基于某酒廠沼氣綜合利用過程中的碳排放研究

摘要：上海某黃酒廠在升級的污水處理系統中采用UASB厭氧反應器處置高濃度污水，在厭氧處理過程中產生沼氣。沼氣作為一次能源中氣體燃料中的一種，燃燒后排放或直排，都是對能源的一種浪費。而沼氣又是溫室氣體，排空的方式增加了工廠的碳排放量，不利于“雙碳”目標的實現，嚴重增加了企業碳達峰的負擔。文章研究了將部分沼氣用于鍋爐燃燒，其余沼氣就地凈化后用于發電，并利用發電機組進行熱電聯供（CHP），結果表明，整個過程對沼氣進行全面綜合利用，也對碳排放進行了有效控制，既達到了節能減排的效果，又為酒廠帶來了一定的經濟效益。

關鍵詞：沼氣發電；環境保護；能源利用；節能減排；碳中和

中圖分類號：TE09""文獻標志碼：A

0"引言

隨著時代的發展和科技的進步，環境污染及能源利用已然成為限制社會和經濟發展的兩個關鍵因素。而隨著傳統化石燃料的消耗急劇增加，所引起的環境污染、全球變暖、臭氧層空洞以及化石能源逐漸枯竭等問題，也讓全世界不得不更加重視環境保護及能源利用。為推動全球經濟社會可持續發展，個人及企業都將為此做出重大變革，將環境保護和能源利用放在首位［1］。

在碳達峰、碳中和背景下，企業應積極開展減碳行動，爭取實現碳中和目標。作為上海市碳排放交易企業及排污大戶，某釀酒廠迫切需要進行改造，以滿足碳排放降低及廢水達標排放的要求。故在升級廢水處理系統后對厭氧過程中產生的沼氣進行全面綜合利用［2］，并初步搭建實驗研究系統，整個系統包含沼氣產生流程、沼氣凈化系統流程、沼氣發電流程、供熱和余熱回收再用于厭氧反應流程，使企業真正做到環境保護和能源再利用雙重發展。

1"沼氣產生

企業現將高濃度廢水處理工藝由“調節+好氧+沉淀工藝”升級為“厭氧+沉淀+氣浮”，并且新建低濃度廢水處理設施（倒置 A2/O+沉淀）。厭氧處理技術是一種有效去除有機污染物并使其礦化的技術，它將有機化合物轉變為甲烷和二氧化碳等氣體（統稱沼氣）。

從2023年8月19日開始，對現場兩座厭氧反應器的沼氣產量和氣體主要成分進行了測量。其中1#反應器從8月19日14：00開始至8月30日12：00，總計產氣量3 880 m3，平均小時產氣量為14.81 m3。2#反應器從8月30日14：00至9月7日21：00，合計產氣量1 410 m3，平均小時產氣量為7.09 m3。總計沼氣小時產氣量為21.9 m3。

根據實測CH4含量和CO2含量可測算，每小時產CH4約為17.52 m3，CO2約為3.83 m3。

2"沼氣凈化

厭氧系統產生的沼氣先送入沼氣罐存儲。沼氣凈化系統按50 m3/h處理能力設計，通過降溫實現脫水，再通過干式脫硫塔實現脫硫，最后通過3 μm濾芯完成氣體過濾。經過凈化處理以后的沼氣送入發電機組、熱水鍋爐和火炬，煙氣達標排放。

沼氣從沼氣罐進入凈化系統。首先，進入帶有一套濾芯（過濾精度100目）的進氣罐，用于氣體的粗過濾，去除氣體中較大顆粒的雜質和部分氣體夾帶的液態水分；之后，進入冷凝器，在冷凝器中，由冷水機組產生的冷媒水對沼氣進行冷卻，使沼氣溫度下降，凝結出大量冷凝水，實現氣體的除濕；除濕后的沼氣夾帶部分液態水滴進入旋風分離器，在其作用下，液態水滴和一部分霧狀水分得到脫除；沼氣風機吸入旋風分離處理后的氣體，從風機出來的氣體壓力增大，溫度隨之上升，大幅度降低沼氣的相對濕度；之后，氣體進入脫硫塔，去除硫化氫氣體后，進入發動機發電。沼氣風機采用變頻驅動，通過控制其轉速來保證模塊輸出具有穩定壓力的氣體。

脫硫塔利用現有干式脫硫的方式，是一種簡易、高效、相對低成本的脫硫方式，一般適合用于沼氣量小、硫化氫質量濃度低于2 g/m3的沼氣脫硫。干法脫除沼氣氣體中硫化氫（H2S）的設備基本原理是以O2使H2S氧化成硫或硫氧化物的一種方法，也可稱為干式氧化法［3］。

3"沼氣發電及減碳測算

將脫硫后的純凈沼氣通過發電機組進行發電，項目前期采用1臺功率為20 kW的沼氣發電機組，設備設置在沼氣罐外。機組按照“并網不上網”的方式在網運行，即并網運行，僅滿足廠內用電，不對電網供電。

目前國內熱電聯供（CHP）［4］的主要形式有3種。

（1）鍋爐加供熱機熱電聯供，主要用于以煤炭為燃料的發電系統，也是我國目前熱電聯供系統普遍采用的形式。

（2）燃氣輪機熱電聯供，分為單循環和聯合循環兩種方式，基于需要熱和電兩種輸出，總效率一般在80%左右。

（3）內燃機熱電聯供，一般當規模較小時，發電效率明顯比燃氣輪機高，一般在30%以上，所以一些小型的燃氣聯供系統往往都采用內燃機的形式。

本次研究采用的是內燃機熱電聯供系統，采用以2.77 L排量的天然氣往復式內燃機（以下簡稱“發動機”）為原動機，發動機驅動發電機發電，同時回收發動機缸套、排煙的余熱及發電機的散熱而產生熱水。所發電力既可以被用戶電力負載直接使用（自發自用，推薦方式），也可以輸送給電網；所產生的熱水可以用于衛生淋浴熱水、供暖、工藝加熱、烘干等場合，是一種面向住宅和輕型商業建筑的能同時發電和供熱的分布式能源裝置。

其中，發電機組對沼氣的利用率達到95%以上，故通過排放因子法或物料平衡法可測算出碳排放量。

3.1"排放因子法

溫室氣體排放總量=直接排放量（燃燒排放+過程排放）+間接排放量（電力和熱力產生的排放）

（1）燃燒排放量=∑消耗量i×低位熱值i×單位熱值含碳量i×氧化率i×4412

式中：i為不同燃料類型；消耗量單位為噸（t）或立方米（m3）；低位熱值單位為十億千焦每噸（TJ/t）或十億千焦每立方米（TJ/m3）；單位熱值含碳量單位為噸碳每十億千焦（t-C/TJ）；氧化率以分數形式表示，%。

在燃燒排放中，消耗量指各種燃料的實物消耗量，如煤、天然氣、汽油和其他燃料等；低位熱值是指單位燃料消耗量的低位發熱量；單位熱值含碳量是單位熱值燃料所含碳元素的質量；氧化率是燃料中的碳在燃燒中被氧化的比例。

（2）過程排放量=∑（活動水平數據i×過程排放因子j）

式中：j為不同種類的原材料、產品或半成品；活動水平數據單位為噸（t）或立方米（m3）；過程排放因子單位為噸二氧化碳每噸（tCO2/t）或噸二氧化碳每立方米（tCO2/m3）。

（3）電力和熱力排放量=∑（活動水平數據k×排放因子k）

式中：k為電力和熱力等；活動水平數據單位為萬千瓦時（104 kWh）或百萬千焦 （GJ）；排放因子單位為噸二氧化碳每萬千瓦時（tCO2/104 kWh） 或噸二氧化碳每百萬千焦（tCO2/GJ）。

電力和熱力排放是指排放主體因使用外購的電力和熱力等所導致的溫室氣體排放，該部分排放源于上述電力和熱力的生產。電力和熱力排放中，活動水平數據指電力和熱力等的消耗量。

3.2"物料平衡法

排放量=［∑（投入物量i×投入物含碳量i）-∑（輸出物量j×輸出物含碳量j）］×4412

式中：排放量單位為噸（t）；投入物量單位為噸（t）；投入物含碳量單位為噸碳每噸（t-C/t）；輸出物量單位為噸（t）；輸出物含碳量單位為噸碳每噸（t-C/t）；i、j為不同投入和輸出的物質。

減排量=供電量（發電量-自用電量）×4.2噸/萬度電

通過酒廠提供的外購電力和熱力數據，以及行業方法中的相關規定，可測算出每年帶來約600 t的CO2減碳量。設備的排放符合DB 31/387—2018《鍋爐大氣污染物排放標準》的相關規定，排放遠優于目前執行的非道路排放標準。設備將普通發電設備廢棄的熱量加以利用，大大提高系統能源利用率。

4"供熱及余熱回收

發電機組全天24小時連續運行，先按照應急散熱器模式運行；項目運行穩定后，發電產生的余熱通過換熱器加熱熱水，再利用熱水循環加熱厭氧系統；再根據企業的需求，設計并計算小時耗熱量、小時供熱量以及機組臺數。

4.1"小時耗熱量

Qh=KhmqrC（tr-t1）ρrT

式中：Qh為設計小時耗熱量，kJ/h；m為用水計算單位數（人數或床位數）；qr為熱水用水定額；tr為熱水溫度，℃，tr=60℃；t1為冷水溫度，℃，根據各地冷水溫度取值，上海地面水為5，地下水為15～20；C為水的比熱（kJ/（kg·℃）），C=4.187 kJ/（kg·℃）；ρr為熱水密度，kg/L；T為每日使用時間，h；Kh為小時變化系數，取4左右。

Kh應根據熱水用水定額高低、使用人（床）數多少取值，當熱水用水定額高、使用人（床）數多時取低值，反之取高值。使用人（床）數小于或等于下限值及大于或等于上限值時，Kh就取上限值及下限值，中間值可用定額與人（床）數的乘積作為變量內插法求得。

4.2"小時供熱量

Qg=k1mqrC（tr-t1）ρrT1

式中：Qg為設計小時供熱量，kJ/h；k1為安全系數，取 1.05～1.10；T1為機組設計工作時間，h，根據用水規律和系統經濟性等因素綜合考慮，NY40建議取 16～22 h。

4.3"機組臺數

N=Qg/（3 600W）（結果只入不舍取整）

式中：W為燃氣發電熱水機制熱功率（kW），取45 kW。

根據企業提供的數據，員工宿舍100間，300張床，根據熱水用水定額取為 120升每床每天，熱水溫度 60 ℃，熱水密度為 1 kg/L，每日使用時間24 h，機組設計工作時間取 16 h，安全系數k1取 1.10，最后可得機組臺數約4臺。

4.4"節能減排測算方案對比

經測算，沼氣發電方案與傳統鍋爐比較：傳統鍋爐方案，用煤174噸每年，排放 CO2 量 360 噸每年；而沼氣發電方案，節約標煤62噸每年，節省率 35.8%，減排 CO2 量180噸每年，節省率 50.0%，項目具有良好的環保效益。

5"實驗系統搭建

按50 m3/h的沼氣產氣量設計并搭建實驗系統。在搭建好實驗樣機平臺后，運行設備，使厭氧反應池中產生的沼氣在經過凈化系統后脫水脫硫，達到符合要求的純凈沼氣燃氣，再通過NY40微型熱電聯產設備，將燃氣轉化為電能和熱能的形式，實現沼氣的綜合利用。電能一部分用于發電機組的運行，其余均用于廠區的電力負載使用，并通過能效管理服務平臺實時檢測用電情況，同時反映系統的穩定性和可行性。

6"結語

利用酒廠廢水處理產生沼氣并將沼氣回收進行發電，既實現了沼氣無害化處理和能源化利用，在給酒廠產生一定經濟效益的同時，還為酒廠減少二氧化碳的排放。采用這種環保的廢棄物處置方法可節能減排，變廢為寶，實現碳中和目標。實驗樣機的平穩運行也證明了項目的可行性，后期與企業溝通將增加發電機組，使得實驗樣機變為真正可以大規模發電的機組，進一步推進酒廠的環境保護以及節能減排。

參考文獻

［1］牛東曉，范磊磊.尋找能源發展的綠色路徑［J］.能源評論，2013（10）：50-52.

［2］侯健敏，徐志豪，余威杰，等.一種用于釀酒廠的綜合能源利用系統：CN214273750U［P］.2021-09-24.

［3］侯盾，周夏海.生物+同步再生干法脫硫在沼氣處理中的應用［J］.中國給水排水，2022（14）：25-32.

［4］邢蕾，歐云.常用冷熱電三聯產系統簡述——基于天然氣系統［J］.價值工程，2016（36）：118-119.

（編輯"何"琳編輯）

Study of carbon emission based on the comprehensive utilization of biogas in a winery

Xu "Yifeng， Huangfu Yi， Dong "Wenxiao

（Energy and Mechanical Engineering College， Shanghai Electric Power University， Shanghai 201306， China）

Abstract： "In the upgraded sewage treatment system of a yellow distillery in Shanghai， UASB anaerobic reactor was used to treat high-concentration sewage， and biogas was produced in the process of anaerobic treatment. Biogas， as one of the gas fuels in the primary energy， is a waste of energy after combustion or direct discharge. As methane is a greenhouse gas， the way of emptying increases the carbon emissions of the factory， which is not conducive to the realization of the “Dual-carbon” goal， and seriously increases the burden of enterprises to reach the peak of carbon. Therefore， part of the biogas is used for boiler combustion， the rest of the biogas is purified on the spot for power generation， and the generator set is used for combined heat and power supply （CHP）. In this whole process， the comprehensive utilization of biogas is also effectively controlled on carbon emissions. It not only achieves the effect of energy saving and emission reduction， but also brings certain economic benefits to the winery.

Key words： biogas power generation; environmental protection; energy use; energy conservation and emission reduction; carbon neutral

作者簡介：許怡豐（1997— ），男，碩士研究生；研究方向：能源動力。