沼氣發(fā)電系統(tǒng)綜述

張 斌 王麗娜

(國網(wǎng)技術學院，山東 泰安 271000)

1 沼氣資源的特點

沼氣是有機物質在厭氧條件下，經(jīng)過微生物的發(fā)酵作用而生成的一種混合氣體。沼氣是多種氣體的混合物，一般含甲烷50～70%，其余為二氧化碳和少量的氮、氫和硫化氫等。其特性與天然氣相似。沼氣無色、無味、無毒，比空氣輕，難溶于水，易燃。沼氣是性能較好的燃料，純燃氣熱值為21.98MJ／m3(甲烷含量60%、二氧化碳含量32%)時，屬中等熱值燃料，沼氣還是可再生能源。因此，高效的利用沼氣資源，可以有效的減少污染，也使資源得到了綜合利用。

2 沼氣發(fā)電動力裝置

2.1 沼氣發(fā)電動力裝置的選擇

沼氣以燃燒方式發(fā)電，是利用沼氣燃燒產生的熱能直接或間接地轉化為機械能并帶動發(fā)電機而發(fā)電。沼氣可以被多種動力設備使用，如內燃機、燃氣輪機、鍋爐等。對于采用沼氣發(fā)動機（內燃機）、燃氣輪機和鍋爐（蒸汽輪機）發(fā)電這三種形式來說，前兩者燃料燃燒釋放的熱量通過動力發(fā)電機組和熱交換器轉換再利用，相對于不進行余熱利用的鍋爐（蒸汽輪機）機組，其綜合熱效率要高。而采用沼氣發(fā)動機方式的結構最簡單，而且具有成本低、操作簡便等優(yōu)點。

在4MW 以下的功率范圍內，采用內燃機有較高的利用效率。相對燃煤、燃油發(fā)電來說，沼氣發(fā)電的特點是功率小，對于這種類型的發(fā)電動力設備，國際上普遍采用內燃機發(fā)電機組進行發(fā)電，否則在經(jīng)濟上不可行。

沼氣發(fā)動機一般分為壓燃和點燃兩種型式。壓燃式發(fā)動機使用的是柴油、沼氣兩種燃料，發(fā)動機首先通過壓燃少量的柴油從而將沼氣點燃進行燃燒做功。壓燃式的優(yōu)點是可調節(jié)柴油／沼氣燃料比，能夠適應沼氣量和甲烷濃度的變化，當沼氣不足甚至停氣時，發(fā)動機仍能正常工作。缺點是系統(tǒng)較為復雜，發(fā)動機價格也高。點燃式發(fā)動機特點是系統(tǒng)簡單，操作方便，不需要輔助燃料，但受沼氣供應的影響，適合于沼氣供應穩(wěn)定的情況。

2.2 沼氣發(fā)動機的關鍵技術

沼氣發(fā)動機要解決的核心問題是沼氣的凈化處理和混合。

2.2.1 沼氣的凈化處理

沼氣的產生主要是通過無氧環(huán)境下污水、污泥中的厭氧菌菌群的作用，使有機物經(jīng)液化、氣化而分解成沼氣。生成的沼氣中含有腐蝕性介質，有微量的水分和H2S 等，這些腐蝕性介質會對輸氣管道和發(fā)動機部件產生腐蝕，影響發(fā)動機的正常運行和使用壽命。為了除去這些腐蝕性介質，可對沼氣進行脫硫，將干式脫硫塔安裝在進氣管道上，脫硫劑為鐵屑；或者采用濕式脫硫塔，脫硫劑為NaOH 堿液，濃度30%。另外，為保證沼氣質量，還要在進氣管道上安裝過濾除塵、除濕、除油裝置。

2.2.2 沼氣發(fā)電機組的防腐處理

沼氣中含有的H2S 和水分形成弱酸液，對管道及發(fā)動機的金屬部件產生腐蝕，特別是對銅質及鋁質部件腐蝕更為嚴重。因此，應對輸氣管道中的易腐蝕部件進行防護處理。另外，沼氣中的H2S 燃燒會產生S02，S02的腐蝕性更強，所以燃燒室和排氣管均應采取防腐措施。

2.2.3 電控混合器技術

普通的燃氣發(fā)動機在CH4濃度變化時無法自動調節(jié)空燃比，會導致發(fā)動機的輸出功率和轉速波動較大，甚至因點火問題停機。

沼氣發(fā)電機組采用電控混合器，電腦實時監(jiān)控燃氣的燃燒情況，將信號發(fā)送到ECU，然后由ECU 發(fā)出信號，改變氣道的流通面積，從而根據(jù)CH4濃度的變化合理匹配沼氣和空氣的流量，實現(xiàn)實時調節(jié)空燃比。

3 沼氣發(fā)動機發(fā)電系統(tǒng)

3.1 系統(tǒng)組成

圖1 典型沼氣內燃機發(fā)電系統(tǒng)圖

如圖1 所示，沼氣發(fā)電系統(tǒng)主要由消化池、儲氣罐、供氣泵、沼氣發(fā)動機、交流發(fā)電機、沼氣鍋爐、廢熱回收裝置（冷卻器、給水預熱器、熱交換器、汽水分離器、廢熱鍋爐等），以及脫硫化氫及二氧化碳塔、穩(wěn)壓箱、配電系統(tǒng)、并網(wǎng)輸電控制系統(tǒng)等部分組成。

沼氣內燃機發(fā)電系統(tǒng)主要由以下幾部分組成：

（1）沼氣內燃機（發(fā)動機）。與通用的內燃機一樣，沼氣內燃機也具有進氣、壓縮、燃燒膨脹做功及排氣四個基本過程。由于沼氣的燃燒熱值及特點與汽油、柴油不同，沼氣內燃機必須適合于甲烷的燃燒特性而設計，一般具有較高的壓縮比，點火期比汽、柴油機提前，必須采用耐腐蝕缸體和管道等。

（2）交流發(fā)電機。與通用交流發(fā)電機一樣，沒有特殊之處，只需與沼氣內燃發(fā)動機功率和其他要求匹配即可。

（3）廢熱回收裝置。采用水-廢氣熱交換器、冷卻水-空氣熱交換器及預熱鍋爐等廢熱回收裝置回收由發(fā)動機排出的廢熱尾氣，提高機組總能量利用率?；厥盏膹U熱可用于消化池料液的升溫或采暖。

（4）氣源處理。沼氣在進入內燃機之前必須經(jīng)過凈化處理，將硫化氫含量降到500mg/m3以下。

3.2 注意問題

根據(jù)沼氣發(fā)動機的工作特點，在組建沼氣發(fā)動機發(fā)電機組系統(tǒng)時，要著重考慮以下幾個方面：

3.2.1 沼氣脫硫及穩(wěn)壓、防爆裝置

沼氣中含有少量的H2S，對發(fā)動機有強烈的腐蝕作用，因此沼氣要先經(jīng)過脫硫裝置。為了使沼氣的流量調節(jié)準確，應確保進入發(fā)動機時的壓力穩(wěn)定，所以需要在沼氣進氣管路上安裝穩(wěn)壓裝置。另外，為了防止進氣管路回火引起沼氣管路發(fā)生爆炸，應在沼氣供應管路上安置防回火與防爆裝置。

3.2.2 進氣系統(tǒng)

在進氣總管上，需加裝一套沼氣-空氣混合器，以調節(jié)空燃比和混合氣進氣量?；旌掀鲬{節(jié)精確、靈敏。

3.2.3 發(fā)動機

沼氣的燃燒速度很慢，若發(fā)動機內的燃燒過程組織不利，會影響發(fā)動機運行壽命，所以對沼氣發(fā)動機有較高的要求。

3.2.4 調速系統(tǒng)

沼氣發(fā)動機的運行是聯(lián)軸驅動發(fā)電機穩(wěn)定運轉，以用電設備為負荷進行發(fā)電，由于用電設備的裝載、卸載都會使沼氣發(fā)動機負荷產生波動，為了確保發(fā)電機正常發(fā)電，沼氣發(fā)動機上需要安裝調速與穩(wěn)速控制系統(tǒng)。

4 前景展望

沼氣發(fā)電是提高沼氣綜合利用的有效方法，也使沼氣的利用有了更為廣闊的前景。它即能提供清潔能源，又能解決環(huán)境問題。尤其是具有一定規(guī)模的大中型沼氣工程，沼氣發(fā)電應是其運營的首選途徑。如果能實現(xiàn)熱電聯(lián)產，經(jīng)濟效益將更為顯著。從我國沼氣生產潛力、發(fā)電設備水平、市場需求以及國家政策導向來看，可以預見沼氣發(fā)電有很大的發(fā)展空間。

國外的發(fā)展經(jīng)驗表明，目前沼氣發(fā)展的原動力主要是政策激勵，沼氣發(fā)展迅速的一些國家，都有相應的激勵政策，包括價格激勵、財政補貼、減免稅費、配額制度以及加強科研投入等，這些經(jīng)驗對我國發(fā)展沼氣發(fā)電產業(yè)極具借鑒價值。

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