餘熱利用摘要：介紹了沼氣發電原理、餘熱利用的系統與特點，以及沼氣發電對氣質的要求等；闡述了沼氣發電的作用、意義以及國内外沼氣發電的狀況和前景，提出了目前沼氣熱電冷聯産遇到的問題和對今後發展的建議。關鍵詞：沼氣發電；餘熱利用；内燃發電機沼氣作為可再生能源，越來越受到重視，并得到廣泛應用。它屬于生物質能，主要來源于動植物資源。用新技術開發利用生物質能不僅有助于溫室效應的減輕和生态良性循環，而且可替代部分石油、煤炭等化石燃料，成為解決能源與環境問題的重要途徑。目前，全世界共建成4817座垃圾填埋場，每年可回收沼氣51．42億m3。1我國沼氣建設與利用的發展規模随着對環保的逐漸加強，人們不斷利用各種方式來減少工農業生産對環境的破壞。生物質資源的利用越來越受到重視，近10年來得到較快發展，已建成26715個大中型沼氣工程，其中包括處理畜禽糞便及各種生産、生活污水、垃圾填埋等方法産生的沼氣。到2003年，以處理規模化的禽畜場的糞便為主的"能源環保"生态農業沼氣工程，累計達到1560處，總池容達到76．51萬m3，年産沼氣1．837億m3。2002年生活污水淨化沼氣池總容積達到447．3萬m3。我國工業發展給沼氣提供了豐富的原料--工業廢水。我國目前發酵工業主要包括以味精為代表的氨基酸類、以檸檬酸為代表的發酵有機酸類、澱粉糖、酶制劑、酵母以及發酵甘油和特種功能發酵制品。在發酵企業排出的廢物中，以發酵産生的有機廢水危害最大。經過厭氧處理、随着廢水化學需氧量c0D的降低，廢水的無害化處理可以産生大量沼氣(每消耗一噸COD大約要産生沼氣0．55-0．65m3)。另外，我國每年還有大量沼氣源于城市垃圾填埋。随着沼氣建設發展與沼氣産量的不斷增加，沼氣的利用已經從傳統意義上的取暖、炊事和照明等，逐步向沼氣發電這一新興領域發展，而且發展速度很快。收稿日期：2005一08-16作者簡介：高春梅，1965年生，女，北京人，在職攻讀碩士研究生，高級工程師。據專家預計，到2020年，我國工業伴生沼氣的潛力将為215億m3，是2001年的2倍；農業沼氣潛力将達到200億m3。如全用于發電，按每立方米沼氣發電1．6kw·h計算，僅工農業産生的沼氣發電量就超過660億kw·h。今後，沼氣熱電聯産将會有很大的發展空間。2沼氣發電與熱電聯供2．1國内外沼氣發電技術與應用發展狀況沼氣燃燒發電是随着沼氣綜合利用的不斷發展而出現的一項沼氣利用技術。目前用于沼氣發電的設備主要有内燃機。在國外的污水處理廠及垃圾填埋場的沼氣處理工藝中普遍使用。目前，美國在沼氣發電領域有許多成熟的技術和工程，處于世界領先水平，裝機容量已達7．5Mw，現有61個填埋場使用内燃機發電。歐洲用于沼氣發電的内燃機，較大的單機容量在0．4MW-2MW。我國開展沼氣發電領域的研究始于20世紀80年代初，1998年全國沼氣發電量為l055160kw·h。在此期間，先後有一些科研機構進行過沼氣發動機的改裝和提高熱效率方面的研究工作。2003年我國已有100多個沼氣發電項目，裝機容量達3936kw。北京高碑店污水處理廠采用的就是沼氣内燃發電機組，其中有7台進口發電機組，3台500kW的山東勝動機械廠生産的發電機組。2．2沼氣發電與餘熱利用的作用和意義沼氣發電産生大量電能和熱能，其熱能可用于冬季采暖，也可用于夏季制冷，使沼氣得到綜合利用，變廢為寶，提高了能源的利用效率和綜合效益。既節約了能源又保護了環境，同時也緩解了夏季的電力緊張問題，增加了供電的可靠性。沼氣發電機既可以作為獨立電源運行，也可以與電網并聯運行，也可作為備用電源使用。沼氣發電有助于減少溫室氣體的排放。通一2】7一萬方數據迢氫筮電皇金憝型用過沼氣發電工程可以減少CH。的排放，每減少ltcH。的排放，相當于減少25tCO：的排放。2．3沼氣發電對氣質要求由于燃氣内燃機本身設計上和材料上的特點，它對硫化物的腐蝕特别敏感。超标的硫化物如遇到濕氣或水就會産生酸性物質，可以造成渦輪增壓器和中冷器的腐蝕；降低潤滑油的使用壽命；如尾氣熱交換器被腐蝕，熱循環水就會進入到内燃機缸體和氣缸中，造成更大的損失。由于沼氣中Hzs的徹底去除是有一定難度的，氣體内的濕度是産生酸性物質的間接條件。因此，氣體的除濕也是非常重要的。目前，國外的四沖程、點火式燃氣内燃機對燃氣質量及特性的具體要求如表1所示。表1沼氣發電對氣質要求沼氣氣質數量甲烷含量％最大甲烷含量變化速度％／min沼氣的雜質含量含硫總量。蹦／枷(z形Nm3)H2Smg／MJ(mg／Nm3)CLm∥MJNH3mg／MJ油分mg／MJ雜質mg／MJ雜質顆粒大小d／"mSimg／MJ沼氣的溫度∥℃允許最大溫度變化梯度％／min相對濕度％沼氣的壓力範圍∥kPa壓力波動∥kPa沼氣的熱值MJ／Nm3t經特殊設計的設備所允許的含硫量。根據沼氣組成的特點，要達到表1中氣體質量的要求并不難。如使沼氣中Hzs的含量小于20m∥MJ(300mg／Nm3)是比較理想的。另外，在沼氣傳輸過程中，從消化池中出來的沼氣若與潤滑油等油性物質接觸，沼氣中含有油顆粒，應采用活性碳過濾器和油水分離器加以去除。具體脫硫、除油、除塵、除濕的方法是在進入氣櫃之前，采用先濕式脫硫、後幹式脫硫；在出氣櫃之後，采用活性碳過濾器、油水分離器和氣水分離器的綜合工藝。這樣脫硫、除油、除塵、除濕的效果極佳。2．4沼氣發電機的原理及特性沼氣經淨化處理後進入燃氣内燃機，燃氣内燃機利用四沖程、高壓點火、渦輪增壓、中冷器、稀釋燃燒等技術，将沼氣的化學能轉換成機械能。沼氣與空氣進入混合器後，通過渦輪增壓器增壓，冷卻器冷卻後進入一218一氣缸内，通過火花塞高壓點火，燃燒膨脹推動活塞做功，帶動曲軸轉動，通過發電機送出電能。内燃機産生的廢氣經排氣管、換熱裝置、消音器、煙囪排到室外。整個過程是由可編程序控制器控制。利用計算機及網絡技術，實現控制管理智能化，運營管理信息網絡化。發電機組為模塊式、小型化、高效一體。燃氣内燃機發電效率通常達30％一40％，熱效率超過50％，總效率可達到90％(國産設備略低一些)。通常在O：為5％的情況下，燃燒後的排放N眠≤500mg／Nm3，完全滿足環保的要求。因此，燃氣内燃機對沼氣的利用是一種非常理想的途徑。沼氣的主要成份是甲烷和二氧化碳，由于甲烷燃燒速度較低，同時二氧化碳的存在也能減緩火焰傳播速度，又能在發動機高溫高壓下工作時，起到抑制"爆燃"傾向的作用。這是沼氣較其它可燃氣體具有更好抗爆性的原因。2．5餘熱利用聯供系統沼氣發電機在發電的同時，産生出大量的熱量，煙氣溫度一般在550cc左右。通過利用熱回收技術，将燃氣内燃機中的潤滑油、中冷器、缸套水和尾氣排放中的熱量充分回收利用。用于冬季采暖以及生活熱水。夏季可與溴化锂吸收式制冷機連接，作為空調制冷。一般從内燃機熱回收系統中吸收的熱量以90℃的熱水形式供給熱交換部分使用。内燃機正常回水溫度為70℃。在污水處理廠中，還可利用這一熱量給消化池進行加熱。沼氣發動機的冷卻與一般的汽油和柴油發動機一樣，都用水冷卻。為防止産生水垢，冷卻水要用軟水，有時還要添加防凍液。為此，通常把調制的水作為一次冷卻水，在發動機内部循環；而用熱交換器把熱傳到二次冷卻水的間接冷卻方法。缸套水冷卻循環采用的就是此方法。此外，潤滑油吸收的熱也可以通過潤滑油冷卻器，傳至冷卻水中。由于沼氣中含有微量雜質和腐蝕性物質，若燃燒後的煙氣經換熱後溫度過低會産生一些雜質，因此，要求沼氣發動機的尾氣排放溫度要比其它燃氣發動機的尾氣排放溫度高幾十度，回水溫度相應就要略高一些。圖1是傳統的燃氣熱電冷三聯供系統形式。圖1燃氣内燃機熱電冷三聯供系統一眦一鋤m一㈣"一～。一～删燦萬方數據撼立笪堡皇型堇2堂生筮Z鲞筮主翅目前，一些國外的發電設備将餘熱利用設備與發電機組集成一體化，即換熱裝置在機組内部，而不用單獨配置，出來的直接是熱水。設備隻需三個接口：進、回水接口和沼氣接口。設備可與熱水鍋爐并聯連接。這樣，既簡化了系統，減少了設備及占地面積，利于運行維護，同時也減少了系統及工程總投資。進口的燃氣内燃機機組還配有全自動電腦控制系統，并可實現遠程控制；冷卻系統；潤滑油自動補給系統；尾氣消音器等。圖2為新型的熱電一體式的熱電聯供系統。r?一一一一一一一一一一一一一一一一一一一]1．缸套水換熱器；2．煙氣換熱器；3．疏水閥；4．回水接口；5．熱水出口圖2熱電一體化的沼氣内燃發電機組餘熱利用系統該發電機組可用于污水處理廠、垃圾處理廠、農業養殖場、酒廠等場所産生的沼氣發電，餘熱可用于發酵池的保溫或采暖及生活熱水等。圖3為熱電一體化的沼氣聯供機組在污水處理廠的應用系統流程圖。圖3污水處理廠流程圖2．6供電系統沼氣發電機輸出低壓電力(如400V)，經過變壓系統升至高電壓(如10kV)。在技術上可采取獨立運行，區域内部并網的方式，必要時可與電網不間斷切換；也可以采取與電力公司的配電系統并聯(并網或上網)。發電機組采用微機控制，具有完善的并網控制及保護功能，它包括：發動機自身的保護功能；自動負載跟蹤調節功能；自動同步并網功能；逆功率保護功能等。并網運行時，發電機供基本負荷或始終控制一定的購買電量。上網運行時，發電機滿負荷或大負荷運行，多餘電量上網銷售。但目前我國隻有大型的電站機組才允許上網，并網也受到電力公司一定的限制。3國内外沼氣發電産品的概況國外常見燃氣内燃發電機的生産廠家有：美國卡特彼勒公司、美國康明斯公司、奧地利顔巴赫公司、芬蘭的瓦錫蘭公司、德國的MDE公司等。國内的生産廠家主要有：山東東營勝利油田動力機械廠、山東濟南柴油機廠、山東濰坊柴油機廠等。捷克Tedom公司生産的燃氣内燃發電機目前已遍布歐洲地區。其産品的顯著特點是将發電、供熱于一體，機體内部包含了發動機、發電機、餘熱回收換熱裝置，及自控系統。它的顯著特點是：系統簡單，且節省許多配套設備，可相應降低工程造價；機體采用了隔音罩等措施，距機體1m噪聲小于70dB；在煙道上安裝了煙氣催化淨化裝置，No戈及cO排放均符合歐洲标準。自動補充機油，可遠傳自動控制。發電效率可達到40％，熱效率50％，綜合效率可達到90％。4結論和建議我國沼氣發動機的開發研究主要集中在内燃機系列上，一般都是在柴油機和汽油機的基礎上進行改裝，對燃氣發動機的性能研究還有待進一步的深入，産品質量還有待于進一步提高，在運行使用中出現的諸多問題還有待進一步研究和解決。此外，沼氣發電市場不規範，沒有相應的較為完善的行業标準，也不利于其商業化開發和利用。還需要在相應的激勵政策和限制性政策方面給予進一步的扶持，更加有效地動員和吸收投資。電力部門應在沼氣電力并網方面給予支持和幫助，制定優惠的上網電價，以改善沼氣發電的經濟性，促其進入市場。從國内的幾個示範項目分析來看，有一些值得借鑒的經驗和教訓。如：1)引進設備較貴；2)機組選型時一定要考慮優化合理配置，若機組不能滿負荷運行，會造成運行成本較高，系統整體的經濟性受到影響。3)并網政策。若機組作為備用電源獨立運行必然會使所選機組長期不能滿負荷運行，不能體現聯供機組的經濟性。因此，隻有允許上網或并網才能體現其經濟性。在吸收國内的示範工程的經驗和教訓的同時，通過對國内外的調研，認為引進沼氣發電及其餘熱利用技術，不能一味照搬照抄國外的經驗，應該結合國内的實際情況，在熱、電、冷聯供系統的應用技術上進行創新，簡化系統、降低工程造價、提高運行的經濟性。這樣才能使這項技術在國内得到真正的推廣應用。

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