沼气发电技术的探讨

摘要：由于城市固体废物中大量存在的生物质垃圾，具有产生量大、易生物降解和高含水的特点，成为固体废物污染环境的主要污染源。其特殊的理化特征和工程处理特性，是造成传统填埋、焚烧、堆肥处理过程产生恶臭、高浓度渗滤液、以及二英超标等二次污染的主要原因。城市固体废弃物沼气发电技术是生物质能源回收利用的最佳可行技术，对城市的低碳循环经济和环境保护都有着极其广泛的应用前景。本文对沼气发电的特点、沼气发电动力装置的选择及关键技术、沼气内燃机发电系统的组成进行了介绍。

关键词：新能源；沼气发电；内燃机

中图分类号：TU241文献标识码： A

引言

生物质垃圾就是人们在生活中所产生的废物，包括固体或液体等多种形态。人们自己难以进行分解，而且若以焚烧的方法，很容易产生多种有害气体。所以，只能将其进行填埋，形成垃圾填埋场，而垃圾的数量越来越多，填埋场也要采取相关措施，处理过大的垃圾。沼气发电就是一种有效的方式，不但处理了多余的废物，还生成了有利能源，再供给人们生活。从目前来看，处理城市生活垃圾的主要方式是进行填埋，处理垃圾的数量已达85%以上，且如果不科学的治理填埋场释放的沼气，那么人们的生活环境和身体也受到影响。

一、沼气资源的特点

沼气是有机物质在厌氧条件下，经过微生物的发酵作用而生成的一种混合气体。沼气是多种气体的混合物，一般含甲烷50～70%，其余为二氧化碳和少量的氮、氢和硫化氢等。其特性与天然气相似。沼气无色、无味、无毒，比空气轻，难溶于水，易燃。沼气是性能较好的燃料，纯燃气热值为21.98MJ/m3(甲烷含量60％、二氧化碳含量32％)时，属中等热值燃料，沼气还是可再生能源。因此，高效的利用沼气资源，可以有效的减少污染，也使资源得到了综合利用。

二、沼气发电动力装置

（一）、工艺系统的拟定

确定了设计方案，现在拟定相应的沼气发电工艺系统图。大型沼气发电综合利用工程将有机垃圾、餐厨垃圾和污水厂污泥等废弃污物经过厌氧消化反应全部转变成了沼气。垃圾填埋场沼气经收集后与厌氧沼气，经过净化后进入沼气发电机组进行燃烧发电，进气压力为4000Pa，排烟温度为550℃，给水温度80℃，回水温度70℃。从发动机排出的水通过换热器，使水温降低，从而加热冷却水，使预热后的冷却水进入余热锅炉，通过发动机的烟气使之进一步加热冷却水，使加热后的冷却水足够满足厌氧消化池的热量需求，不断的循环下去。工艺系统流程图如1。

图1沼气发电机发电的工艺系统流程图

（二）、沼气发电机组方案

沼气发电一般有以下两种方案：（1）采用点燃式沼气发动机组；方案（2）采用压燃式沼气发动机组。两种方案的特性参数如表1所示：

表1两种沼气发动机的比选

方案（1）中的点燃式沼气发动机组具有模块化，操作容易，可实现自控，不需要添加额外燃料，考虑到本设计对象为整个广州市区范围内固废厌氧产沼，经计算得知日产沼气量为5.3×105m3/d，且产量稳定、几乎不会出现停气的情况，可避免因双燃料系统所导致的系统过于复杂和可靠性降低的问题，故可选方案（1），即用点燃式沼气发动机。

燃气内燃机与其他发电设备的比较如表2，从中可以看出，相对于燃气内燃机，其他燃气发电设备如燃气轮机、微轮机、燃料电池等，投资成本要比燃气内燃机高得多。而且燃气内燃机具有发电效率高、对气源进气压力（中、低压）、进气温度要求低，热值范围广，功率范围覆盖20kW-5000kW，可以单机运行也可以多台机组并机、并网运行，建站灵活。投资成本低，投资回收期快。机组操作方便，启动停车迅速，维护简单。

表2燃气内燃机与其他发电机的区别

（三）、发电机组的热经济性指标

1、发电机组的效率

发电效率：

发动机总功率：

2、发动机组排烟利用的效率

烟道出口烟气温度基本能达到550℃，经针型管余热锅炉换热后烟气温度120℃；烟气密度ρ＝1.293kg/m3；烟气比热C＝0.257kcal/kg・℃，烟气由550℃降为120℃时，释放的热量为：

3、循环水的利用效率

水的比热C＝4.192KJ/kg・℃，循环水流量：10000/24=416.7m3/h

单台发动机的总热能利用效率为：

三、沼气发动机的关键技术

沼气发动机要解决的核心问题是沼气的净化处理和混合。

（一）、沼气的净化处理

沼气的产生主要是通过无氧环境下污水、污泥中的厌氧菌菌群的作用，使有机物经液化、气化而分解成沼气。生成的沼气中含有腐蚀性介质，有微量的水分和H2S等，这些腐蚀性介质会对输气管道和发动机部件产生腐蚀，影响发动机的正常运行和使用寿命。

沼气的提纯方法有:NaOH水溶液吸收法、沸石吸附法(PSA法)和膜分离法。由于沼气干法脱硫适用于含硫量较低的燃气，工艺简单，成熟可靠，二次污染物排放量少。根据本项目的沼气产量及硫化氢含量，拟采用干法脱硫。

脱硫塔一般由塔体、封头、进出气管、检查孔、排污孔、支架及内部木格栅等组成。根据处理沼气量的不同，在塔内可分为单层床或双层床。从减小沼气的压力损失，便于更换脱硫剂的角度和污水厂的沼气产量多方面考虑，选用分层式径向型脱硫塔。沼气从塔底进入内筒，沿径向穿过脱硫剂床层，然后顺着外筒与塔壁的环隙，从下部引出。其特点是流通截面大、压降低，气体变速通过床层。径向型结构一般适用于直径大于3米的场合。内筒、外筒的布孔及防止分层短路，是该脱硫塔设计的关键。为保证脱硫效果，脱硫塔内氧化铁的装填量应保证反应层高度与脱硫塔直径之比大于3～4。本项目设置脱硫塔直径为4米，高度为13米的脱硫塔3座（两用一备），以满足沼气脱硫之用。

（二）、沼气发电机组的防腐处理

沼气中含有的H2S和水分形成弱酸液，对管道及发动机的金属部件产生腐蚀，特别是对铜质及铝质部件腐蚀更为严重。因此，应对输气管道中的易腐蚀部件进行防护处理。另外，沼气中的H2S燃烧会产生S02，S02的腐蚀性更强，所以燃烧室和排气管均应采取防腐措施。

（三）、电控混合器技术

普通的燃气发动机在CH4浓度变化时无法自动调节空燃比，会导致发动机的输出功率和转速波动较大，甚至因点火问题停机。沼气发电机组采用电控混合器，电脑实时监控燃气的燃烧情况，将信号发送到ECU，然后由ECU发出信号，改变气道的流通面积，从而根据CH4浓度的变化合理匹配沼气和空气的流量，实现实时调节空燃比。

（四）、沼气增压机

增压机是专门为沼气而设计的用以改善沼气压力不足的现象，使沼气燃烧得更充分，火力更大。由于泵的负压作用，使气体更容易稳定收集，它广泛用于各类沼气池和远距离输送沼气。

消化池沼气产生的压力为：2000Pa～4000Pa，进气管道损失压力为366Pa，沼气在管道中的流速为8.13m/s，沼气的密度为1.22Kg/m3，沼气的流量为2.1×105m3/d，因此选择增压机需要的最大风压为：

（五）、沼气安全系统

沼气虽然具有很高的资源化利用价值，但也具有一定的危险性，如当空气中甲烷含量超出一定限值时，遇到火源或高温热源开始燃烧，并易引起火灾，甚至发生爆炸。而且，若空气中CO2的含量达到一定浓度也具有一定毒性，如当空气中的二氧化碳含量增加到30%左右，人的呼吸就会受到抑制，以致麻木；沼气中硫化氢也是一种有毒气，当硫化氢达到600-1000μL/L时，30分钟内会致人死亡。因此，在沼气发电系统设计中，最重要的一点就是考虑消防安全的因素，与环境敏感点之间留有一定的安全防护距离，特别是在总平面布置时，要充分考虑各个构建筑物的位置及距离，同时在厂房内设置可燃气体报警器，重点部位（如增压机房）应满足防爆设计规范。

结束语

沼气发电是提高沼气综合利用的有效方法，也使沼气的利用有了更为广阔的前景。它即能提供清洁能源，又能解决环境问题。尤其是具有一定规模的大中型沼气工程，沼气发电应是其运营的首选途径。如果能实现热电联产，经济效益将更为显著。从我国沼气生产潜力、发电设备水平、市场需求以及国家政策导向来看，可以预见沼气发电有很大的发展空间。

国外的发展经验表明，目前沼气发展的原动力主要是政策激励，沼气发展迅速的一些国家，都有相应的激励政策，包括价格激励、财政补贴、减免税费、配额制度以及加强科研投入等，这些经验对我国发展沼气发电产业极具借鉴价值。

参考文献

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