產氣、貯氣一體化沼氣裝置

蔡卓寧　蔡　磊　蔡昌達

摘要：產氣、貯氣一體化沼氣裝置是目前德國規(guī)模化沼氣工

程的主流池型，具有造價低、用地省、工期短、冬季也能正常運行等優(yōu)勢，適合我國的規(guī)模化沼氣工程。杭州能源環(huán)境工程有限公司已經(jīng)開展該項新技術的引進消化和國產化研發(fā)，并在工程中示范應用。

關鍵詞：產氣、貯氣一體化，規(guī)模化沼氣工程

引言

根據(jù)我國可再生能源中長期發(fā)展規(guī)劃、“十一五”發(fā)展規(guī)劃以及國務院十項擴大內需促進發(fā)展措施，我國規(guī)模化沼氣工程建設面臨著巨大的發(fā)展機遇。同時，我國規(guī)模化沼氣工程的工藝技術以及設備尚存在技術瓶頸。針對這一現(xiàn)狀，本文將介紹一種規(guī)模化沼氣工程的新池型棗產氣、貯氣一體化沼氣裝置。

1. 我國沼氣工程技術發(fā)展形勢

國務院于2008年11月5日出臺十項擴大內需促進增長的措施，將加快規(guī)模化沼氣工程建設列入加快農村基礎設施建設舉措之中，并將投入大量資金發(fā)展規(guī)模化沼氣工程。

根據(jù)我國可再生能源中長期發(fā)展規(guī)劃和“十一五”發(fā)展目標，到2010年要建成規(guī)模化畜禽場大中型沼氣工程4700座，工業(yè)有機廢水沼氣工程1600座，大中型沼氣工程年產沼氣40億立方米，沼氣發(fā)電裝機容量100萬千瓦；到2020年計劃建成畜禽場大型沼氣工程10000座，工業(yè)沼氣工程6000座，年產沼氣140億立方米，發(fā)電裝機容量300萬千瓦，每年可節(jié)省煤炭800萬噸，相當于每年減排溫室氣體1億噸二氧化碳當量。

為此，國家出臺了生物質能源發(fā)電上網(wǎng)電價補貼、稅收優(yōu)惠以及鼓勵碳減排指標交易等激勵政策支持，為沼氣工程的發(fā)展營造了良好的市場環(huán)境。

目前，我國規(guī)模化沼氣工程在工藝技術，池型結構和關鍵設備方面與歐洲發(fā)達國家還有較大差距，存在裝備落后、可靠性差、產氣率低、冬季不能穩(wěn)定運行等問題，一些關鍵設備的生產制造尚為空白，需要從國外進口，增加了工程建設成本。以上問題已經(jīng)成為我國規(guī)模化沼氣工程發(fā)展的瓶頸。沼氣工程的穩(wěn)步快速發(fā)展，迫切需要引進歐洲發(fā)達國家的先進技術、關鍵設備和科技創(chuàng)新的支撐，通過引進消化和自主創(chuàng)新，實現(xiàn)規(guī)模化沼氣技術設備的國產化、產業(yè)化和技術升級，突破發(fā)展瓶頸，提升我國沼氣工程領域的自主創(chuàng)新能力和核心競爭力。

2. 德國沼氣工程技術發(fā)展現(xiàn)狀

德國是世界上農業(yè)沼氣工程數(shù)量最多、技術先進、發(fā)展最快的國家。德國于2000年通過了《可再生能源法》，并于2004年對該法進行了修訂，提高并加強了對可再生能源開發(fā)利用的鼓勵和扶持。這一系列的法律和政策直接促成了德國沼氣發(fā)電工程在短時間內的快速發(fā)展，沼氣發(fā)電工程數(shù)量從1997年的450個快速發(fā)展到2007年的4500個，十年間增長了10倍；沼氣發(fā)電裝機容量從2000年的100兆瓦發(fā)展到2007年的1700兆瓦， 7年間增長了17倍。（圖1）

3. 德國沼氣工程的主流技術

德國沼氣發(fā)電工程的快速發(fā)展，除了政策法規(guī)的鼓勵推動外，沼氣工程本身的科技創(chuàng)新和技術進步也是主要原因。熱電肥聯(lián)產模式、高濃度全混合中溫發(fā)酵工藝和產氣、貯氣一體化裝置近幾年來發(fā)展成為德國農業(yè)沼氣工程的主流模式、工藝和池型。

在德國可再生能源協(xié)會2001年對農業(yè)沼氣發(fā)電工程的抽樣調查統(tǒng)計中，產氣、貯氣一體化裝置已占工程總數(shù)的58%，近年新建的沼氣工程中一體化沼氣發(fā)酵裝置占工程總量的90%以上。產氣、貯氣一體化裝置由于其可靠性、安全性、低成本和適應寒冷地區(qū)冬季運行方面的優(yōu)勢，近年來得到快速發(fā)展和普及，其推廣程度已經(jīng)大大超過其他結構形式沼氣發(fā)酵裝置。

4. 產氣、貯氣一體化裝置結構特點

產氣、貯氣一體化裝置將厭氧罐與沼氣貯氣柜合二為一，與傳統(tǒng)的產氣、貯氣分體式模式相比，減少了厭氧罐頂蓋以及貯氣柜。（圖2）

一體化裝置下方為厭氧罐部分，罐體可采用鋼結構或鋼筋混凝土結構，容積一般為500-3000m3，可采用組合裝配方式建造。罐體常用直徑為12米，14米，16米，18米，20米、22米和24米，常用高度為6-8米，常用徑高比為2:1-3:1。

一體化裝置上方為沼氣貯氣膜柜部分，采用雙膜式貯氣柜，常用形式為圓錐形或球冠形。貯氣膜柜通過調整內外膜之間夾層的空氣壓力，以外膜保護并維持貯氣柜的形態(tài)和結構，并將內膜內的沼氣送入輸氣管道。

厭氧罐內安裝攪拌裝置。罐壁上安裝增溫管，其中鋼結構罐體的增溫管安裝在罐壁外側，混凝土結構罐體的增溫罐安裝在罐壁內側。一體化裝置可采用生物脫硫技術去除沼氣中的硫化氫。

5. 產氣、貯氣一體化裝置主要優(yōu)勢

一體化裝置結構緊湊，各部分設備功能結合緊密，具有以下優(yōu)勢:

5.1 適用于高濃度中溫發(fā)酵，TS 8%-10%，發(fā)酵溫度35-38oC，可常年穩(wěn)定運行；

5.2 配置高效節(jié)能攪拌器，解決了含固率高、物料不均、傳質差、死區(qū)大、易酸化和易結殼的問題；

5.3 采用生物脫硫技術，沼氣中H2S去除率達90%以上，脫硫成本是化學脫硫的1/4，并且無二次污染;

5.4 減少了分體式氣柜以及厭氧罐硬頂蓋，可降低工程投資15%;

5.5 減小裝置規(guī)模，節(jié)省占地面積30%;

5.6 減少稀釋水量，節(jié)省增溫能耗;

5.7 降低消耗，減少沼肥運輸量;

5.8 縮短工期，建設周期縮短50%以上。

6. 產氣、貯氣一體化反應器配套設備

6.1 發(fā)酵罐罐體: 可采用鋼結構或鋼筋混凝土結構;

6.2 攪拌裝置: 可采用側式攪拌器、斜攪拌器（低速節(jié)能攪拌技術）或二者結合使用;（圖3）

6.3 增溫保溫裝置：鋼結構罐體的增溫管一般安裝在罐壁外側; 鋼筋混凝土罐體的增溫管一般安裝在罐壁內側的下部；（圖4）

6.4 貯氣膜: 由內膜、外膜組成，膜材采用特殊加工的聚酯材料作基層，雙面均覆聚氯乙烯涂層，外膜具有良好的抗紫外、耐老化的性能，起到保護內膜、保持結構的作用;內膜具有良好的抗甲烷滲透性能，防火、耐磨、耐褶并且耐硫化氫腐蝕。

6.5 支撐網(wǎng)架: 厭氧罐中心設一混凝土、不銹鋼或木質立柱，在立柱頂部和檐口間安裝傘骨狀支架，一般采用柔性織帶，以保證內膜在沼氣負壓時不會直接與發(fā)酵液接觸。支撐網(wǎng)架同時還起到為生物脫硫菌提供生長附著物的作用。 （圖5）

6.6 支撐鼓風機: 用于向內外膜的夾層內充氣，使夾層內維持設計壓力，從而確保外膜始終處于充盈狀態(tài)，能夠承載設計范圍內的風，雨，雪荷載。

6.7 沼氣壓力保護器: 設定一定的貯氣壓力值，當沼氣壓力超出設定壓力范圍時，壓力保護器會自動釋放沼氣或抽入空氣，以維持沼氣壓力在一定的范圍內，確保貯氣柜和厭氧罐不受損壞。（圖6）

6.8 充盈程度檢測裝置: 用于檢測貯氣柜內的沼氣充盈程度。

6.9 生物脫硫裝置: 用于一體化沼氣發(fā)酵裝置內的生物脫硫。

6.10 自動控制裝置

6.11 秸稈進料輸送裝置（圖7）

引進創(chuàng)新和自主研發(fā)示范工程

近年來杭能已開始引進德國、丹麥等歐洲發(fā)達國家熱電肥聯(lián)產的高效沼氣工程技術和關鍵設備，進行引進創(chuàng)新和自主創(chuàng)新，并在規(guī)模化沼氣工程中示范。其中產氣、貯氣一體化裝置已在工程中得到示范應用。（圖8、圖9）

7. 展望

通過對德國以及丹麥等歐洲先進國家的熱電肥聯(lián)產、高濃度發(fā)酵和產氣、貯氣一體化沼氣工程技術和關鍵設備的引進消化和集成創(chuàng)新，實現(xiàn)成套設備的國產化和產業(yè)化，解決好規(guī)模化沼氣工程技術和關鍵設備的技術升級，提升我國規(guī)模化沼氣工程領域的自主創(chuàng)新能力和核心競爭力，向社會提供高效、穩(wěn)定、經(jīng)濟、實用的工程技術和關鍵設備。

中國的規(guī)模化沼氣工程必定能夠快速、健康地發(fā)展！