余熱利用摘要：介紹了沼氣發(fā)電原理、余熱利用的系統(tǒng)與特點，以及沼氣發(fā)電對氣質(zhì)的要求等；闡述了沼氣發(fā)電的作用、意義以及國內(nèi)外沼氣發(fā)電的狀況和前景，提出了目前沼氣熱電冷聯(lián)產(chǎn)遇到的問題和對今后發(fā)展的建議。關(guān)鍵詞：沼氣發(fā)電；余熱利用；內(nèi)燃發(fā)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(zhì)能，主要來源于動植物資源。用新技術(shù)開發(fā)利用生物質(zhì)能不**助于溫室效應的減輕和生態(tài)良性循環(huán)，而且可替代部分石油、煤炭等化石燃料，成為解決能源與環(huán)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(fā)展規(guī)模隨著對環(huán)保的逐漸加強，人們不斷利用各種方式來減少工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對環(huán)境的破壞。生物質(zhì)資源的利用越來越受到重視，近10年來得到較快發(fā)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產(chǎn)、生活污水、垃圾填埋等方法產(chǎn)生的沼氣。到2003年，以處理規(guī)?；那菪髨龅募S便為主的"能源環(huán)保"生態(tài)農(nóng)業(yè)沼氣工程，累計達到1560處，總池容達到76．51萬m3，年產(chǎn)沼氣1．837億m3。2002年生活污水凈化沼氣池總?cè)莘e達到447．3萬m3。我國工業(yè)發(fā)展給沼氣提供了豐富的原料--工業(yè)廢水。我國目前發(fā)酵工業(yè)主要包括以味精為代表的氨基酸類、以檸檬酸為代表的發(fā)酵有機酸類、淀粉糖、酶制劑、酵母以及發(fā)酵甘油和特種功能發(fā)酵制品。在發(fā)酵企業(yè)排出的廢物中，以發(fā)酵產(chǎn)生的有機廢水危害最大。經(jīng)過厭氧處理、隨著廢水化學需氧量c0D的降低，廢水的無害化處理可以產(chǎn)生大量沼氣(每消耗一噸COD大約要產(chǎn)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。隨著沼氣建設發(fā)展與沼氣產(chǎn)量的不斷增加，沼氣的利用已經(jīng)從傳統(tǒng)意義上的取暖、炊事和照明等，逐步向沼氣發(fā)電這一新興領域發(fā)展，而且發(fā)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(jù)專家預計，到2020年，我國工業(yè)伴生沼氣的潛力將為215億m3，是2001年的2倍；農(nóng)業(yè)沼氣潛力將達到200億m3。如全用于發(fā)電，按每立方米沼氣發(fā)電1．6kw·h計算，僅工農(nóng)業(yè)產(chǎn)生的沼氣發(fā)電量就超過660億kw·h。今后，沼氣熱電聯(lián)產(chǎn)將會有很大的發(fā)展空間。2沼氣發(fā)電與熱電聯(lián)供2．1國內(nèi)外沼氣發(fā)電技術(shù)與應用發(fā)展狀況沼氣燃燒發(fā)電是隨著沼氣綜合利用的不斷發(fā)展而出現(xiàn)的一項沼氣利用技術(shù)。目前用于沼氣發(fā)電的設備主要有內(nèi)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(fā)電領域有許多成熟的技術(shù)和工程，處于****水平，裝機容量已達7．5Mw，現(xiàn)有61個填埋場使用內(nèi)燃機發(fā)電。歐洲用于沼氣發(fā)電的內(nèi)燃機，較大的單機容量在0．4MW-2MW。我國開展沼氣發(fā)電領域的研究始于20世紀80年代初，1998年全國沼氣發(fā)電量為l055160kw·h。在此期間，先后有一些科研機構(gòu)進行過沼氣發(fā)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(fā)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內(nèi)燃發(fā)電機組，其中有7臺進口發(fā)電機組，3臺500kW的山東勝動機械廠生產(chǎn)的發(fā)電機組。2．2沼氣發(fā)電與余熱利用的作用和意義沼氣發(fā)電產(chǎn)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(jié)約了能源又保護了環(huán)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(fā)電機既可以作為獨立電源運行，也可以與電網(wǎng)并聯(lián)運行，也可作為備用電源使用。沼氣發(fā)電有助于減少溫室氣體的排放。通一2】7一萬方數(shù)據(jù)迢氫筮電皇金憝型用過沼氣發(fā)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(fā)電對氣質(zhì)要求由于燃氣內(nèi)燃機本身設計上和材料上的特點，它對硫化物的腐蝕特別敏感。超標的硫化物如遇到濕氣或水就會產(chǎn)生酸性物質(zhì)，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(huán)水就會進入到內(nèi)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，氣體內(nèi)的濕度是產(chǎn)生酸性物質(zhì)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、點火式燃氣內(nèi)燃機對燃氣質(zhì)量及特性的具體要求如表1所示。表1沼氣發(fā)電對氣質(zhì)要求沼氣氣質(zhì)數(shù)量甲烷含量％最大甲烷含量變化速度％／min沼氣的雜質(zhì)含量含硫總量。蹦／枷(z形Nm3)H2Smg／MJ(mg／Nm3)CLm∥MJNH3mg／MJ油分mg／MJ雜質(zhì)mg／MJ雜質(zhì)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％沼氣的壓力范圍∥kPa壓力波動∥kPa沼氣的熱值MJ／Nm3t經(jīng)特殊設計的設備所允許的含硫量。根據(jù)沼氣組成的特點，要達到表1中氣體質(zhì)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(zhì)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柜之前，采用先濕式脫硫、后干式脫硫；在出氣柜之后，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**。2．4沼氣發(fā)電機的原理及特性沼氣經(jīng)凈化處理后進入燃氣內(nèi)燃機，燃氣內(nèi)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(shù)，將沼氣的化學能轉(zhuǎn)換成機械能。沼氣與空氣進入混合器后，通過渦輪增壓器增壓，冷卻器冷卻后進入一218一氣缸內(nèi)，通過火花塞高壓點火，燃燒膨脹推動活塞做功，帶動曲軸轉(zhuǎn)動，通過發(fā)電機送出電能。內(nèi)燃機產(chǎn)生的廢氣經(jīng)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(wǎng)絡技術(shù)，實現(xiàn)控制管理智能化，運營管理信息網(wǎng)絡化。發(fā)電機組為模塊式、小型化、高效一體。燃氣內(nèi)燃機發(fā)電效率通常達30％一40％，熱效率超過50％，總效率可達到90％(國產(chǎn)設備略低一些)。通常在O：為5％的情況下，燃燒后的排放N眠≤500mg／Nm3，完全滿足環(huán)保的要求。因此，燃氣內(nèi)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?zhèn)鞑ニ俣?，又能在發(fā)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余熱利用聯(lián)供系統(tǒng)沼氣發(fā)電機在發(fā)電的同時，產(chǎn)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(shù)，將燃氣內(nèi)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。夏季可與溴化鋰吸收式制冷機連接，作為空調(diào)制冷。一般從內(nèi)燃機熱回收系統(tǒng)中吸收的熱量以90℃的熱水形式供給熱交換部分使用。內(nèi)燃機正?；厮疁囟葹?0℃。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(fā)動機的冷卻與一般的汽油和柴油發(fā)動機一樣，都用水冷卻。為防止產(chǎn)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(diào)制的水作為一次冷卻水，在發(fā)動機內(nèi)部循環(huán)；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(huán)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(zhì)和腐蝕性物質(zhì)，若燃燒后的煙氣經(jīng)換熱后溫度過低會產(chǎn)生一些雜質(zhì)，因此，要求沼氣發(fā)動機的尾氣排放溫度要比其它燃氣發(fā)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(tǒng)的燃氣熱電冷三聯(lián)供系統(tǒng)形式。圖1燃氣內(nèi)燃機熱電冷三聯(lián)供系統(tǒng)一眥一鋤m一㈣"一～。一～刪燦萬方數(shù)據(jù)撼立笪堡皇型堇2堂生筮Z鲞筮主翅目前，一些國外的發(fā)電設備將余熱利用設備與發(fā)電機組集成一體化，即換熱裝置在機組內(nèi)部，而不用單獨配置，出來的直接是熱水。設備只需三個接口：進、回水接口和沼氣接口。設備可與熱水鍋爐并聯(lián)連接。這樣，既簡化了系統(tǒng)，減少了設備及占地面積，利于運行維護，同時也減少了系統(tǒng)及工程總投資。進口的燃氣內(nèi)燃機機組還配有全自動電腦控制系統(tǒng)，并可實現(xiàn)遠程控制；冷卻系統(tǒng)；潤滑油自動補給系統(tǒng)；尾氣消音器等。圖2為新型的熱電一體式的熱電聯(lián)供系統(tǒng)。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熱電一體化的沼氣內(nèi)燃發(fā)電機組余熱利用系統(tǒng)該發(fā)電機組可用于污水處理廠、垃圾處理廠、農(nóng)業(yè)養(yǎng)殖場、酒廠等場所產(chǎn)生的沼氣發(fā)電，余熱可用于發(fā)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(lián)供機組在污水處理廠的應用系統(tǒng)流程圖。圖3污水處理廠流程圖2．6供電系統(tǒng)沼氣發(fā)電機輸出低壓電力(如400V)，經(jīng)過變壓系統(tǒng)升至高電壓(如10kV)。在技術(shù)上可采取獨立運行，區(qū)域內(nèi)部并網(wǎng)的方式，必要時可與電網(wǎng)不間斷切換；也可以采取與電力公司的配電系統(tǒng)并聯(lián)(并網(wǎng)或上網(wǎng))。發(fā)電機組采用微機控制，具有完善的并網(wǎng)控制及保護功能，它包括：發(fā)動機自身的保護功能；自動負載跟蹤調(diào)節(jié)功能；自動同步并網(wǎng)功能；逆功率保護功能等。并網(wǎng)運行時，發(fā)電機供基本負荷或始終控制一定的購買電量。上網(wǎng)運行時，發(fā)電機滿負荷或大負荷運行，多余電量上網(wǎng)銷售。但目前我國只有大型的電站機組才允許上網(wǎng)，并網(wǎng)也受到電力公司一定的限制。3國內(nèi)外沼氣發(fā)電產(chǎn)品的概況國外常見燃氣內(nèi)燃發(fā)電機的生產(chǎn)廠家有：美國卡特彼勒公司、美國康明斯公司、奧地利顏巴赫公司、芬蘭的瓦錫蘭公司、德國的MDE公司等。國內(nèi)的生產(chǎn)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公司生產(chǎn)的燃氣內(nèi)燃發(fā)電機目前已遍布歐洲地區(qū)。其產(chǎn)品的顯著特點是將發(fā)電、供熱于一體，機體內(nèi)部包含了發(fā)動機、發(fā)電機、余熱回收換熱裝置，及自控系統(tǒng)。它的顯著特點是：系統(tǒng)簡單，且節(jié)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凈化裝置，No戈及cO排放均符合歐洲標準。自動補充機油，可遠傳自動控制。發(fā)電效率可達到40％，熱效率50％，綜合效率可達到90％。4結(jié)論和建議我國沼氣發(fā)動機的開發(fā)研究主要集中在內(nèi)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(fā)動機的性能研究還有待進一步的深入，產(chǎn)品質(zhì)量還有待于進一步提高，在運行使用中出現(xiàn)的諸多問題還有待進一步研究和解決。此外，沼氣發(fā)電市場不規(guī)范，沒有相應的較為完善的行業(yè)標準，也不利于其商業(yè)化開發(fā)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(wǎng)方面給予支持和幫助，制定優(yōu)惠的上網(wǎng)電價，以改善沼氣發(fā)電的經(jīng)濟性，促其進入市場。從國內(nèi)的幾個示范項目分析來看，有一些值得借鑒的經(jīng)驗和教訓。如：1)引進設備較貴；2)機組選型時一定要考慮優(yōu)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(tǒng)整體的經(jīng)濟性受到影響。3)并網(wǎng)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(xiàn)聯(lián)供機組的經(jīng)濟性。因此，只有允許上網(wǎng)或并網(wǎng)才能體現(xiàn)其經(jīng)濟性。在吸收國內(nèi)的示范工程的經(jīng)驗和教訓的同時，通過對國內(nèi)外的調(diào)研，認為引進沼氣發(fā)電及其余熱利用技術(shù)，不能一味照搬照抄國外的經(jīng)驗，應該結(jié)合國內(nèi)的實際情況，在熱、電、冷聯(lián)供系統(tǒng)的應用技術(shù)上進行創(chuàng)新，簡化系統(tǒng)、降低工程造價、提高運行的經(jīng)濟性。這樣才能使這項技術(shù)在國內(nèi)得到真正的推廣應用。

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