2MW熱電肥聯產沼氣工程在豬場糞污和秸稈廢棄物資源化利用中的應用

華 磊

（河南畜牧規劃設計研究院，河南 鄭州 450008）

中糧家佳康（永城）有限公司是隸屬于世界500強企業中糧集團旗下的中糧肉食投資有限公司投資建設的全資子公司。公司建有年存欄4800頭母豬的繁殖場5座、年出欄11萬頭商品豬育肥場5座，每年出欄55萬頭育肥豬。豬場共分4個養殖區域，即養殖一場、養殖二場、養殖三場和養殖四場。由永城糧盈農業廢棄物處理有限公司投資建設的沼氣站緊鄰養殖三場，距最遠的養殖二場約900m，即四座養殖場在沼氣站周邊范圍1km以內。養殖場豬糞采用漏糞地板工藝收集，日產糞污1600t，豬糞含固率約2%，豬場收集的糞污利用管道輸送至沼氣站。距離沼氣站5km的范圍內共有喬樁、萬樓、趙樓、黃樓四個村，共有1666.7hm2耕地。越冬作物以小麥為主，夏熟作物以大豆為主。用于沼氣發酵的糞污和秸稈原料供應量能得到充足保證。產生的沼氣用于并網發電，發電機組產生的余熱用于厭氧發酵罐增溫，產生的沼渣沼液用作沼氣站周邊小麥、大豆種植的有機基肥。打造“生豬養殖—沼氣工程—農作物種植”的種養結合循環發展鏈條，實現區域養殖廢棄物和農作物秸稈的分散收集、集中處理和資源化利用。

1 工藝流程

永城糧盈農業廢棄物處理有限公司建設的沼氣工程工藝流程圖如圖1所示。

圖1 沼氣工程工藝流程圖

2 主要建設內容

該工程包括預處理系統、厭氧發酵與沼氣貯存系統、沼液貯存、沼氣凈化系統、沼氣發電及余熱利用系統、沼渣沼液還田利用系統等。

2.1 預處理系統

豬糞預處理單元：進料池，半地上鋼砼，Φ18.5×7.0m，1880.7m3。

秸稈預處理單元：水解酸化池，鋼砼，Φ8.5×6.5m，368.7m3。

2.2 厭氧發酵與沼氣貯存系統

CSTR一體化厭氧發酵罐：搪瓷，Φ29.03×8.4m×4座，22200m3。

一體化儲氣膜：聚酯纖維，Φ29.03×2.88m×4座，7620m3。

2.3 沼渣沼液貯存

沼渣堆放間：輕鋼，36.0×23.0×4.5m，828m2。

沼液貯存池：HDPE膜，110.0×50.0×5.5m，30250m3。

2.4 沼氣凈化系統

生物脫硫塔1座。

2.5 沼氣發電及余熱利用系統

沼氣發電機組：1MW撬裝式含余熱利用系統，2臺。

余熱蒸汽鍋爐：0.7t/h，2臺。

熱水罐：70m3，1個。

2.6 沼渣沼液還田利用系統

排污泵：0.75kW，2臺。

沼液輸送主管道：DN100UPVC管，20km。

沼渣運輸車：15t，2輛。

沼液運輸車：50t，1輛。

3 工藝特點

3.1 發酵原料

該項目秸稈TS濃度為80%，秸稈原料從田間收集后儲存在秸稈存儲區內，每天將秸稈投入至秸稈粉碎機中進行粉碎，粉碎粒徑為10mm，粉碎后秸稈通過進料箱輸送進入水解系統，停留約2d左右的時間。利用纖維素水解技術，經過微生物在兼氧環境下將纖維性原料轉化為乙酸，實現纖維素由大分子多糖向小分子轉變，使秸稈中結構性物料逐漸消失液化，大大縮短秸稈厭氧消化停留時間由50～90d至15～20d，極大提高秸稈的厭氧可及度。水解酸化后秸稈TS濃度為30%。

該項目采用先進的熱電肥聯產沼氣技術，要求厭氧進料的TS濃度不低于8%。該項目豬場糞污通過漏縫板收集，經分析其TS濃度為6%，在進料池內和水解酸化后的秸稈調配勻漿后TS濃度為8%。經混合攪拌和預加熱預處理后提升至厭氧反應系統進行發酵。

3.2 發酵工藝

該項目豬場采用漏縫板收集糞便和污水的方式，發酵原料為高濃度的混合物，因此選擇全混合厭氧消化器（CSTR），建設4座搪瓷拼裝一體化厭氧發酵罐。水力滯留期為15d，采用中溫發酵工藝，發酵溫度為35℃。為應對永城冬季寒冷天氣，工程采取在厭氧反應器外壁設置增溫盤管，利用沼氣發電機余熱對反應器進行增溫。盤管外采用150mm厚聚苯乙烯保溫材料。反應器采用低速節能的中心攪拌機，同時在出料濃縮池和反應器之間安裝回流泵，將出料濃縮池的底部污泥回流至反應器，起到攪拌作用，減少有機物的流失。該工藝的物料平衡計算書見表1。

表1 物料平衡計算書

3.3 沼氣凈化

結合項目的產氣規模及沼氣用途，選用酸法脫硫。負責降解硫化氫的主要細菌是嗜酸菌群。細菌利用碳源和無機化合物，如硫化氫（H2S）、二氧化碳（CO2）作為能源的增長源自養。生產作為新陳代謝的副產品硫酸和單質硫，從而降低液相的pH值。脫硫反應器內主要發生的反應如下。

第一步：2H2S+O2→2S+2H2O

第二步：2S+3O2+2H2O→2H2SO4

脫硫反應器為玻璃鋼材質，脫硫塔負荷為8m3/（m3·h），由PLC實現成套系統運行的自動控制，安裝就地在線清洗裝置，保證沼氣生物脫硫系統穩定高效運行。經過生物脫硫凈化處理后，沼氣中的H2S含量降至20mg/m3以下。

3.4 熱電肥聯產模式

3.4.1 沼氣發電能力

項目達產后沼氣甲烷含量達56%，在標準環境下，甲烷熱值為35.87MJ/m3。該項目采用撬裝式進口發電機組，沼氣利用率為87%，每立方沼氣可產電2.2kW·h。日產沼氣25000m3，年發電量1675.00萬kW·h（運行8400 h/a，以350d/a計），裝機容量2兆瓦，項目最終配置2臺×1.0MW撬裝式發電機組，并網規模亦為2MW。

3.4.2 熱能生產能力

發電機組在發電同時還供應大量熱能，按照每天用于發電的沼氣25000m3，沼氣中甲烷含量為56%，甲烷熱值為35.87MJ/m3計算，發電機余熱回收率以41%計，則每日可回收熱量為4917.69萬kcal。主要用于厭氧反應器的增溫。

該模式的能量平衡圖見圖2。

圖2 能量平衡圖

3.4.3 沼肥還田利用

項目每日輸出沼液1585.39t，沼渣101.19t，年運行時間以350d計，則全年沼渣沼液產生量總計59.03萬t。消納沼肥所配套土地分別屬于裴洼申、裴雙樓、盆罐窯、裴燕莊、卞莊、東王莊、黃樓、陳莊、趙樓等九個村組，此九個村組坐落于沼氣站周邊5km范圍內，土地較為集中，地形平坦，便于沼液輸送管網鋪設，交通便捷，均有機耕路通往田間，利于固態沼肥運輸。通過對當地主要種植作物分析調查，以小麥和大豆輪作的種植模式來消納有機肥料，施肥方案如下。

在夏季換茬時，每畝地施用10t沼肥作為大豆基肥，在大豆分枝拔節每畝地每次施用2t沼肥作為拔節肥和花莢肥，即大豆種植期間每畝地至少施用沼肥12t；在秋季換茬時，每畝地施用15t沼肥作為小麥基肥，在小麥越冬期每畝地每次施用2t沼肥作為冬臘肥，即小麥種植期間每畝地至少施工沼肥17t，以全年計，每畝地至少可施用沼肥29t，項目年沼肥產量59.03萬t，所需配套土地1360hm2，項目配套1666.7hm2土地，可滿足沼肥消納需求。

4 結論與建議

項目依托專業的畜禽糞污處理企業永城糧盈農業廢棄物處理有限公司，采用熱電肥聯產工藝，建設日產沼氣25000m3大型沼氣工程，對養殖場的糞便和污水以及農作物秸稈統一收集集中處理，進行高濃度厭氧發酵，沼氣發電上網，沼渣沼液生產有機肥農田利用，減少規模養殖場糞污處理設施的投資。通過項目專業化運行，高效率資源化利用，確保廢棄物得到有效處理和綜合利用，實現以種植業為基礎，畜牧業為動力的種養結合生態化可持續發展。為建設區域廢棄物集中處理中心和建立長效運行機制示范。建議區域廢棄物集中處理中心收集半徑小于10km，以保證原料收集的穩定性和經濟性；處理中心周邊有足夠的連片農田，便于產生的大量沼渣沼液能確實有效的還田利用。□