蘭州花莊沼氣發電工程九年運行效果研究

李金平， 曹忠耀， 劉明靜， 李 娟， 魏恩功， 曹崗林， 馮 琛

(1.蘭州理工大學 西部能源與環境研究中心，甘肅 蘭州 730050; 2.西北低碳城鎮支撐技術協同創新中心，甘肅 蘭州 730050; 3.甘肅省生物質能與太陽能互補供能系統重點實驗室，甘肅 蘭州 730050; 4.甘肅省農村能源辦公室，甘肅 蘭州 730000; 5.甘肅荷斯坦奶牛繁育示范中心，甘肅 蘭州 730086)

蘭州花莊沼氣發電工程九年運行效果研究

李金平1,2,3， 曹忠耀1,2,3， 劉明靜4， 李 娟1,2,3， 魏恩功5， 曹崗林1,2,3， 馮 琛1,2,3

(1.蘭州理工大學 西部能源與環境研究中心，甘肅 蘭州 730050; 2.西北低碳城鎮支撐技術協同創新中心，甘肅 蘭州 730050; 3.甘肅省生物質能與太陽能互補供能系統重點實驗室，甘肅 蘭州 730050; 4.甘肅省農村能源辦公室，甘肅 蘭州 730000; 5.甘肅荷斯坦奶牛繁育示范中心，甘肅 蘭州 730086)

為研究西北大型沼氣發電工程實際運行效果，以蘭州荷斯坦奶牛繁育中心沼氣發電工程為例，分析了該工程9年運行期內的系統工藝可行性、冬季運行的穩定性、系統的經濟性和節能環保性等性能，總結了系統運行過程中存在的問題。結果表明：系統的工藝設計符合該工程在初始階段的實際應用，9年運行期內系統基本能夠穩定運行,具有可推廣性；累計收益239.1萬元，節省標煤1724噸，減少CO2排放4211噸；政策扶持力度不夠、工程配套裝備質量差和運行管理不規范等因素是造成工程后期運行效果差、綜合效益沒有最大化以及企業主體缺乏積極性的關鍵原因。該研究結果對大中型沼氣發電工程的推廣應用有重要指導意義。

養殖場； 糞污； 沼氣發電； 效益； 運行效果

我國每年有6億余噸畜禽糞便及大量有機廢棄物成為水體污染源，畜禽養殖廢棄物的任意排放對環境造成了較嚴重污染[1]。沼氣工程占地少，適合在人口密集區規模化畜禽養殖場的高濃度糞污處理， 相對于厭氧堆肥和好氧生物處理有著獨特的優勢，對解決農村能源短缺和養殖業污染等問題有重要意義[2-5]。

據統計，截至2014年底，甘肅省各類規模化養殖場達到8514個，其中全省牛存、出欄分別522.02萬頭、185.12萬頭，共建有大中型沼氣工程126處[6]。但是，沼氣工程乃至整個沼氣產業在他們的所有者那里并未得到太多的重視，大多數存在產氣不足等造成系統部分負荷運行或者停產，嚴重影響工程效益[7-10]。目前大規模高濃度中溫發酵的沼氣工程中，能夠持久穩定運行的較少。

筆者以蘭州荷斯坦奶牛繁育中心沼氣發電工程為例，研究了該工程9年運行期內的系統工藝可行性、冬季運行的穩定性、系統的經濟性和節能環保性等性能。研究結果可以為后續沼氣發電工程建設提供決策基礎和量化依據，對沼氣發電產業健康持續發展具有重要的意義。

1 工程基本情況

該沼氣工程選址于甘肅荷斯坦奶牛繁育示范中心，為甘肅省奶牛養殖龍頭企業。蘭州花莊沼氣發電工程的建設是農業部在甘肅省安排的示范工程之一，也是中荷合作項目“促進中國西部農村可再生資源能源綜合發展應用”—技術引進分項的試點建設內容。該項目于2005年10月完成主體工程建設，2006年6月完成發電機設備的安裝及配套工程的建設，同年8月26日兩臺發電機組調試成功，開始并網運行[11]。

奶牛場目前存欄數量4000多頭，1頭成年奶牛日排糞量為25 kg，排尿量為30 kg。牛糞作為原料進行厭氧發酵，每噸鮮牛糞可產沼氣20～35 m3[12]。產生的沼氣用于沼氣發電并網，發電機組余熱用于發酵系統自身增溫，沼液、牛尿和沖洗牛棚的水用于灌溉120公頃的格楞臺土地，生產優質牧草。

2 工藝流程及技術參數

2.1 工藝流程

該工程的工藝流程如圖1所示。新鮮牛糞由場區清潔車運至進料房，牛糞通過旋轉進料器和格柵處理去除較大雜質，經過調漿池、酸化池預處理，使料液達到發酵最佳的TS值(8%～10%)和pH值(6.8～7.2)范圍[13]。預處理后的料液由濃漿泵從發酵罐底部加壓進料，上部溢流出料，溢出的沼液進入沼液儲存池，經過固液分離器處理后沼肥售往市場、沼液還田。發酵產生的沼氣經過脫水、脫硫處理后進入儲氣罐。沼氣發電機燃燒儲氣罐輸送的沼氣發電，產生的電并網供廠區內生產生活消耗，發電機余熱主要用于冬季酸化池原料預熱、發酵罐內部增溫以及防止儲氣罐水面凍結。該工程工藝先進、系統耦合性好、能源利用率高，實現了熱電肥聯供的高效產業模式。

圖1 花莊沼氣發電工程工藝流程圖

2.2 調漿池

用于將收集的干清牛糞和清水混合,將TS值調到10%左右，并去除糞污里面含有的部分砂礫，進料口設置有旋轉進料器，可以將牛糞中的長草和石頭等大雜質去除，調漿池入口處設置粗格柵，柵條間距為15 mm，用于人工再次去除較大直徑的雜質，防止對后續工藝設備造成堵塞。調漿池為地下式鋼筋混凝土結構，總容積為26 m3。

2.3 酸化池

酸化池為地下式鋼筋混凝土結構，規模為120 m3×2，用于混合攪拌除砂、配進料料液及中溫水解酸化，加快牛糞發酵的進程。該池配有在線監控器，可對進料料液的pH值和TS值及溫度等進行實時監控，并根據狀況進行調整。此外，池內設置加熱盤管，發電機余熱可以通過盤管對進料溫度進行控制。經酸化后的原料，通過兩臺7.5 kW螺桿濃漿泵進料，其根據工藝要求定時定量向厭氧罐輸送料液。

2.4 厭氧發酵罐

該罐為地上圓柱形，整體由砼澆筑而成，容積600 m3×2座，塔高13 m，其中地下1 m。塔身側壁面外加有140 mm的聚苯乙烯材料進行保溫，由彩鋼板包裹固定。在厭氧罐下內壁設置高5.2 m，DN50的不銹鋼蛇管式換熱盤管，利用發電機組余熱以熱輻射和熱對流的形式與發酵原料進行熱量交換，實現其在35℃左右中溫發酵。采用USR升流式固體厭氧發酵工藝，從發酵罐底部加壓進料，上部溢流出料，在罐底和中部之間設置回流泵，將厭氧罐底部的污泥部分回流至中部發酵區，起到攪拌作用，加強了罐內傳質。水力滯留期(HRT)夏季為18天，冬季為27天。

2.5 脫硫裝置

采用化學脫硫工藝中的干法去除沼氣中的硫化氫。沼氣通過在脫硫塔中和脫硫劑氧化鐵反應，生產三硫化鐵，從而除去沼氣中的硫化氫。在空氣中，三硫化鐵和水接觸，可以生成氧化鐵和單質硫，實現脫硫劑的再生。工程建有2座脫硫塔,并聯運行,單座脫硫塔負荷為12 m3·m-3h-1。以牛糞為原料發酵的沼氣中含有較高濃度的硫化氫(一般為3000～5000 ppm)，經過化學干法脫硫凈化處理后,沼氣中硫化氫濃度可降至200 ppm以下。

2.6 儲氣罐

氣罐容積300 m3，采用鐘罩水封式結構對凈化后的沼氣進行儲存。儲氣罐高12 m，外部結構分為兩部分，下5 m采用圓柱式混凝土保溫，上7 m為正八面體，采用聚苯乙烯保溫材料。浮罩罐頂根據發電機壓力參數設置配重，使沼氣維持在一定壓力范圍內(一般為2～3 kPa)，沼氣輸送不使用加壓泵。水封水中設置有加熱盤管，冬季發電機二次循環水經過盤管給水面加熱，以保證水面不結冰。

2.7 發電機組

該發電設備為捷克TEDOM公司生產的Cento T88 SPE BIO型，配置2臺76 kW發電機組。發電機額定輸出：120/96 kVA/kW；電壓：400 V；頻率：50 Hz。經過實踐統計，在76 kW全負荷運行時每小時需要CH4含量為60%的沼氣54 m3，即電氣比為1.4 kWh·m-3。機組運行電效率為24.4%，熱效率為40.5%，總效率為64.9%。

發電機組高溫排氣和缸套水余熱通過換熱器和二次循環冷卻水換熱，二次循環冷卻水獲得的熱量主要用于給厭氧反應罐加熱，解決增溫和越冬的問題。換熱過程如圖2所示。

1.板式換熱器； 2.管殼式換熱器； 3.沼氣發電機； 4.缸套水水箱； 5.次循環水泵圖2 發電機余熱利用系統示意圖

2.8 沼液儲存池

從發酵塔上部溢出的沼液直接進入沼液儲存池，沼液儲存池為地下鋼筋混泥土結構，池容200 m3。經過固液分離器作用后，沼肥包裝后進入市場銷售，沼液直接泵到2公里外的格楞臺土地種植優質牧草或者出售給附近農戶種植使用。

3 工程九年運行效果

工程自2006年10月正常運行以來，工藝運行可靠、管理方便、發酵正常、供電穩定。截止到2015年9月，工程共生產沼氣241.5×104m3，發電270.2×104kW·h。2008年5月2日當日產氣量為2587 m3·d-1，為單日產氣最高，同日產電3234 kWh·d-1，為單日發電量最大。筆者根據機組的平均運行時間(全天運行、每天運行12小時、每天運行8小時)的變化，分為高峰期、衰落期以及病態期3個階段對系統的運行狀況進行了分析，如圖3示，不同運行時間下，系統的產氣量波動較大。

圖3 生命周期內產氣發電圖

3.1 全天運行(高峰期)

A階段：2007年～2010年。系統運行啟動后逐步入高峰期，發電機組全天工作，發酵子系統處于良好的運行狀態，產氣穩定充足，系統最大日產氣量為2587 m3·d-1，最小日產氣量為219 m3·d-1，平均日產氣量為1121 m3·d-1，最大日發電量為3234 kWh·d-1，最小日發電量為338 kWh·d-1，平均日發電量為1087 kWh·d-1。該階段提供了廠區日用電量的38%，經濟收益較為顯著。

2007年～2010年，隨著系統逐漸穩定運行，產氣量與發電量均有增加，系統總發電量占據廠區用電量的份額逐漸增加，由32.9%增加到43.6%，同時系統處理糞污能力也有所增加，環境效益與經濟效益均較為顯著。

3.2 每天運行12小時(衰落期)

B階段：2011年。由于新能源發電上網受限，企業考慮到內部經濟收入，將重心轉移，將部分牛糞用于發酵產氣，其余以一定價格出售，機組每天運行12個小時，余熱量供給較少，導致發酵溫度降低，產氣不足，進而造成系統逐漸偏離正常工作狀態。2011年全年系統最大日產氣量為1364 m3·d-1，最小日產氣量為82 m3·d-1，平均日產氣量664 m3·d-1；最大日發電量為1630 kWh·d-1，最小日發電量為107 kWh·d-1，平均日發電量為553 kWh·d-1。該階段僅提供了廠區日用電量的19.7%，經濟收益急劇下降。

3.3 每天運行8小時(病態期)

C階段：2012年～2015年。系統處于病態運行狀態，機組每天運行8個小時，余熱量供給不足，難以維持發酵系統所需的熱量，導致發酵溫度隨環境波動較大，產氣不足。C階段系統最大日產氣量為918 m3·d-1，最小日產氣量為87 m3·d-1，平均日產氣量376 m3·d-1；最大日發電量為1195 kWh·d-1，最小日發電量為110 kWh·d-1，平均日發電量為391 kWh·d-1。該階段僅提供了廠區日用電量的14%，經濟收益嚴重下降。

隨著系統越來越偏離正常運行工況，產氣量與發電量之間很難達到平衡。產氣量下降，造成機組運行時間縮短，發電量降低，余熱供給不足，從而加劇了產氣量不足的問題，形成惡性循環。C階段每年的總發電量占據廠區用電量的份額呈減少現象，由17.9%下降到10.7%，系統處理糞污能力也減弱，環境效益與經濟效益嚴重下降。

4 效益分析

4.1 能源經濟效益

工程總投資890萬元，其中荷蘭政府提供無償資助330萬元，農業部撥款120萬元，企業自籌440萬元。奶牛排污費為每頭每月7元，按每年平均存欄3500頭計算。運行成本主要是指沼氣工程系統運行保養費用及工人工資，其中2010年兩臺發電機大修，更換缸套和活塞頭，共計40萬元；兩臺發電機累計工作51242小時，每運行600小時需要更換一次機油，每次更換的費用為2000元；每年進料泵和沼液泵等配套設備的保養費用為5.5萬元；沼氣站配置3個工作人員，人均月薪為2500元。工程9年凈收益為239.1萬元(不計設備的折舊費用)，見表1。

表1 工程九年生命周期內經濟效益表 (萬元)

4.2 社會效益

工程運行后,廠區衛生狀況得到了顯著的改善，這對于保障工作人員的身心健康有積極的作用。此外，沼氣發電促進了區域畜牧業可持續發展，促進了當地農業產業化發展,對增加農村剩余勞動力的就業機會及促進農業增效、農民增收和農村經濟的可持續發展也具有重大的意義。

4.3 環境效益

工程運行以來共處理牛糞15.6萬m3，對于保護地下水源、提高當地環境質量、減少環境污染做出了重大的貢獻。工程共生產沼氣241.5萬m3，相當于節省了1724噸標煤，減排4111噸的二氧化碳，對實現我國能源合理配置、緩解生態環境消化壓力、響應可持續發展戰略起著極為重要的作用。

5 存在的問題分析

5.1 用新鮮牛糞作為厭氧發酵原料經濟性不理想

新鮮牛糞直接出售價格為每噸70元，1噸新鮮牛糞產沼氣20～35 m3，利用這些沼氣發電，能生產28～49 kW·h電，按照每kWh 0.6元電價計算，1噸牛糞發電能產生16.8～29.4元的價值，遠遠低于直接出售新鮮牛糞獲取的利潤，其中還不包括發電過程的運行成本和人工費用等。

5.2 沼肥的獲取成本太高，市場銷售情況不理想

系統設計之初，計劃將沼液通過固液分離器處理，獲取沼肥售往市場，每年銷售沼肥能盈利30萬元左右。但是在實際運行中，由于固液分離器部件損耗十分快，特別是滾輪和絞子，更換次數頻繁，導致固液分離器長期處于維修狀態，大大影響了制肥效率。另一方面，通過分離器獲取的沼肥售向市場時競爭力不大，農民都愿意選擇見效更快的化學肥料，導致企業慢慢放棄了沼肥的銷售。

5.3 沼氣未能完全利用，多余沼氣的排空造成了二次污染

經過實踐統計，機組在76 kW全負荷運行時每小時需要CH4含量為60%的沼氣54 m3，即電氣比為1.4 kWh·m-3。工程九年來累計發電為270.2×104kW·h，相應需要的沼氣量為193.0×104m3，而實際生產的沼氣量為241.5×104m3，有48.5×104m3的沼氣被排空，排空率接近20%。甲烷單位分子的溫室效應相對貢獻率是CO2的20倍[14]，因此沼氣的直接排空反而加劇了對環境的污染。

5.4 隨著企業重視程度逐漸減弱，工程運行狀況每況愈下

在認識到沼氣發電不能帶來直接的經濟效益后，企業對工程的重視程度逐漸減弱，維持工程基本運行主要是為了解決每年20多萬元的排污費用。企業通過控制進料量以及發酵溫度來降低產氣量，發電機每天僅白天部分時間運行。2015年的產氣量為12.0×104m3，發電量為10.5×104kW·h，僅分別為2010年的26.9% 和18.9%。目前，1號發酵罐內部加熱盤管破損，已停止加熱，2號發酵罐加熱盤管被泥沙所蓋住，換熱效果很差，每日進料量也相應減少到10 m3，導致日總產氣量只有200 m3左右，工程已經接近崩潰的邊緣。

5.5 氧化鐵干法脫硫更換周期短，成本高

當脫硫劑工作一定時間后，其活性會逐漸下降，脫硫效果逐漸變差。當脫硫劑中硫未達到30%時，脫硫劑可進行再生，若脫硫劑硫容超過30 % 時，就要更新脫硫劑[15]。使用氧化鐵作為脫硫劑，每次在剛更換時都體現出較好的脫硫效果，但是一周以后發現硫化氫含量又居高不下。如此短周期的更換脫硫劑必然引起成本的大幅度上升，于是企業被迫選擇更換被腐蝕的發動機部件。

5.6 采用發電余熱加熱、發酵罐內部換熱的增溫方式系統穩定性較差

2015年10月10日到2016年1月13日的95天內，當平均環境溫度從14.8℃下降到-4.2℃，該工程2號發酵罐的日產氣量從591 m3·d-1下降到138 m3·d-1，如圖4所示。隨著系統運行年限的增加，發酵罐內換熱盤管被泥沙埋住，發電余熱不能有效地傳遞給發酵液、余熱利用量低，導致產氣量受環境溫度的影響較大，說明實際運行中采用發電余熱加熱、發酵罐內部換熱的增溫方式系統穩定性較差，滿足不了冬季的熱量需求。

圖4 冬季產氣量隨環境溫度的變化圖

5.7 冬季進料缺少加熱模塊，預處理效果差

蘭州冬季環境溫度低至-15℃左右，從場區運過來的牛糞已凍結，在目前沒有預加熱模塊的情況下只有通過不斷加水沖洗才能溶解原料。由于原料牛糞量大，通入大量的水卻只能溶解部分的牛糞，其余仍舊處于凍結塊狀，造成進入酸化池的料液TS較小且溫度過低，嚴重影響了產氣效率，見圖5。

圖5 冬季進料口(左)及調漿池(右)實物圖

6 結論與建議

該工程是目前甘肅省畜禽場規模最大的沼氣發電工程，自2006年10月正常運行以來穩定高效，在經濟效益、社會效益、環境效益方面均取得了一定的成績，證明該沼氣發電工程確實是實現生物質資源能源化利用的有效途徑之一，系統的初始工藝符合實際工程，對于西北地區畜禽場沼氣發電工程可靠運行有一定的借鑒意義。

但是，由于政策扶持力度不夠、工程配套裝備質量差和運行管理不規范等因素的存在，造成了工程生命周期短、綜合效益沒有最大化以及企業主體缺乏積極性。筆者針對該沼氣工程在實際運行中遇到的問題，對未來沼氣發電行業提出以下建議：

(1)相關部門應該及早出臺對沼氣發電工程的統一的評價標準，政府應該加大政策扶持力度。

相關監管部門應該制定沼氣工程的規范化的評價標準，以便于能夠更加規范、更加科學、更加合理地對沼氣發電工程進行評價認定。政府不僅僅是在工程建立之初給予一次性的補助，更應該通過評估工程運行中產生的社會效益和環境效益等定期給予一定獎勵，企業有了盈利的動力，才能堅定不移地往前走。

(2)改進國內配套設備的質量，降低運行成本。

進料泵、循環水泵、固液分離器部件等損耗快、更換成本高，制造企業應當研發出適合沼氣工程使用的專業配套設備，采用先進的制造工藝，提高設備的使用壽命。若沼氣發電工程相關設備的運行長時間處于維修或者需要更換的狀態，必然導致工程運行成本的大幅度提高，長此以往會讓企業管理者對工程失去信心。

(3)冬季可以采用多種增溫方式耦合的方式，增強系統的穩定性。

為解決北方地區冬季產氣受氣溫影響大的問題，單一采用發電余熱等供能方式給發酵塔增溫保溫已經滿足不了實際運行的需要，可以考慮采用太陽能供暖、沼液回質回流、沼氣鍋爐等多種供能方式耦合、原料進入發酵罐前預加熱等加熱方式增加系統的穩定性，使得系統在外界環境改變的情況下也能夠連續穩定高效地產氣。

(4)科研機構要注重技術創新。

科研機構需要在系統設計、制肥脫硫等關鍵技術、沼氣發電行業規范等方面給出創新性的意見。嘗試研發相應的綜合評價軟件，用于及時辨別沼氣發電系統關鍵技術在運行過程中出現的問題，及時采取相應措施以改進系統，使沼氣工程在實際運行的過程中能提高生產效率，同時降低生產成本，只有這樣，企業才能持續健康地開展沼氣工程。

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Performance Analysis of Huazhuang Biogas Power Generation Project during Its Nine Years’ Operation /

LI Jin-ping1,2,3， CAO Zhong-yao1,2,3， LIU Ming-jing4，LI Juan1,2,3， WEI En-gong5， CAO Gang-lin1,2,3， FENG Chen1,2,3/

(1. Western China Energy & Environment Research Center, Lanzhou University of Technology, Lanzhou 730050, China; 2. China Northwestern Collaborative Innovation Center of Low-carbon Urbanization Technologies, Lanzhou 730050, China； 3.Gansu Key Laboratory of Complementary Energy System of Biomass and Solar Energy, Lanzhou 730050, China； 4.Gansu Rural Energy Office, Lanzhou 730000,China； 5.Holstein Dairy Cattle Breeding Center, Lanzhou 730086, China)

In order to study the actual performance of northwest large biogas power generation project, taking the Lanzhou Holstein dairy cattle breeding center as a example, technological feasibility, winter running stability, economic performance, energy conservation and environmental protection of the system in the past nine years were analyzed, existing problems were summarized. The results showed that the system was basically operated steadily during the nine years’ operation. The project obtained total revenue of 2.391 million yuan, saved standard coal of 1724 tons, and reduced CO2emissions of 4211 tons. But the late running period met the problem of not enough policy support, poor quality of engineering equipment, and weak operation management, causing the poor running effect, and could not achieve maximum comprehensive benefit.

livestock farm; cattle dung pollution; biogas power generation; benefit; running effect

2016-06-06

2016-07-18

項目來源： 國家“863”計劃課題(2014AA052801)； 國家國際合作專項項目(2015DFA60460)

李金平 (1977 ～ )，男，寧夏中寧人，博士生導師，主要從事先進可再生能源系統方面的研究，E-mail：lijinping77@163.com

S216.4

B

1000-1166(2017)03-0079-06