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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(diǎn)，以及沼氣發(fā)電對(duì)氣質(zhì)的要求等；闡述了沼氣發(fā)電的作用、意義以及國(guó)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(wèn)題和對(duì)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(jī)沼氣作為可再生能源，越來(lái)越受到重視，并得到廣泛應(yīng)用。它屬于生物質(zhì)能，主要來(lái)源于動(dòng)植物資源。用新技術(shù)開(kāi)發(fā)利用生物質(zhì)能不僅有助于溫室效應(yīng)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(wèn)題的重要途徑。目前，全世界共建成4817座垃圾填埋場(chǎng)，每年可回收沼氣51．42億m3。1我國(guó)沼氣建設(shè)與利用的發(fā)展規(guī)模隨著對(duì)環(huán)保的逐漸加強(qiáng)，人們不斷利用各種方式來(lái)減少工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對(duì)環(huán)境的破壞。生物質(zhì)資源的利用越來(lái)越受到重視，近10年來(lái)得到較快發(fā)展，已建成26715個(gè)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?chǎng)的糞便為主的"能源環(huán)保"生態(tài)農(nóng)業(yè)沼氣工程，累計(jì)達(dá)到1560處，總池容達(dá)到76．51萬(wàn)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(dá)到447．3萬(wàn)m3。我國(guó)工業(yè)發(fā)展給沼氣提供了豐富的原料--工業(yè)廢水。我國(guó)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(jī)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(jī)廢水危害最大。經(jīng)過(guò)厭氧處理、隨著廢水化學(xué)需氧量c0D的降低，廢水的無(wú)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(guó)每年還有大量沼氣源于城市垃圾填埋。隨著沼氣建設(shè)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(lǐng)域發(fā)展，而且發(fā)展速度很快。收稿日期：2005一08-16作者簡(jiǎn)介：高春梅，1965年生，女，北京人，在職攻讀碩士研究生，高級(jí)工程師。據(jù)專家預(yù)計(jì)，到2020年，我國(guó)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(dá)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(jì)算，僅工農(nóng)業(yè)產(chǎn)生的沼氣發(fā)電量就超過(guò)660億kw·h。今后，沼氣熱電聯(lián)產(chǎn)將會(huì)有很大的發(fā)展空間。2沼氣發(fā)電與熱電聯(lián)供2．1國(guó)內(nèi)外沼氣發(fā)電技術(shù)與應(yīng)用發(fā)展?fàn)顩r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(xiàng)沼氣利用技術(shù)。目前用于沼氣發(fā)電的設(shè)備主要有內(nèi)燃機(jī)。在國(guó)外的污水處理廠及垃圾填埋場(chǎng)的沼氣處理工藝中普遍使用。目前，美國(guó)在沼氣發(fā)電領(lǐng)域有許多成熟的技術(shù)和工程，處于世界領(lǐng)先水平，裝機(jī)容量已達(dá)7．5Mw，現(xiàn)有61個(gè)填埋場(chǎng)使用內(nèi)燃機(jī)發(fā)電。歐洲用于沼氣發(fā)電的內(nèi)燃機(jī)，較大的單機(jī)容量在0．4MW-2MW。我國(guó)開(kāi)展沼氣發(fā)電領(lǐng)域的研究始于20世紀(jì)80年代初，1998年全國(guó)沼氣發(fā)電量為l055160kw·h。在此期間，先后有一些科研機(jī)構(gòu)進(jìn)行過(guò)沼氣發(fā)動(dòng)機(jī)的改裝和提高熱效率方面的研究工作。2003年我國(guó)已有100多個(gè)沼氣發(fā)電項(xiàng)目，裝機(jī)容量達(dá)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(jī)組，其中有7臺(tái)進(jìn)口發(fā)電機(jī)組，3臺(tái)500kW的山東勝動(dòng)機(jī)械廠生產(chǎn)的發(fā)電機(jī)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(hù)了環(huán)境，同時(shí)也緩解了夏季的電力緊張問(wèn)題，增加了供電的可靠性。沼氣發(fā)電機(jī)既可以作為獨(dú)立電源運(yùn)行，也可以與電網(wǎng)并聯(lián)運(yùn)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(wàn)方數(shù)據(jù)迢氫筮電皇金憝型用過(guò)沼氣發(fā)電工程可以減少CH。的排放，每減少ltcH。的排放，相當(dāng)于減少25tCO：的排放。2．3沼氣發(fā)電對(duì)氣質(zhì)要求由于燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)本身設(shè)計(jì)上和材料上的特點(diǎn)，它對(duì)硫化物的腐蝕特別敏感。超標(biāo)的硫化物如遇到濕氣或水就會(huì)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(rùn)滑油的使用壽命；如尾氣熱交換器被腐蝕，熱循環(huán)水就會(huì)進(jìn)入到內(nèi)燃機(jī)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(guó)外的四沖程、點(diǎn)火式燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)對(duì)燃?xì)赓|(zhì)量及特性的具體要求如表1所示。表1沼氣發(fā)電對(duì)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(duì)濕度％沼氣的壓力范圍∥kPa壓力波動(dòng)∥kPa沼氣的熱值MJ／Nm3t經(jīng)特殊設(shè)計(jì)的設(shè)備所允許的含硫量。根據(jù)沼氣組成的特點(diǎn)，要達(dá)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(guò)程中，從消化池中出來(lái)的沼氣若與潤(rùn)滑油等油性物質(zhì)接觸，沼氣中含有油顆粒，應(yīng)采用活性碳過(guò)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(jìn)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(guò)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(fā)電機(jī)的原理及特性沼氣經(jīng)凈化處理后進(jìn)入燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)，燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)利用四沖程、高壓點(diǎn)火、渦輪增壓、中冷器、稀釋燃燒等技術(shù)，將沼氣的化學(xué)能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能。沼氣與空氣進(jìn)入混合器后，通過(guò)渦輪增壓器增壓，冷卻器冷卻后進(jìn)入一218一氣缸內(nèi)，通過(guò)火花塞高壓點(diǎn)火，燃燒膨脹推動(dòng)活塞做功，帶動(dòng)曲軸轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)發(fā)電機(jī)送出電能。內(nèi)燃機(jī)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(gè)過(guò)程是由可編程序控制器控制。利用計(jì)算機(jī)及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)控制管理智能化，運(yùn)營(yíng)管理信息網(wǎng)絡(luò)化。發(fā)電機(jī)組為模塊式、小型化、高效一體。燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)發(fā)電效率通常達(dá)30％一40％，熱效率超過(guò)50％，總效率可達(dá)到90％(國(guó)產(chǎn)設(shè)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?xì)鈨?nèi)燃機(jī)對(duì)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(shí)二氧化碳的存在也能減緩火焰?zhèn)鞑ニ俣?，又能在發(fā)動(dòng)機(jī)高溫高壓下工作時(shí)，起到抑制"爆燃"傾向的作用。這是沼氣較其它可燃?xì)怏w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(jī)在發(fā)電的同時(shí)，產(chǎn)生出大量的熱量，煙氣溫度一般在550cc左右。通過(guò)利用熱回收技術(shù)，將燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)中的潤(rùn)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(jī)連接，作為空調(diào)制冷。一般從內(nèi)燃機(jī)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(jī)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(jìn)行加熱。沼氣發(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻與一般的汽油和柴油發(fā)動(dòng)機(jī)一樣，都用水冷卻。為防止產(chǎn)生水垢，冷卻水要用軟水，有時(shí)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(dòng)機(jī)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(rùn)滑油吸收的熱也可以通過(guò)潤(rùn)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(guò)低會(huì)產(chǎn)生一些雜質(zhì)，因此，要求沼氣發(fā)動(dòng)機(jī)的尾氣排放溫度要比其它燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)的尾氣排放溫度高幾十度，回水溫度相應(yīng)就要略高一些。圖1是傳統(tǒng)的燃?xì)鉄犭娎淙?lián)供系統(tǒng)形式。圖1燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)熱電冷三聯(lián)供系統(tǒng)一眥一鋤m一㈣"一～。一～刪燦萬(wàn)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(guó)外的發(fā)電設(shè)備將余熱利用設(shè)備與發(fā)電機(jī)組集成一體化，即換熱裝置在機(jī)組內(nèi)部，而不用單獨(dú)配置，出來(lái)的直接是熱水。設(shè)備只需三個(gè)接口：進(jìn)、回水接口和沼氣接口。設(shè)備可與熱水鍋爐并聯(lián)連接。這樣，既簡(jiǎn)化了系統(tǒng)，減少了設(shè)備及占地面積，利于運(yùn)行維護(hù)，同時(shí)也減少了系統(tǒng)及工程總投資。進(jìn)口的燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)機(jī)組還配有全自動(dòng)電腦控制系統(tǒng)，并可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制；冷卻系統(tǒng)；潤(rùn)滑油自動(dòng)補(bǔ)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(jī)組余熱利用系統(tǒng)該發(fā)電機(jī)組可用于污水處理廠、垃圾處理廠、農(nóng)業(yè)養(yǎng)殖場(chǎng)、酒廠等場(chǎng)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(jī)組在污水處理廠的應(yīng)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(jī)輸出低壓電力(如400V)，經(jīng)過(guò)變壓系統(tǒng)升至高電壓(如10kV)。在技術(shù)上可采取獨(dú)立運(yùn)行，區(qū)域內(nèi)部并網(wǎng)的方式，必要時(shí)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(jī)組采用微機(jī)控制，具有完善的并網(wǎng)控制及保護(hù)功能，它包括：發(fā)動(dòng)機(jī)自身的保護(hù)功能；自動(dòng)負(fù)載跟蹤調(diào)節(jié)功能；自動(dòng)同步并網(wǎng)功能；逆功率保護(hù)功能等。并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，發(fā)電機(jī)供基本負(fù)荷或始終控制一定的購(gòu)買電量。上網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，發(fā)電機(jī)滿負(fù)荷或大負(fù)荷運(yùn)行，多余電量上網(wǎng)銷售。但目前我國(guó)只有大型的電站機(jī)組才允許上網(wǎng)，并網(wǎng)也受到電力公司一定的限制。3國(guó)內(nèi)外沼氣發(fā)電產(chǎn)品的概況國(guó)外常見(jiàn)燃?xì)鈨?nèi)燃發(fā)電機(jī)的生產(chǎn)廠家有：美國(guó)卡特彼勒公司、美國(guó)康明斯公司、奧地利顏巴赫公司、芬蘭的瓦錫蘭公司、德國(guó)的MDE公司等。國(guó)內(nèi)的生產(chǎn)廠家主要有：山東東營(yíng)勝利油田動(dòng)力機(jī)械廠、山東濟(jì)南柴油機(jī)廠、山東濰坊柴油機(jī)廠等。捷克Tedom公司生產(chǎn)的燃?xì)鈨?nèi)燃發(fā)電機(jī)目前已遍布?xì)W洲地區(qū)。其產(chǎn)品的顯著特點(diǎn)是將發(fā)電、供熱于一體，機(jī)體內(nèi)部包含了發(fā)動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)、余熱回收換熱裝置，及自控系統(tǒng)。它的顯著特點(diǎn)是：系統(tǒng)簡(jiǎn)單，且節(jié)省許多配套設(shè)備，可相應(yīng)降低工程造價(jià)；機(jī)體采用了隔音罩等措施，距機(jī)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(biāo)準(zhǔn)。自動(dòng)補(bǔ)充機(jī)油，可遠(yuǎn)傳自動(dòng)控制。發(fā)電效率可達(dá)到40％，熱效率50％，綜合效率可達(dá)到90％。4結(jié)論和建議我國(guó)沼氣發(fā)動(dòng)機(jī)的開(kāi)發(fā)研究主要集中在內(nèi)燃機(jī)系列上，一般都是在柴油機(jī)和汽油機(jī)的基礎(chǔ)上進(jìn)行改裝，對(duì)燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)的性能研究還有待進(jìn)一步的深入，產(chǎn)品質(zhì)量還有待于進(jìn)一步提高，在運(yùn)行使用中出現(xiàn)的諸多問(wèn)題還有待進(jìn)一步研究和解決。此外，沼氣發(fā)電市場(chǎng)不規(guī)范，沒(méi)有相應(yīng)的較為完善的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，也不利于其商業(yè)化開(kāi)發(fā)和利用。還需要在相應(yīng)的激勵(lì)政策和限制性政策方面給予進(jìn)一步的扶持，更加有效地動(dòng)員和吸收投資。電力部門應(yīng)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(jià)，以改善沼氣發(fā)電的經(jīng)濟(jì)性，促其進(jìn)入市場(chǎng)。從國(guó)內(nèi)的幾個(gè)示范項(xiàng)目分析來(lái)看，有一些值得借鑒的經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)。如：1)引進(jìn)設(shè)備較貴；2)機(jī)組選型時(shí)一定要考慮優(yōu)化合理配置，若機(jī)組不能滿負(fù)荷運(yùn)行，會(huì)造成運(yùn)行成本較高，系統(tǒng)整體的經(jīng)濟(jì)性受到影響。3)并網(wǎng)政策。若機(jī)組作為備用電源獨(dú)立運(yùn)行必然會(huì)使所選機(jī)組長(zhǎng)期不能滿負(fù)荷運(yùn)行，不能體現(xiàn)聯(lián)供機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性。因此，只有允許上網(wǎng)或并網(wǎng)才能體現(xiàn)其經(jīng)濟(jì)性。在吸收國(guó)內(nèi)的示范工程的經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)的同時(shí)，通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外的調(diào)研，認(rèn)為引進(jìn)沼氣發(fā)電及其余熱利用技術(shù)，不能一味照搬照抄國(guó)外的經(jīng)驗(yàn)，應(yīng)該結(jié)合國(guó)內(nèi)的實(shí)際情況，在熱、電、冷聯(lián)供系統(tǒng)的應(yīng)用技術(shù)上進(jìn)行創(chuàng)新，簡(jiǎn)化系統(tǒng)、降低工程造價(jià)、提高運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。這樣才能使這項(xiàng)技術(shù)在國(guó)內(nèi)得到真正的推廣應(yīng)用。
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