（热能工程专业论文）基于三级恒温沼气生产的热电联供系统性能分析.pdf

硕士学位论文 摘要 随着国际化石能源的日益枯竭，节能减排、保护环境的呼声日益高涨，国际 社会普遍开始重视生物质能，各国纷纷采取有效措施鼓励生物质能产业的发展， 生物质能的有效开发和利用已成为国际能源领域投资发展的焦点之一。生物质沼 气热电联供可给用户提供电力、采暖( 卫生热水) 和制冷，将一次能源“梯级利用” 和“吃光用尽”，因此可以大幅度的提高能源利用率。这些分布式能源系统可以就 近建设，省却了大规模线路建设，减小了输配电损失。因此，生物质沼气发电工 程得到了各国政府的大力支持。 基于“温度对口，能量梯级利用 的原则，本文设计了新型的三级恒温沼气 热电联供系统，其中包括三级恒温沼气生产子系统、沼气净化子系统、内燃机发 电机组子系统、双效溴化锂吸收式热泵机组子系统和内燃机发电机组余热利用子 系统。从热力学第一定律和第二定律两个层面初步揭示了新系统中的能量转换过 程，并分析研究了新系统的总体性能，获得如下结论： 1 分析结果表明，新系统具有优良的热力特性。新系统能量利用率达到 8 5 6 7 ，系统火用效率为4 7 3 9 ，均已达到较高的性能指标。 2 在新型的三级恒温沼气热电联供系统中，遵循了能的梯级利用原理，难以 利用的低品位废热的再利用，内燃机发电机组余热为生物质的高效厌氧发酵提供 稳定的运行环境。 3 生物质能利用转化有多种，本文基于层次分析法建立了生物质能利用技术 的集总加权评价模型，对本系统进行了评价。通过对本系统采用动态经济性分析 方法得出本装置的财务净现值n p v ( i = 1 0 ) 为8 2 3 万元，内部收益率f i r r 为 2 8 9 ，益本比为2 5 ，投资回收期为2 8 年。结果表明本系统的推广具有良好的财 务和国民经济效益，具有很好的发展前景。 在文章的最后一部分，笔者展望了三级恒温沼气热电联供系统的未来，并提 出五点可行性建议，希望这些建议能够被该领域学者以及政府相关部门参考并采 纳，从而促进我国沼气发电事业快速发展，以及系统相关技术达到国际先进水平。 另外，本课题设计出的三级恒温沼气热电联供系统对沼气热电联供系统的发展有 一定的借鉴作用。 关键词：节能减排；沼气发电；温度对口；能量梯级利用 a b s t r a c t w i t ht h ef l u c t u a t i o n si n i n t e r n a t i o n a lo i l p r i c e s ，e n e r g y 。s a v i n g e m i s s i o n r e d u c t i o n e n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o n ，i n c r e a s i n g t h ev o i c eo ft h ei n t e r n a t i o n a l c o m m u n i t yi ng e n e r a li sb e g i n n i n gt o t a k eb i o g a s ，c o u n t r i e sh a v et ot a k ee f f e c t i v e m e a s u r e st oe n c o u r a g et h ed e v e l o p m e n to fb i o g a se n e r g yi n d u s t r y , b i o g a se n e r g y d e v e l o p m e n ta n dt h ee f f e c t i v ei n t e r n a t i o n a le n e r g yu s ei si n c r e a s i n g l yb e c o m i n gt h e f o c u so fi n v e s t m e n ti n t h ed e v e l o p m e n to ft h ef i e l d h o w e v e r ，b i o g a sp o w e r g e n e r a t i o no fc o o l ，h e a ta n de l e c t r i c i t yc a ns a v et h ee n e r g ye x t r e m e l yb ys y n t h e s i s p r o v i d i n gt h e s ee n e r g i e st ou s e r t h ea d v a n t a g eo fs m a l lc o g e n e r a t i o ni s f o s s i lf u e l c a nb eu s e di ng r a d e sa n db eu s e du p t h eb e n e f i to fs m a l lg e n e r a t i o nc o m e sf r o m i n v e s ts a v i n go fe l e c t r i c i t yl i n ec o n s t r u c t i o na n dd e c l i n i n gt h el o s so fe l e c t r i c i t y t r a n s p o r ta st h e yc a nb ec o n s t r u c t e dn e a rt h eu s e r t h e r e f o r e ，b i o g a sp o w e rg e n e r a t i o n g e t sal o to fc o u n t r i e ss u p p o r ts t r o n g l y a ne n e r g y s u p p l ys y s t e mb a s i n g o n t h r e e s t a g e d t h e r m o s t a t i c b i o g a s i s e s t a b l i s h i n gd e p e n d i n go nap r i n c i p l eo f “p a r a l l e lt e m p e r a t u r ea n dg r a d i e n te n e r g y u t i l i z a t i o n ”，d i s c l o s u r i n ge n e r g y t r a n s f o r m a t i o n t h er e s e a r c h c o n t e n t s a n d a c h i e v e m e n t sa sf o l l o w ： le n e r g ys u p p l ys y s t e mb a s i n go nt h r e e s t a g e dt h e r m o s t a t i cb i o g a sh a sh i g h t h e r m o d y n a m i cp r o p e r t y t h es y s t e m h a sh i g he f f i c i e n c yo fe n e r g ya n de x e r g y u t i l i z a t i o n t h ee n e r g yu t i l i z a t i o ne f f i c i e n c y i s8 5 6 7 ，a n de x e r g yu t i l i z a t i o n e f f i c i e n c yi s4 7 3 9 ，t h en e ws y s t e mn o to n l yh a dh i g he n e r g yu t i l i z a t i o ne f f i c i e n c y , b u ta l s oh a di m p r o v e dt h ee x e r g yu t i l i z a t i o ne f f i c i e n c y s o ，o nt h i sp o i n to fv i e w ，t h e s y s t e mo fb a s i n go nt h r e e s t a g e dt h e r m o s t a t i cb i o g a si sf e a s i b l e 2t h en e we n e r g ys u p p l ys y s t e mb a s i n g o n t h r e e s t a g e d t h e r m o s t a t i c b i o g a s e x h a u s t h e a t o fi n t e r n a lc o m b u s t i o ne n g i n eg e n e r a t o rs e to f f e ras t e a d y e n v i r o n m e n tf o r t h eb i o m a s sa n a e r o b i cd i g e s t i o ne f f i c i e n t ，w h i c hm a k i n gt h el o w g r a d e ，u n s t e a d yb i o e n e r g y t r a n s i tt ot h eh i g hg r a d em e t h a n ec h e m i c a le n e r g y s u c c e s s f u l l y f r o mt h ee n e r g y u t i l i z a t i o n sp o i n to fv i e w , i ts h o w st h ei n t e g r a t e d c a s c a d e du t i l i z a t i o no fc h e m i c a la n dp h y s i c a le n e r g yp r i n c i p l es u f f i c i e n t l y 3u s i n gt h em e t h o do fd y n a m i ce c o n o m i ct oa p p r a i s et h ee n t i r es y s t e m t h e r e s u i t ss h o w e dt h a tt h en e tp r e s e n tv a l u ei s 8 2 3m i l l i o ny u a n ，t h ef i n a n c i a li n t e r n a l r a t i oo fr e t u r ni s2 8 9 ，t h eb e n e f i t c o s tr a t i oi s2 5 ，t h et i m eo fc a p i t a lr e t u r ni s 2 8 y e a r t h ep r o m o t i o no ft h i s s e to fd e v i c e sc a ng e n e r a t eg o o dv a l u ef o rm o n e ya n d n a t i o n a le c o n o m i c b e n e f i t ，w i t hg o o dg o o dp r o s p e c to fa p p l i c a t i o na n de x t e n s i o n i nt h el a s ts e c t i o n ，w em a k et h ee x p e c t a t i o no ft h ed e v e l o p m e n to ft h ee n e r g y s u p p l yb yt h r e ec l a s s e sc o n s t a n tt e m p e r a t u r eb i o g a ss y s t e m s ，a n dp u tf o r w a r d f i v e f e a s i b l ea d v i c e sf o ro t h e rs c h o l a r si nt h i sa r e aa n dl a w m a k e r s t ok e e pp a c ew i t ht h e d e v e l o p e dc o u n t r i e s ，w es h o u l da c c e l e r a t e b a s i n go nt h r e e s t a g e dt h e r m o s t a t i cb i o g a s i l d e v e l o p m e n to ft h ee n e r g ys u p p lys y s t e m i n d u s t r ya n dr e l e v a n te q u i p m e n t st om a k e 硕十学位论文 o u rc o u n t r ye n t e ri n t ot h eb i o g a sp o w e rg e n e r a t i o ns y s t e me r aa ss o o na sp o s s i b l e o n t h eo t h e rh a n d ，t h ee n e r g ys u p p l ys y s t e mb a s i n go i lt h r e e - s t a g e dt h e r m o s t a t i cb i o g a s h a st h ee f f e c to ft h eb i o g a sp o w e rg e n e r a t i o ns y s t e me r a k e yw o r d s ：e n e r g y s a v i n ge m i s s i o nr e d u c t i o n ；b i o g a sp o w e rg e n e r a t i o n ；p a r a l l e l t e m p e r a t u r e ；g r a d i e n tu t i l i z a t i o n i i i 兰州理工大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其 他个人或集体己经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果 由本人承担。 作者签名：岛华 日期：纠。年 6 月严e l 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权兰州理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容 编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇 编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到中 国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名： 导师签名： 日期：仲年石月肛e 1 日期：沙，纱年稠产日 硕十学位论文 曼曼曼曼曼曼曼皇皇皇! 鼍i m m l =： 一m n _n i ：； 第1 章绪论 本章阐述了我国在能源、沼气发电及电力发展中存在的问题，引出沼气发电技术受 到人们关注的事实。对沼气发电系统的应用状况以及国内外相关技术的研究进展进行了 综述及分析，并在此基础上提出了本文要研究的问题，确定了本文的研究思路和主要研 究工作。 1 1 本课题的研究背景 1 1 1 我国畿源问题 目前，世界上开发利用的能源主要是煤、石油、天然气等传统矿物燃料，随 着世界经济的快速发展和人口的迅速增长，社会对能源的需求量越来越大，而地 球上的传统矿物燃料能源是有限的，如此大量的消耗，世界的能源资源很快会枯 竭。据预测【1 j ，到2 0 2 0 年全球能源需求量将达到1 5 0 亿吨标准煤，消耗的煤炭、 石油和天然气将分别达到3 8 、5 3 和3 5 亿吨标准煤。能源的过度开发与消费累计 的效应，产生了制约经济发展和影响人类生存的环境污染问题，温室气体排放所 引起的气候变化已对全球生态和人类社会发展构成了严重挑战。2 1 世纪新能源的 开发与利用，已不再是一个将来的话题，而是关系到人类子孙后代命运，刻不容 缓的一件大事。中国是世界上最大的发展中国家，同时也是居世界第二位的能源 生产国和消费国。中国经济迅猛发展的背后是能源给予强有力的支撑，1 9 4 9 年的 能源消费量是2 3 4 7 万吨标准煤，到2 0 1 0 年中国能源需求将从1 9 9 9 年的1 4 亿吨 增加到2 2 8 8 2 亿吨，到2 0 3 0 年达4 2 4 3 亿吨，到2 0 4 9 年达到5 6 6 7 4 亿吨【2 。酬。 中国次能源的储备总量，特别是优质化石能源的储备总量、人均能源占有 量、人均能源消费量都不算多，能源储备结构不合理。另外，中国的能源消费结 构也不合理，虽然近年来国家高度重视优化能源结构，煤炭在一次能源消费中的 比重由1 9 8 0 年的7 2 2 下降到2 0 0 6 年的6 9 4 ，其他能源比重由2 7 8 上升到 3 0 6 【7j 。但是以煤为主的能源结构在未来相当长的时期内仍然难以改变，相对落 后的煤炭生产和消费方式，加大了环境保护的压力。 能源问题是当今世界的重大问题之一。能源既是经济和社会发展的重要物质 保障，同时能源消耗又会对环境产生巨大影响。7 0 年代引发的世界石油危机使得 越来越多的国家开始关注可再生能源的发展。8 0 年代常规能源的过度消耗和环境 污染问题的日益突出使得各国政府加大了对可再生能源的研究和投入力度，并把 建立安全、可靠、稳定的能源供应保障体系作为国民经济的战略重点之一。 根据国务院建设节约型社会和发展循环经济的精神，支持京都议定书实 施，整治生态环境，减排二氧化碳，对人类生存条件负责任。i c p c 国际合作促进 中心积极引荐具有国际先进水平的工业化大型沼气发电专利技术和专家团队，全 力推动中国农业循环经济生态家园建设，积极整合欧洲成熟技术和管理经验及部 分资金，计划5 年内在中国组织实施2 0 0 个“工业化大型沼气发电及生态肥项目 一有机废物零排放区域 农业循环经济生态家园项目，这是政府支持下的企业 市场活动。以工业化规模综合处理家畜禽粪便，厌氧发酵产生沼气、生产电、 基于三级恒温沼气生产的热电联供系统件能分析 热和优质生态肥，实现环保、协调、循环和再生，农业增产、增值，提高人民生 活水平，并为下一步引进欧美超大型“国际农产品物流配送中心 做项目准备。 1 1 2 沼气应用中出现的问题 1 1 2 1 沼气的物化性质 沼气是一种混合气体，其中主要成分是甲烷( c h 。) ，占总体积的5 0 7 0 ，其次是二氧化碳( c 0 2 ) ，占2 5 4 5 。除此之外，还含有少量的氮( n 2 ) 、 氢( h 2 ) 、氧( 0 2 ) 、氨( n h 4 ) 、一氧化碳( c o ) 和硫化氢( h 2 s ) 等气体。 沼气发酵是一个微生物作用的过程。各种有机质在厌氧及其它适宜的条件下， 通过微生物的作用，最终转化成沼气，完成这个复杂的过程，即为沼气发酵。在 构成生物体的物质中，除了矿物质和木质素外，几乎所有的生物质都可以用来产 生沼气，包括动物和人的排泄物、污水污泥、农作物秸秆、含碳工业废物等，所 以沼气的成本相当低廉。 沼气发酵的工艺分类，从不同角度，有不同的分类方法。大中型沼气工程， 强调从工程的运行温度、工程运行的最终目标以及所选用的处理原料进行分类， 如图1 1 所示p 1 。 沼气发酵 工艺类型 按发酵温度分 匕q u n ( 3 5 。c ) 发酵型 常温( 变温) 发酵型 y 高温( 5 4 ) 发酵型 能源型 环保型 能源环保生态型 日篓罴惹三 图i i 沼气发酵工艺分类 f i g 1 1s y s t e mo fb i o g a sf e r m e n t i n gt e c h n i c s 沼气的生产工艺比较简单，一个农村家庭就可以建造自己的沼气池。生物质 厌氧发酵则随着温度的升高存在两个产沼气高峰，一个在3 7 附近，另一个在5 2 附近。5 2 附近厌氧发酵处理生物质的能力和生产沼气的速度是3 7 附近的 2 - 一2 5 倍【叽1 4 】。沼气的用途也很广泛，它不仅能用于燃烧和照明，还可以作为燃 料用于发电。沼气这种来源丰富、成本低廉的优质气体燃料，无论在发达国家还 是在发展中国家均得到高度重视。但是，在沼气的推广应用过程中，仍然存在许 多问题需要解决。 1 ) 沼气的温室效应 从环保角度讲，沼气中的甲烷是作用强烈的温室气体，其导致温室效应的效 果是二氧化碳的2 7 倍【l 引，因此控制甲烷及沼气排放已成为保护大气的一个重要 方面。因此，高效利用沼气，具有控制沼气污染、开发新能源的双重意义，如何 合理开发利用沼气是一个急待解决的问题。 硕七学位论文 皇- 一- - ；- - ；m i m i ；i； 一i i 曼曼曼! 曼! 曼曼曼! 曼曼! ! 曼曼曼曼蔓曼曼曼! ! 曼! ! ! ! ! ! ! 蔓! ! 曼曼曼曼曼! ! 曼鼍曼曼曼皇曼曼曼皇 2 ) 火用效率低 从能源角度讲，面向农村、农民，产生的优质、高效、绿色、环保沼气以直 接燃烧的方式用于炊事、照明和发电：从火用分析可知，此时的火用效率是很低 的，这同样是对能源的一种极大浪费。从安全、卫生、经济、高效地利用沼气能 源来看，建立沼气发电是最佳的选择。 1 1 2 2 沼气发电动力装置 从能量利用的角度看，碳氢燃料可被多种动力设备使用，如内燃机、燃气轮 机、锅炉等。图1 2 是采用发动机( 内燃机) 、燃气轮机和锅炉( 蒸汽轮机) 发电 的结构示意图，燃料燃烧放热量通过动力发电机组和热交换器进行利用，相对于 不进行余热利用的机组，其综合热效率要高i l 引。从图中可见，采用发动机方式的 结构最简单，而且还具有成本低、操作简便等优点。 冷承 拣柱热汽 拎木 燕 图1 2 不同类型发电动力设备工作简图 f i g 1 2w o r k i n gd i a g r a mo fd i f f e r e n c eg e n e r a t i n ge l e c t r i c i t yd r i v i n ge q u i p m e n t 从中可见，在4 0 0 0 k w 以下的功率范围内，采用内燃机具有较高的利用效率。 相对燃煤、燃油发电来说，沼气发电的特点是中小功率性，对于这种类型的发电 动力设备，国际上普遍采用内燃机发电机组进行发电，否则在经济性上不可行。 因此采用沼气发动机发电机组，是目前利用沼气发电的最经济、高效的途径。 5 0 4 d 堡3 0 篓2 0 l o 0 l o o k w1 0 0 0 k w1 0 0 0 0 k w1 0 0 m w功譬 图1 3 采用不同种类动力发电装置的效率图 f i g 1 3e f f i c i e n c yc h a r to fd i f f e r e n c eg e n e r a t i n ge l e c t r i c i t yd r i v i n ge q u i p m e n t 图1 3 是采用不同种类动力发电装置的效率图。内燃机装置是一种以燃料气 和空气混合成的可燃气体为工质的往复式发动机。主要部件有：缸体、活塞、曲 轴、连杆、火花塞等。其工作原理为：燃料气和空气进人混合器中混合，经过涡 轮增压器加压，中冷器冷却，被送入气缸内，由火花塞点火燃烧，产生的高温高 压气迅速膨胀推动活塞，带动连杆、曲轴等机构做功，各气缸乏气汇集后排入大 气中或再利用。 燃气( 油) 驱动内燃机工作，带动发电机组发电，其余热利用来自两部分， 3 董三二鍪堡堡堡兰兰墼兰皇璧篓耋彗堡墼坌丝 一部分来自高温烟气，温度大约为5 0 0 6 0 0 。c ，可通过余热回收装霞( 换热器或 余热锅炉) 产生热水或燕汽；另一部分来自内燃机缸套冷却水温度大约7 0 9 5 ，可通过换熟器直接进行热交换，产生热水。回收余热可用于制冷采暖等。图 14 为以内燃机作为发动机的分布式供能系统的示意图。图15 为内燃机作为发动 机的分布式供能系统能量利用图。从图15 可以看出，通过回收高温排烟和缸套 冷却水余热，其有效能量利用率可高达8 6 。 町 目目 镕$t_ ；撇 下独：2 黧 一下。m 篇鬃 竺i 自6 ” l r r j 逸兰蜃亡l 圈1 4内燃机作为发动机的分布式供能系统的示意图 硕十学位论文、 - - i i im - mm mmi n mm ( ，4 ) r 动耗能小：在突然停电地情况下，启动内燃机只需要很少辅助电力，通 常只要蓄电池就足够了。 ( 5 ) 部分负荷运行性能好：因为内燃机在部分负荷下运行仍能维持较高的效 率，这就保证了内燃机在用户不同的电负荷情况下都能有较好的经济性。当内燃 机在5 0 负荷下运行时，其效率只比满负荷运行时低8 1 0 ；而燃气轮机在5 0 负荷下运行时，效率通常要比满负荷运行时低1 5 - - 2 5 。 ( 6 ) 可靠性和安全性：实践证明，只要给予适当的维护，内燃机的运行可靠性 还是相当高的。 ( 7 ) 排放：柴油机排放中n o x 和微粒的含量都相对较高。然而，燃气内燃机 是相当环保的。燃气内燃机的排放主要是n o x ，表1 1 对不同类型内燃机的n o x 的排放进行了比较。可以看出，燃气内燃机的n o x 排放量很低。 表1 1 燃烧不同燃料的内燃机n o x 排放比较 t a b l e l 1r e p r e s e n t a t i v en o x e m i s s i o n sf r o mi n t e r n a lc o m b u s t i o ne n g i n e s 内燃机类型燃料 n o x ( p p m v )n o x ( m g k w h ) 1 1 3 电力发展中存在的问题 电力发展中存在的问题，主要包括两个方面：电力峰谷差的不断拉大和电力 的局部短缺，其中，电力峰谷差又包括蕊个方面：季节峰谷差及昼夜峰谷差【1 7 】。 1 ) 电力峰谷差不断拉大 随着人民生活水平的日益提高，空调负荷近年来迅速增加。2 0 0 2 年全国平均 每百户城镇家庭拥有空调器台数达到5 1 1 台，而在1 9 9 6 年仅有1 1 6 台。而空调 用电负荷在夏季可占到商业用电的4 0 左右，这必然加剧电力负荷季节峰谷差的 拉大。 对于昼夜峰谷差，一方面，由于我国经济改革的深化，大、中城市商品经济 的发展迅速，商业用电迅猛增加，而商业用电负荷绝大部分集中在高峰用电时段， 使得高峰期供电压力不断增大：另一方面，随着国营大中型企业的产业结构和产 品结构的调整，原先可通过计划用电行政手段强制安排到晚间生产的企业，逐渐 恢复到白天生产，导致低谷用电负荷逐年下降。 电力峰谷差拉大，导致电力设备平均利用小时数逐年下降，1 9 9 4 年平均利用 小时数为5 5 7 4 小时，1 9 9 8 年已降到4 8 1 1 小时1 1 8 j ，这使得电力系统设备利用率减 小，发电效率下降，经济效益降低，电网安全运行受到威胁。 2 ) 电力局部短缺 在电力峰谷差拉大的同时，近几年来，我国大部分城市，都不同程度的存在 着电力不足、拉闸限电的情况。2 0 0 3 年，我国拉闸限电的省市达到1 9 个，全国 各地累计拉闸限电超过1 4 万次。电力紧缺已严重制约我国经济的发展。因此，政 府大力扶持节能、环保型产业。 5 ： 基于三级恒温沼气生产的热电联供系统性能分析 笪曼曼曼曼! 曼! 曼蔓曼! 皇鼍! 曼曼曼曼! ! i ii i =i 曼! ! 曼曼曼曼曼! 曼曼曼! 曼! 曼曼曼皇! 曼! ! 曼! 舅皇曼曼曼曼寰 1 1 4 沼气发电技术受到人们关注 在目前条件下，如何合理、高效地利用的沼气资源，减轻我国目前的环境压 力，改善沼气及电力发展中存在的问题，并最终实现节能、减排及经济的目标， 是摆在我国科研工作者面前的一个十分重要的课题。许多学者从不同角度对此进 行了研究，认为发展沼气发电技术，具有实现这一目标的潜力。 厌氧发酵沼气发电技术是最低成本最高效率利用生物质能源的有效方法。发 展沼气在中国已有多年历史，也取得了很大的成绩。为配合西部开发政策，解决 三农问题，中央政府提出生态家园富民计划，2 0 0 0 年投资4 亿元开始农村家庭沼 气项目试点；2 0 0 3 年9 月，小型农村沼气建设国债项目启动，总额1 0 亿元，涉 及1 0 0 0 多个县，受益农户达到1 7 0 万户，供应农村居民7 2 亿m 3 沼气和数千万 吨优质有机肥，已被世界能源委员会和许多国际权威机构认定是一种成功的多效 益技术产业。为了进一步提高建设沼气的经济性和实用性，发展沼气必须走现代 化、工业化、大规模经济的道路，推动大型沼气发电工程建设。 中国农作物播种面积为0 1 3 3 亿公顷，人均耕地只有0 0 9 公顷，是世界平均 水平的4 0 。而中国化肥年产量l 亿吨和平均每公顷用量均达到世界第一，造成 土地板结。各级政府越来越密切的关注与农业相关的生态问题，进一步限制化肥、 农药的使用量，开展农田两减三保行动( 减少化肥、减少化学农药使用量，保产量、 保质量、保环境) 。市场也要求用高品质生态肥。 中国的畜禽养殖业实现了连续2 0 多年突飞猛进的发展，积极促进可持续农业 和乡村发展的食物链计划，使中国畜禽养殖业已经成为中国农业经济中一个独立 的、重要的产业。全国畜禽养殖在相当一部分地方已成为支柱产业，对发展农村 经济的作用日益显著。但是，随着畜禽养殖业的发展，畜禽饲养规模不断扩大， 养殖业粪污的排放已造成中国新的环境污染问题，部分区域集中污染超过了环境 容纳能力，使周围的水变黑，空气变臭。根据国家环保总局对全国规模化畜禽养 殖业污染情况的调查，2 0 0 4 年全国畜禽粪便产量达3 4 2 亿吨，是工业固体废弃 物产生总量的3 5 倍，已成为农村面源污染的主要因素之一。资源综合利用与治 理深度的问题是各级政府亟待解决的难题，是实现和谐社会架构、保护生态环境、 实现可持续发展战略的重大措施，已成为当今世界的历史潮流。为实现禽畜粪便 污资源循环利用，改善农村能源、环境和卫生条件，农业部决定，到2 0 1 0 年中国 将建立7 5 0 0 个大中型沼气池示范工程，基本覆盖全国大型畜禽养殖场。 综上所述，沼气发电项目为资源综合利用与节约代用的农业循环经济项目， 对废弃有机物和养殖业粪便综合处理，不会造成新的污染公害，属于绿色环保型 项目，又能发电、产生热，还可生产上等的生态肥料，可谓一举三得，这是发达 国家成熟的沼气发电技术。 1 2 沼气热电联供系统的国内外研究现状 1 2 1 国内外研究现状 能源是国民经济发展和社会活动的基础，随着全面建设小康社会步伐的加快， 中国对能源生产和消费也提出了更高的要求。可再生能源是中国实现可持续发展 的重要能源，沼气发电是可再生能源的主要利用方式，合理有效利用这一新型能 硕+ 学伶论文 源，技术与产业化水平是关键。 沼气燃烧发电是随着沼气综合利用的不断发展而出现的一项沼气利用技术， 它将沼气用于发动机上，并装有综合发电装置，以产生电能和热能，是有效利用 沼气的一种重要方式。建设沼气工程不仅可以解决畜禽养殖场造成的污染，而且 可以生产沼气能源，改善农村地区的能源结构，同时还生产有机肥料，实现生物 资源的循环利用，促进农业的可持续发展。 建设大型沼气工程需要解决沼气的出路问题。畜牧养殖场一般都远离城镇社 区，所以如果单单是为当地居民提供生活燃气，解决不了沼气的充分利用问题。 沼气发电则为这些畜牧场建设沼气工程提供了一条可行的发展途径。 通过发电，一方面沼气资源可以得到充分利用，转化为更高层次的电力能源， 既可以满足当地用户的需求，也可以通过并网实现远距离传输，另一方面，通过 发电还可以回收大量的余热，为沼气发酵装置进行增温，提高产气效率，实现沼 气工程在冬季的正常运行，提高生产效益。 欧美等发达国家的畜禽养殖业十分发达，这些国家对环境保护工作十分重视， 各国相继制定了一些相应的法律法规，以确保畜禽养殖排放的废弃物必须经过无 害化处理才能还田使用，由此也促进了各国大中型沼气工程的发展。 英国制定了水资源保护法，日本制定了畜禽废弃物处理与清理法、化 肥限量使用法和防止水质污染法，而厌氧消化是对畜禽粪便及冲粪水进行无 害化处理的较好手段。 德国的制沼工艺技术走在了世界的前列。制沼原料主要是动物粪便、能源作 物、生物垃圾以及工业和农业残渣等，针对不同的制沼原料，采取不同的制沼工 艺，保证合理的沼气产量及稳定。德国传统的畜禽粪便沼气制备工艺为畜禽的粪 便以及冲洗水和尿全部进一套厌氧反应罐，厌氧反应罐的温度可以调节，既可以 采取中温发酵，也可以采取高温发酵，德国制沼工艺的先进性保证了沼气的高产 量以及沼气产量的高稳定性。图1 6 为德国沼气热电联产发展状况l l9 1 。 毒f | j a 鹩 3 瑚 ，娴l一髓能 粼 2，0i00 礼裕糖洲 l 锨 1 7 i 亨l i2 ! l o o u f i g 1 6d e v e l o p m e n to fh e a t i n ga n dp o w e rs y s t e mb a s i n go nb i o g a si ng e r m a n y 前苏联早在2 0 世纪2 0 年代就开始沼气技术的研究，7 0 年代受能源危机的冲 7 糯 雠 枷 枷 。 董占三誊：耋型耋当：馨蒌耋璧篓至堑耋鐾2 丝 击，可同时解决能源与明= 保问题的沼气技术，又被提到日程上来。8 0 年代前苏联 制订并开始执行沼气发展纲要，建造了大型的沼气发生装置。9 0 年代初前苏联解 体了，针对农村发生体制上的变化，研制出适合农户和家庭农场使用的沼气发生 装置。基本上采用高温( 5 2 ) 发酵。冬季装置自耗能占全部生产能量的3 0 ， 其余可用于生活和生产。家庭农场沼气装置生产的沼气用来发电，每立方米沼气 可发电2 度。沼气发酵装置在提供沼气的同时，还为种植业提供了清洁的高教液 体有机肥料。 美国在制定联邦水污染法巾规定，畜禽养殖场粪便污水不经处理不允许 排入自备储粪池。畜禽粪便废渣经过高温堆肥、无害化处理后用于农 i 施肥，粪 液肇本上均经过叶 温厌氧消化，消化周期约在3 0 天，之后可用于农施肥或排入 自备储粪池。圈17 为炎有机废物沼气丌发利用新模式i 2 0 l 。 图1 7 美国有机废物沼气开发利用新模式 f i g 1 7u s i n gi l e wm o d eo t o r g a n i cw a s t eb i o g a si n a m e r i c a 比利时1 g e a nb r e c h t 项目利用固体发酵法对生物有机垃敷厌氧发酵，垃 圾在温度高于5 5 、容积为3 4 0 0 m 3 的反应器内发酵，产沼气1 0 0 0 7 0 0 0 m 3 天， 供作2 台6 3 0 k w 发电机组燃料，产生电能和热能。 印度主耍是尸用沼气池，池容较小。大中型沼气工程多数以发电为主，村级 沼气发电工程为村民提供照明和提供用电，同时还有高效有机肥。村民把牛粪送 到沼气发电站换取一定数量的高效沼渣肥。 尼泊尔坐落在中喜马拉雅山脚下。全国7 0 以上的人口居住在农村，全国 没有常规燃料来源，传统的能源是以沼气为主，占全国总能耗量的9 3 ，虽然牛 粪是沼气发酵较好的原料，但是资源有限，曰前正在寻找除卞粪以外的其他发酵 原料。在生产实践中也充分证实厌氧消化液中氮的台量增加许多，从而提高了厌 氧消化液肥料的价格。 同本1 7 座污水处理厂应用沼气发电设备，电的自给率为1 5 3 0 ，横滨市 北部污泥处理中心的电自给率可达6 4 7 3 。图1 8 为只奉某污水处理厂沼气 发电系统的流穰简圈。政厂所产沼气一部分用于沼气锅炉，月一部分用于发电机， 发动机排出的废气余热由冷却水收回。热水送至废热锅炉或沼气锅炉，产出的蒸 汽回用于加热消化池，可满足消化池所需的全部热量。 硕十学何论文 ! i _ i _ _ i i - 一m a a 。 i i 一 i i 皇曼! 曼曼皇曼量曼! 曼曼曼! 曼曼! 曼! ! 曼! ! ! 曼曼曼曼曼 图1 8 日本某污水处理厂沼气发电系统的流程简图 f i g 1 8f l o w s h e e t i n go fp o w e r i n gs y s t e mb a s i n go nb i o g a si nj a p a n 我国虽然很早就发现了沼气，但是真正开始推广应用是在2 0 世纪2 0 年代。 一位叫罗国瑞的人，在广东的潮梅地区建成了我国第一个有实际使用价值的混凝 土沼气池，并成立了“中国国瑞瓦斯总行 ( 当时称“沼气”为“瓦斯”) ，专门建 造沼气池和生产沼气灯具等，推广沼气实用技术。到了3 0 年代，我国许多地方都 建造了这种类型的沼气池。解放后，中国政府曾多次组织推广沼气技术。2 0 世纪 6 0 年代未到9 0 年代初，我国出现了兴建沼气的热潮，全国建起了6 0 0 多万个沼 气池，基本上都是农村家用沼气池及少量大中型人、畜粪便沼气池。但由于技术 水平的限制及发展速度过快，沼气池的设计和施工都很不规范、缺乏正确的技术 管理，能有效使用的沼气池为数很少。2 0 0 0 年以后，特别是2 0 0 3 年以后，中国 农业废弃物沼气工程建设速度加快，2 0 0 5 年新增沼气工程数量达到1 0 0 0 处。农 业部的生态富民家园计划、农村小型公益设施建设、农村沼气建设国债项目、大 中型畜禽养殖场能源环境工程建没以及国家环保总局的畜禽养殖场污染防治示范 工程建设等项目均在这几年实施。但目前为止中国的沼气技术还停留在数量多但 规模小、效率低的发展模式上。 我国开展沼气发电领域的研究始于八十年代初，1 9 9 8 年全国沼气发电量为1 0 万千瓦时。在此期间，先后有一些科研机构进行过沼气发动机的改装和提高热效 率方面的研究工作。我国的沼气发动机主要为两类，即双燃料式和全烧式。目前， 对“沼气一柴油”双燃料发动机的研究开发工作较多。如：中国农机研究院与四 川绵阳新华内燃机厂共同研制开发的s 1 9 5 1 型双燃料发动机：上海新中动力机 厂研制的2 0 2 7 g 双燃料机等。成都科技大学等单位还对双燃料机的调速、供气 系统以及提高热效率等方面进行过研究。潍坊柴油机厂研制出功率为1 2 0k w 的 6 1 6 0 a 一3 型全烧式沼气发动机，贵州柴油机厂和四川农业机械研究所共同开发 出6 0k w 的6 1 3 5 a d ( q ) 型全烧沼气发动机发电机组；此外，还有重庆、上海、南 通等一些机构进行过这方面的研究、研制工作。可以说，目前我国在沼气发电方 面的研究工作主要集中在内燃机系列上。 沼气发电的投资主要包括沼气发酵间、沼气净化系统、沼气发电设备。如不 考虑沼液和沼渣后处理总投资可相对减少一半，沼液后处理主要是为了环保，不 建沼气工程，也得建污染物( 指污水、垃圾、粪液等) 处理工程，单一的污染物 处理项目投资大，运行费用高。 9 基于三级恒温沼气生产的热电联供系统性能分析 浙江省海宁市同仁养殖园沼气发电综合利用工程，2 0 0 4 年4 月开建了一个沼 气发电工程，2 0 0 5 年4 月正式投入运行，到目前运行良好。日处理养殖污水6 0 余吨，年处理量达2 3 7 万吨，可每年节省开支1 9 万元。日产沼气5 0 0 m 3 ，用于 发电，年可发电3 2 万度，每年可创收1 2 8 万元。年产有机肥4 8 0 吨，每年仅有 机肥一项的收入就可达到2 8 8 万元。沼液经管道输送，作为附近稻田有机肥，又 可为农民节约2 8 万元。沼液、沼渣等的使用可提高土壤有机质含量，改良土壤， 有利于土地资源的可持续利用。 我国河南省于2 0 0 7 年从丹麦引进车用燃料沼气工程技术并建造了第一座大 型车用燃料沼气工程。该工程以当地收集的牛粪、猪粪、人粪、屠宰垃圾、厨余 垃圾和生活污水处理厂的生污泥为原料，采用欧洲有机废弃物联合消化工艺，高 温发酵，全自动化控制和远程监控，产气率2 o 以上，没计生产符合国家车用天 然气规范的车用沼气约1 0 0 0 0 m 3d ，总投资约4 千万，投资回收期预计6 7 年。 项目工艺流程：先对原料进行粉碎处理，调整进料t s 浓度1 0 ，进入反应 器高温发酵，物料进入二次发酵池进行二次发酵，产生的沼气进入净化单元净化 压缩成为车用燃料，图1 9 为我国第一座大型车用燃料沼气工艺流程图；另一部 分进入热电联产单元，输出电能并入当地电网，回收的热量用于原料加热，沼渣 沼液作为有机肥【2 。 c s t r 反应器 i 备用燃煤锅炉l _ 一汝 1 r1 二次发酵沼液存贮 柔性气柜集成单元 土 热电联产( c h p ) 单元 料 并入当地电网 图1 9 我国第一座大型车用燃料沼气工艺流程图 f i g 1 9f l o w s h e e t i n go ft h ef i r s tb i gf u e lb yv e h i c l ei nc h i n a 甘肃省兰州市花庄沼气发电工程的建设是农业部在甘肃省安排的示范工程之 一，也是中荷合作项目“促进中国西部农村可再生能源综合发展应用 一技术引 进分项的试点建设内容。该项目自2 0 0 4 年1 0 月开始立项实施；2 0 0 5 年1 0 月完 成主体工程建设，两台热电联产的沼气发电机组型号为c e n t ot 8 8s p eb i o ，总能 源效率8 1 7 。2 0 0 6 年6 月完成发电机组设备的安装及配套工程的建设，8 月2 6 日两台发电机组调试成功