规模化猪场特大型沼气发电并网工程案例分析

马宗虎，傅国志，徐 攀

（中国华电工程（集团）有限公司，北京 100035）

0 前言

中国是一个畜牧业大国。2006 年，中国生猪出栏数66 098.60 万头，牛5 602.85 万头，羊32 967.55 万只，家禽101.76 亿只。全国每年产生的畜禽粪便总量为30 亿t，仅鲜粪就有16 亿t[1]。中国畜禽养殖业快速发展，畜禽粪便和污水的产生量增加，绝大多数的畜禽养殖场(户)没有相应的畜禽粪便综合利用和污水配套处理设施，任意排放的现象非常严重，畜禽粪便污染会对人体健康、农业生产产生影响[2-5]，畜禽粪便污染已成为农村面源污染的主要组成。畜禽粪便产生的甲烷是主要的温室气体之一，1990 年中国动物废弃物甲烷排放量为1.198 Tg，占全球粪便源甲烷排放量的10%左右，其中猪粪的甲烷排放量最大，占总量的85.8%[6]。大中型沼气工程是解决畜禽粪便污染的有效途径[7-8]，在强调可持续发展的大背景下，大力推广沼气工程显得尤为重要[9]。沼气发电在发达国家已受到广泛重视和积极推广，如美国的能源农场、德国的可再生能源促进法的颁布、日本的阳光工程、荷兰的绿色能源等[10]。建设沼气发电工程可以有效地解决养殖场废弃物的污染问题，减少温室气体排放，生产绿色能源，实现资源、环境与经济、社会的发展相协调。

湖北华电龙感湖沼气发电项目是一个典型的利用养殖废弃物进行能源化利用项目，占地面积30 余亩，由中国华电集团公司投资建设，依托湖北省黄冈市龙感湖管理区存栏量达5.6万头的规模猪场，猪场每天产生猪粪便120 t（总固体浓度TS 25%）。2010 年开始建设1.338 MW 大型热电肥联产沼气工程，年产沼气348 万m3，年发电785万 kW·h。项目于2012年5月投入试运行。

1 工程设计

1.1 工艺流程

该项目每天从养殖场收集50 t 固体粪便（25%干物质含量），通过卡车送入匀浆池。养殖场每天产生的380 吨冲洗水和液体粪便混合物（4.6%干物质含量）经集污池收集后进入项目匀浆池。在匀浆池中布置了2 台搅拌器，经过搅拌后的物料由1 台中央泵输送到并联运行的3 个厌氧发酵罐进行厌氧处理。中央泵可以实现3 个发酵罐之间物料相互流动，同时作为发酵罐的事故物料泵。每个发酵罐中布置了3 台搅拌器，通过搅拌使物料均匀，有利于产生沼气。工艺中产生的沼气将被用于2 台内燃发电机组发电。已发酵的物料通过布置在发酵罐上部的溢流口，依靠重力流入固液分离车间进行固液分离。分离后的液体进入厂区内的沼液储存池，通过潜污泵输送至厂外沼液储存池，根据我国法律规定，沼液须储存2 个月以上方可进入农田施用。分离后的沼渣可以进行干化、堆肥、固化或者用于猪饲料的添加剂和固体有机肥料。工艺流程见图1。

1.2 主要工程设施

该项目主要工程设施见表1。

1.3 预处理部分

本工程设置了一个直径16 m、高3 m、有效容积为530 m3的匀浆池，对每天产生的粪便、尿液和冲洗水进行收集。匀浆池中设置了2 台搅拌器和1 台潜污泵。通过潜污泵可以把物料投入3个发酵罐中。粪污最大的储存时间是1 d，潜污泵以18～20 m3/h 的进料方式将物料投加到发酵罐中。

表1 主要工程设施

1.4 厌氧发酵部分

本工程设置了3 个发酵罐，沿南北直线布置，方便发酵罐的物料进出管、沼气出管布置。发酵罐采用钢筋混凝土结构，直径26 m、高8 m，壁厚300 mm，有效容积为3 812 m3。发酵罐之间的间距为5 m，发酵罐外部设有盘梯，发酵罐之间有平台连接。发酵罐顶部布置了7.5 m 高的双膜贮气装置。每个发酵罐设置了2 个观察窗以及观察用的照明灯以及溢流管。

发酵罐的东侧布置了1 200 m3的沼液储存池。沼液储存池的顶部设置了沼气收集装置，以进一步收集剩余的沼气，增大电厂的经济效益。

沼液储存池的东侧布置了匀浆池，匀浆池与沼液储存池之间设有围墙，以改善电厂厂区内的运行环境。匀浆池的体积为530 m3，直径16 m、深3 m。

1.4.1 进料浓度

猪粪沼气工程厌氧部分运行时应注意控制进料TS 浓度。过低的TS 浓度系统增温将耗去大量能量。TS 浓度过高又易使厌氧系统氨氮浓度过高，影响厌氧系统的运行效率。实际运行中一般要求发酵液中氨含量不超过3.8 kg·t-1。沼液的回流使用也会带来氨的积累，因此，在操作运行中不进行沼液回流。

该工程设计进料TS 浓度为7%，当进料TS 浓度7%时系统产气效率最高。该工程启动期间热量来源于锅炉燃烧，产生沼气大部分用于内燃机发电，其余部分火炬燃烧，避免甲烷直接排放。

1.4.2 搅拌系统

发酵罐内搅拌可以使原料与微生物充分接触，大大提高厌氧发酵速度。搅拌器是厌氧反应系统关键设备，关系到厌氧反应的效率和系统的可靠性。本工程每个发酵罐里面配备3～4台可移动式潜水搅拌器，可以充分搅拌物料，使物料均匀。安装在支撑杆上的搅拌器可以上下移动搅拌，防止发酵罐内液面上层物料发泡结壳。搅拌器也可以在同一水平面转动，还可以定点多角度旋转，可防止原料因搅拌死角在罐体里长时间沉积而导致发酵罐堵塞。此外该搅拌系统运行费用相对较低，维修方便。搅拌器监测系统可以在搅拌器发生故障前报警，搅拌器的维修可以在15～20 min 内完成，不会影响厌氧系统正常工作，并且也不需要清空发酵罐。而国内常见的固定的搅拌器维修往往需要清空发酵罐，维修完成后还需要重新启动厌氧反应，花费的时间可长达数月。

1.4.3 产气储气脱硫一体化装置

本工程采用世界领先的产气储气脱硫一体化的厌氧反应罐，节省了建设用地、脱硫设备和储气设备的投资，加快了建设进度。储气膜内膜和发酵液面间有一圈木质横梁作为支撑架，防止内膜掉入发酵罐液体中。每个发酵罐集气装置的体积为1 391 m3。集气装置的顶部设置了高低压保护、压力监测以及紧急状态的泻压装置。

1.5 沼气净化部分

1.5.1 罐内生物脱硫

本工程采用世界领先的产气储气脱硫一体化的厌氧反应罐，沼气脱硫部分完全在发酵罐内部完成，系统稳定运行后沼气硫化氢脱除率超过99%。在生物脱硫系统形成前，需要先向发酵罐内加入一定量的化学制剂，保证净化气中H2S 含量满足发电机要求。根据本工程环评的要求，二氧化硫的总排放量为140 kg·a-1。因此，要求沼气中H2S含量约为28 mg/m3。厌氧反应罐内通入一定量的空气，维持沼气内氧气含量在一定的浓度，罐内脱硫菌即可将沼气中的硫化氢转化为单质硫或硫酸盐，从而使沼气得以净化。单质硫在脱硫网上积聚，最终掉入发酵罐中随发酵完的物料排出罐体。通过这种罐内生物脱硫方式可以使H2S 去除率达到发电机组对进气中硫含量的要求。

目前，国内普遍采用的化学脱硫的方式运行成本大约为0.1 元/m3，而发酵罐内部脱硫的运行成本几乎可以忽略不计，以一个日产1 万m3沼气的项目为例，每天节省的脱硫成本即为1 000 元。

本工程H2S 去除率一直较为稳定。表2 为本工程生物脱硫启动2 周后连续10 d 监测数据。

表2 生物脱硫运行记录(沼气H2S 检测值)

1.5.2 脱水

为了满足内燃发电机组的要求，同时保护内燃发动机，沼气进入内燃机组之前必须脱水。本工程根据采用管道埋地的方式脱水。沼气管道的埋地深度为大于1 m，可去除沼气中的大部分水。在发酵罐、储存塘及冷凝器之间铺设的沼气管道要保持1%的坡度以实现脱除水的汇集，管道的连接处应该是柔性的，这样可以避免地面环境对管道的破坏。管道收集的水通过排水井中的潜水泵排出。

1.6 余热发电型方案

本工程采用双螺杆膨胀动力发电机，带螺杆膨胀动力发电机的热力系统流程图见图2。螺杆膨胀动力机具有3个非常重要的技术特点：

1）热源适应范围非常宽广。可以适用于过热蒸汽、饱和蒸汽、汽水混合物、热水和高含盐份的各种低品位热源的热电转换，属于国际上唯一具备如此优点的热动力机。

2）变工况能力十分优越。在热源负荷和参数大范围（从120%到10%范围）变化波动的情况下，不仅运行稳定可靠，而且高效平稳。

3）维护费用和使用技术门槛很低。属于10 年无大修的动力机，小修维护和运行操作都简单方便，对用户原系统不产生干扰影响，安装和移动十分简易。

沼气内燃机发电可利用的余热有4 部分。一是一级中冷器的热量106 kW；二是润滑油冷却热量76 kW；三是缸套冷却热量196 kW；四是排烟利用热量354 kW。上述热量均指单机可利用的热量。其中，前3 部分的热量通过换热提供给发酵罐所需的热量，如果发酵罐需要的热量较少，多余的热量通过紧急散热器进行散热。螺杆膨胀动力发电机利用燃机排烟的余热。利用余热锅炉，吸收排烟的余热，单机可产生0.47 t·h-1，167.7 ℃、0.65 MPa 的饱和蒸汽，进入螺杆膨胀动力发电机膨胀做功发电，发电功率为34 kW，2 台燃机配一台螺杆膨胀动力发电机，发电机的装机功率为68 kW。螺杆膨胀动力机的排汽参数为88 ℃的饱和蒸汽，进入凝汽器冷凝为88 ℃的饱和水，进入余热锅炉循环使用。凝汽器的冷却水入口温度为55 ℃，出口水温75 ℃，冷却水的流量为5 kg/s，冷却水进入冷却塔冷却后再进入冷凝器循环使用。

2 工程特点

该工程设计主要特点有：

1）采用TS 7%的CSTR 高浓度发酵工艺，38 ℃中温发酵，装置容积产气率0.86 Nm3/m3,气年产量348 万m3。

2）采用热电肥联产运行方式，沼气用于发电上网，选用2 台635 kW颜巴赫(GE Jenbacher)发电机组，年发电785 万 kW·h，发电机组电效率39.9%，热效率33%，可回收热量1047 kW，发电机组电热总效率可达72.9%。发酵后的沼液存储后用于周边农场，实现养殖场废弃物的零排放。

3）可移动式潜水搅拌器。可以将发酵罐内物料充分搅匀，防止发酵原料上层结壳发泡，不留搅拌死角，防止原料在罐体里长时间沉积导致发酵罐堵塞。此外该搅拌系统还具有运行费用低，易于维修的特点。

4）采用罐内生物脱硫工艺。通过这种简单的脱硫方式可以使H2S 含量降到10 mg/m3以下，达到发电机组对进气中硫含量的要求。该工艺技术国内领先，脱硫效率高，成本低，无二次污染。

5）本工程采用世界领先的产气储气脱硫一体化的发酵罐，节省了建设用地、脱硫设备和储气设备投资，加快了建设进度。

6）使用螺杆膨胀动力机进行余热发电，推广螺杆膨胀动力机对我国国民经济和能源战略将产生深远的影响，可以将我国能源的利用效率提高到一个全新水平，对我国资源循环节约和环境保护都将产生积极的社会意义和经济意义。

3 结语

湖北华电龙感湖沼气发电工程采用世界先进的沼气制备工艺和设备，将养殖场动物粪便等废弃物转化为清洁的沼气资源。沼气热电联产有利于优化区域有机废弃物的综合利用。通过本项目建设，发酵后沼渣、沼液均得到有序利用，有效减少了水体或土壤有机污染。沼气工程启动运行一年来，各项指标达到设计要求。本项目的建成，使龙感湖农场建立在资源的可持续利用和良好的生态环境基础上，保护了自然资源，保持了资源的可持续供给能力，逐步使资源、环境与经济、社会的发展相协调。龙感湖沼气发电项目无论是生产工艺还是设备技术方面，都属国际一流国内领先的地位，项目的建设得到国家能源局、湖北省发改委以及相关部门的高度重视和关注。该项目必将成为我国生物质沼气发电领域建设和发展的示范和标杆。

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