关键词： 沼气发电机 环保 上网
1. 沼气发电简介
1、沼气的组成及来源：
沼气的主要可燃成份为甲烷CH4，甲烷浓度一般为40％～65％，由产生甲烷的厌氧菌消化有机物产生。所以只要有机物存在的地方，就会有甲烷生成。例如人畜的粪便、有机工业废水、垃圾填埋场、农作物秸秆等都可用做沼气产生的原材料。
2、沼气发热值与发电量：
每1m3纯甲烷的发热量约为34000千焦耳，每立方米纯净甲烷可以发电4kWh。当沼气中甲烷含量为60%~70%，每1m3沼气的低位热值约为20800-23600千焦耳，即1m3沼气完全燃烧后，能产生相当于0.7kg无烟煤提供的热量。沼气中甲烷含量越高，其热值越高。
目前国内燃气发电机组的市场份额约为156亿元，其中沼气发电机组能占到60%，差不多100亿元，每1m3沼气能发电1.6~1.8kWh。沼气中甲烷含量越高，其热值越高，如沼气中甲烷含量在75%-80%时，每1m3沼气能发电2.0~2.2kWh。一台30kW的发电机，每小时的耗气量在15m3左右，24小时为360m3，每天发电量约为576kWh。
3、沼气发电机发电流程
沼气被收集、净化送入沼气发电机组，在收集、净化、输送系统上布置有温度、气体浓度、流量等测量元件，并布置有安全阀、阻火器等安全设施。进入发电机组的沼气经防爆电磁阀和调压阀进入机组气缸，由火花塞点火、混合气体燃烧做功。所发电力经变压器升压后并入城市电网，做功后的废气经机组排气口排出。
4、沼气发电时需要注意的相关事项
沼气引出后，由于含杂质较多，需要净化之后才能用来发电。沼气里的杂质主要有水蒸气、硫化氢、二氧化氮、氮和氨等。沼气里面水蒸气含量太高，是造成沼气发电机运行稳定的一个重要因素。同时取出的沼气有一种很刺鼻的气味，因为里面含有二氧化硫和氨气，这些都是有腐蚀性的气体，如果净化不充分，高温时在水的作用下就会产生强腐蚀酸性物质，腐蚀沼气发电机。所以沼气脱硫脱水净化设备是保障沼气发电机稳定运行的一部分。要使沼气发电系统正常运转，日常维护必不可少。沼气发电系统要经常更换脱硫剂、更换机油、保养发电机组等。
2. 沼气实际处理方案比对
以1000t/d焚烧厂为例分析，渗沥液处理系统产生的沼气量约9000 m3/d，沼气送入除湿装置，除去沼气中的水分，之后进入过滤装置，过滤出沼气中的颗粒杂质。清洁沼气通过压缩机送入沼气储罐，沼气低位热值约取20 MJ/m3。
2.1 设置沼气燃烧器，回焚烧炉焚烧（方案1）
该方案是将渗沥液厌氧处理过程中产生的沼气经沼气燃烧器送入焚烧炉燃烧，整套系统的热量增加，实现了对资源的回收利用。沼气燃烧器位置一般设在辅助燃烧器附近。
沼气喷入焚烧炉内燃烧，增加了锅炉的蒸发量，相应地也增加了汽轮发电机组的发电量。发电厂热效率按21.5%计算，沼气低位热值约为20 MJ/m3，每小时发电量为448kWh。沼气上网发电量每小时约为403kWh，年上网发电量为3.22x106kWh。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆垃圾焚烧发电厂上网电价一般为0.65元，每年可以增加收入约210万元，则30a特许经营期共讨约6300万元。
2.2 设置沼气回喷入炉焚烧装置，无点火设备（方案2）
该方案设置沼气回喷入炉焚烧装置，但不设置点火设备。回喷枪将沼气供向有垃圾火焰的部分，并且通过二次燃烧空气的供给，在氧气浓度升高的情况下即使未燃尽的垃圾也可以发生自燃，因此将其位置设置在炉排燃烧段侧壁但比垃圾层高的位置。因此处温度较高，约1000°C, 故回喷枪材质选用不锈钢或合金钢。沼气燃烧所需的燃烧空气是焚烧垃圾所用燃烧空气的一部分。
沼气在使用时低压向炉内供应沼气，在不使用时由冷却空气冷却，以防止沼气长管热烧伤。另外，沼气长管通过沼气后，可能会因沼气中的H2S结露而发生腐蚀，为防止此问题出现，在沼气停止供应时通过压缩空气将管道内残留的沼气吹扫干净。
另外，需设1套火炬沼气燃烧处理装置，当焚烧炉停炉时，可通过管道输送至火炬高空燃烧处置。在运行中，沼气被送入焚烧炉后会释放自身热量。热效率、年发电量等与沼气燃烧器基本相同，30a特许经营期共计约6300万元。
2.3 将沼气排放至垃圾坑，经风机抽回至焚烧炉焚烧（方案3）
渗沥液收集间设置通风装置，将渗沥液处理过程中产生的沼气等有害气体排至垃圾坑，垃圾坑内保持负压，经一次风机抽取后通过炉排下部送入焚烧炉燃烧。理论上，被送入焚烧炉的沼气被送入焚烧炉后， 经焚烧会释放自身热量。热效率、年发电量等与沼气回炉焚烧相同。30a特许经营期共计约6300万元。
垃圾坑中垃圾本身也会产生沼气，甲烷与氧气完全反应：CH4+2O2=C02+2H20, CH4与02反应体积比是1:2，空气中氧气含量为21%，即1LCH4 燃烧需空气9.5L。因此甲烷占混合气体的体积分数约为9.5%，当甲烷在空气中体积分数达到9.5%时，会发生强烈爆炸。而生活垃圾中有机物含量较高，集中堆放容易形成厌氧环境，致使垃圾产生的沼气不断积累与释放，若CH4在空气中的含量达到其爆炸极限有氧条件下，CH4爆炸极限为5%?15%或遇到明火则极易引起爆炸。
3.4 配套沼气发电燃气内燃机发电机组（方案4）
燃气内燃机适用于沼气产量较小的场所，以沼气为燃料，带动内燃机和发电机发电。
根据国内外机组经验，燃气内燃机发电机组热效率按33%计算，则每小时发电量为20 x 1000 x 375 -3600x33% =687KWH。沼气上网发电量每小时约为583kWh，年上网发电量为4.66 x 106kWh。每年可以增加收入302万元，30a特许经营期共计为9060万元。
3.5 沼气利用方案对比分析
根据以上分析可知，4种方案总收益相差不大，其中，方案1及方案2前期建设工程投入及运行维护费用较小，收益较大；方案3前期建设工程费用最小，且不存在运行维护成本，收益最大，但该方案存在较大安全隐患；方案4由于前期建设工程投入及运行维护成本高，虽然其收入为4个方案最高，但收益与前3个方案差别不大。
3.6 结论
综上所述：方案1:沼气经沼气燃烧器回炉燃烧可回收沼气热量，增加了整厂的收益，且运行稳定、可靠。方案2:沼气经回喷枪回炉燃烧收益相当于方案1, 但当焚烧炉燃烧工况不稳定时，沼气可能有点火燃烧不及时风险。方案3:将沼气抽送至垃圾坑经济性能最好，但综合考虑垃圾本身产生的沼气及被抽回的沼气，沼气浓度太高，且不易控制，增加了爆炸事故发生的可能性，故方案3存在安全隐患。方案4:沼气热利用效率最高，但费用较高，且该方案沼气须经过预处理，系统复杂，故障率较高。此外，上网发电需要增加升压装置，并派专人维护，成本较高。由此可见，采用通过沼气燃烧器回喷入炉焚烧的利用方案（方案1）最佳。
参考文献：
（1）中国航空规划设计研究总院有限公司《工业与民用配电设计手册》.第四版.北京：中国电力出版社.2016
论文作者:赵佳音,武银河,王曈
论文发表刊物:《中国电业》2019年第12期下
论文发表时间:2019/11/29
标签：沼气论文; 甲烷论文; 方案论文; 垃圾论文; 机组论文; 发电量论文; 热值论文; 《中国电业》2019年第12期下论文;