李利

(中國華電科工集團(tuán)有限公司，北京 100160)

0 引言

生物質(zhì)沼氣是指通過發(fā)酵將家畜糞便中含有的有機(jī)物轉(zhuǎn)換成的具有高熱值的氣體。沼氣技術(shù)作為較為成熟的畜禽養(yǎng)殖廢棄物處理技術(shù)，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于散養(yǎng)和規(guī)?；B(yǎng)殖場的糞便、廢水處理。沼氣通過燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)帶動(dòng)發(fā)電設(shè)備產(chǎn)生電能，同時(shí)排出400 ℃以上的中溫?zé)煔饧氨倔w缸套冷卻水,這些低品位熱量約占總熱量的50%～55%。如將這些低品位熱量一部分引至沼氣發(fā)酵罐供發(fā)酵所需，另一部分引至吸收式制冷裝置制取冷水(7～10 ℃)用以夏季制冷，就形成了沼氣能源的梯級利用，綜合利用效率將達(dá)到80%左右。生物質(zhì)沼氣發(fā)電近年來受到了越來越多的重視，得到了迅速的發(fā)展，在社會(huì)主義新農(nóng)村建設(shè)和國家能源發(fā)展中起到了重要作用[1]。

目前，我國的沼氣生產(chǎn)主要集中在農(nóng)村或者大規(guī)模家畜養(yǎng)殖場，其反應(yīng)器內(nèi)的溫度隨環(huán)境溫度的變化而變化，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、使用率低，從而導(dǎo)致沼氣使用綜合效益差[2]。沼氣發(fā)電機(jī)組在發(fā)電過程中會(huì)產(chǎn)生大量余熱，應(yīng)用沼氣發(fā)電機(jī)組自身余熱實(shí)現(xiàn)為厭氧反應(yīng)器增溫、廠區(qū)供暖或者生產(chǎn)工藝?yán)渌燃夹g(shù)受到了國內(nèi)較多的關(guān)注。例如，張冰芝等[3]對以沼氣煙氣余熱為主、太陽能集熱為輔加熱沼氣發(fā)酵原料，同時(shí)利用太陽能集熱器提供用戶生活熱水的沼氣發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)、理論分析與試驗(yàn)驗(yàn)證；秦國輝等[4]對寒地沼氣發(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，以優(yōu)化技術(shù)經(jīng)濟(jì)評價(jià)指標(biāo)為目標(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；王蘭等[5]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。

本工程以某大型養(yǎng)豬場為例，利用綜合治理過后的糞污產(chǎn)生沼氣，采用內(nèi)燃機(jī)、余熱鍋爐和溴化鋰吸收式制冷技術(shù)，實(shí)現(xiàn)沼氣能源的梯級利用，提高了沼氣電站的綜合效益。

1 沼氣供能系統(tǒng)構(gòu)成

本工程采用美國通用顏巴赫內(nèi)燃機(jī)利用高品位的能源進(jìn)行高效率、長周期地發(fā)電，采用余熱鍋爐和遠(yuǎn)大溴化鋰吸收式制冷技術(shù)利用低品位能源制取冷水，為沼氣工程提供了冷熱電三聯(lián)供，實(shí)現(xiàn)了沼氣能源的梯級利用。為盡可能滿足內(nèi)燃機(jī)排出的煙氣和缸套水熱量的交換利用，配置了煙氣余熱鍋爐、缸套水板式換熱器、熱水溴化鋰吸收式制冷機(jī)組、循環(huán)水泵以及水罐等設(shè)備。且由于沼氣中含有有害雜質(zhì)(如硫化氫、固形物、水分等)，養(yǎng)豬場在沼氣回收利用中采用了1套預(yù)處理系統(tǒng)對厭氧端出來的沼氣進(jìn)行過濾、除濕、脫硫和增壓處理，以滿足沼氣發(fā)電機(jī)組進(jìn)氣要求。

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)流程以及余熱利用方案分析，繪制出1套生物沼氣熱電冷聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)工藝流程圖，如圖1所示。

內(nèi)燃機(jī)有2個(gè)內(nèi)循環(huán)系統(tǒng)：一級中冷循環(huán)系統(tǒng)由一級中冷換熱器、潤滑油換熱器、缸套水換熱器及散熱器構(gòu)成，經(jīng)過一級中冷循環(huán)系統(tǒng)的熱量根據(jù)機(jī)組特點(diǎn)被回收利用；二級中冷系統(tǒng)由二級中冷換熱器與散熱器組成，經(jīng)過這部分的熱量不被回收利用。

圖1 沼氣供能系統(tǒng)方案

熱交換系統(tǒng)主要設(shè)備有缸套熱水換熱器、中后冷卻水換熱器、熱水循環(huán)泵、冷水罐、熱水灌、冷卻水泵以及管道和相關(guān)管件。該系統(tǒng)的功能是冷卻內(nèi)燃機(jī)的缸套水、一級中冷水和潤滑油，保證機(jī)組的安全可靠運(yùn)行，回收熱量供發(fā)酵罐和溴化鋰制冷機(jī)組所需。來自冷水罐的軟化水溫度為70 ℃，經(jīng)過冷卻水泵后先輸送至缸套水板式換熱器吸收內(nèi)燃機(jī)排出的熱量，將溫度升高至90 ℃后，再返回?zé)崴薰┌l(fā)酵罐及溴化鋰制冷機(jī)組利用。

制冷系統(tǒng)主要設(shè)備有余熱鍋爐、中后冷卻水換熱器、循環(huán)水泵以及溴化鋰制冷機(jī)組(含冷媒循環(huán)泵及冷媒儲(chǔ)罐)等。該系統(tǒng)的功能是將內(nèi)燃機(jī)排出煙氣的熱量和過剩的缸套水熱量(水溫大于85 ℃的熱水)引至溴化鋰制冷裝置，通過熱交換和溴化鋰工作特性，將這部分熱能通過真空狀態(tài)下溴化鋰溶液的吸收、冷凝、節(jié)流和蒸發(fā)產(chǎn)生制冷效應(yīng)，降溫到7～10 ℃的冷媒由儲(chǔ)存罐收集并通過冷媒泵輸送到用冷單位，回水(一般為70 ℃)再返回到中后冷卻水換熱器和余熱鍋爐，加熱到85 ℃以上繼續(xù)參與下一循環(huán)。

2 沼氣回收利用的效益分析

2.1 項(xiàng)目規(guī)模

養(yǎng)豬場糞污經(jīng)過厭氧反應(yīng)器生成沼氣，其數(shù)量隨著有機(jī)物含量而變化。在夏季產(chǎn)量較多時(shí)生成沼氣約500～800 m3/h，約10 000～14 000 m3/d，冬季雖然溫度較低，但有發(fā)電機(jī)余熱維持發(fā)酵罐所需溫度可保證產(chǎn)氣量。所以綜合考慮，日產(chǎn)沼氣量約為12 000 m3。沼氣中甲烷體積分?jǐn)?shù)為55%～60%，顏巴赫發(fā)電機(jī)組電轉(zhuǎn)換效率為40.4%。若甲烷體積分?jǐn)?shù)按55%考慮，熱值取19.75 MJ/m3，則每立方米沼氣可產(chǎn)電量為19.75×40.4%/3.6=2.216 (kW·h)。根據(jù)沼氣量的變化情況和內(nèi)燃機(jī)特性，設(shè)置了2×636 kW的內(nèi)燃機(jī)發(fā)電機(jī)組。

2.2 效益分析

對于養(yǎng)殖場而言，沼氣可用作燃料或者出售，沼渣可用作肥料，沼液可節(jié)約化肥農(nóng)藥的費(fèi)用。而要使大型養(yǎng)殖場沼氣工程具有良好的經(jīng)濟(jì)可行性，除了提高政府補(bǔ)貼和發(fā)電上網(wǎng)兩項(xiàng)政策以外，發(fā)電機(jī)的余熱回收用于日常生活所節(jié)約的能量也應(yīng)作為沼氣工程的經(jīng)濟(jì)收益來源[6]。

該養(yǎng)豬場年產(chǎn)沼氣量在438萬m3左右，沼氣凈化后年發(fā)電量可達(dá)到9.63 GW·h，假設(shè)沼氣回收利用系統(tǒng)中各種風(fēng)機(jī)、水泵等輔助設(shè)備用電約占發(fā)電量的8%～10%，余下的8 000多MW·h的電能可通過輸配電網(wǎng)路上網(wǎng)。

沼氣發(fā)電后產(chǎn)生的高溫?zé)煔夂?0 ℃以上缸套水除部分用于發(fā)酵罐發(fā)酵，其他全部引入溴化鋰吸收式制冷機(jī)進(jìn)行熱交換做功制取工藝?yán)渌?7～10 ℃)，按照顏巴赫機(jī)組的技術(shù)參數(shù)，兩臺(tái)機(jī)組可利用余熱總量一般可以達(dá)1 570 kW，冬季極端情況下發(fā)酵罐發(fā)酵所需熱量約為560 kW，所以煙氣和缸套熱水充分利用制冷量至少有1 000 kW。

經(jīng)濟(jì)效益主要體現(xiàn)在發(fā)電和制冷2個(gè)方面成效：可供上網(wǎng)用電約8.60GW·h，按生物質(zhì)發(fā)電項(xiàng)目的標(biāo)桿上網(wǎng)電價(jià)(0.75元/(kW·h))計(jì)算，創(chuàng)造電能價(jià)值約為645萬元；年產(chǎn)冷量至少為31.5TJ，相當(dāng)于節(jié)約電能1.335GW·h，折合價(jià)值約100萬元。沼氣回收利用的年發(fā)電和節(jié)電價(jià)值共計(jì)約745萬元。

3 結(jié)論

該養(yǎng)豬場沼氣回收利用一方面解決了動(dòng)物糞便尿液的污染問題，另一方面將能源利用最大化，經(jīng)過凈化的沼氣采取能源梯級利用，較高品味的燃?xì)庀冗M(jìn)行發(fā)電，發(fā)電后排出的低品位煙氣和缸套水熱量再用來供熱和制冷，其能源綜合利用率為單純發(fā)電的能源利用率的兩倍，符合“節(jié)能減排”環(huán)境保護(hù)的要求。沼氣的回收利用展示了生物能源的合理利用，做到了經(jīng)濟(jì)效益與環(huán)境效益雙贏，通過發(fā)電和制冷，每年可創(chuàng)造出約745萬元的經(jīng)濟(jì)效益。