静脉产业园沼气利用方式比较分析

张桂仙

摘  要：静脉产业园中垃圾焚烧发电渗滤液处理和餐厨垃圾处理在厌氧发酵环节中产生沼气，沼气可作为能源回收利用，具有一定的经济效益。该文依据实践经验，介绍了静脉产业园中餐厨垃圾厌氧产沼和垃圾焚烧电厂渗滤液产沼联合利用模式下的3种利用方式：沼气入炉焚烧发电，沼气内燃机发电和沼气提纯制压缩天然气（CNG）。该文从技术和经济角度对这3种利用方式进行了对比，认为沼气内燃机发电是最优的利用方式。

关键词：静脉产业园;沼气利用;经济分析

中图分类号：   X705 文献标志码：A

静脉产业园是指依托生活垃圾焚烧厂的优势，将粪便、污泥、餐厨等处理项目合并建设至焚烧厂周边，使各项目之间形成物质与能量的循环利用，最终实现废物无害化、减量化、资源化处理[1-3]。随着全国各地静脉产业园的规划建设，餐厨垃圾和垃圾焚烧的协同处理模式越来越得到普及和推广[4]。

沼气是有机物质在厌氧条件下，经过微生物发酵作用而生成的一种混合气体[5]。主要成分中甲烷含量约占总体积的55%～70%左右，其蕴含有大量的热值[6-7]，经过处理后加以利用可以产生较好的经济效益。在餐厨垃圾处理与生活垃圾焚烧厂共建的静脉产业园中，沼气主要产生在静脉产业园垃圾于渗滤液、餐厨垃圾等有机垃圾厌氧处理过程中，如果将各个子项产生沼气合并处理后进行利用，形成规模效应，将会有效降低生产成本，提高经济效益和环境效益。目前较为普遍的沼气利用方式主要为3种：沼气回垃圾焚烧炉焚烧、沼气内燃机发电以及提纯制压缩天然气（CNG）[8]。

该文以某静脉产业园为例，其中餐厨垃圾处理项目规模100 t/d，生活垃圾焚烧发电厂渗滤液处理站规模300 t/d，将两项目产生的沼气合并处理，对3种常见的沼气利用方式进行分析对比，为静脉产业园沼气利用路线提供参考。

1 沼气产量基本情况

研究表明，每吨餐厨垃圾发酵约可产生77.8 m3沼气[9]，餐厨垃圾处理量为100 t/d的工程日产沼气约7 780 Nm3。渗滤液系统设计处理能力300 t/d，按照1 m3渗滤液厌氧可产生14 Nm3沼气计算，则估算渗滤液处理系统平均每天产沼量为4 200 Nm3。本项目总沼气产量为12 000 Nm3/d（500 m3/h）。

沼气成份如下：CH4：55%～75%（体积百分比）;CO2：25% ～ 40%（体积百分比）;其他气体：5%～10 %（体积百分比）;低位热值：LHV=20.8～23.6 MJ/Nm3。

2 沼气处理方案收入比较

2.1 沼气回焚烧炉燃烧

沼气回炉焚烧流程如图1所示，沼气经增压风机增压后通过燃烧器送入焚烧炉膛进行燃烧，燃烧所得的热量和垃圾焚烧产生的热量一同发电，以实现对资源的回收利用。将沼气引入焚烧炉焚烧可以提高垃圾焚烧温度，加强二噁英分解效果，沼气中硫化氢在燃烧后转化为二氧化硫，经过焚烧炉后端的烟气处理系统处理后达标排放。

沼气回焚烧炉与垃圾一起燃烧，可利用其燃烧过程中产生的热量，增加锅炉的蒸发量，相应增加汽轮机的输出，从而提高产电率。该项目沼气回焚烧炉燃烧发电效率按25%计算，沼气低位热值20.8 MJ/Nm3，每年按8000 h运行，则年发电量为20.8×500/3.6×25%×8000=578万kW·h，焚烧厂标杆电价为0.4元/kW·h，每年可增加收入231.2万元。

2.2 沼气内燃机发电

沼气通过内燃机发电是沼气能量利用的另一种有效形式。沼气内燃机发电利用工艺如图2所示，沼气能量利用流程为产生的沼气进入储存柜储存，然后进行脱硫、除湿、稳压防爆等处理后进入内燃机发电，最后产生的电力并网。由于沼气中含有少量的H2S气体，该气体对发动机有强烈的腐蚀作用，且燃烧后会产生二氧化硫等酸性气体，因此沼气进入内燃机前必须先进行脱硫处理，同时要去除沼气中的饱和水，以及增加稳压防爆设备。相较于沼气回焚烧炉燃烧，沼气内燃机发电的设备投资和运行费用增多。

沼气能量在沼气发电过程中能源转化效率能达到40%左右，目前可再生能源发电上网电价0.75元/kW·h，经济效益显著。根据国内已实施沼气发电厂的运行经验，参考沼气产量，该项目选取单台发电功率为1 000 kW燃气内燃机组，型号选定为卡特彼勒CG170-12，发电效率38%。沼气低位热值约为20.8 MJ/Nm3，每年按8 000 h运行，则发电量为20.8×500/3.6×38%×8000=878万kW·h，扣除自用电10%，年上网发电量为790.2万kW·h。按可再生能源发电上网电价约0.75元/kW·h，每年可增加收入592.7万元。

2.3 沼气压缩提纯制CNG

压缩天然气（Compressed Natural Gas，简称CNG）是指经加压并以气态储存在容器中的天然气，可作为车辆燃料使用。产生的沼气经湿法干法两次脱硫、冷冻脱水和变压吸附处理后，去除原沼气中的杂质，将甲烷分离出来，使其纯度达到《车用压缩天然气》（GB18047—2000）的要求，再通过CNG压缩装置压缩至22 MPa装入罐车。该项目沼气提纯制CNG后日产量约为：12000×0.58=6960 m3/d，每年按8 000 h運行，则可生产出232万m3CNG ，按每方CNG售价2.0元计算，每年可增加收入464.0万元。

3 方案经济性比较

该文在评价经济性时采用考虑资金时间价值的动态评价指标，对各沼气利用方式进行经济评价。即将现值分摊到寿命期内各年的等额年值，可用式（1）计算，3种方案费用年值见表1。

（1）

式中：AC—费用年值，元。PC—费用现值，元。n—设备使用年限，a。i—年利率，取现年贷款利率4.9%。

为保持沼气发电运行周期的稳定性，沼气内燃机发电机组一般选取进口机组，其造价和维护费较国产机组要高出很多，因而造成方案2初期设备投资和运行维护费用要高于其他2种方案。其次是沼气提纯制CNG，而方案1沼气回炉焚烧由于沼气不需要预处理，可省去预处理设备的投资费用和运行费用。综合收入和支出费用结果，3种沼气利用方式的综合经济效益比较见表2。

由表2可知，采用沼气回焚烧炉燃烧，投资和运营成本最低，投资成本收回最快，但是能源利用效率最低，且上网电量并不享受电价补贴，因而收入最低，每年净利润133.5万元。如果采用方案2和方案3则每年净收益分别为251.6万元和218.9万元。沼气内燃机发电和沼气提纯制CNG相较于进入焚烧炉焚烧发电，对能源的利用率更高，内燃机发电机组前期投资成本较大，运营和维修费也较高，但收入可观，年净利润可达251.6万元，适合规模较大的长期运营项目。沼气制CNG成品出售单价较高，经济利润可觀，当CNG成品售价为[251.6（沼气内燃机发电年净利润，万元）+245.1（沼气制CNG费用年值，万元）]×10000/[12000（沼气产量，m3）×0.58（沼气提纯制CNG比例）×8000（年运行时间，h）/24]=2.14元时，沼气制CNG成品出售年利率与沼气内燃机发电的年利润持平，但是需要投入另外的运输和销售成本，并且参考各地的实际情况，其销路不稳定，投资回报有一定的风险。

4 结论

沼气经燃烧器回炉燃烧工艺简单，投资成本较低，还可以增加发电量，但是对安全的性能要求较高，并且利用效率较低，适用于小规模的沼气项目;沼气内燃机发电虽然费用年值最高，利润也最高，适合大型沼气项目和长期运营项目;沼气提纯制CNG出售其年利润受出售单价影响较大，当出售单价在2.14元/Nm3 CNG时，年净利润与沼气内燃机发电持平，虽然经济性较好，但销路不能保证，同时还需增加运输和销售环节，需要增加相应的人工和运输成本。

综上所述，对于此3种沼气利用方式的选取需要因地制宜，综合考虑沼气的产量和实际情况。对于该项目中餐厨垃圾和焚烧厂渗滤液处理的沼气利用，沼气内燃机发电方案从经济性和适应性方面优于其他2种利用方式，是最适宜的方案。

参考文献

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