生物质沼气热电联产工程应用分析

李 利， 刘 蔚， 张廷军， 冯 冰

(中国华电科工集团有限公司， 北京 100170)

全球变暖引起世界各国对温室气体排放量的关注，热电联产具有可减少温室气体排放量、降低热电网输送系统的投资、增强能源供给稳定性等优点，理论上几乎适合于任何燃料，如天然气、煤、柴油、城市固体废弃物(MSW)和生物质等，其中生物质的应用日益受到重视[1-2]。

生物质沼气发酵可以将家畜粪便中含有的有机物转换成具有高热值的沼气，沼气通过沼气发电机组可以产生电能和热能，从而有效地清除家畜粪便的污染[3]。因此，生物质沼气热电联产近年来受到了越来越多的重视，得到了迅速的发展，在社会主义新农村建设和国家能源发展中起到了重要作用[4]。

目前，我国的沼气生产主要集中在农村或者大规模家畜养殖场，反应器内温度随着环境温度变化而变化，这严重影响了产气率，尤其在冬季，由于气温和地温都比较低，原料分解率低，沼气的产气率低、使用率低从而导致沼气使用综合效益差[5]。针对上述问题，国内外专家学者提出了较多的厌氧反应器保温增温措施，例如，塑料暖棚增温技术、燃池增温技术、“猪、沼、炕”增温技术、隔热材料保温法、沼气池表面覆盖柴草保温方法、挖环形沟保温法、秸秆废弃物的燃烧方法、塑料薄膜覆盖法、热水锅炉加热法、太阳能增温等[6-11]。但是，这些方法存在着热能转化效率低、污染大、投资成本高等问题，因此，研发新型的厌氧反应器保温加热措施的目标是提高沼气发电效率并降低环境污染。

沼气发电机组在发电过程中会产生大量余热，因此，应用沼气发电机组的自身余热实现热电联产，为厌氧反应器和厂区供暖受到了国内较多的关注，并且在实际工程中得到了广泛利用[12-14]。例如，张冰芝[12]等对以沼气烟气余热加热沼气发酵原料为主，太阳能集热为辅，同时太阳能集热器提供户用生活热水的沼气发电系统进行了设计、理论分析与试验验证；秦国辉[13]等对寒地沼气发电机组的烟气和循环冷却水余热利用进行了分析与建模研究，同时引入了实时动态热量需求模型，以技术经济评价指标为优化目标，建立了回收余热、沼气发酵负荷与外加热源的关系，确立了随环境变化适时调整外加热源的改进控制方案；王兰[14]等以江苏某畜禽粪污沼气发电项目为例，分析了畜禽粪污沼气发电工程的中温厌氧消化系统加热能量供给及其影响因素。

图1 工艺流程图

1 国内外沼气发电技术现状

沼气发电是一个系统工程，它包括沼气生产、净化与储存、沼气发电及上网等多项单元技术的优化组合，它始于上世纪70年代初期并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如德国、丹麦、奥地利、芬兰、法国、瑞典等一些国家的能源总量中所占的比例为10%左右，并一直在持续增加。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，气耗率不大于0.5 m3·kWh-1(沼气热值≥25 MJ·m-3)价格在500～750美元·kWh-1，主要的设备厂商有卡特比勒、颜巴赫、道依茨、瓦克夏、高斯科尔等[15]。

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，将沼气用于发动机上，并装有综合的发电装置，以产生电能和热能，是有效利用沼气的一种重要方式。我国沼气工程中沼气发电的比例不到3%，德国近3000处沼气工程几乎都发电上网，其98%工程属于热电联产工程，发电余热用于沼气池加热。我国已有一批沼气发电设备生产企业，从几十千瓦到几百千瓦都已经能够生产，可靠性方面技术差距与国外正在缩小，但是发电余热利用和热交换技术与欧洲相比差距很大[16]。

本文以GE颜巴赫燃气内燃机为原动机来介绍沼气热电联产项目的余热利用及供热技术，随着不同的生物质原料需要不同的收集、储存、运输以及转化技术的国家相关配套鼓励政策的出台，我国沼气发电技术及设备必将不断地得到提高和完善。

2 沼气热电联产工程实例分析

2.1 热力系统简介

本文以山东某一大型生物质沼气工程为例，介绍了热电联产在实际工程中的应用，对沼气发电工程中能量衡算等方面进行分析探讨，旨在为沼气发电等相关工程设计从业者提供依据。

根据颜巴赫内燃机厂家内燃机机组的内循环系统图以及余热利用方案分析，绘制出一种生物质沼气热电联产系统工艺流程图具体如见图1。

内燃机内循环系统：内燃机有两个内循环系统，一级中冷循环系统和二级中冷循环系统。一级中冷循环系统由中冷器一级换热器、润滑油换热器、缸套水换热器以及一级屋顶散热器组成，这部分热量回收利用；二级中冷系统由二级中冷散热器与二级屋顶散热器组成，这部分热量不予利用。

内燃机热回收系统：内燃机热量回收系统包括缸套水换热器、水-水板式换热器、循环水泵、集水缸、分水缸、冷水灌、余热锅炉以及管道和相关管件。该系统的功能是冷却内燃机的缸套水、一级中冷水和润滑油，保证机组的安全可靠运行并回收热量供发酵罐及厂区采暖需求。来自冷水罐的软化水温度为70℃，经过循环泵先输送到集水缸再输送至缸套水板式换热器吸收内燃机排出的热量，再经过余热锅炉吸收烟气热量温度升高为90℃后返回分水缸供发酵罐及其他系统利用。

发酵罐热水循环系统，发酵罐热水循环系统包括热水罐、热水循环泵、水-水板式换热器、以及管道和相关管件。该系统利用热水加热发酵罐内的沼液，使之维持正常的温度。热水循环泵将热水罐60℃的热水输送至出口供热母管，经发酵罐换热器后降温到40℃，40℃回水汇总至回水母管再经过水-水板式换热器换热后升温到60℃后返回到热水罐。

2.2 运行工况分析

增温能耗主要是保证厌氧反应器在相对稳定的温度下运行，补偿其运行过程中散失到环境中的能量。厌氧消化反应过程受温度影响很大，中温沼气发酵其最佳温度范围为38℃±2℃。增温的热源来自热电联供发电机产生的余热。发电机余热给厌氧反应器增温，补偿反应器的热能损失。多余热量可以用来满足厂区采暖需求或生活热水用。

夏秋工况：2台内燃机烟气余热锅炉提供的热水热量足以满足发酵罐所需热量，内燃机缸套水冷却散热通过屋顶散热器来完成，缸套水热量不回收；多余热量提供生活热水。

春冬季工况：2台内燃机烟气余热和缸套水热量全部回收利用，满足发酵罐所需热量及厂区采暖需求和生活热水。

2.3 发电机组余热利用量

本文以1067 kW颜巴赫机组为例，对余热输出情况进行分析，机组余热中的烟气热能、缸套水热能、一级中冷热能、润滑油热能回收利用。二级中冷余热较少，温度较低，不进行回收，如表1所示。所以一台机组外供的总热量为1244 kW，两台总热量为2488 kW。

表1 单台发电机组余热输出指标

从上述可知，排烟温度为120℃发电机系统可利用热量为排烟与缸套水热量，共计1244 kW。其中，夏秋两个季度所需的热量均由两台烟气余热锅炉提供，缸套水热量由屋顶散热器排空；春冬两季烟气余热与缸套水热量全部回收利用，满足发酵罐所需热量及部分采暖热量，按照华北地区某一办公楼采暖热负荷为200 kW计，春、夏、秋、冬四个季节的热负荷分配如表2所示(沼气罐热量需求由制沼资料获得)。

表2 热负荷分配表 (kW)

3 结论

在沼气工程建设中，回收沼气发电余热实现热电联产既可以解决沼气工程的热量补充问题又可以避免能源的浪费。为了进一步提高沼气发电系统的经济效益，通过余热回收过程的建模与热平衡分析，得到了不同季节下满足全厂热负荷需求的运行方案，对生物质沼气发电工程具有实际意义。