變暖引起世界各國(guó)對(duì)溫室氣體排放量的關(guān)注，熱電聯(lián)產(chǎn)具有可減少溫室氣體排放量、降低熱電網(wǎng)輸送系統(tǒng)的投資、增強(qiáng)能源供給穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)，理論上幾乎適合于任何燃料，如天然氣、煤、柴油、城市固體廢棄物(MSW)和生物質(zhì)等，其中生物質(zhì)的應(yīng)用日益受到重視[1-2]。

生物質(zhì)沼氣發(fā)酵可以將家畜糞便中含有的有機(jī)物轉(zhuǎn)換成具有高熱值的沼氣，沼氣通過沼氣發(fā)電機(jī)組可以產(chǎn)生電能和熱能，從而有效地清除家畜糞便的污染[3]。因此，生物質(zhì)沼氣熱電聯(lián)產(chǎn)近年來(lái)受到了越來(lái)越多的重視，得到了迅速的發(fā)展，在社會(huì)主義新農(nóng)村建設(shè)和國(guó)家能源發(fā)展中起到了重要作用[4]。

目前，我國(guó)的沼氣生產(chǎn)主要集中在農(nóng)村或者大規(guī)模家畜養(yǎng)殖場(chǎng)，反應(yīng)器內(nèi)溫度隨著環(huán)境溫度變化而變化，這嚴(yán)重影響了產(chǎn)氣率，尤其在冬季，由于氣溫和地溫都比較低，原料分解率低，沼氣的產(chǎn)氣率低、使用率低從而導(dǎo)致沼氣使用綜合效益差[5]。針對(duì)上述問題，國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者提出了較多的厭氧反應(yīng)器保溫增溫措施，例如，塑料暖棚增溫技術(shù)、燃池增溫技術(shù)、“豬、沼、炕”增溫技術(shù)、隔熱材料保溫法、沼氣池表面覆蓋柴草保溫方法、挖環(huán)形溝保溫法、秸稈廢棄物的燃燒方法、塑料薄膜覆蓋法、熱水鍋爐加熱法、太陽(yáng)能增溫等[6-11]。但是，這些方法存在著熱能轉(zhuǎn)化效率低、污染大、投資成本高等問題，因此，研發(fā)新型的厭氧反應(yīng)器保溫加熱措施的目標(biāo)是提高沼氣發(fā)電效率并降低環(huán)境污染。

沼氣發(fā)電機(jī)組在發(fā)電過程中會(huì)產(chǎn)生大量余熱，因此，應(yīng)用沼氣發(fā)電機(jī)組的自身余熱實(shí)現(xiàn)熱電聯(lián)產(chǎn)，為厭氧反應(yīng)器和廠區(qū)供暖受到了國(guó)內(nèi)較多的關(guān)注，并且在實(shí)際工程中得到了廣泛利用[12-14]。例如，張冰芝[12]等對(duì)以沼氣煙氣余熱加熱沼氣發(fā)酵原料為主，太陽(yáng)能集熱為輔，同時(shí)太陽(yáng)能集熱器提供戶用生活熱水的沼氣發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)、理論分析與試驗(yàn)驗(yàn)證；秦國(guó)輝[13]等對(duì)寒地沼氣發(fā)電機(jī)組的煙氣和循環(huán)冷卻水余熱利用進(jìn)行了分析與建模研究，同時(shí)引入了實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)熱量需求模型，以技術(shù)經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)指標(biāo)為優(yōu)化目標(biāo)，建立了回收余熱、沼氣發(fā)酵負(fù)荷與外加熱源的關(guān)系，確立了隨環(huán)境變化適時(shí)調(diào)整外加熱源的改進(jìn)控制方案；王蘭[14]等以江蘇某畜禽糞污沼氣發(fā)電項(xiàng)目為例，分析了畜禽糞污沼氣發(fā)電工程的中溫厭氧消化系統(tǒng)加熱能量供給及其影響因素。

圖1 工藝流程圖

1 國(guó)內(nèi)外沼氣發(fā)電技術(shù)現(xiàn)狀

沼氣發(fā)電是一個(gè)系統(tǒng)工程，它包括沼氣生產(chǎn)、凈化與儲(chǔ)存、沼氣發(fā)電及上網(wǎng)等多項(xiàng)單元技術(shù)的優(yōu)化組合，它始于上世紀(jì)70年代初期并在發(fā)達(dá)國(guó)家已受到廣泛重視和積極推廣，如美國(guó)的能源農(nóng)場(chǎng)、德國(guó)的可再生能源促進(jìn)法的頒布、日本的陽(yáng)光工程、荷蘭的綠色能源等。生物質(zhì)能發(fā)電并網(wǎng)在西歐如德國(guó)、丹麥、奧地利、芬蘭、法國(guó)、瑞典等一些國(guó)家的能源總量中所占的比例為10%左右，并一直在持續(xù)增加。沼氣發(fā)電設(shè)備方面，德國(guó)、丹麥、奧地利、美國(guó)的純?nèi)颊託獍l(fā)電機(jī)組比較先進(jìn)，氣耗率不大于0.5 m3·kWh-1(沼氣熱值≥25 MJ·m-3)價(jià)格在500～750美元·kWh-1，主要的設(shè)備廠商有卡特比勒、顏巴赫、道依茨、瓦克夏、高斯科爾等[15]。

沼氣燃燒發(fā)電是隨著沼氣綜合利用的不斷發(fā)展而出現(xiàn)的一項(xiàng)沼氣利用技術(shù)，將沼氣用于發(fā)動(dòng)機(jī)上，并裝有綜合的發(fā)電裝置，以產(chǎn)生電能和熱能，是有效利用沼氣的一種重要方式。我國(guó)沼氣工程中沼氣發(fā)電的比例不到3%，德國(guó)近3000處沼氣工程幾乎都發(fā)電上網(wǎng)，其98%工程屬于熱電聯(lián)產(chǎn)工程，發(fā)電余熱用于沼氣池加熱。我國(guó)已有一批沼氣發(fā)電設(shè)備生產(chǎn)企業(yè)，從幾十千瓦到幾百千瓦都已經(jīng)能夠生產(chǎn)，可靠性方面技術(shù)差距與國(guó)外正在縮小，但是發(fā)電余熱利用和熱交換技術(shù)與歐洲相比差距很大[16]。

本文以GE顏巴赫燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)為原動(dòng)機(jī)來(lái)介紹沼氣熱電聯(lián)產(chǎn)項(xiàng)目的余熱利用及供熱技術(shù)，隨著不同的生物質(zhì)原料需要不同的收集、儲(chǔ)存、運(yùn)輸以及轉(zhuǎn)化技術(shù)的國(guó)家相關(guān)配套鼓勵(lì)政策的出臺(tái)，我國(guó)沼氣發(fā)電技術(shù)及設(shè)備必將不斷地得到提高和完善。

2 沼氣熱電聯(lián)產(chǎn)工程實(shí)例分析

2.1 熱力系統(tǒng)簡(jiǎn)介

本文以山東某一大型生物質(zhì)沼氣工程為例，介紹了熱電聯(lián)產(chǎn)在實(shí)際工程中的應(yīng)用，對(duì)沼氣發(fā)電工程中能量衡算等方面進(jìn)行分析探討，旨在為沼氣發(fā)電等相關(guān)工程設(shè)計(jì)從業(yè)者提供依據(jù)。

根據(jù)顏巴赫內(nèi)燃機(jī)廠家內(nèi)燃機(jī)機(jī)組的內(nèi)循環(huán)系統(tǒng)圖以及余熱利用方案分析，繪制出一種生物質(zhì)沼氣熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)工藝流程圖具體如見圖1。

內(nèi)燃機(jī)內(nèi)循環(huán)系統(tǒng)：內(nèi)燃機(jī)有兩個(gè)內(nèi)循環(huán)系統(tǒng)，一級(jí)中冷循環(huán)系統(tǒng)和二級(jí)中冷循環(huán)系統(tǒng)。一級(jí)中冷循環(huán)系統(tǒng)由中冷器一級(jí)換熱器、潤(rùn)滑油換熱器、缸套水換熱器以及一級(jí)屋頂散熱器組成，這部分熱量回收利用；二級(jí)中冷系統(tǒng)由二級(jí)中冷散熱器與二級(jí)屋頂散熱器組成，這部分熱量不予利用。

內(nèi)燃機(jī)熱回收系統(tǒng)：內(nèi)燃機(jī)熱量回收系統(tǒng)包括缸套水換熱器、水-水板式換熱器、循環(huán)水泵、集水缸、分水缸、冷水灌、余熱鍋爐以及管道和相關(guān)管件。該系統(tǒng)的功能是冷卻內(nèi)燃機(jī)的缸套水、一級(jí)中冷水和潤(rùn)滑油，保證機(jī)組的安全可靠運(yùn)行并回收熱量供發(fā)酵罐及廠區(qū)采暖需求。來(lái)自冷水罐的軟化水溫度為70℃，經(jīng)過循環(huán)泵先輸送到集水缸再輸送至缸套水板式換熱器吸收內(nèi)燃機(jī)排出的熱量，再經(jīng)過余熱鍋爐吸收煙氣熱量溫度升高為90℃后返回分水缸供發(fā)酵罐及其他系統(tǒng)利用。

發(fā)酵罐熱水循環(huán)系統(tǒng)，發(fā)酵罐熱水循環(huán)系統(tǒng)包括熱水罐、熱水循環(huán)泵、水-水板式換熱器、以及管道和相關(guān)管件。該系統(tǒng)利用熱水加熱發(fā)酵罐內(nèi)的沼液，使之維持正常的溫度。熱水循環(huán)泵將熱水罐60℃的熱水輸送至出口供熱母管，經(jīng)發(fā)酵罐換熱器后降溫到40℃，40℃回水匯總至回水母管再經(jīng)過水-水板式換熱器換熱后升溫到60℃后返回到熱水罐。

2.2 運(yùn)行工況分析

增溫能耗主要是保證厭氧反應(yīng)器在相對(duì)穩(wěn)定的溫度下運(yùn)行，補(bǔ)償其運(yùn)行過程中散失到環(huán)境中的能量。厭氧消化反應(yīng)過程受溫度影響很大，中溫沼氣發(fā)酵其最佳溫度范圍為38℃±2℃。增溫的熱源來(lái)自熱電聯(lián)供發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的余熱。發(fā)電機(jī)余熱給厭氧反應(yīng)器增溫，補(bǔ)償反應(yīng)器的熱能損失。多余熱量可以用來(lái)滿足廠區(qū)采暖需求或生活熱水用。

夏秋工況：2臺(tái)內(nèi)燃機(jī)煙氣余熱鍋爐提供的熱水熱量足以滿足發(fā)酵罐所需熱量，內(nèi)燃機(jī)缸套水冷卻散熱通過屋頂散熱器來(lái)完成，缸套水熱量不回收；多余熱量提供生活熱水。

春冬季工況：2臺(tái)內(nèi)燃機(jī)煙氣余熱和缸套水熱量全部回收利用，滿足發(fā)酵罐所需熱量及廠區(qū)采暖需求和生活熱水。

2.3 發(fā)電機(jī)組余熱利用量

本文以1067 kW顏巴赫機(jī)組為例，對(duì)余熱輸出情況進(jìn)行分析，機(jī)組余熱中的煙氣熱能、缸套水熱能、一級(jí)中冷熱能、潤(rùn)滑油熱能回收利用。二級(jí)中冷余熱較少，溫度較低，不進(jìn)行回收，如表1所示。所以一臺(tái)機(jī)組外供的總熱量為1244 kW，兩臺(tái)總熱量為2488 kW。

表1 單臺(tái)發(fā)電機(jī)組余熱輸出指標(biāo)

從上述可知，排煙溫度為120℃發(fā)電機(jī)系統(tǒng)可利用熱量為排煙與缸套水熱量，共計(jì)1244 kW。其中，夏秋兩個(gè)季度所需的熱量均由兩臺(tái)煙氣余熱鍋爐提供，缸套水熱量由屋頂散熱器排空；春冬兩季煙氣余熱與缸套水熱量全部回收利用，滿足發(fā)酵罐所需熱量及部分采暖熱量，按照華北地區(qū)某一辦公樓采暖熱負(fù)荷為200 kW計(jì)，春、夏、秋、冬四個(gè)季節(jié)的熱負(fù)荷分配如表2所示(沼氣罐熱量需求由制沼資料獲得)。

表2 熱負(fù)荷分配表 (kW)

3 結(jié)論

在沼氣工程建設(shè)中，回收沼氣發(fā)電余熱實(shí)現(xiàn)熱電聯(lián)產(chǎn)既可以解決沼氣工程的熱量補(bǔ)充問題又可以避免能源的浪費(fèi)。為了進(jìn)一步提高沼氣發(fā)電系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益，通過余熱回收過程的建模與熱平衡分析，得到了不同季節(jié)下滿足全廠熱負(fù)荷需求的運(yùn)行方案，對(duì)生物質(zhì)沼氣發(fā)電工程具有實(shí)際意義。