沼气发电（共10篇）
沼气发电 篇1
1 沼气简介
沼气是由多种厌氧微生物混合作用产生发酵而产生的。在这些厌氧微生物中, 按微生物的作用不同, 可分为纤维素分解菌、脂肪分解菌和果胶分解菌等。在发酵过程中, 这些微生物相互协调、分工合作, 完成沼气发酵过程。
沼气发酵产生的物质主要有三种:一是沼气, 以甲烷和CO2为主, 其中甲烷含量在55%~70%, 是一种清洁能源;二是消化液 (沼液) , 含可溶性N、P、K, 是优质肥料;三是消化污泥 (沼渣) , 主要成分是菌体、难分解的有机残渣和无机物, 是一种优良有机肥, 具有土壤改良功效, 沼气的生成物有很高的应用价值。
沼气发电是集环保和节能于一体的能源综合利用新技术。它利用工业、农业或城镇生活中的大量有机废弃物 (例如:酒糟液、禽畜粪、城市垃圾和污水等) 经厌氧发酵处理产生的沼气, 驱动沼气发电机组发电, 并可充分利用发电机组的余热用于沼气生产, 使综合热效率达80%左右, 大大高于一般30~40%的发电效率, 用户的经济效益显著。
2 国内外沼气发电技术现状
我国沼气发电研发工作有20多年的历史, 现已有大中型沼气工程2000多座, 户用农村沼气池1060万户, 数量位居世界第一。我国的沼气发电在技术方面以及运行管理等方面都已达到国际先进水平。
在发达国家如美国的能源农场、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, 都已得到广泛的推广与应用。此外, 沼气发电的并网比例随着发电和电网技术的逐渐成熟也呈逐年增长的趋势。
3 沼气发电的实现
沼气发电主要有沼气燃烧发电与沼气燃料电池发电两大形式。
3.1 沼气燃烧发电
沼气以燃烧方式进行发电, 是利用沼气燃烧产生的热能直接或间接地转化为机械能并带动发电机而发电。沼气可以被多种动力设备使用, 如内燃机、燃气轮机、锅炉等。燃料燃烧释放的热量通过动力发电机组和热交换器转换再利用, 相对于不进行余热利用的机组, 其综合热效率要高。
3.2 沼气燃料电池发电
燃料电池是一种将储存在燃料中的化学能直接转化为电能的装置, 当源源不断地从外部向燃料电池供给燃料和氧化剂时, 它就可以连续发电。依据电解质的不同, 燃料电池分为碱性燃料电池、磷酸型燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池、固体氧化物燃料电池及质子交换膜燃料电池等。沼气燃料电池是将沼气化学能转换为电能的一种装置, 它所用的“燃料”并不燃烧, 而是直接产生电能。
4 沼气发电的控制策略
围绕着提高沼气燃烧发电或沼气燃料电池的转化效率, 沼气发电的控制主要从两个方面进行考虑。
4.1 净化及提纯沼气
沼气发动机要解决的核心问题是沼气的净化处理和混合:1) 沼气的净化处理;2) 沼气发电机组的防腐处理;3) 电控混合器技术。
4.2 沼气燃料电池的发电控制
一套完整的沼气燃料电池发电系统除了具备沼气燃料电池组、沼气供气系统、沼气净化及提纯系统、直流稳压器、逆变器以及冷却系统之外, 最重要的是燃料电池控制器, 这样才能对系统中的气、水、电、热等进行综合管理, 形成能够自动运行的发电系统。
5 沼气发电产业化发展的主要障碍
我国沼气发电的研究和应用在近十年中发展比较缓慢。主要存在以下障碍:
内燃机 (一般是柴油机和汽油机) 的研究与改装时我国沼气发动机的主要开发方向。由于改装层次较浅, 热力性能研究不深, 导致运行中问题过多, 产品质量较为低下, 从而影响了沼气发动机的发展。而其根本原因在于生产实践经验不足, 技术层面不过关, 最终导致发动机在启动、运行、退出等方面都存在一定的缺陷, 致使可靠性降低。
相比国外技术而言, 我国技术在加工制造工艺和材质等方面都存在着较大的差距。我国研制的全烧沼气发动机的排气温度过高, 气阀、气缸盖易坏、易损。因此, 国产的沼气发电机组的整体转换效率较低。对于单机容量在0.2-0.6MW的发电机组, 其发电效率可以达到27%-30%, 气耗率0.57-0.70k Wh (沼气热值约为21MJ/m3) , 但这仍比发达国家同类型的沼气发电机组的发电效率低近5-6个百分点。
6 对于沼气发电产业发展的建议
我国是一个人口大国, 伴随着经济的迅速发展, 正在面临着经济增长和环境保护的双重压力, 改变能源结构、生产和消费方式, 开发利用生物质能等可再生的清洁能源资源对建立可持续供给的能源系统具有重要作用。这里为沼气发电及其并网的发展提出一些建议。
首先, 沼气发电应当得到政府的大力支持。政府制定相关的发展规划, 加强有关沼气发电技术的保障体系, 对于沼气发电在国内的蓬勃发展必将有极大的推动作用。其次, 如果国家提供相关的资金支持, 鼓励专业化生产, 那么必将引来更大规模的投资主体。另外, 加强法律保障, 对于沼气发电工程表示明确的支持态度, 制定相关的发展政策, 必将为沼气发电的发展带来可观的发展前景。
7 沼气发电前景广阔
由于我国地广人多, 常规能源不可能完全满足广大农村日益增长的需求, 而且由于国际上各种有关环境问题的公约, 限制CO2等温室气体排放, 这就要求改变以煤炭为主要能源的传统格局。因此, 立足于现有的沼气资源, 研究新型转换技术, 开发新型装备既是发展的迫切需要, 又是减少排放、保护环境、实施可持续发展战略的需要, 对于促进国民经济发展和环境保护具有重大意义。S
摘要：中国实现可持续发展离不开可再生能源。生物质能作为一种新型清洁能源, 具有广阔的应用前景。沼气发电是生物质能发电的主要形式之一, 合理有效利用这一新型能源, 对于可持续发展具有重要意义。
关键词：可持续发展,能源,生物质能,沼气发电
参考文献
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沼气发电 篇2
作者：坚冰 2008年4月
1． 沼气资源及其与利用
1.1 沼气资源
沼气产生于有机废水的厌氧消化过程，因此所有可以产生有机废水并采用厌氧工艺处理的企业都可以建设沼气工程。例如：规模畜禽养殖场粪污厌氧处理、酿酒制糖业等工业有机废水厌氧处理、城市污水厂的污泥厌氧处理和城市垃圾填埋。其中，以农产品为原料的大型工业企业例如酒精厂、淀粉厂、糖厂、柠檬酸厂、造纸厂等建设沼气工程的潜力最大。一个年产 5 万吨酒精的生产厂其处理酒精废液的沼气工程，可日产沼气 4~5 万立方米 ；一座中、小城市的污水处理厂或垃圾填埋场，日产沼气（或垃圾填埋气）近万立方米。
中国有丰富的沼气资源，据估计，全国沼气的产量约为200亿立方米每年，相当于150亿立方米的天然气（国家西气东输工程的第一期工程仅为120亿立方米）。如果全部用来发电，可以发电513亿kWh，需要安装1026万kW的发电设备。巨大的市场容量给我们提供了一个广阔的发展空间。
1.2 沼气利用现状
早期建设的污水处理厂虽然采用了厌氧工艺，也能产生沼气，但在当时缺乏沼气利用的设备，大都没有建设沼气收集设备，所产生的沼气全部放散到大气中。某些污水处理厂收集了沼气，但却把沼气用作燃料替代原煤利用锅炉直接燃烧，其经济价值很低（1 m 3 沼气的热值与 1kg 煤的热值相当）。另外，这些企业多数远离城镇，所产生的沼气由于输气管网的建设费用太高无法作为城镇居民的生活燃料集中供气。
最近几年，国内某些内燃机制造厂研制成功了沼气发动机，并使之与发电机配套，可以利用沼气发电。同时通过加装余热回收锅炉，发动机产生的余热还可以用作冬季采暖和夏季制冷，热效率大大提高，经济效益也大幅度提高。
另外，所有可以产生沼气的工厂都是用电大户，近几年由于国内电力日趋紧张，特别是经济发达地区的企业，经常受到国家电网用电量的限制（每星期停电 1~2 天）或计划外用电需高价购买。因此，许多企业已开始意识到沼气发电既提高了沼气自身的经济价值，又为企业缓解了电力紧缺的矛盾。
2． 盈利模式
2.1 投资划分
污水处理厂以及沼气产生的过程全部由工厂负责投资、建设、运行和维护，该部分投资全部是为了污水处理的需要，不论沼气是否用来发电，该部分投资都是必须的。自沼气净化处理开始，到沼气在电厂内的输送、发电机组、电力输送线(该输送线得长度对投资的影响很大)等的投资、运营和维护等由电厂负责。标准配置的沼气电站（包含沼气处理与发电系统，不包含土地），单位千瓦的投资约为3500元/kW，当输送低压电缆较长时，单位千瓦投资将超过4000元。
沼气电站所需的土地和厂房很小，由于土地与厂房不可移动，从风险控制的角度需要由工厂负责。
2.2 双赢价格机制
工厂将沼气免费提供给电站使用。沼气电站作为工厂的自备电厂，其发出的电将以相对网电而言较低的价格出售给工厂。理想状态下，标准配置的电站，电价可以按0.28元/kWh（含税）考虑。对于工厂而言，以山东地区的非普工业为例，其购电价格为0.66－0.75元/kWh，工厂没有对电站投资，却节省了0.38-0.47元/kWh的电费支出；对于电站而言，扣除运行成本后，还有可观的盈利。
某些项目的气处理与高压配电部分可以由工厂负责，此时单位千瓦投资可降到3000元/kW以下，此时电价则可以降低到0.25元/kWh。这种模式的盈利能力优于前者。本募股说明书中的财务分析部分采用标准配置的3500元/kWh单位投资和0.28元/kWh电价，以使分析结果更保守。
3． 经济效益分析
3.1 单个典型电站经济效益分析
一个典型的沼气电站的规模为2MW，安装4台500kW的发电机组。总投资为700万元并全部形成固定资产。资金来源：公司自有资金350万元，利用银行贷款350万元。
机组在气源稳定的情况下可以长时间稳定运行，平均出力为额定功率的80％。考虑到日常检修、中修、大修等，每年的运行时间按300天即7200小时计算。厂自用电按3％考虑。每年可以发电1152万kWh,售电1117万kWh。
3.1.1 收入分析 年售电1117.44万kWh，含税电价为0.28元/kWh,不含税电价为0.2393元/,则
年收入＝0.2393×117.44 ＝267.42万元
3.1.2 成本分析
1)原材料
原材料费＝0元
2)机油
机油消耗量＝1.2g/kWh×1152万kWh=13824kg 机油费＝11元/kg×13824kg=15.21万元
3)配件及维修费用:
每台机组每年的配件与维修费用约3万元。
配件维修费用＝3×4＝12万元
4)人工费用:12万元(按4台机组6名职工计算,人均收入2万元)5)设备折旧:（按10年计算，留残值5％）
折旧费＝3500元/kW×2000kW×(1-5%)/10=67.9万元
6)大修费用（预提）：3万元/台
大修费＝3万元/台×4台＝12万元
7)电站管理费：10万元
8)其他不可预见费：5万元
9)银行利息
银行利息＝利率×金额×（1＋上浮比例）
＝6.12％×350万元×（1＋10％）
＝23.56万元
总成本＝157.67万元
单位发电、售电成本按照含折旧和利息、含折旧不含利息统计，其结果如下：
含折旧和利息 含折旧不含利息
总成本（万元）157.67 134.11
单位发电成本（元/kWh）0.1369 0．1164 3.1.3 增值税及增值税返还
沼气发电属于资源综合利用项目，增值税的一半可以在缴纳后返还。本项目的进项税很少，其缴纳的增值税大致等于全部销项税。因此：
增值税返还＝50％×267.42×0.17 ＝22.73万元
3.1.4 利润与利润分配
营业利润、法定公积金、以及可分配利润根据是否使用银行贷款分别计算汇总如下：
使用银行贷款 不使用银行贷款
发电利润 109.75 133.32 增值税返还 22.73 22.73 营业利润 132.48 156.05
所得税（万元，税率33％）33.12 39.01 税后利润（万元）99.36 117.03 法定公积金（万元，10％）9.94 11.70 可分配利润（万元）89.42 105.33 自有资金投资利润率％ 25.55% 15.05% 3.1.5 影响收益的因素
以上计算的结果表明一个沼气电站的投资回报比较一般。初始投资、电价、增值税及其返还、银行贷款比例等是影响投资回报的主要因素。以上计算所采用的各项参数基本上是以一个标准化运作、管理经营规范的企业的要求为标准。实际工作中有很多可变通的做法。例如：如果采用能源合同管理的模式就可以省去增值税；某些地区在实际工作中可能给与电站一定的补贴；因为企业性质、其所处区域等不同在某些地区可以享受增值税、所得税等的减免等。电价是一个对回报影响比较大的因素，应积极争取。
3.1.6 CDM对经济效益的影响
根据京都议定书以及其框架下的清洁发展机制（CDM），发达国家可以向发展中国家转移资金或者技术，用以建设可以产生温室气体减排效果的项目。沼气的主要成分甲烷是一种有显著温室效应的温室气体，其温室气体效应是二氧化碳的21倍。沼气发电可以从两方面起到温室减排的效果，一是甲烷摧毁，二是所生产的电能可以替代化石燃料的使用。沼气发电项目成功申请CDM的案例很多，主要集中在垃圾添埋领域，污水处理领域也有很多项目目前正处于申请过程中。
一个2MW的沼气电站在全年运行7200小时最多可以产生5.2万吨左右核证减排量（如果考虑甲烷的温室气体效应），最少可以产生1万吨左右核证减排量（不考虑甲烷的温室气体效应，只考虑发电部分的网电替代）。按照每吨8欧元的价格计算，一个电站可以产生最少80万元、最多416万元的额外收益。
CDM项目开发过程长、程序复杂，在某些行业申请成功的难度很大。垃圾填埋厂沼气发电CDM项目由于受到国家最新颁布的《生活垃圾填埋场污染控制标准》的影响，今后申请成功的难度更大。其他影响的因素很多，在此不多做论述，建议多与CDM开发商、买家、DOE等联系。投资者在考虑投资时，建议暂时不要将CDM的收入计算在内。
4． 风险分析
1)原料供应不足
生产所需沼气全部来自合作伙伴的污水处理厂，合作伙伴的生产不稳定时，沼气的产量也会受到影响。
化解方式：在电站设计时，充分考虑用户的生产情况，根据沼气产量计算装机容量时，应确保机组正常运行后沼气还有富裕。
2)支付风险
合作伙伴不能按时付款。
化解方式：与合作伙伴保持良好的合作关系。电是工厂生产所必须的，合作伙伴如果不购买电站的电，就必须购买网电，网电价格更高且不能拖欠。这种合作模式可确保用户按时付款。
3)来自合作伙伴的不可抗力
用户可能因各种原因停产甚至破产，在这种极端情况下，电站资产的90％以上可以拆卸移出。移出的设备可以在新的项目中使用。尽管仍有损失，但损失不大。
沼气工程技术治理环境污染、获取绿色能源更为经济、实用的手段，从我国沼气产量潜力、发电技术水平、市场需求和政策导向的发展趋势来看，沼气发电的产业将有突破性进展。
——编者
我国正面临着巨大的能源与环境压力。矿物能源的资源却在日益耗尽，2003 年数据：石油可采储量仅为 25 亿吨，煤炭可采储量约 2040 亿吨。按目前开采技术水平的消耗量，我国每年石油进口量至少达到 9100 万吨；同时，矿物能源的无节制使用，引起了日益严重的环境污染问题，导致全球气温变暖、损害臭氧层、破坏生态圈碳平衡、释放有害物质、引起酸雨等自然灾害。
开发并生产各种可再生能源，替代煤炭、石油和天然气等化石燃料是世界今后解决能源紧缺的一种有效途径，尤其是发达国家都在致力开发高效、无污染的生物质能利用技术，保护本国的矿物能源资源，为实现国家经济的可持续发展提供保障。
沼气归类于绿色能源。国家出于环境保护及开发可再生能源的目的，对于污染治理和绿色电力能源技术的研究和整合十分重视。处于这两者之中的沼气发电技术在经过了 20 余年的完善后，在我国社会、经济蓬勃发展的大环境下，其发展走向已引起人们的关注。发展沼气发电是促进沼气工程推广应用的重要手段 沼气工程技术是治理有机废弃物污染、转化有机废弃物为燃气等可利用物质的十分有效的技术，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。一项工程技术要得到推广应用，其技术的先进性和适用性，以及工程的投入产出关系必须得到市场的认可，因此提高沼气工程技术水平，提高沼气工程经济效益就成为沼气工程能否得到大量推广应用的关键。
沼气是一种具有较高热值的可燃气体，把它作为动力机的燃料，带动发电机运转，将得到高品位的电能。沼气发电技术在沼气工程中的引入，不但提升了沼气工程整体技术水平，而且可以通过出售电能带来较高的资金回报。根据国内几个具有一定规模的沼气发电站的运行情况来看，无论沼电外售或内部消化，均能获得较好的经济效益。
下面列举“十五”科技攻关课题《大型高效厌氧沼气发电技术及示范电站》的研究成果。该课题是以污水处理达标和大功率沼气发电机组为课题攻关的突破口，利用污水处理产生的沼气建造沼气发电示范工程。
江苏太仓新太酒精有限公司是由新加坡光裕有限公司投资的外商独资企业，以木薯为原料生产食用酒精，年产酒精 5 ～ 6 万吨，日排放酒糟废醪量 1500 ～ 2000 吨，废液中 CODcr5.0 ～ 6.0 万 mg/l，平均 5.75 万 mg/l ； BOD2.5 ～ 3.0 万 /l，SS3.0 ～ 2.0 万 mg/l 左右，pH3 ～ 4，属于高浓度、高悬浮的酸性有机废水。
该公司 1998 年投入了 2000 万元左右建造了污水处理工程（主设单位：原北京轻工环科院），占地面积 1600平方米。2002 年～ 2003 年公司根据《大型高级厌氧沼气发电技术及示范电站》课题为实现兆瓦级沼气发电而实施了技术改造又投资 880 万元，使其更趋完善。技改后的污水处理系统不但保证终端出水达标排放，而且废弃物得到资源化利用（污水处理生产沼气、沼气用于发电和锅炉燃料，废渣用做肥料或与煤混合后在锅炉里燃烧），真正做到把废弃物处理与资源化利用相结合。
示范工程包括污水处理和发电两部分，总投资 2880 万元，年生产沼气 1200 万立方米，其中发电用气 500 万立方米，其余沼气用于汽锅炉燃料。收益包括销售沼气、发电以及沼渣代替煤。示范工程的经济评估是按设备 1150 万元（使用年限按 10 年计），土建 1730 万元（使用年限按 20 年计），利率为 5%，贴现率 5% ；运营成本由污水处理部分的运营成本和沼气发电部分的运营成本构成。污水处理部分，年运行成本约 252 万元，年纯收入为 166 万元（沼气收入、沼渣代替煤的年收入）。污水处理部分的现金流量的净现值从第 12 年起才变为正值，也就是说从第 12 年开始赢利，初始投资回收期为 12 年。单纯考虑污水处理，它的赢利能力不是很强，但对保护环境的贡献是：年减排 BOD5 1.50 万吨左右，节约原煤 4950 吨，所产沼气代替原煤第年减少 CO 2 排放量约 3352.6 吨（碳）发电。沼气发电部分，按照沼电售价 0.56 元 /kWh（国家计划内，峰电为 0.68 元 /kWh，谷电为 0.29 元 /kWh）、发电气耗率 0.7/m 3 /kWh、发电机组全年累计工作日数 330 天，沼气收购价 0.25 元 / m 3（按原煤价计），沼电运行成本 0.18 元 /kWh（含人员年工资、设备的折旧费和维护费、贷款利息等），年运行成本约 203 万元，年纯收入可达 201 万元。沼气发电部分的现金流量的净现值从第 2 年起变为正值，也就是说从第 2 年开始赢利，内部投资益收率 IBR=62.72%，初始投资回收期为 2 年。可见单独的沼气发电工程的赢利能力非常强。若将污水处理和发电两部分合起来进行经济评估，整体工程的现金流量的净现值从第 6 年起变为正值，说明该示范工程总投资回收期约 6 年。
由此可见，通过沼气发电，使沼气工程的运行过程，不但是污染物无害化的过程，废物资源显露化的过程，而且是资源的高水平利用并产生资金回报的过程。因此沼气发电技术的应用必将促进沼气工程的进一步推广，使沼气工程在我国社会经济发展过程中发挥更大的环保、能源效益。国内外沼气和沼气发电技术的发展现状
沼气技术即厌氧消化技术，主要用于处理畜禽粪便和高浓度工业有机废水。我国经过几十年的研发应用，在全国兴建了大中型沼气工程 2000 多座；户用农村沼气池 1060 万户，其数量位居世界第一。不论是厌氧消化工艺技术，还是建造、运行管理等都积累了丰富的实践经验，整体技术水平已进入国际先进行列。
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。生物质能发电并网在西欧（德国、丹麦、奥地利、芬兰、法国、瑞典等）一些国家的能源总量的比例为 10% 左右，预计本世纪末将增加到 25%。
我国沼气发电研发有 20 多年的历史，特别是“九五”、“十五”期间有一批科研单位、院校和企业先后从事了沼气发电技术的研究及沼气发电设备的开发。在这一领域中，形成了科研、技术骨干队伍，建立了相应的科研、生产基地，积累了较多的成功和失败的经验，为沼气发电技术的应用研究及沼气发电设备质量再上一个台阶奠定了基础，如杭州天子岭引进美国 2 台 970kW 的纯燃沼气发电机组；杭州四堡污水处理厂引进德国 4 台 400kW 的纯燃沼气发电机组；江苏太仓酒精厂使用 1 台国产 600kW 的纯燃沼气发电机组，2 台 750kW 蒸汽发电机组；天津挂月酒精厂使用 8 台国产 180kW 的纯燃沼气发电机组等。
沼气发电设备方面，德国、丹麦、奥地利、美国的纯燃沼气发电机组比较先进，气耗率≤ 0.5 m 3 /kWh（沼气热值≥ 25MJ /m 3），价格在 300 ～ 500$/ kWh。我国在“九五”、“十五”期间研制出 20 ～ 600kW 纯燃沼气发电机组系列产品，气耗率 0.6 ～ 0.8 m 3 /kWh（沼气热值≥ 21MJ /m 3），价格在 200 ～ 300$/ kWh，其性价比有较大的优势，适合我国经济发展状况。动力源的潜力与可持续战略的需求
（1）沼气生产原料的多样性和可靠性
工厂化沼气的生产原料主要来自四个方面：规模畜食养殖场粪污厌氧处理、酿酒制糖业等工业有机废水厌氧处理、城市污水厂的污泥厌氧处理和城市垃圾填埋。
●我国的畜禽产量几乎翻了一番，养殖业的发展呈现两大趋势，一是在农业总产值中占的比重增大，二是向规模化养殖发展。现已有 7000 多家大中型畜禽养殖场，其粪污的处理率不足 10%。随着入世与国际畜禽养殖业的接轨，畜禽业规模业养殖的覆盖面会越来越大，将会建成大量的规模化畜禽粪污处理沼气工程；
●我国每年排放酒精高农度有机废水约 1200 万吨，味精工业有机废水约 400 万吨，淀粉废水约 1600 万吨，制浆造纸业废水约 40 万吨，这些工业废水的处理达标率还不及 10%，利用工业有机废水产沼气的潜力巨大；
●据 2001 年数据，全国已建 400 余座城市污水处理厂，但处理率不足于应处理的生活污水量的 20%。按国家“十五”规划，2005 年时城市生活污水处理率应达 60%，可见城市生活污水处理厂的数量将有较大加速度的增大，随之而来的是，污水处理厂的污泥厌氧消化工程数量也将增大；
● 2002 年我国的城市垃圾量达到 1.5 亿吨，垃圾填埋场中蕴藏的沼气资源已被人们认识，目前已有少量垃圾场的沼气被收集起来用于发电，如果所有的垃圾场沼气能被收集起来，将有大量的沼气可用于发电。
随着国民经济的发展，未来 10 年的沼气生产潜力远大于目前水平，在国家环保政策的引导下这些潜力将会被逐渐释放出来，作为发电动力燃料的沼气会越来越多，从动力源的角度给沼气发电提供了发展空间。
（2）沼气发电更适用于大中型沼气工程
一般来说，万吨酒精厂、规模化畜禽养殖场、城市生活污水处理厂和城市生活垃圾填埋场既是当地的支柱产业和必要的公益型企业，也是造成污染的大户。对于高浓度有机废水（物）的治理，目前国际上公认首选的技术是厌氧消化（沼气技术）。一个年产 5 万吨酒精的生产厂其处理酒精废液的沼气工程，日产沼气 4~5 万 m 3 ；一座中、小城市的污水处理厂或垃圾填埋场，日产沼气（或垃圾填埋气）近万 m 3 ；一个饲养规模 1 万头猪场和 1000 头的奶牛场粪污处理沼气工程，日产沼气 1000 m 3 以上。由于这些企业多数远离城镇，沼气无法作为城镇居民的生活燃料集中供气（主要是距离远和输气管网的建设费用太高）。若沼气作为锅炉燃料替代原煤直接燃烧，其经济价值很低（1 m 3 沼气的热值与 1kg 煤的热值相当）。另外，工厂、污水处理厂或规模化畜禽养殖场又是用电大户，近几年由于国内电力日趋紧张，特别是经济发达地区的企业，经常受到国家电网用电量的限制（每星期停电 1~2 天）或计划外用电需高价购买。因此，许多企业已开始意识到沼气发电既提高了沼气自身的经济价值，又为企业缓解了电力紧缺的矛盾。
（3）治理污染，开辟可再生能源，是实施可持续发展战略的要求
上述几种典型的高浓度有机废水（物）是国内主要污染源，是以牺牲环境为代价的，必须从源头截治。同时也需意识到，它又是可开发利用的宝贵能源。通过科学的处理和加工，便可转化为不可缺少的生产和生活资料。采用以厌氧消化（沼气技术）为核心的综合治理与利用工程技术，既经济（节能、产能），又有效（仅厌氧消化工序有机物的去除率可达到 75% 以上），其厌氧消化的副产物
——沼液、沼渣又是优质有机肥料，为生态农业的种植业所需要。
我国已由石油出口国转变为石油进口国，2000 年，净进口量已达到 7000 万吨。生物质可以通过各种工艺转化为液、气体燃料，直接替代汽油、柴油、天然气等化石燃料。另外，1999 年我国电力总产量约为 12600 亿 kWh，人均可用电不到 100kWh/ 人•年，其中人均生活用电不到 110kWh/ 人•年，只是韩国的 1/5 左右。尤其是农村电力供应缺口更大。要实现 2020 年国民经济翻两番的目标，保障可靠的电力供应是必备条件。因地制宜地利用当地生物质能资源生产沼气并发电，建立分散、独立的离网或并网电站拥有广阔的市场前景，也是保护我国的矿物能源资源，为实现国家经济的可持续发展提供保障。4 沼气发电产业将成为朝阳产业
沼气发电是一个系统工程，它包括沼气生产、沼气净化与储存、沼气发电及上网等多项单元技术的优化组合，也涉及到国家对沼气发电的扶持政策和技术法规等。剖析国内已有的沼气发电工程，并借鉴发达国家的沼气发电经验，以及国家对可再生能源的政策导向，笔者认为我国沼气发电产业将在未来的若干年后会有突破性进展，其依据是：
（1）国家相关政策的出台将为打通包括沼气发电在内的绿色电力上网的瓶颈
当一个国家经济实力达到一定程度后，就会把目光更多地投向环保，就会更关注可持续发展问题，就会把资金投向这一领域，就会出台相关的政策来确保可持续发展战略目标的实现。
以德国为例。战后的德国经过几十年的经济复苏，已经具备经济能力来处理可持续发展问题。为了保护环境，控制全球变暖和促进能源的可持续供应，德国于 1990 年制定了“输电法”，2000 年又出台了“可再生能源法”。“输电法”规定公用电网对沼气发电输送来的电力实行优惠收购价，这一政策促进德国沼气发电技术的提高，促成了随后 700 多个沼气工程的建立。而“可再生能源法”提高了可再生能源发电上网的收购价，对于装机达到 500kW 的发电站，输送到电网的电力获得的补贴比 1999 年增加了 37%。可以预见，这将再一次促进德国的沼气工程的推广。
我国关于绿色电力上网和优惠政策的问题已经酝酿了一段时间，其重要性已被充分认识。对于具有一定规模的沼气发电站而言的，能否使发电机组长期在额定负载下工作、以及电价的高低决定着沼气发电能否取得较好的经济效益。如果一个沼气发电站的发电能力不能被较充分地利用，效益从何谈起？在相当一部分沼气工程中，与其产气量相适应的发电站规模远大于内部（沼气工程自身或建设企业）用电总负载，也有内部用电负载装机容量虽大但只是间隙性地达到发电机组额定值的情况，这样一来，这种规模的沼气发电站如果不能向公用电网输送电力，是没有出路的；在地方电力部门方面，一个沼气发电站生产的电量对他们来说实在是微不足道，可要可不要，就是要收购，也得考虑利润，收购价往往让沼气发电站无法接受。所幸的是，国家已下决心要打通包括沼气电力在内的绿色电力上网的瓶颈。
国家站在可持续发展的高度，出台促进绿色电力上网政策已为时不远。正在研究和制定的可再生能源发电配额比例、份额标准、绿色证书以及发电上网的优惠政策，会筑造起有利于绿色电力发展的交易平台。
（2）国内将生产出性价比更好的沼气发电机组系列产品，为沼气发电提供有力的设备支持
目前较成熟的国产沼气发电机组的功率规格，主要集中在 100~500kW 这个区段。根据沼气建设发展趋势分析和对沼气发电设备的市场需求调查，对大于和小于这个区段规格的发电机组的需求正在增长。
从沼气工程的产气量来看，有不少沼气工程适宜配建 500kW 以上的沼气发电机组。从沼气发电机组的性价来看，在有可以利用的动力原机的情况下，单机功率越大，越利于提高燃料发电效率，越利于降低发电机组单位功率成本，从而获得较理想的性价比。
同样从沼气工程的产气量来看以及从用电负荷性质来看，20kW 以下的发电机组也大有市场。例如一个万头猪场沼气工程，日产沼气 80 立方米，显然不适合发电上网，适宜内部用电。其沼电用途一般为驱动沼气工程污水泵和猪场通风机，照明等，因此宜配备 10kW 左右的发电机组。类似的沼气工程很多，可见，小功率沼气发电机组需求量也不少。
鉴于沼气发电广阔的发展前景，国内数家有实力的研究院所和大型企业进行了强强合作，针对市场需求开发出不同规格的沼气发电机组系列产品。在大机组方面，济南柴油机股份有限公司已开发出了全烧沼气内燃机的 600kW 沼气发电机组，并在“十五”科技攻关项目《大型高效厌氧沼气发电技术及示范电站》的工程应用成功。500~600kW 的沼气发电机组会很快面市。值得一提的是，国内新一轮开发出来的沼气发电机组，已不是过去简单改装内燃机的发电机组。新的发电机组在性能方面已缩小了与国外先进机组的技术指标。在小机组方面，重庆红岩、山东潍坊柴油机的沼气发电机组，已投放市场。因此可以说，在发电设备方面国内已可为沼气发电的实施提供有力支持。
（3）资金支持和专业化生产会吸引更多的投资主体
大中型沼气工程属于环保性质的项目，受益的是全社会。要在投资分滩上，以“谁污染、谁治理”原则为主，辅之以“谁受益、谁分滩”的原则，由政府、地方和企业共同投资。对于初始投资，国家将给与一定支持，如：国家或行业将制定出一系列的优惠的政策，减免工程的税费，减轻企业负担；要广辟资金渠道，帮助建设方获得各类贷款；鼓励社会各界以各种形式投资开发沼气资源化利用项目，以优惠政策调动各投资主体的积极性。
沼气发电 篇3
关键词：沼气发电工程；系统动力学；资源供需；优化模型
中图分类号： S216.4文献标志码： A文章编号：1002-1302（2015）11-0478-05
收稿日期：2015-05-14
基金项目：国家自然科学基金 （编号：71201057）。
作者简介：张彩庆（1964—），男，河北保定人，博士，教授，研究方向为技术经济及管理、电力市场等。E-mail：hdzhangcaiqing@126.com。
通信作者：臧鹏飞，硕士研究生，研究方向为物流工程。E-mail：291996671@qq.com。 能源短缺和环境污染是我国农村亟待解决的两大难题，而沼气发电工程是解决这些问题的有力措施。在农村发展沼气不仅能开发新能源、让农民用上清洁绿色能源、节约农民生活用能成本，而且也可以充分利用禽畜粪便、保护生态环境。此外，沼肥也可以作为农村耕地的肥料，节约农民生产成本。但是，很多沼气发电工程由于在兴建之前没有对沼气生产系统进行规划与分析，导致沼气发电工程在生产运行时出现了资源供需不配套等问题，不仅造成了资源浪费，而且造成生态环境污染。因此，依据发酵原料、沼肥及沼气的供需情况，确定沼气发电工程的规模大小和合理安排沼气生产，使各种资源充分合理利用，是沼气发电工程生产运行中首要解决的问题。
近年来，我国对沼气发电工程的研究工作越来越重视，学者们从不同方面对沼气产业的发展进行了讨论。如张无敌等分析了农村沼气和商品化沼气池的发展情况，对促进沼气产业发展提出了一些建议[1]。张佰明阐述了沼气发电工程在现代生态建设中的6大功能、沼气产业化发展思路、沼气产业规模化发展模式等，最后提出以基地示范效应促进沼气产业发展[2]。
国内外关于系统动力学应用和沼气发电工程运行中供需平衡问题的研究较少。Andrews首次提出了厌氧消化系统的动态抑制结构模型[3]，其他一些研究人员先后对该模型进行了修正和补充[4-6]。王凯军等结合黑箱模型和结构模型，提出了对厌氧动力学进行模拟的系统动力学方法[7]。顾树华等采用系统动力学模型对沼气发展的综合效益进行了分析，并以1个具体案例说明了系统动力学能帮助我们更好地认识沼气建设的效益，并为制定发展政策提供很好的参考[8]。欧阳彪先对沼气运行状态进行分析，然后用线性规划模型分析了沼气的供需模型并对原料及能源供需进行了优化[9]。王丽丽等应用系统动力学和有限元热平衡分析方法，针对黑龙江省某大型沼气发电工程，研究其能量供需平衡情况，并确定工程实际运行过程中的一些关键参数[10]。
一般沼气发电工程由政府投资建设，禽畜粪便等是沼气发电工程主要的发酵原料，其产生的沼气用于农户的炊事和取暖用气或供温室大棚用气，沼液、沼渣可用作肥料。如剩余沼气特别多，可以考虑利用沼气发电等。沼气发电工程的生产系统相当复杂，需要考虑发酵原料、沼肥等的供需平衡问题，以免造成资源浪费和环境污染，所以需要对这个系统的资源供需进行优化研究。本研究对沼气发电工程生产运行系统的资源供需优化问题进行研究，以实现各种资源的合理利用，充分发挥沼气发电工程在解决农村能源问题和环境保护中的作用。
1模型
1.1沼气发电工程生产运行系统
沼气发电工程一般都是由政府投资建设，通常都兴建在养殖场等发酵原料充沛的地方。沼气发电工程生产运行系统由前处理工程、生产工程、后处理工程组成。前处理工程包括发酵原料运输、浓度调节等，生产工程包括保温、原料搅拌等，后处理工程包括沼气的净化、管道运输以及沼肥的利用等。发酵原料主要是禽畜粪便等，净化的沼气供农户们炊事供暖使用，沼液沼渣等沼肥返入耕地作为肥料[11-12]。依据发酵原料和农户对沼气的需求量来确定沼气发电工程的规模。其因果关系如下：（1）有关沼气供给的因果关系：发酵原料→沼气发电工程的规模→ 沼气量→可供的农户数；（2）有关沼气需求的因果关系：农户数→沼气的需求量→沼气发电工程规模→发酵原料需求量。
1.2系统动力学
系统动力学[13-16]是对系统进行分析及实现计算机模拟仿真的有效方法，在许多领域都发挥了重要作用。它以控制论为基础，对系统中的各个因素进行因果关系分析，根据信息反馈原理，描述整个系统的运行情况。根据系统因果关系建立随时间变化的动态模拟仿真模型，在进行仿真过程中，可以改变模型中的一些变量来优化运行系统，从而提供更好的结果，作出更好的决策。
1.3沼气发电工程资源供需模型
1.3.1基本假设本研究应用VENSIM 软件建立沼气发电工程生产运行系统资源供需的系统动力学模型，各个变量的参数基本依据原始的模型设定，通过修改原来模型的数据或增加某些变量，对原始模型进行优化，使沼气发电工程的资源供需状况得到更好的改善。特做如下假设：
（1）农村的沼气发电工程能够在其整个寿命周期内持续运行，其生产能力处于基本稳定的状态[17]；
（2）农户人口及饲养禽畜的数量不会出现大幅增减的状况；
（3）剩余的禽畜粪便和产生的沼肥都被用作改良耕地的肥料[18-19]。
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1.3.2模型构建沼气发电工程资源供需系统动力学模型见图1。
1.3.3建立仿真方程式
1.3.4沼气发电工程资源供需优化模型基于上述沼气发电工程资源供需的系统动力学模型，要使沼气发电工程的资源供需状况得到更好的改善，我们需要修改或增加模型中的一些变量，以对其进行优化。如农村沼气发电工程[20-21]产生的沼气不仅能满足计划供气的农户需求，还有很多剩余，则可以考虑其他用途，比如给更多的农户供应沼气，也可以考虑建温室大棚；同时，沼气发电工程产生的沼肥可首先要满足农业耕地对肥料的需求和其他用途比如温室大棚对它的需求，剩下的沼肥可以用来生产商品颗粒有机肥。假如沼气发电工程的规模很大，生产的沼气除了满足农户和温室大棚的需求外，剩余的沼气可以用来发电（图2）。
改变的仿真方程式：
2具体算例
2.1河北某沼气发电工程简介
河北省某沼气发电工程被计划兴建于某村，沼气发电工程规模暂定为1 000 m3，并在2015年正式投产。该工程以禽畜粪便为发酵原料，产生的沼气为农户提供炊事和取暖用能，而且产生的沼肥还可被用作改良耕地的肥料。该村有 892 户，3 618 口人，耕地面积1 058.933 hm2，主要以生产猪为主导产业。目前，猪饲养量 18 000头。日处理鲜猪粪 345 t，年产沼气可达35.2 万m3，依托该工程，能够为600户农户提供沼气。
2.2模型
依据河北某沼气发电工程生产运行的实际资源供需关系，以沼气需求总量、施肥耕地需求量、猪粪和沼肥的供需差、沼气发电工程规模等变量为主要研究对象，沼气发电工程资源供需动力学模型见图3。
2.3模型模拟及结果分析
依据河北某村的人口及猪的数量变化和有关沼气发电工程的生产运行参数，查找其他沼气发电工程相关数据并经过检验后，确定了上述模型是有效的。模型包含很多变量，主要变量的初值如下：总人口数的初值是2 343，猪的总数的初值是18 000，设定此模型的模拟时间为16年，时间步长为 1。在模型模拟仿真运行中，主要考察沼气需求总量、施肥耕地需求量、猪粪和沼肥的供需差、沼气发电工程规模等变量（表1）。主要变量的初值如下：
从表1能够看出，沼气需求总量、沼气发电工程规模、猪粪总产量、用户数量、施肥耕地需求量、猪粪的供需差都随时间变化呈上升趋势。依据人口出生率及死亡率，600 户农户在未来16 年将会增加到628 户，沼气需求总量每年达 23.71万～24.78 万 m3，计划兴建的1 000 m3沼气发电工程可以满足600户农户未来 16 年对沼气的需求，并且每年还能剩余10.42万～11.49 万m3的沼气。对于此问题，可以考虑增加沼气供气的农户数，以便能够充分利用沼气。该村猪粪产量每年达 12.6万～17.59万 t，它主要被用作沼气发电工程的发酵原料，而且每年还剩余11.98万～16.95 万 t 。沼气生产会产生大量的沼液、沼渣等沼肥，假如要把所有剩下的沼肥和粪肥利用掉，那么就需要2 320～3 267 hm2的农业耕地，但是这比现有的耕地面积要多许多，这说明该村的沼气发电工程虽然可以获得一定的效益，可是还存在着许多的问题，比如资源浪费及环境污染等。
2.4优化分析
根据上述系统动力学模型的模拟分析，河北某沼气发电工程不但要增加其生产规模，而且要改善它的生产运行模式，才能解决该村存在的浪费及污染问题。
现在假定该沼气发电工程产生的沼气能够满足该村892户人口的炊事和取暖用能，产生的猪粪大都被用作沼气发电工程的发酵原料，剩下的猪粪全部用作农业耕地肥料，产生的沼肥先满足该村耕地所需肥料，剩余的经过后续加工处理生产成商品颗粒有机肥（图4）。该村的施肥耕地面积是1 058.933 hm2，设定生产颗粒有机肥比例为 0.125[22]（表2）。
沼气需求总量、沼气发电工程规模、沼肥供需差及颗粒有机肥总产量都随时间变化呈上升趋势。沼气发电工程规模只有达到 992～1 038 m3才能为全村农户提供集中供气。该村892户农户在未来16年每年沼气需求总量34.92万～36.57万 m3。沼气发电工程产生的沼肥先被用作耕地肥料，剩余的6.40万～11.37万t每年可以生产 8 002.19～14 208.3 t 商品颗粒有机肥（表2）。通过上述分析，优化后的沼气发电工程不仅能为全村农户提供清洁的炊事和取暖用气，还可以利用剩余的沼肥生产出商品颗粒有机肥，为该村带来了巨大的效益：一方面解决了该村的资源浪费和环境污染问题，另一方面满足了该村的能源需求问题。此外，生产的颗粒有机肥也增加了该村的经济收益。目前，该村已将有机肥生产项目列入沼气发电工程配套项目。
3总结
本研究对沼气发电工程的生产运行系统资源供需与优化进行了分析，应用系统动力学方法，建立了沼气发电工程资源供需模型。通过改变模型中的发酵原料、沼肥、沼气等变量对沼气发电工程生产运行系统进行了优化，建立了资源供需优化模型，实现了沼气发电工程资源平衡，为沼气发电工程建设提供理论依据。此外，将该模型应用于河北省某沼气发电工程项目的资源优化，证明了该方法的可行性和有效性。
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我国最大禽畜沼气发电工程建成 篇4
山东民和牧业是我国最大的肉种鸡企业, 拥有23个种鸡场和8个商品肉鸡饲养场, 日产鸡粪500吨, 这些鸡粪原本是卖给农户做肥料。考虑生态效益和环保功能, 该企业2007年确定建立鸡粪沼气发电项目, 投资7000多万元, 引进技术和设备, 历时一年多成功建成了全国禽畜行业最大的沼气发电工程。
目前, 民和牧业沼气发电工程每年可处理鸡粪便约18万吨, 污水约12万吨, 生产沼气1095万立方米, 年可发电2190万度, 并可产生20多万吨固态和液态有机肥。据了解, 目前, 该公司所发的电全部在网上销售, 每度电按6毛钱计算, 年收入可达1300多万元。另外, 因蓬莱是农果大市, 有机肥的销售也非常好。
据山东民和牧业负责人介绍, 目前该公司正在等待第三方进行认证, 确定企业的二氧化碳减排量。该负责人给记者简单解释了一下:原来没有沼气发电, 企业需要排放一定的二氧化碳, 现在通过沼气发电不排放了, 这个数量就是企业减排的数量, 可以出售。据预计, 该项目可向世界银行转让温室气体减排量约6万多吨, 按每吨14美元计算, 每年可收益人民币约634万元。这是沼气发电工程给企业带来的一个意外惊喜。加上发电收入, 该项目每年收益约两千万元。
产业链越长对于企业发展来说越有利, 受市场影响越小, 越有利于企业的发展。沼气发电工程对于山东民和牧业来说, 除了生态效益和经济效益, 更主要的是拉长了企业的产业链, 有利于企业更稳步地长远发展。
沼气发电 篇5
填埋场沼气发电的温室气体减排效益分析
填埋场沼气是垃圾卫生填埋场产生的.可利用资源.以深圳下坪垃圾填埋场为例,定量分析垃圾填埋气体发电的温室气体减排效益.结果表明,填埋场沼气发电具有很好的经济效益和环境效益,可作为与发达国家进行CDM(清洁发展机制)项目合作的优先技术领域.
作 者：阳晶 马晓茜 Yang Jing Ma Xiaoqian 作者单位：华南理工大学电力学院,广东,广州,510640刊 名：环境污染与防治 ISTIC PKU英文刊名：ENVIRONMENTAL POLLUTION AND CONTROL年，卷(期)：200628(6)分类号：X3关键词：垃圾填埋气 沼气发电 基准线 减排效益
沼气发电 篇6
我国可用于沼气发电的资源十分丰富。据统计, 目前, 我国生猪存栏数量达到6.6亿头, 家禽1 2 0亿只, 牛1.38亿头, 禽畜粪便总排放量约为1 9亿吨。据初步估算, 如果将大中型养殖场排放的粪便作为大中型沼气工程的原料, 可年产沼气3 0多亿立方米;我国工业有机废水排放总量达到3 0多亿吨, 可年产沼气1 2 0亿立方米。按此推算, 我国目前可规模化利用的沼气资源潜力为1 5 0亿立方米;随着禽畜粪便和工业有机废水排放量的增加, 到2020年, 规模化利用的沼气资源潜力可达400亿立方米。如果考虑城市垃圾填埋和污水处理生产沼气等因素, 我国沼气资源潜力将进一步增加, 预计装机容量可达3 0 0 0万千瓦以上。
我国开展大中型沼气工程建设已有2 0多年的历史, 全国已建成大中型沼气工程3 0 0 0多座, 户用沼气池1 7 0 0多万口, 沼气发电工程4 0余座, 大中型沼气工程所需要的主要设备和部件基本可以由国内生产, 具备了大规模发展的基础条件。
但总体来看, 我国沼气发电数量较少, 装机规模小, 发展比较缓慢。究其原因, 主要是优惠政策不落实, 现有机制严重制约沼气发电的发展。首先, 我国尚未实行严格的环境污染处罚措施, 禽畜粪便和工业有机废水超标排放的企业不需要为自身造成的环境污染等外部成本支付相应的成本, 致使企业缺乏投资沼气工程治理污染的积极性;其次, 沼气发电距离电力负荷较近, 可以直接为大中型沼气工程等电力用户提供电力供应, 但其建设规模一般较小, 潜在的电站数量较大, 电网运行管理成本较高, 属于典型的分布式发电。我国目前尚缺乏大规模分布式电站运行管理的经验, 致使沼气发电的并网和售电遇到许多困难。
PLC在沼气发电工程中的运用 篇7
1.1 工艺流程的介绍
根据工程工艺流程总体要求, 上海某牛奶场牛粪发酵沼气发电项目系统包括匀浆池搅拌、厌氧罐发酵、脱硫除湿、沼气储存、沼气发电、沼渣分离等部分。
简述如下:
匀浆调节池的回水和车辆运来的牛粪在匀浆池内进行混合, 搅拌后通过切割机和进料泵进入匀浆池。经搅拌沉淀后, 上层料液经溢流管和中层的料液经管道进入匀浆调节池进行升温处理, 底层的料液则通过除沙器的底部管道释放出去。上层的清液溢流到匀浆池进行再利用。在匀浆调节池的料液基本达到厌氧发酵的条件后, 由进料泵向2个厌氧发酵罐输送料液, 每天按一定的次数送料。厌氧罐的进料时进行溢流, 发酵过的陈料溢流至固液分离机。经分离机分离后液体流入到后发酵罐, 沼渣则进行固态有机肥加工销售。收集的沼液可直接进入大田, 有机肥可进入销售渠道。厌氧罐的沼气经过脱硫和水汽分离后进入储气罐储存。气满后经过加压进入沼气发电机, 进行并网发电。 (详见工艺流程图)
2 需要实现的控制功能
2.1 进料系统
包括对匀浆池液位的控制, 在液位达到预定液位是启动进料泵进行抽料的处理, 超过报警液位后报警并启动两台进料泵进行抽料, 保证匀浆池的液位不能超过警戒水位。
2.2 厌氧罐的发酵系统
通过锅炉房和发电机的回水对厌氧罐内料液进行加热, 通过调节热水管道上的电动执行器的开度控制热水的流量, 从而恒定厌氧罐保持最佳的发酵温度。提高系统的产气量。
2.3 泥水分离单元系统
根据泥水匀浆池内陈料的多少来确定启动的泥水分离机的台数, 以50%为一梯次, 增加50%启动1台, 直至2台泵全部启动;液位由最高水位每下降一个梯次减少一台直至全部关闭。
2.4 锅炉房及净化室的沼气浓度报警系统
根据房间内的浓度进行浓度测量, 保证锅炉房内的浓度在一定范围内。如果浓度过高将开启增压风机对房间内的沼气进行抽排, 按照浓度不同, 开的增压风机数量也不同。
3. 控制系统
3.1 控制系统的组成
S7-200系列PLC具有性价比高, 可靠性好, 及更多的功能块组合的特点;SIMATIC WinCC具有界面友好, 操作简便, 与S7-200的兼容稳定的特点。故本控制系统的构成基于西门子S7-200系列PLC, 以SIMATIC WinCC为人机界面, 并结合现场操作箱进行紧急情况的操作。其系统结构为集散系统结构, 以集中管理, 分散控制为原则, 为每一个具体的工艺段提供一个可靠的解决方案。其优点是分工明确, 当主操作界面失效后, 重要的工艺段可独立工作, 同时远程及就地控制联合协作, 从而保证了整个系统的能高效运行, 使系统的可靠性大大提高。详见控制系统的组成图
3.2 S7-200系列PLC和SIMATIC WINCC的互联通讯
西门子S7-200系列PLC以PPI方式构成的网络控制系统, 上位机与下位机的通讯问题极为重要, 处理不当时容易出错。采用普通的MPI连接方式会产生数据无法传输的故障。其最主要原因在于S7-200系列PLC的通讯方式是RS485, 而下位机则是RS232。虽然他们的硬件接口是一样的, 但协议不一样, 最后在下位机接口上接一个RS485转RS232的转换器。
3.3 控制方式
上海某牛奶场沼气发电控制系统采用现场手动, 本地和中控室三种控制方式:
(1) 现场手动方式:在厌氧罐顶搅拌机这种距离控制箱有一定距离的设备旁边设置手动操作箱, 具备本地/远程转换开关, 启停按钮和运行指示灯, 可以在手动状态下对设备进行现场操作, 用于现场维护和检修或者应急处理。
(2) 本地控制方式:在所有需要启动的设备旁放一个控制箱完成设备的手动操作, 状态显示和自动运行。控制箱按照工艺流程进行区域划分, 各个区域独立控制, 互不干扰, 保证安全生产。
(3) 中控室控制方式:这是指在工控机的屏幕上完成设备的手动操作、状态显示、参数读取设定和自动控制。控制系统设备运行完全由PLC进行控制, 不需人工的干预。
应用总结
S7-200 PLC价格经济实用, 体积轻巧, 扩展模块齐全。同等规模系统, 与用中型系列PLC相比, 价格低1/3左右。功能强大, 性价比高。因此更适合目前困难企业占多数的国情。同时它通讯能力超强、形式简单、并有多种扩展方式、联网能力强, 可使多台小型PLC组网, 足以完成中型项目。本项目即一种具体应用。
摘要：利用禽畜类的粪便发酵产生沼气进行发电在很多发达国家已经被受到了积极的推广和广泛的重视, 在发电并网中占据越来越重要的位置。本文采用西门子S7-200系列PLC同SIMATIC WinCC互联通讯, 并结合现场就地操作的控制方式, 实现了友好界面、在线监视、联锁操作、历史追溯、安全管理等功能, 保证了粪便发酵沼气发电的安全作业, 降低了企业的生产成本, 提高了工厂的管理水平。该套装置成功应用在上海某牛奶厂。
关键词：沼气发电,PLC,WinCC,互联通讯
参考文献
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沼气发电 篇8
沼气发电热电联产项目的热效率, 视发电设备的不同而有较大的区别, 如使用燃气内燃机, 其热效率为70%~75%之间, 而如使用燃气透平和余热锅炉, 在补燃的情况下, 热效率可以达到90%以上, 所以余热回收系统的设计是大型沼气发电工程的重点之一。
余热回收系统主要由板式换热器、高温烟气热交换器、热水循环泵、阀门仪表、保温输水管线组成。加热水介质, 产生热水, 供沼气池加温和生产应用。
下面为某大型沼气工程设计中的相关计算:
本设计利用4台500KW (三用一备) 沼气发电机组余热加热水供生产应用。为充分利用余热, 设计一套余热回收系统, 充分利用高温烟气热量, 使所燃气体总热量83.44%得到应用。
(1) 冷却油的余热利用
三台回收总热量为:88704kcal/h;
如果按进水温度50℃, 被加热水量72000kg/h计算, 则水温提高为:51.2℃。
(2) 高温水的余热利用
三台回收总热量为:1080000kcal/h;
如果按进水温度51.2℃, 被加热水量72000kg/h计算, 则水温提高为:66.2℃。
(3) 高温烟气余热利用
三台发电机组可利用排烟余热为:802417kcal/h;
按进水温度66.2℃计算, 被加热水量72000kg/h计算, 则水温提高为:77.3℃;
回收的总热量为:1971121kcal/h, 若一天发电24小时, 则回收的总热量为4.4×107kcal。
(4) 物料增温
物料增温是中温厌氧消化的重要条件, 为保证消化池在35℃条件下正常运行, 则需要热量为:3.06×107kcal。
(5) 厌氧发酵池保温
厌氧发酵池保温需补充热能, 根据经验和当地的气象情况, 散热量约为加温量的30%, 需向罐体输送热量为:0.92×107kcal。
(6) 热量平衡计算
经过上述计算, 热水循环系统除去厌氧罐内增温及保温后, 剩余热量为:
剩余热量用于挤奶厅等生产用热处。
沼气发电 篇9
二、工序操作运行
1. 搅拌溶解工序
(1) 粪尿及冲洗水由吸粪车运至沉砂池。沉砂池应根据沉砂量定期清砂。
(2) 水处理工将堆粪场内混合的粪污水, 放入搅拌溶解池内并开启搅拌机进行搅拌, 使粪污水进一步均匀混合, 搅拌溶解池内污水容量不得低于搅拌溶解池总溶积的2/3, 污水液面不得浸没格栅上方。水处理工随时注意清理搅拌溶解池内, 附着在格栅两侧的杂草以及其他体积较大的杂物, 防止杂物进入格栅内堵塞污水泵。
2. 脱渣工序
(1) 水处理工在接班后需检查脱渣系统水泵运转是否正常、管路是否畅通。
(2) 待粪污水在搅拌溶解池内充分搅拌均匀后, 由水处理工打开污水泵开关, 将粪污水泵入到脱渣机内对粪污进行脱渣处理。水处理工根据污水进水量的变化和工艺运行情况, 调节进水量, 保证处理效果, 以达到脱渣效率最大化。
(3) 进料泵启动后再开启固液分离机, 防止固液分离机内干物堵塞筛网。固液分离机使用中需要随时观察出渣水分对配重进行调整, 防止粪液冲出。若固液分离机一周以上时间停车需要拆下筛网, 用清水刷洗干净, 备用。牛粪渣用传送带清运。
(4) 水泵在运行中, 必须严格执行巡回检查制度, 应注意观察各种仪表显示是否正常稳定, 水泵机组不得有异常的噪声或振动。水泵启动和运行时, 操作人员不得接触转动部位, 水泵的日常保养应符合《污水处理中心维护保养规程》中的有关规定, 应至少半年检查水泵运行稳定性一次, 备用泵应每月至少进行一次试运转。
3. 沉砂渠工序
(1) 脱渣后粪污水进入沉砂渠, 操作人员根据设置与水量变化, 应调节沉砂渠进水量。宜保持设计流速。
(2) 沉砂渠应定时排砂或连续排砂。沉砂渠沉砂比重较大, 流动性较差, 在管道内易沉积, 不及时清除沉砂, 将造成堵塞。沉砂在渠内堆积, 减少了渠内有效容积的利用, 使流速增大, 不仅新进池的砂粒沉不下来, 还带走已沉下砂粒, 降低沉砂效率。同进给后续处理构筑物增加了负荷, 造成运转机械的磨损等一系列管理和维修的麻烦。
(3) 粪污水经沉砂渠进入搅拌计量池内, 经充分搅拌均匀后, 由水处理工打开污水泵开关, 将污水泵入到USR反应器内进行厌氧反应。其泵入量根据实验数据而定。
(4) 水处理工在污水泵入到USR反应器内的同时并根据流量表的流量记录污水流量。
(5) 粪污水含固率控制在2%~5%, 过高易堵塞水泵及管线。严重影响USR反应器的正常运行。
4. 升流式固体反应器反应工序
(1) 升流式固体反应器 (Upflow Solid Reactor, USR) 内反应温度控制在35℃左右, 温度过高或过低都会导致产甲烷菌活性下降, 产气率下降。
(2) 化学耗氧量 (Chemical Oxygen Demand, COD) , COD去除率应>85%, 含固率<1000mg/t, 如果过高, 产甲烷菌会受抑制, 产生率下降, 应减少进料量并加强内回流, pH值应控制在6.5~8.5。
(3) 内回流。各反应器回流泵隔3h开启, 运行3h再关闭。水泵开启后, 要巡查其是否运行正常, 出现异常情况, 要及时维修并向上级汇报。
(4) 外回流。放回搅拌池的水量不能过大, 严禁只外放不进水。
(5) 排渣。排渣时要保证反应器各排渣管放渣量均匀, 严禁只用一组排渣管排渣。每个反应器一次排渣不能超过100m3。USR对粪污内有机质降解后, 会有部分难以降解和不可降解的无机质截留漂浮或沉积在反应器内部, 应对反应器内的浮渣进行排渣及清理, 根据浮渣产生量, 可以一个季度打捞清理一次。反应器何时排渣及排渣量根据化验结果确定, 沼渣浓度>70g/L时, 就需要进行排渣。浓度<30g/L时必须停止排渣。
(6) 粪污处理的各个连接管道和明渠, 至少应半年彻底清理一次, 确保污水处理系统正常运行。
(7) 雨天或冰雪天气, 操作人员在上USR巡视或操作时, 应注意防滑。
(8) 营养物与微量元素。厌氧工艺对营养物的需求量小较好, 以可生化降解的COD (CODBD) 为计算依据, 厌氧对氮和磷的需求为 (350~500) ∶5∶1。对于氮和磷不足的废水, 需要按比例添加尿素和磷酸二氢钾等。
5. 沼气收集工序
(1) 沼气通过三相分离器, 经水封间, 最后到达贮气柜。水封间为防爆间, 一定要注意防爆要求。水封器水位要经常检查, 控制压力在3.5kPa左右。
(3) 贮气柜安全放空设备要每季检查一次。沼气柜水封槽内水的p H值应定期测定, 当pH<6时, 应换水。
(4) 沼气管线低洼处要定期排水。气柜低位时, 严禁排水。
(5) 沼气柜应定期检查维护。操作人员应按时记录沼气柜的贮气量和压力。
6. 脱硫工序
(1) 脱硫处理采用干法净化系统 (氧化铁) , 使硫化氢浓度<200mg/L。
(2) 脱硫装置中的脱硫剂应定期再生或更换。脱硫塔要定期排水。
7. 沼气发电工序
(1) 操作人员每小时应巡视一次, 检查发电机组的运行情况, 并做运行记录, 分析运行状态, 发现问题应及时进行调整或上报主管部门。
(2) 发动机在运行中, 操作人员应随时掌握负载的变化情况, 并应对发动机的最大负荷进行限制。
(3) 操作人员必须经常检查沼气发电机进气管路, 防止漏气及冷凝水过多而影响供气。沼气过滤装置应定期清洗。
(4) 发电机系统运行中, 遇有紧急情况可采用紧急停车保护。
(5) 在发电、供电等各项操作中, 必须执行有关电器设备操作票制度。
(6) 发电机组备用或待修时, 应将循环水的进、出闸阀关闭, 放空主机及附属设备内的存水。发电机系统的冷却用水, 必须使用合格的软化水或循环水中加入阻垢剂。必要时, 应对循环水进行更换。
(7) 发电机房内的电气设备应每年调整和检测一次。沼气发电机系统必须每周检查一次。沼气发动机系统宜分日保养、周保养, 运转额定小时保养。每次保养必须填写保养记录。
(8) 发电机余热利用系统的管道、换热器和保温设施应定期检修。沼气进气管路上的电磁阀应定期检修。沼气稳压罐、启动电瓶应定期检测。发电机的启动系统应定期进行检修。主机和附属设备内的水垢应及时消除。
(9) 油温、水温等降到常温时, 方可维修发电机。每立方米沼气的发电量宜>1.5kW·h。
(10各种机械设备应保持清洁, 无漏水、漏气、漏油等。根据机电设备要求, 应定时检查, 添加或更换润滑油或润滑脂。
(11) 操作和维修人员, 必须经过技术培训和生产实践并考核合格后方可上岗。
三、化验检测
1. 检测项目和频次
COD、TS、VS, 每周检测一次, 取样或取样点:牛粪牛尿沉沙池、配料搅拌池、调浆搅拌池、调节计量池及沼液和沼渣。COD作为有机物质相对含氧量的指标之一, 可以根据有机物的去除, 了解设备合适的进料控制浓度, 可以计算沼气产量。消化后的沼液COD去除率达到70%以上, 表明反应器运行状况良好。
TS总固体体积, 体现了目前设备运行中粪污的含水率和投料比。VS挥发性固体则是指粪污中的有机成分或能被降解的部分。运行中USR的排渣需要根据检测沼渣的TS来确定。当TS>70g/l时, 需要排渣, <30g/L时, 停止排渣。
挥发性脂肪酸VFA (Volatile Fatty Acid) 、氨氮, 每周检测一次, 在沼液中取样。
VFA是厌氧消化过程中的重要中间产物, 甲烷菌主要利用VFA形成甲烷, 较高的VFA浓度对甲烷菌有抑制作用。一般运行中要求沼液中的VFA≤300mg/L。如果高于>300mg/L时, 表示USR的运行状况开始变差, 甲烷菌活性受到抑制。此时需要立刻降低进料量, 投加小苏打进行调节, 一直待VFA恢复正常, 一周后可以逐步增加进料量。
厌氧对氮和磷的需求为 (350~500) ∶5∶1。对于氮和磷不足的废水, 需要按比例添加尿素和磷酸二氢钾等。
每班都应对USR的pH值和温度检测一次。
2. 其他注意事项
COD的检测中, 硫酸亚铁铵的浓度需要一周标定一次, 每次更换蒸馏水时需要重新做空白数据。蒸馏或冷凝回流液的滴定需要当天完成。
四、规章制度
1. 对操作人员的要求
必须熟悉沼电工程的工艺流程、处理工艺和设施、设备的运行要求与技术指标, 掌握设备操作要领及沼电工程的知识。
坚守工作岗位, 不做与工作无关的事项。文明操作, 积极妥善处理好职责范围内的一切业务。
应按要求巡视检查相关设施、设备、电器和仪表的运行情况。每天检测USR的温度、pH值, 计量沼气产量。做好运行记录, 详细记录现场设备运行状态。
应按照操作规程和设备使用说明书进行操作, 根据粪污量及时调整稀释用尿量等。不得无故擅自停运沼电工程设施, 确保进料, 稳定产气。
定期对机械设备进行维护、保养, 对沉砂渠、反应器浮渣等设施进行清理, 按要求对反应器排渣。
操作人员发现运行不正常时, 应及时处理或上报主管领导。
加强安全责任, 不得向无关人员泄露有关发电站内部的情况。按规定时间交接班, 不得迟到早退。
2. 化验室管理制度
(1) 实验员必须严格遵守实验室的有关规定, 按照试验程序进行操作。
(2) 详细记录试验数据, 注重试验的科学性, 不得随意涂改与编造数据。在试验中保持谨慎的态度, 明确试验目的、内容与要求, 做好实验记录。
(3) 及时了解新的实验方法和检测手段。了解药品的一般性质, 合理选择和利用药品。
(4) 注意实验室安全。掌握防火、防水、防爆知识及水电设施安全知识。
(5) 严禁在实验室内吃东西、吸烟及处理与实验无关的事情。
沼气发电 篇10
1 生活垃圾的处理
我国对城市生活垃圾的处理并不十分先进, 而且并没有系统的对生活垃圾的成分进行研究, 这种研究也特别复杂, 要考虑到当地的环境、天气、时节以及经济发展水平等多个方面。所以, 生活垃圾处理方式的发展十分缓慢, 根据不同国家和时期, 现具体有三种处理方法比较突出。
1.1 燃烧的方法
如果使用这种方法对垃圾进行处理, 必须要先将垃圾进行分类, 将会发生化学反应的垃圾分开, 以防产生爆炸。但是我国并没有采取燃烧法, 因为对技术上的要求很高, 并需要大量资金, 只有一些实力雄厚的国家会使用。
燃烧法的优势在于:能很好的减小垃圾的占地面积和重量、运用燃烧破坏垃圾中的有毒结构, 更有力与之后的处理;通过燃烧, 使最终毒气释放的可能性减小;还能对燃烧产生的热能进行利用;燃烧的缺点有:需要大量资金;要有高技术;会产生污染物;燃烧生成的炉灰的污染性也十分高。
1.2 堆肥的方法
这种方式是存在最久的垃圾处理方法, 主要的原因是价格便宜, 并已被大部分国家使用和推广。堆肥处理的主要方法是将垃圾中的一部分成分, 转化成对土地有利额物质, 进而防止污染环境。而且堆肥的操作简单, 几乎没有投资和技术上的要求, 使其受到了很多家庭的运用和好评。
缺点是无法进行大规模处理, 处理限定较多, 无法变成主要的处理方法进行使用。
1.3 土地填埋的方法
土地填埋是被采用最多的生活垃圾处理方式, 其主要原理是将收集的垃圾直接埋入土壤中, 在进行处理。这种方式在发展中国家被广泛运用, 但由于其处理方式简单, 运用面广, 因此对生态环境有着巨大伤害。所以采用沼气发电的方式对土地填埋法的产生的沼气进行处理显得十分重要。
2 沼气发电的能力和流程
2.1 沼气发电技术原理
沼气一种混合气体, 主要由甲烷和二氧化碳组成, 二氧化碳占成分的三分之一, 甲烷则是他的二倍, 所以甲烷是沼气主要成分, 可以进行燃烧, 然后形成二氧化碳和谁, 并尝试热能。但是如在密闭条件下, 甲烷很容易产生爆炸, 所以在对沼气发电装置进行设置时, 务必选择一个合理的位置, 杜绝危险的发生。
沼气发电主要让燃烧沼气产生的热能作用于转动设备而变成机械能, 在通过发电机将其转化成电能。通常情况下, 标准大气压强下, 每m3的沼气可产生23-27m J的热量, 能让1000瓦的内燃机工作一个半小时, 发电1.25千瓦时, 约等于650克汽油或830克煤的燃烧效果。
沼气技术的进步, 可以使生活垃圾填埋场得到更好的处置, 并日益完善。
2.2 沼气发电的设备和能力
将沼气用于发电机上, 是最有效利用沼气的方式。目前主要有内燃机和汽轮机两种设备, 也有很多科研机构, 为了提高电能的转化率, 对这两种设备进行了很多改进工作。
现以北京某地垃圾填埋场为例 (以下都称之为A地) , 该填埋场的可以为470KM2的面积服务, 用户人数有160万人。这所垃圾填埋场占地约为50KM2, 其中办公区域约为14KM2, 填埋区域为36KM2。
根据A地垃圾填埋场沼气的产生量, 发电厂的设计生产能力为5台装机容量为2000k W的“道依茨”发电机组, 总装机容量为10KW。如果按实际装机容量满负荷运行, 该电厂生产能力为每天发电24万千瓦时, 其中预留5%电厂自用, 还有22.8万千瓦时电量可以并网。这些电由北京市供电局以O.55千瓦时的价格收购。但在填埋场的填埋前期及后期, 沼气气源不足, 实际发电量则可能低于理论计算值。
3 沼气发电的优势
3.1 生态环境效益
沼气是一种无色、无味且易燃的气体, 将其收集、净化并燃烧进行发电, 一方面减少了其扩散对周边生态环境和居民身体健康的影响, 另一方面减少了温室气体的排放, 对北京市的可持续发展做m了重大的贡献。A地垃圾填埋场沼气发电厂每台发电机组年耗气量为8.67×106m3, 预计5台发电机组均正常运行, 则年耗气量为4.38×107m3, 其中CH4的含量为55%, 由此可以计算出利用填埋气体发电后相当于可减少CO2的排放量为3.0×107m3。
3.2 经济效益
城市生活垃圾填埋场沼气发电不仅可以减少温室气体的排放, 保护了生态环境, 同时还会产生可观的经济效益, A地垃圾填埋场沼气发电厂预计每年上网发电量为6480万k Wh, 按0.55∶Vv/k Wh计算, 年可获效益4200万元, 扣除相应费用及税金后可实现净收入为1905万元。
4 沼气发电的问题与解决方法
城市生活垃圾越来越多, 垃圾填埋场的沼气发电以废物利用的方式, 不仅让温室气体的排放量减小, 还带来了巨大的经济效益。但是在这个过程中, 垃圾填埋场的液体较多, 水位较高, 沼气释放受到影响, 发电的效果也会变小。
垃圾的成分会影响沼气产生的数量和速度, 而我国并没有对生活垃圾的成分做出分析, 并且与其他国家的垃圾成分区别加大, 所以完全模拟国外的沼气生产模型可能会有一定误差, 以此, 还需要相关部门能够尽快建立符合我国垃圾特性的沼气生产量估算方法和相关数据。
在发电技术方面, 希望相关部门能够加强垃圾填埋场的沼气产出效率进行优化, 并深入研究和开发, 加快这项应用技术的推广。
5 结束语
我国城市化进程在不断推进, 城市人口的增加带来的是生活垃圾数量的不断加大, 垃圾填埋场发电技术的推广, 不仅使城市增加了电力资源, 还带来了一定的经济效益, 沼气发电技术就显得至关重要。同时, 这种技术也存在着不足, 例如相应条件还不够完善, 流程上照搬国外没有创新, 都限制着沼气发电技术的发展与进步。希望国家和相关部门引起重视, 使城市生活垃圾变废为宝。
摘要：随着城市人口增多, 生活垃圾的数量也逐渐增加, 如何对这些垃圾进行处理成为人们首要面对的问题。在我国, 每日的垃圾生产量已经达到了一个十分危险的数字, 大量的垃圾堆积会减少人们有限的生存空间, 且会对周围的土地造成影响, 危害生态环境。本文就生活垃圾填埋场沼气发电的可行性进行分析, 从沼气发电的条件和技术要求开始, 考虑其所用人力以及能够带来的经济效益和环境效益。调查我国城市生活垃圾的现状, 了解沼气发电的原理与优势, 也提醒相关从业人员要加强技术研究, 处理好垃圾填埋场沼气发电存在的问题。
关键词：生活垃圾,填埋,沼气发电
参考文献