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【專家解說】：

沼氣發(fā)電

沼氣發(fā)電始于20世紀70年代初期。當時，國外為了合理、高效地利用在治理有機廢棄污染物中產(chǎn)生的沼氣，普遍使用往復式沼氣發(fā)電機組進行沼氣發(fā)電。使用的沼氣發(fā)電機大都是屬于火花點火式氣體燃料發(fā)動機，并對發(fā)動機產(chǎn)生的排氣余熱和冷卻水余熱加以充分利用，可使發(fā)電工程的綜合熱效率高達80%以上。通常每100萬噸的家庭或工業(yè)廢物就足以產(chǎn)生充足的甲烷作為燃料供一臺一兆瓦的發(fā)電機運轉(zhuǎn)10～40年。在我國20世紀70年代沼氣發(fā)電開始受到國家的重視，成為一個重要的課題被提出來。到80年代中期我國已有上海內(nèi)燃機研究所、廣州能源所、四川省農(nóng)機院、南充地區(qū)農(nóng)機所、武進柴油機廠、泰安電機廠等十幾家科研院所、廠家對此進行了研究和試驗。在我國，沼氣機、沼氣發(fā)電機組已形成系列化產(chǎn)品。目前國內(nèi)從8千瓦到5000千瓦各級容量的沼氣發(fā)電機組均已先后鑒定和投產(chǎn)，主要產(chǎn)品有全部使用個沼氣的單燃料發(fā)動機及部分使用沼氣的雙燃料沼氣-柴油發(fā)動機。

一、沼氣發(fā)電系統(tǒng)概述

構(gòu)成沼氣發(fā)電系統(tǒng)的主要設備有沼氣發(fā)動機、發(fā)電機和熱回收裝置。沼氣經(jīng)脫硫器由貯氣罐供給燃氣發(fā)動機，從而驅(qū)動與沼氣內(nèi)燃機相連接的發(fā)電機而產(chǎn)生電力。沼氣發(fā)動機排出的冷卻水和廢氣中的熱量通過熱回收裝置進行回收后，作為沼氣發(fā)生器的加溫熱源。

從廢水處理廠出來的污泥進入一次消化槽和二次消化槽，在消化槽中產(chǎn)生的沼氣首先經(jīng)脫硫器進入球形貯氣罐，然后由此輸送入沼氣發(fā)電裝置中。作為發(fā)動機燃料的沼氣中甲烷的含量必須高于50%，不必要進行二氧化碳的脫除，因為少量二氧化碳對發(fā)動機有利，使其工作平穩(wěn)，減少廢氣中有毒物的含量。從發(fā)電裝置出來的廢沼氣進入熱交換器中，將熱量釋放出來，用來加熱進行厭氧發(fā)酵的污泥，從而提高沼氣的發(fā)生率。

二、沼氣用于內(nèi)燃機的特點

甲烷的辛烷值在105～115之間時，沼氣的辛烷值較高。由于抗爆性能好，發(fā)動機可以選用較高的壓縮比。柴油機在燃用沼氣或雙燃料時，可以獲得不低于原機的功率。柴油機全部燒柴油時的額定功率為9708W/2000r/min，如果燃用70%的沼氣和30%的柴油，同樣可以達到這一指標。如全部燒沼氣，調(diào)整壓縮比和燃燒室，可以達到11032W/2000r/min，乃至更高的指標。

甲烷的燃燒點在640～840℃之間，它在密閉條件下與空氣的混合比為1/120～1/7時遇火引燃，因此，可以利用它使內(nèi)燃機工作。

沼氣的理論燃燒溫度為1807.2～1945.5℃，由于沼氣中混有二氧化碳氣，使其火焰的傳播速度低，所以在內(nèi)燃機內(nèi)有良好的抗爆作用。

三、沼氣發(fā)動機裝置

在我國，有全部使用沼氣的單燃料沼氣發(fā)動機及部分使用沼氣的雙燃料沼氣-柴油發(fā)動機。下表為兩種發(fā)動機的性能比較。

兩種發(fā)動機的性能比較

項目

單燃料式發(fā)動機

雙燃料式發(fā)動機

點火方式

電點火方式

壓縮點火方式

原理

將“空氣沼氣”的混合物在氣缸內(nèi)壓縮，用火花塞使其燃燒，通過火塞的往復運動得到動力

將“空氣燃燒氣體”的混合物在氣缸內(nèi)壓縮，用點火燃料使其燃燒，通過火塞的往復運動得到動力，是復合燃料發(fā)動機

優(yōu)點

① 不需要輔助燃料油及其供給設備

② 燃料為一個系統(tǒng)，在控制方面比可燒兩種燃料的發(fā)動機簡單

③ 發(fā)動機價格較低

① 用液體燃料或氣體燃料都可工作

② 對沼氣的產(chǎn)量和甲烷濃度的變化能夠適應

③ 如由用氣體燃料轉(zhuǎn)為用柴油燃料在停止工作，發(fā)動機內(nèi)不殘留未燃燒的氣體，因為餓耐腐蝕性好

缺點

工作受到供給的沼氣的數(shù)量和質(zhì)量的影響

① 用氣體燃料工作時也需要液體輔助燃料

② 需要液體燃料供給設備

③ 控制機構(gòu)稍復雜

④ 借個較單燃料式發(fā)動機稍高

近十幾年由于農(nóng)村家庭責任制、大中型的工廠化畜牧場的建立及環(huán)境保護等原因，我國的沼氣機、沼氣發(fā)電機組已向兩極方向發(fā)展。農(nóng)村主要向3～10千瓦沼氣機和沼氣發(fā)電機組方向發(fā)展，而酒廠、糖廠、畜牧場、污水處理廠的大中型環(huán)保能源工程，主要向單機容量為50～200千瓦的沼氣發(fā)電機組方向發(fā)展。國外，絕大多數(shù)小型沼氣發(fā)電機均有原汽油機改裝而成，其功率大都下降，一般下降15%～20%，而柴油機改裝成小功率的沼氣機很少，原因在于其控制系統(tǒng)均采用電子調(diào)速系統(tǒng)來控制混合器，增加了成本。在國內(nèi)，大多數(shù)小功率沼氣機的改裝都以柴油機為主，功率相對下降10%～15%，主要原因為沼氣中含甲烷量少，發(fā)動機工作容積不變，不能增加混合氣熱值所致，熱效率在33%～36%之間。

（一）單燃料發(fā)動機

單燃料發(fā)動機又稱為全燒式發(fā)動機，在沼氣產(chǎn)量大的場合可連續(xù)穩(wěn)定地運行，適合在大、中型沼氣工程中使用，可以使用天然氣發(fā)動機，亦可由柴油機改裝而成。由于氣體燃料的組分、熱值、物理性能、著火溫度、爆炸極限、燃燒特性存在很大差異，當利用天然氣發(fā)動機燃燒沼氣時，需對發(fā)動機的相關(guān)部件進行必要的調(diào)整或改裝，例如發(fā)動機的空氣-燃氣混合器，在改裝時，空氣閥的通徑需擴大1.4倍左右；此外，還應根據(jù)發(fā)動機對空燃比和調(diào)節(jié)特性的要求，確定燃氣閥芯的型號，設計若干組閥座與閥芯的配合方案，以備篩選。

即使是同一種氣體燃料，其燃燒特性同樣會因產(chǎn)地、原料、成分的不同而不同。所以氣體燃料的發(fā)動機必須根據(jù)實際的燃氣特性進行現(xiàn)場調(diào)試，以達到預期的技術(shù)技能和經(jīng)濟指標。沼氣發(fā)電機組調(diào)試的目的是根據(jù)現(xiàn)場實際的燃料特性，將空燃比和點火提前角調(diào)整到最佳范圍，使發(fā)動機達到設計的性能指標?？杖急鹊恼{(diào)整是關(guān)鍵，在調(diào)試過程中應對沼氣燃料的成分和空燃比進行隨機監(jiān)控，以便隨時調(diào)整調(diào)試的方向。

國內(nèi)也有將四沖程的液體燃料發(fā)動機改裝成為氣體燃料發(fā)動機的，這種改裝比改裝為燃料發(fā)動機復雜，因為液體燃料發(fā)動機本身缺少點火裝置。若將柴油機改燒沼氣，需做如下幾項工作：

1.確定降低壓縮比及燃燒室形狀所必須的機器改裝；

2.設計沼氣的進氣系統(tǒng)和沼氣-空氣混合器結(jié)構(gòu)；

3.設計氣體調(diào)節(jié)系統(tǒng)及其與調(diào)速器的聯(lián)動機構(gòu)；

4.設計點火系統(tǒng)。

若是由汽油機改燒沼氣則不需要再做1、3、4項工作。

燃用沼氣時內(nèi)燃機的具體改裝：

1.汽油機的改裝

只需在原機的化油器前部加上一個沼氣-空氣混合器，就可以用沼氣代替汽油使汽油機連續(xù)工作。國內(nèi)外已有較成功的實驗結(jié)果。

德國直接用汽油機燃用沼氣；菲律賓在21室315m 的沼氣池裝上豐田全燃沼氣發(fā)動機帶動發(fā)電機組發(fā)電；臺灣省利用沼氣開動2.2.6kW汽油機帶動2kW發(fā)動機組工作；四川省用沼氣帶動1kW、2kW、12kW、15kW等不同功率的發(fā)電機組，用80 m 沼氣池的沼氣供2.206kW汽油機使用；湖北省用沼氣開動2.206kW汽油機。

2.柴油機的改裝

應加裝磁電機或蓄電池電點火系統(tǒng)，同時增加火花塞，變內(nèi)燃式發(fā)動機為點火式發(fā)動機，即點火的全燃沼氣發(fā)動機。

甲烷與適量空氣混合（含5%～15%甲烷），即可進行燃燒?；旌蠚鈮旱狡變?nèi)，溫度一般不超過700℃，低于甲烷的自燃溫度，但又高于柴油的自燃溫度，當壓縮沖程終了前噴以少量柴油以引燃沼氣，所以能保證雙燃料內(nèi)燃機正常工作。

沼氣柴油雙燃料發(fā)動機的工作安全可靠。燃用沼氣的雙燃料內(nèi)燃機的耗氣量為每0.736kW·h0.4～0.5 m ，熱效率在22%～25%之間。

單燃料沼氣發(fā)動機的基本工作原理為：沼氣與空氣在混合器內(nèi)形成可燃混合氣，被吸入氣缸后，當火塞壓縮接近上止點時，由火花塞點燃進行燃燒做功。單燃料沼氣發(fā)動機一般存在燃燒速度慢、后燃嚴重、排氣溫度高與熱負荷大等問題，為了加快混合氣的燃燒速率，可以通過提高壓縮比，加強混合氣的氣流擾動，提高點火能量等措施來實現(xiàn)。考慮到沼氣與柴油不同的物理化學特性，針對沼氣燃燒速度慢的特點，可以采用能改善其燃燒性能的快速燃燒方法，具體為：

1.采用紊流型燃燒室，使得燃燒室內(nèi)產(chǎn)生強度很大的紊流和尺度很小的微渦團，提高沼氣-空氣混合氣的燃燒速度，縮短快速燃燒期；

2.沼氣的主要成分是甲烷，抗爆性能很好，可以選擇高壓縮比；

3.為了防止排氣管“放炮”，采用的氣閥重疊角比原柴油機減少60°曲軸轉(zhuǎn)角。

（二）沼氣-柴油雙燃料發(fā)動機及裝置

沼氣-柴油雙燃料發(fā)動機是對柴油機的進氣混合系統(tǒng)和雙燃料調(diào)節(jié)系統(tǒng)進行改裝得到。其工作原理是：沼氣與空氣在混合器中形成可燃混合氣，被吸入氣缸后，當活塞壓縮接近上止點時，向燃燒室內(nèi)噴入少量引燃柴油，柴油燃燒后點燃缸內(nèi)混合氣進行燃燒做功。雙燃料發(fā)動機在正常運行情況下，其引燃柴油量在8%～20%（單位時間內(nèi)引燃油耗量與改裝前該發(fā)動機在額定工況下柴油耗量的比值）之間。雙燃料發(fā)動機的特點是在燃氣不足甚至沒有的情況下增加進行燃燒的柴油量，甚至完全燒柴油，以保證發(fā)動機正常運行。因此，使用起來比較靈活，適用于產(chǎn)氣量較少的場合（如農(nóng)村地區(qū)的小沼氣工程中）。這種方案的最大優(yōu)點就是可以利用少量的引燃柴油壓縮后點燃沼氣。因為哪怕只有5%左右的柴油，其著火能量就會大大高于火花塞點火的能量，就有可能使沼氣的著火滯后期乃至整個燃燒期縮短，從而解決沼氣機的嚴重后燃、高排溫與熱負荷大等問題。任何一臺四沖程柴油機都不必更換主要零件，就可以改裝成為柴油-沼氣機。

我國采用的雙燃料沼氣發(fā)動機，沒改變原柴油機結(jié)構(gòu)，可保證在運行狀態(tài)時轉(zhuǎn)換為全燒柴油工作。保留了原燃油系統(tǒng)，在保證噴油嘴零件有最夠的冷卻強度情況下確定的節(jié)油指標能達到國際公認的最佳范圍。國外柴油機改為柴油-沼氣雙燃料機若供油系統(tǒng)不變，其節(jié)油率為70%～85%，但其熱量利用率地域原柴油機。我國的雙燃料發(fā)動機，從1974年先后有四川農(nóng)機院、上海內(nèi)燃機研究所、中科院廣州能源所等十幾個科研大為從事這方面的研究試驗工作，并去的很好的成績，改裝后的機組，操作極其簡單方便，其節(jié)油率在75%以上，發(fā)電機組的主要性能指標達到我國GB 2819-81《交流工頻移動電站通用技術(shù)條件》所規(guī)定的指標范圍。目前國內(nèi)較多使用雙燃料發(fā)動機（單燃料發(fā)電機組多為石油部門采用），但是大中型雙燃料發(fā)動機采用手動調(diào)節(jié)，工作可靠性差，操作困難，而且操作人員不能離開機組，工作強度大。

1．雙燃料內(nèi)燃機的操作使用方法

（1）起動

關(guān)閉沼氣閥，按柴油機的起動方法，用柴油起動。

（2）操作

起動后帶上負荷，將柴油機油門放在合適位置（一般放在中間偏低一點位置）， 待發(fā)動機運轉(zhuǎn)正常后，慢慢地打開沼閥輸入沼氣。通氣后，在調(diào)速器作用下供油量自動減少，發(fā)動機轉(zhuǎn)速穩(wěn)定。若沼氣輸入量過多，發(fā)動機會出現(xiàn)瞬時供油中斷現(xiàn)象，產(chǎn)生斷續(xù)的工作聲。遇到這種情況，應將沼氣閥關(guān)小，直到正常運轉(zhuǎn)為止。調(diào)整轉(zhuǎn)速的方法與改裝前用柴油工作一樣，通過改變油門手柄位來完成。

（3）停車

先關(guān)沼氣閥，再關(guān)油門。

2．操作注意事項

（1）經(jīng)常檢查沼氣閥、輸氣管道、接頭等是否漏氣，以免引起火災甚至爆炸事故。

（2）操作沼氣閥要平穩(wěn)，不要忽大忽小，以避免因進入的沼氣量忽多忽少而造成發(fā)動機工作不正常。

（3）經(jīng)常注意雙燃料發(fā)動機，在運轉(zhuǎn)中負荷與沼氣壓力的變化，好的機手在穩(wěn)定負荷下節(jié)油率可高達80%～90%，差的機手則只有50%～60%。

（4）當沼氣供氣不足時，不必停機，只要半閉沼氣閥，即可按一般柴油機操作方法使用。

3．操作中出現(xiàn)不正常情況及處理辦法

（1）起動后轉(zhuǎn)速不夠，工作吃力，排氣管冒白煙或冒黑煙，有時甚至熄火。原因是負荷太重或過早輸入沼氣。冒黑煙說明發(fā)動機已因空氣量過少，混合氣過濃而燃燒不完全。

排除方法：盡可能做到空車起動，運轉(zhuǎn)正常后再加負荷，如需要帶負荷起動時，就應先用柴油起動，待運轉(zhuǎn)正常后再逐漸輸入沼氣。

（2）起動后，轉(zhuǎn)速不夠，帶不起負荷。原因是調(diào)速把手（油門把手）位置不對。如果把油門把手放在小的位置，也就是把調(diào)速把手放在了低轉(zhuǎn)速位置，起動后轉(zhuǎn)速自然就上不去。

排除方法：按柴油的起動方式用柴油起動后，再帶上負荷，把調(diào)速把手（油門） 按負荷大小固定在適宜位置，再逐漸輸入沼氣。

（3）輸入沼氣后轉(zhuǎn)速反而下降，甚至熄火。原因是沼氣輸入過多、過快，沼氣和空氣是通過同一氣管進入的，大量沼氣的輸入勢必會減少空氣的進入量，會造成燃燒不好、不完全，轉(zhuǎn)速自然就下降。

排除方法：慢慢打開沼氣閥逐漸增加沼氣量，當聽到有斷續(xù)的放炮聲時再將沼氣閥略為關(guān)小，直到斷續(xù)聲和放炮聲消失為止。

（4）工作過程中產(chǎn)生斷續(xù)聲和放炮聲。原因是工作負荷減少，相對沼氣增加。如果負荷急劇減少，轉(zhuǎn)速陡然上升，調(diào)速器使油門迅速關(guān)閉，轉(zhuǎn)速又陡然下降而油門又在調(diào)速器彈簧作用下打開，過多的柴油與可燃氣體因燃燒不完全在排氣管內(nèi)第二次膨脹，就會產(chǎn)生“噼啪”的放炮聲。

排除方法：遇到上述情況，慢慢關(guān)小沼氣閥，或加大負荷直至斷續(xù)聲和放炮聲消除為止。

（5）節(jié)油效果不好。在正常情況下，該設備的節(jié)油率應在75%90%，否則視為節(jié)油效果差。這主要是由于沼氣池產(chǎn)氣不充分，出現(xiàn)沼氣供氣量不足，使油泵齒條自動向大油量方向移動，節(jié)油率自然明顯下降。此外，負荷不穩(wěn)定，操作不正確，也會影響節(jié)油量。