余热利用摘要：介绍了沼气发电原理、余热利用的系统与特点，以及沼气发电对气质的要求等；阐述了沼气发电的作用、意义以及国内外沼气发电的状况和前景，提出了目前沼气热电冷联产遇到的问题和对今后发展的建议。关键词：沼气发电；余热利用；内燃发电机沼气作为可再生能源，越来越受到重视，并得到广泛应用。它属于生物质能，主要来源于动植物资源。用新技术开发利用生物质能不仅有助于温室效应的减轻和生态良性循环，而且可替代部分石油、煤炭等化石燃料，成为解决能源与环境问题的重要途径。目前，全世界共建成4817座垃圾填埋场，每年可回收沼气51．42亿m3。1我国沼气建设与利用的发展规模随着对环保的逐渐加强，人们不断利用各种方式来减少工农业生产对环境的破坏。生物质资源的利用越来越受到重视，近10年来得到较快发展，已建成26715个大中型沼气工程，其中包括处理畜禽粪便及各种生产、生活污水、垃圾填埋等方法产生的沼气。到2003年，以处理规模化的禽畜场的粪便为主的"能源环保"生态农业沼气工程，累计达到1560处，总池容达到76．51万m3，年产沼气1．837亿m3。2002年生活污水净化沼气池总容积达到447．3万m3。我国工业发展给沼气提供了丰富的原料--工业废水。我国目前发酵工业主要包括以味精为代表的氨基酸类、以柠檬酸为代表的发酵有机酸类、淀粉糖、酶制剂、酵母以及发酵甘油和特种功能发酵制品。在发酵企业排出的废物中，以发酵产生的有机废水危害最大。经过厌氧处理、随着废水化学需氧量c0D的降低，废水的无害化处理可以产生大量沼气(每消耗一吨COD大约要产生沼气0．55-0．65m3)。另外，我国每年还有大量沼气源于城市垃圾填埋。随着沼气建设发展与沼气产量的不断增加，沼气的利用已经从传统意义上的取暖、炊事和照明等，逐步向沼气发电这一新兴领域发展，而且发展速度很快。收稿日期：2005一08-16作者简介：高春梅，1965年生，女，北京人，在职攻读硕士研究生，高级工程师。据专家预计，到2020年，我国工业伴生沼气的潜力将为215亿m3，是2001年的2倍；农业沼气潜力将达到200亿m3。如全用于发电，按每立方米沼气发电1．6kw·h计算，仅工农业产生的沼气发电量就超过660亿kw·h。今后，沼气热电联产将会有很大的发展空间。2沼气发电与热电联供2．1国内外沼气发电技术与应用发展状况沼气燃烧发电是随着沼气综合利用的不断发展而出现的一项沼气利用技术。目前用于沼气发电的设备主要有内燃机。在国外的污水处理厂及垃圾填埋场的沼气处理工艺中普遍使用。目前，美国在沼气发电领域有许多成熟的技术和工程，处于世界领先水平，装机容量已达7．5Mw，现有61个填埋场使用内燃机发电。欧洲用于沼气发电的内燃机，较大的单机容量在0．4MW-2MW。我国开展沼气发电领域的研究始于20世纪80年代初，1998年全国沼气发电量为l055160kw·h。在此期间，先后有一些科研机构进行过沼气发动机的改装和提高热效率方面的研究工作。2003年我国已有100多个沼气发电项目，装机容量达3936kw。北京高碑店污水处理厂采用的就是沼气内燃发电机组，其中有7台进口发电机组，3台500kW的山东胜动机械厂生产的发电机组。2．2沼气发电与余热利用的作用和意义沼气发电产生大量电能和热能，其热能可用于冬季采暖，也可用于夏季制冷，使沼气得到综合利用，变废为宝，提高了能源的利用效率和综合效益。既节约了能源又保护了环境，同时也缓解了夏季的电力紧张问题，增加了供电的可靠性。沼气发电机既可以作为独立电源运行，也可以与电网并联运行，也可作为备用电源使用。沼气发电有助于减少温室气体的排放。通一2】7一万方数据迢氢筮电皇金憝型用过沼气发电工程可以减少CH。的排放，每减少ltcH。的排放，相当于减少25tCO：的排放。2．3沼气发电对气质要求由于燃气内燃机本身设计上和材料上的特点，它对硫化物的腐蚀特别敏感。超标的硫化物如遇到湿气或水就会产生酸性物质，可以造成涡轮增压器和中冷器的腐蚀；降低润滑油的使用寿命；如尾气热交换器被腐蚀，热循环水就会进入到内燃机缸体和气缸中，造成更大的损失。由于沼气中Hzs的彻底去除是有一定难度的，气体内的湿度是产生酸性物质的间接条件。因此，气体的除湿也是非常重要的。目前，国外的四冲程、点火式燃气内燃机对燃气质量及特性的具体要求如表1所示。表1沼气发电对气质要求沼气气质数量甲烷含量％最大甲烷含量变化速度％／min沼气的杂质含量含硫总量。蹦／枷(z形Nm3)H2Smg／MJ(mg／Nm3)CLm∥MJNH3mg／MJ油分mg／MJ杂质mg／MJ杂质颗粒大小d／"mSimg／MJ沼气的温度∥℃允许最大温度变化梯度％／min相对湿度％沼气的压力范围∥kPa压力波动∥kPa沼气的热值MJ／Nm3t经特殊设计的设备所允许的含硫量。根据沼气组成的特点，要达到表1中气体质量的要求并不难。如使沼气中Hzs的含量小于20m∥MJ(300mg／Nm3)是比较理想的。另外，在沼气传输过程中，从消化池中出来的沼气若与润滑油等油性物质接触，沼气中含有油颗粒，应采用活性碳过滤器和油水分离器加以去除。具体脱硫、除油、除尘、除湿的方法是在进入气柜之前，采用先湿式脱硫、后干式脱硫；在出气柜之后，采用活性碳过滤器、油水分离器和气水分离器的综合工艺。这样脱硫、除油、除尘、除湿的效果极佳。2．4沼气发电机的原理及特性沼气经净化处理后进入燃气内燃机，燃气内燃机利用四冲程、高压点火、涡轮增压、中冷器、稀释燃烧等技术，将沼气的化学能转换成机械能。沼气与空气进入混合器后，通过涡轮增压器增压，冷却器冷却后进入一218一气缸内，通过火花塞高压点火，燃烧膨胀推动活塞做功，带动曲轴转动，通过发电机送出电能。内燃机产生的废气经排气管、换热装置、消音器、烟囱排到室外。整个过程是由可编程序控制器控制。利用计算机及网络技术，实现控制管理智能化，运营管理信息网络化。发电机组为模块式、小型化、高效一体。燃气内燃机发电效率通常达30％一40％，热效率超过50％，总效率可达到90％(国产设备略低一些)。通常在O：为5％的情况下，燃烧后的排放N眠≤500mg／Nm3，完全满足环保的要求。因此，燃气内燃机对沼气的利用是一种非常理想的途径。沼气的主要成份是甲烷和二氧化碳，由于甲烷燃烧速度较低，同时二氧化碳的存在也能减缓火焰传播速度，又能在发动机高温高压下工作时，起到抑制"爆燃"倾向的作用。这是沼气较其它可燃气体具有更好抗爆性的原因。2．5余热利用联供系统沼气发电机在发电的同时，产生出大量的热量，烟气温度一般在550cc左右。通过利用热回收技术，将燃气内燃机中的润滑油、中冷器、缸套水和尾气排放中的热量充分回收利用。用于冬季采暖以及生活热水。夏季可与溴化锂吸收式制冷机连接，作为空调制冷。一般从内燃机热回收系统中吸收的热量以90℃的热水形式供给热交换部分使用。内燃机正常回水温度为70℃。在污水处理厂中，还可利用这一热量给消化池进行加热。沼气发动机的冷却与一般的汽油和柴油发动机一样，都用水冷却。为防止产生水垢，冷却水要用软水，有时还要添加防冻液。为此，通常把调制的水作为一次冷却水，在发动机内部循环；而用热交换器把热传到二次冷却水的间接冷却方法。缸套水冷却循环采用的就是此方法。此外，润滑油吸收的热也可以通过润滑油冷却器，传至冷却水中。由于沼气中含有微量杂质和腐蚀性物质，若燃烧后的烟气经换热后温度过低会产生一些杂质，因此，要求沼气发动机的尾气排放温度要比其它燃气发动机的尾气排放温度高几十度，回水温度相应就要略高一些。图1是传统的燃气热电冷三联供系统形式。图1燃气内燃机热电冷三联供系统一眦一锄m一㈣"一～。一～删灿万方数据撼立笪堡皇型堇2堂生筮Z鲞筮主翅目前，一些国外的发电设备将余热利用设备与发电机组集成一体化，即换热装置在机组内部，而不用单独配置，出来的直接是热水。设备只需三个接口：进、回水接口和沼气接口。设备可与热水锅炉并联连接。这样，既简化了系统，减少了设备及占地面积，利于运行维护，同时也减少了系统及工程总投资。进口的燃气内燃机机组还配有全自动电脑控制系统，并可实现远程控制；冷却系统；润滑油自动补给系统；尾气消音器等。图2为新型的热电一体式的热电联供系统。r?一一一一一一一一一一一一一一一一一一一]1．缸套水换热器；2．烟气换热器；3．疏水阀；4．回水接口；5．热水出口图2热电一体化的沼气内燃发电机组余热利用系统该发电机组可用于污水处理厂、垃圾处理厂、农业养殖场、酒厂等场所产生的沼气发电，余热可用于发酵池的保温或采暖及生活热水等。图3为热电一体化的沼气联供机组在污水处理厂的应用系统流程图。图3污水处理厂流程图2．6供电系统沼气发电机输出低压电力(如400V)，经过变压系统升至高电压(如10kV)。在技术上可采取独立运行，区域内部并网的方式，必要时可与电网不间断切换；也可以采取与电力公司的配电系统并联(并网或上网)。发电机组采用微机控制，具有完善的并网控制及保护功能，它包括：发动机自身的保护功能；自动负载跟踪调节功能；自动同步并网功能；逆功率保护功能等。并网运行时，发电机供基本负荷或始终控制一定的购买电量。上网运行时，发电机满负荷或大负荷运行，多余电量上网销售。但目前我国只有大型的电站机组才允许上网，并网也受到电力公司一定的限制。3国内外沼气发电产品的概况国外常见燃气内燃发电机的生产厂家有：美国卡特彼勒公司、美国康明斯公司、奥地利颜巴赫公司、芬兰的瓦锡兰公司、德国的MDE公司等。国内的生产厂家主要有：山东东营胜利油田动力机械厂、山东济南柴油机厂、山东潍坊柴油机厂等。捷克Tedom公司生产的燃气内燃发电机目前已遍布欧洲地区。其产品的显著特点是将发电、供热于一体，机体内部包含了发动机、发电机、余热回收换热装置，及自控系统。它的显著特点是：系统简单，且节省许多配套设备，可相应降低工程造价；机体采用了隔音罩等措施，距机体1m噪声小于70dB；在烟道上安装了烟气催化净化装置，No戈及cO排放均符合欧洲标准。自动补充机油，可远传自动控制。发电效率可达到40％，热效率50％，综合效率可达到90％。4结论和建议我国沼气发动机的开发研究主要集中在内燃机系列上，一般都是在柴油机和汽油机的基础上进行改装，对燃气发动机的性能研究还有待进一步的深入，产品质量还有待于进一步提高，在运行使用中出现的诸多问题还有待进一步研究和解决。此外，沼气发电市场不规范，没有相应的较为完善的行业标准，也不利于其商业化开发和利用。还需要在相应的激励政策和限制性政策方面给予进一步的扶持，更加有效地动员和吸收投资。电力部门应在沼气电力并网方面给予支持和帮助，制定优惠的上网电价，以改善沼气发电的经济性，促其进入市场。从国内的几个示范项目分析来看，有一些值得借鉴的经验和教训。如：1)引进设备较贵；2)机组选型时一定要考虑优化合理配置，若机组不能满负荷运行，会造成运行成本较高，系统整体的经济性受到影响。3)并网政策。若机组作为备用电源独立运行必然会使所选机组长期不能满负荷运行，不能体现联供机组的经济性。因此，只有允许上网或并网才能体现其经济性。在吸收国内的示范工程的经验和教训的同时，通过对国内外的调研，认为引进沼气发电及其余热利用技术，不能一味照搬照抄国外的经验，应该结合国内的实际情况，在热、电、冷联供系统的应用技术上进行创新，简化系统、降低工程造价、提高运行的经济性。这样才能使这项技术在国内得到真正的推广应用。

文章来自：http://www.ytebara.com.cn/index.php?catid=623/