沼氣發(fā)電技術工藝及余熱利用技術探討

　　1引言

　　人類對沼氣的研究起源于十八世紀，1776年，意大利科學家沃爾塔通過分析，測定沼氣的主要成分為甲烷和二氧化碳;1781年，法國科學家穆拉發(fā)明了人工沼氣發(fā)生器，之后，沼氣逐漸被人們利用。中國于上世紀20～30年代左右出現(xiàn)了沼氣生產(chǎn)裝置，近幾十年來，沼氣發(fā)酵技術已廣泛用于處理農(nóng)業(yè)、工業(yè)以及人類生活中的各種有機廢棄物并制取沼氣，為人類生產(chǎn)和生活提供了豐富的可再生能源。到2005年底，我國已建成各類大中型沼氣工程3764處，總池容172萬m3，年處理1.2億噸廢棄物，年產(chǎn)沼氣3.4億m3，利用沼氣發(fā)電4000萬kWH，供氣138萬戶。其中處理農(nóng)業(yè)廢棄物的沼氣工程運行數(shù)量為3556處，總池容100萬m3，廢棄物處理量8710噸，年產(chǎn)沼氣2.3億m3，供氣用戶數(shù)近132萬戶。

　　我國的大中型沼氣工程的技術工藝日趨成熟，配套設備已達到或接近國際水平。在沼氣工程的成套技術方面，可根據(jù)豬糞、雞糞、牛糞等原料特殊性的差異，進行包括預處理、厭氧、沼氣輸配、制肥、消化液后處理的全部設計;在配套設備方面，我國已成功研制了純?nèi)颊託獍l(fā)電機組，制罐、自動控制、脫硫脫水、固液分離等裝置已形成系列化成熟產(chǎn)品。

　　目前，我國大中型沼氣發(fā)電工程普遍存在的問題是：沼氣發(fā)酵原料轉(zhuǎn)化率低、產(chǎn)氣率低，運行穩(wěn)定性差、經(jīng)濟效益低;進料濃度低、量大，厭氧發(fā)酵后的深度處理問題;沼氣內(nèi)燃機發(fā)電效率低，余熱利用率低，導致熱電聯(lián)產(chǎn)機組的總熱效率低。

　　2沼氣發(fā)電技術

　　2.1制沼原料及產(chǎn)氣量

　　沼氣是有機物在厭氧條件下經(jīng)微生物分解發(fā)酵而生成的一種可燃性氣體，主要原料包括人畜禽糞便、秸稈、農(nóng)業(yè)有機廢棄物、農(nóng)副產(chǎn)品加工的有機肥水、工業(yè)廢水、城市污水和垃圾、水生植物和藻類等有機物質(zhì)?？扇細怏w的主要成分是甲烷和二氧化碳。

　　制沼原料的產(chǎn)氣量通常根據(jù)原料中的總固體(TS)、揮發(fā)性固體(VS)、生化需氧量(BOD-是指微生物將溶液中的有機質(zhì)分解所消耗氧的量)、化學需氧量(COD-是指在一定條件下，溶液中有機質(zhì)與強氧化劑重鉻酸鉀作用所消耗氧的量)四項主要指標來判別，結合實際的發(fā)酵工藝及原理，可以近似得出不同制沼原料的產(chǎn)氣量。

　　2.2制沼技術工藝發(fā)展

　　隨著發(fā)酵技術工藝的發(fā)展，厭氧干式發(fā)酵技術是當前國際前沿的有機廢棄物處理技術。厭氧發(fā)酵和傳統(tǒng)的濕發(fā)酵工藝最大的區(qū)別是：采用干發(fā)酵工藝時，發(fā)酵原料的干物質(zhì)含量為20%～50%。而濕發(fā)酵原料的干物質(zhì)含量一般在5%左右。厭氧干發(fā)酵技術的特點是在固體有機廢物厭氧發(fā)酵生產(chǎn)沼氣后，發(fā)酵剩余物為固體有機肥料，處理過程中沒有污水產(chǎn)生;厭氧干發(fā)酵系統(tǒng)運行時自身能耗低，冬季僅耗用滋生生產(chǎn)能量的10%～15%。這種技術特別適合于固體廢物量大、污水少的情況下廢棄物資源化利用。

　德國的制沼工藝技術走在了世界的前列。制沼原料主要是動物糞便、能源作物、生物垃圾以及工業(yè)和農(nóng)業(yè)殘渣等，針對不同的制沼原料，采取不同的制沼工藝，保證合理的沼氣產(chǎn)量及穩(wěn)定。德國傳統(tǒng)的畜禽糞便沼氣制備工藝為畜禽的糞便以及沖洗水和尿全部進一套厭氧反應罐，厭氧反應罐的溫度可以調(diào)節(jié)，既可以采取中溫發(fā)酵，也可以采取高溫發(fā)酵，德國制沼工藝的先進性保證了沼氣的高產(chǎn)量以及沼氣產(chǎn)量的高穩(wěn)定性。

　　我國有關沼氣工程發(fā)酵工藝的原創(chuàng)性研究結果較少，由此導致我國沼氣工程的發(fā)酵率低。歐洲尤其是德國在沼氣行業(yè)發(fā)展速較快，制沼工藝較為先進。其沼氣工程普遍采用高濃度發(fā)酵，進料濃度一般在20%TS以上(TS為含固率)，我國基本上在6%TS以下。發(fā)酵濃度高，裝置產(chǎn)氣率就高。歐洲沼氣工程幾乎全部采用中高溫發(fā)酵，容積產(chǎn)氣率在1～6m3/m3?d，而我國絕大多數(shù)沼氣工程采用常溫或中溫發(fā)酵，容積產(chǎn)氣率一般小于1m3/m3?d，發(fā)酵效率低嚴重制約了大中型沼氣工程的發(fā)展。

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