生物質沼氣熱電聯產工程應用分析

李 利， 劉 蔚， 張廷軍， 馮 冰

(中國華電科工集團有限公司， 北京 100170)

全球變暖引起世界各國對溫室氣體排放量的關注，熱電聯產具有可減少溫室氣體排放量、降低熱電網輸送系統的投資、增強能源供給穩定性等優點，理論上幾乎適合于任何燃料，如天然氣、煤、柴油、城市固體廢棄物(MSW)和生物質等，其中生物質的應用日益受到重視[1-2]。

生物質沼氣發酵可以將家畜糞便中含有的有機物轉換成具有高熱值的沼氣，沼氣通過沼氣發電機組可以產生電能和熱能，從而有效地清除家畜糞便的污染[3]。因此，生物質沼氣熱電聯產近年來受到了越來越多的重視，得到了迅速的發展，在社會主義新農村建設和國家能源發展中起到了重要作用[4]。

目前，我國的沼氣生產主要集中在農村或者大規模家畜養殖場，反應器內溫度隨著環境溫度變化而變化，這嚴重影響了產氣率，尤其在冬季，由于氣溫和地溫都比較低，原料分解率低，沼氣的產氣率低、使用率低從而導致沼氣使用綜合效益差[5]。針對上述問題，國內外專家學者提出了較多的厭氧反應器保溫增溫措施，例如，塑料暖棚增溫技術、燃池增溫技術、“豬、沼、炕”增溫技術、隔熱材料保溫法、沼氣池表面覆蓋柴草保溫方法、挖環形溝保溫法、秸稈廢棄物的燃燒方法、塑料薄膜覆蓋法、熱水鍋爐加熱法、太陽能增溫等[6-11]。但是，這些方法存在著熱能轉化效率低、污染大、投資成本高等問題，因此，研發新型的厭氧反應器保溫加熱措施的目標是提高沼氣發電效率并降低環境污染。

沼氣發電機組在發電過程中會產生大量余熱，因此，應用沼氣發電機組的自身余熱實現熱電聯產，為厭氧反應器和廠區供暖受到了國內較多的關注，并且在實際工程中得到了廣泛利用[12-14]。例如，張冰芝[12]等對以沼氣煙氣余熱加熱沼氣發酵原料為主，太陽能集熱為輔，同時太陽能集熱器提供戶用生活熱水的沼氣發電系統進行了設計、理論分析與試驗驗證；秦國輝[13]等對寒地沼氣發電機組的煙氣和循環冷卻水余熱利用進行了分析與建模研究，同時引入了實時動態熱量需求模型，以技術經濟評價指標為優化目標，建立了回收余熱、沼氣發酵負荷與外加熱源的關系，確立了隨環境變化適時調整外加熱源的改進控制方案；王蘭[14]等以江蘇某畜禽糞污沼氣發電項目為例，分析了畜禽糞污沼氣發電工程的中溫厭氧消化系統加熱能量供給及其影響因素。

圖1 工藝流程圖

1 國內外沼氣發電技術現狀

沼氣發電是一個系統工程，它包括沼氣生產、凈化與儲存、沼氣發電及上網等多項單元技術的優化組合，它始于上世紀70年代初期并在發達國家已受到廣泛重視和積極推廣，如美國的能源農場、德國的可再生能源促進法的頒布、日本的陽光工程、荷蘭的綠色能源等。生物質能發電并網在西歐如德國、丹麥、奧地利、芬蘭、法國、瑞典等一些國家的能源總量中所占的比例為10%左右，并一直在持續增加。沼氣發電設備方面，德國、丹麥、奧地利、美國的純燃沼氣發電機組比較先進，氣耗率不大于0.5 m3·kWh-1(沼氣熱值≥25 MJ·m-3)價格在500～750美元·kWh-1，主要的設備廠商有卡特比勒、顏巴赫、道依茨、瓦克夏、高斯科爾等[15]。

沼氣燃燒發電是隨著沼氣綜合利用的不斷發展而出現的一項沼氣利用技術，將沼氣用于發動機上，并裝有綜合的發電裝置，以產生電能和熱能，是有效利用沼氣的一種重要方式。我國沼氣工程中沼氣發電的比例不到3%，德國近3000處沼氣工程幾乎都發電上網，其98%工程屬于熱電聯產工程，發電余熱用于沼氣池加熱。我國已有一批沼氣發電設備生產企業，從幾十千瓦到幾百千瓦都已經能夠生產，可靠性方面技術差距與國外正在縮小，但是發電余熱利用和熱交換技術與歐洲相比差距很大[16]。

本文以GE顏巴赫燃氣內燃機為原動機來介紹沼氣熱電聯產項目的余熱利用及供熱技術，隨著不同的生物質原料需要不同的收集、儲存、運輸以及轉化技術的國家相關配套鼓勵政策的出臺，我國沼氣發電技術及設備必將不斷地得到提高和完善。

2 沼氣熱電聯產工程實例分析

2.1 熱力系統簡介

本文以山東某一大型生物質沼氣工程為例，介紹了熱電聯產在實際工程中的應用，對沼氣發電工程中能量衡算等方面進行分析探討，旨在為沼氣發電等相關工程設計從業者提供依據。

根據顏巴赫內燃機廠家內燃機機組的內循環系統圖以及余熱利用方案分析，繪制出一種生物質沼氣熱電聯產系統工藝流程圖具體如見圖1。

內燃機內循環系統：內燃機有兩個內循環系統，一級中冷循環系統和二級中冷循環系統。一級中冷循環系統由中冷器一級換熱器、潤滑油換熱器、缸套水換熱器以及一級屋頂散熱器組成，這部分熱量回收利用；二級中冷系統由二級中冷散熱器與二級屋頂散熱器組成，這部分熱量不予利用。

內燃機熱回收系統：內燃機熱量回收系統包括缸套水換熱器、水-水板式換熱器、循環水泵、集水缸、分水缸、冷水灌、余熱鍋爐以及管道和相關管件。該系統的功能是冷卻內燃機的缸套水、一級中冷水和潤滑油，保證機組的安全可靠運行并回收熱量供發酵罐及廠區采暖需求。來自冷水罐的軟化水溫度為70℃，經過循環泵先輸送到集水缸再輸送至缸套水板式換熱器吸收內燃機排出的熱量，再經過余熱鍋爐吸收煙氣熱量溫度升高為90℃后返回分水缸供發酵罐及其他系統利用。

發酵罐熱水循環系統，發酵罐熱水循環系統包括熱水罐、熱水循環泵、水-水板式換熱器、以及管道和相關管件。該系統利用熱水加熱發酵罐內的沼液，使之維持正常的溫度。熱水循環泵將熱水罐60℃的熱水輸送至出口供熱母管，經發酵罐換熱器后降溫到40℃，40℃回水匯總至回水母管再經過水-水板式換熱器換熱后升溫到60℃后返回到熱水罐。

2.2 運行工況分析

增溫能耗主要是保證厭氧反應器在相對穩定的溫度下運行，補償其運行過程中散失到環境中的能量。厭氧消化反應過程受溫度影響很大，中溫沼氣發酵其最佳溫度范圍為38℃±2℃。增溫的熱源來自熱電聯供發電機產生的余熱。發電機余熱給厭氧反應器增溫，補償反應器的熱能損失。多余熱量可以用來滿足廠區采暖需求或生活熱水用。

夏秋工況：2臺內燃機煙氣余熱鍋爐提供的熱水熱量足以滿足發酵罐所需熱量，內燃機缸套水冷卻散熱通過屋頂散熱器來完成，缸套水熱量不回收；多余熱量提供生活熱水。

春冬季工況：2臺內燃機煙氣余熱和缸套水熱量全部回收利用，滿足發酵罐所需熱量及廠區采暖需求和生活熱水。

2.3 發電機組余熱利用量

本文以1067 kW顏巴赫機組為例，對余熱輸出情況進行分析，機組余熱中的煙氣熱能、缸套水熱能、一級中冷熱能、潤滑油熱能回收利用。二級中冷余熱較少，溫度較低，不進行回收，如表1所示。所以一臺機組外供的總熱量為1244 kW，兩臺總熱量為2488 kW。

表1 單臺發電機組余熱輸出指標

從上述可知，排煙溫度為120℃發電機系統可利用熱量為排煙與缸套水熱量，共計1244 kW。其中，夏秋兩個季度所需的熱量均由兩臺煙氣余熱鍋爐提供，缸套水熱量由屋頂散熱器排空；春冬兩季煙氣余熱與缸套水熱量全部回收利用，滿足發酵罐所需熱量及部分采暖熱量，按照華北地區某一辦公樓采暖熱負荷為200 kW計，春、夏、秋、冬四個季節的熱負荷分配如表2所示(沼氣罐熱量需求由制沼資料獲得)。

表2 熱負荷分配表 (kW)

3 結論

在沼氣工程建設中，回收沼氣發電余熱實現熱電聯產既可以解決沼氣工程的熱量補充問題又可以避免能源的浪費。為了進一步提高沼氣發電系統的經濟效益，通過余熱回收過程的建模與熱平衡分析，得到了不同季節下滿足全廠熱負荷需求的運行方案，對生物質沼氣發電工程具有實際意義。