某集团奶牛场沼气发电工程可行性研究报告

大地集团奶牛场沼气发电工程可行性研究报告 项目名称：大地集团奶牛场沼气发电工程建设地点： 江海市海洋集团绿色奶牛饲养场编制单位： 江海市新能源开发工程有限公司编写时间： 2 0 1 2 年 6 月 3 0日项目名称：大地集团奶牛场沼气发电工程报告编制单位：江海市新能源开发工程有限公司法人代表：王文学项目负责人：张大山（总工程师）主要编写人员： 李日月（工艺工程师)王大海（工艺工程师）朱建文（结构工程师)谢小阳（给排水工程师)李红军（电气工程师）王细明（预决算)联系电话编制时间：2012年6月目录第1章 概述11.1项目摘要11.2可行性研究报告编制依据2第2章 项目建设背景42.1项目建设的必要性和可行性42.2项目目的和意义6第3章 项目建设单位基本情况93.1项目建设单位基本情况93.2技术依托单位情况简介9第4章 产品方案和市场分析104.1产品方案104.2市场分析11第5章 项目地点选择分析135.1项目选址原则135.2自然环境135.3交通及运输145.4厂址选择14第6章 工艺技术方案分析156.1项目的指导原则156.2沼气工程工艺设计16第7章 工艺单元设计与设备选型257.1 预处理系统257.2 厌氧消化及后处理部分257.3 沼气脱硫脱水净化、贮存287.4沼气发电及余热利用系统307.5 附属设施31第8章 建筑、结构、电气与节能减排338.1设计原则338.2建筑与结构设计338.3 电气设计348.4 控制及仪表368.5 机械设备设计368.6 总图设计37第9章 环境影响分析399.1 环境影响399.2工程建设期对外部环境的影响399.3工程建设完成后对外部环境的影响与对策40第10章项目组织管理与运行4110.1项目筹建时期的组织与管理4110.2项目运行时期的组织与管理4110.3劳动定员和人员培训41第11章 项目建设期限和进度安排42第12章 投资估算与资金筹措4412.1投资估算依据及范围4412.2固定资产投资总额4412.3资金筹措45第13章 效益分析与风险评估4813.1生产成本和销售收入估算4813.2财务评价4913.3偿清能力分析4913.4工程项目环境效益分析5013.5投资风险分析5013.6综合评价52第14章 结论和建议53附件：53第1章 概述1.1项目概况：1.1.1项目名称大地集团奶牛场沼气发电工程1.1.2项目建设单位江海市新能源开发生物燃气发电投资公司1.1.3项目拟建地点江海市海洋集团绿色奶牛饲养场1.1.4建设目标通过热电肥联产沼气工程的建设，处理大地集团奶牛场10,000头奶牛的粪污，生产清洁能源，减少奶牛场环境污染，减排温室气体。厌氧发酵每天生产沼气10,800 m3，沼气用于发电，日发电21,600 kWh，电力上网出售，发酵后的沼液、沼渣作为优质有机肥料用于周边饲料地、果园。既开发了生物质能源，有效利用了资源，又改善了环境，实现养殖业的可持续发展。1.1.5建设期限2012年7月2013年6月1.1.6项目工艺技术方案该项目在工艺选择和方案设计中，采用热电肥联产模式和高浓度全混合（CSTR）中温厌氧工艺。项目所生产的沼气全部用来发电，并入电网销售；利用发电机余热为厌氧反应器供热；厌氧发酵后的发酵液经过固液分离，沼渣用来生产固态有机肥，沼液用于奶牛场周围饲料地和果园的有机肥料；在非用肥季节，沼液进入氧化塘净化处理达到畜禽废水排放标准后排放。1.1.7建设内容及规模项目处理大地牛奶集团奶牛场（一期）1万头奶牛粪污，牛粪240吨/天，牛尿240吨/天，冲洗水167吨/天。本项目建设用地240亩，新建匀浆池1,000 m3、厌氧反应器6,000 m32座、双膜干式贮气柜1,000m3、后发酵池17,000 m3、沼液贮池17,000m3、氧化塘50,000 m3，沼渣贮存间1,000 m2、发电机房200 m2、管理房108 m2，以及相应的配套室外工程和管道工艺设施；1064 kW进口发电机及余热利用系统1套，沼气火炬系统和CDM监测设备1套。项目投产后，日生产沼气10,800 m3，每天发电21,600 kWh。年生产有机肥沼渣1万吨，沼液21万吨，减排温室气体约4万吨CO2当量。1.1.8投资估算和资金筹措项目总投资3415.00万元人民币，其中土建投资790.73万元、设备投资1322.27万元、发电机组及电力上网投资991.00万元、其它投资196.00万元，工程税金115.00万元。其项目建设投资主要资金来源有：项目股东投资1707.50万元，其中*长信泰达科技有限公司出资870.82万元，德国UPM公司出资836.68万元；融资借款1707.50万元。1.1.9市场预测及效益分析根据确定的产品方案和建设规模及预测的产品价格，不计CDM收益时，达产期内年均销售收入492.75万元，年利润82.56万元，项目财务内部收益率为0.9%，项目的投资回收期15年。计CDM收益时达产期内年均销售收入892.75万元，年利润482.56万元，项目财务内部收益率为15.13%，项目财务总净现值为453.02万元，项目的投资回收期6.30年。1.2可行性研究报告编制依据(1)中华人民共和国可再生能源法及相关配套法规(2) 国家可再生能源中长期发展规划纲要(3)投资项目可行性研究指南 (4) 国家发改委、建设部建设项目评价方法和参数（第三版）(5) 国家环保部畜禽养殖业污染物排放标准（GB18596-2001）(6) 国家环保部畜禽养殖业污染防治技术规范（HJ/T81-2001）(7) 国家发改委可再生能源发电价格和费用分摊管理试行办法(8) 国家农业部、发改委农业部办公厅、国家发改委办公厅关于做好养殖业大中型沼气工程可行性研究报告和初步设计文件编制及审核工作的通知第2章 项目建设背景2.1项目建设的必要性和可行性2.1.1项目建设的必要性本项目的建设的必要性具体体现在以下几方面： 一、发展可再生能源、改善能源结构的需要 能源是现代社会经济发展的支柱，全球工业化对能源的急剧消耗使能源危机日益凸现并导致一系列世界性环境问题，世界各国正在大力开发新型可再生替代能源。石油、天然气和煤炭等化石能源供应着世界85%以上的一次能源消费，但储量有限，不可再生，地球上剩余可采年限分别仅为约40、60和230年。我国人口众多，能源危机尤其严峻，石油、煤炭和天然气人均剩余可采储量分别仅约2.6吨、90吨和1000立方米。目前我国已成为第二大能源消费国，2008年我国石油的对外依存度超过50%，且逐年增大，供需矛盾突出，能源短缺将是一个长期的过程。化石燃料的生产和使用带来温室效应、酸雨、破坏臭氧层等一系列世界性环境问题，我国SO2和CO2排放居世界前两位。进入21世纪，基于对环境保护、经济可持续发展和国家安全的考虑，许多国家对开发利用可再生能源由理性呼吁发展到制订国家战略的高度。2006年我国可再生能源法开始施行，将可再生能源的发展提高到前所未有的高度；“十一五”规划提出构筑稳定、经济、清洁的能源供应体系，加快发展可再生能源，建设资源节约型、环境友好型社会；近几年的中央一号文件都明确提出我国将加快发展农村清洁能源产业，大力推进新农村建设。国务院领导在北京国际可再生能源大会上指出2020年我国可再生能源占能源供应的比重将达到15%，2006中国新能源产业年度报告提出2050达到30%，任重道远。本项目的成功实施可规模化生产沼气可再生能源，为我国的能源安全提供支撑。 二、减少温室气体排放的需要近年来，日益严重的全球变暖趋势受到世界各国的重视，温室气体减排越来越紧迫。1997年12月，联合国在日本京都召开了防止地球温暖化京都会议，京都预定书规定各国在2008-2012年间要将温室气体的排放总量在1990年的基础上削减5.2%。在印尼巴厘岛召开的联合国气候变化大会和2009年4月的G20峰会都把减少化石能源消耗、发展可再生能源、保护人类共同的地球作为首要任务。甲烷的温室气体效应是CO2气体的21倍，温室气体效应20%来自甲烷。如有机废弃物得不到有效利用，产生的沼气就会成为造成温室效应的元凶。本项目的实施，每日产生沼气10,800m3，每年可产沼气394.2万m3，每年减排温室气体量相当于约4万吨CO2，对实现我国节能减排目标，推动我国可持续发展和构建和谐社会具有重要意义。 三、保护生态环境的需要我国是农业大国，每年产生大量的有机废弃物。目前这些废弃物大部分尚未得到妥善处理和利用，造成严重污染。尤其是养殖业的污染问题。我国畜禽养殖业经过20余年的发展已成为我国农业和农村经济中一个重要的支柱产业，其总产值超过1万亿元，占农业总产值的30以上，有的省和地区达60以上。但是，我国畜禽养殖带来的环境污染问题却日益严重，畜禽粪便和废水的产生量都很大。有关资料显示，养殖业废弃物每年的总量约为25亿吨。我国规模化畜禽养殖场粪水污染问题已到了非解决不可的地步，应尽快推进畜禽养殖场粪水污染处理，加速能源环境工程规模化、商业化进程。 厌氧发酵技术将有机废弃物转化为清洁能源，为循环经济的发展提供有力支持。有机废弃物厌氧消化生产清洁生物燃气的过程能有效控制病原微生物的扩散和传播，发酵残余物是优质的有机肥，可替代化肥的使用，改善土壤理化性状，为农作物生长提供良好的土壤环境。据2009年全国农村可再生能源统计资料，截至2008年底，大型沼气工程数量2761处（其中2008年新增1192处），总池容178.5万立方米，产气2.73亿立方米，约产生有机肥200万吨。沼气工程的建设既可以解决污染问题、保护环境，又可提供能源和肥料，有利于生态系统的良性循环和农业可持续发展。2.1.2.项目建设的可行性2.1.2.1政策的可行性国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006-2020）明确将沼气等农林生物质综合开发利用列入国家重点发展领域。根据可再生能源中长期发展规划，到2010年，建成规模化畜禽养殖场沼气工程4,700座、工业有机废水沼气工程1,600座，大中型沼气工程年产沼气约40亿立方米，沼气发电达到100万千瓦。到2020年，建成大型畜禽养殖场沼气工程10,000座、工业有机废水沼气工程6,000座，年产沼气约140亿立方米，沼气发电达到300万千瓦。2006年颁布实施的可再生能源法明确指出，“国家鼓励和支持可再生能源并网发电”。可再生能源发电价格和费用分摊管理试行办法明确了可再生能源发电电价补贴政策，可再生能源发电电价在当地标杆电价的基础上增加0.25元/度的补贴。上述一系列政策和法规为本项目顺利实施提供了政策保障。2.1.2.2企业条件的可行性上海牛奶集团（大丰）海丰奶牛场每天产生鲜牛粪240吨，牛尿、污水407立方米，为本项目的建设提供了充足的原料保障。从企业内部的实力、人力及管理水平上来说完成此项目建设是完全可行的。另外，公司为建设本项目已组建了专业机构，并多次对该项目进行考察和论证，为本项目的建设做了大量的前期准备工作。2.2项目目的和意义2.2.1 项目建设目的本项目建设的目的主要有：一、发展可再生能源，实现循环经济。将养殖场的粪便和污水等废弃物利用起来，一方面发展沼气可再生能源，实现废弃物的资源化利用，另一方面避免了污染物的排放。通过项目的实施，实现沼气工程的双向清洁功能。二、实现清洁生产、保护生态环境，根据可持续发展战略和全国生态环境建设规划，畜禽养殖粪便污染严重问题必须得到彻底治理。本项目有效解决畜禽养殖场固体、液体废弃物以及气体恶臭等环境污染问题。三、发挥项目示范作用，在自身取得环境效益和经济效益的同时，不断提高企业的技术水平，发挥示范带动作用，引导整个区域的良性发展。四、带动种植与养殖的协调发展，通过该工程的建设，沼渣、沼液可使种植增产增收，可实现安全粮食和绿色食品的生产。同时也可为养殖提供足够的饲料来源，确保养殖业的规模化良性发展。总之，通过该工程的建设，可使企业实现清洁生产，资源多层次利用；使企业提升形象，增加经济收入，实现快速发展，并带动周边产业的良性循环。2.2.2项目建设的意义集约化畜禽养殖场开展能源环境示范工程规划是在国民经济发展新阶段的背景下提出的。我国20多年来经济和社会的快速发展，已给生态环境造成了严重的破坏。随着国家经济发展第一阶段战略目标的实现和人民生活水平的提高，人们普遍要求治理污染，改善生态环境。近年来，农业污染治理已列入重要议事日程。畜禽粪便是导致农业污染的主要因素之一，因此加强畜禽养殖业环境管理，实施能源环境工程，对于治理农业污染、改善生态环境质量、实现可持续发展具有重要意义。尤其是加入WTO以后，我国的肉、蛋、奶、果、菜等农副产品多次遭遇绿色壁垒，使我们本来并不宽广的农产品出口道路变得更窄。造成这种现象的原因是方方面面的，其中主要原因之一就是我们的养殖环境条件太差和果菜栽培施肥不当。要想彻底地攻克这个关系着我国农业发展有没有后劲的大问题，就必须从源头遏制住养殖企业的粪污乱弃漫流等严重的污染现象。畜禽粪便、污水既是污染源,又是宝贵的资源。只有对畜禽粪便、污水进行无害化处理,资源化综合利用,即大力发展以沼气工程为纽带的生态工程,才能真正做到既减少污染,保护农业生态环境,又可实现资源的再生利用,从而达到社会、经济、生态三效益的统一。具体表现在以下几个方面：一、治理畜禽粪便污染是实施农业可持续发展战略的要求。实施可持续发展战略是我国的基本国策，可持续发展要求在经济发展的同时，治理环境污染，改善和提高环境质量。我国规模化养殖业的快速发展是以牺牲环境为代价的，这种发展模式是不可持续的，不符合可持续发展战略的要求。通过该项目工程建设，在治理环境污染的同时，促进畜禽粪便的资源化利用，既解决污染问题，确保资源合理利用，又改善土壤质量，提高土壤肥力，从而达到农业可持续发展的目标。二、畜禽养殖能源环境工程建设是全国生态环境建设规划的一个组成部分。根据全国生态环境建设规划的总体安排，环境保护部制定了国家环境保护“十一五”计划，相关各部门都要对本行业在发展中出现的环境问题提出规划，分步实施，逐步加以解决。针对畜禽粪便污染对环境造成的严重危害，在全国规模化养殖发展较为集中的地区，建设示范工程项目，提供技术和信息服务，以点带面，为加强畜禽养殖环境管理，提供有效解决污染问题，促进畜禽粪便资源化利用的有效途径。三、起着治理污染、保护环境的示范作用畜禽粪便虽然是严重的污染源，但却又是可开发的宝贵资源。通过科学的处理和加工，便可转化为有价值的生物能源和有机肥料资源。在大中型畜禽养殖场中建设能源环境及综合利用工程，可以从根本上解决粪污的污染问题。沼渣、沼液可作肥料使用，从而使项目区域的污染得到治理，根本上改善了生态环境。本项目将借鉴国内外成功的经验，吸取失败的教训，优化、集成、先进、实用的技术，形成一个以沼气发酵、沼气发电和沼肥利用于一体的先进工艺的典型工程，起到推广示范的目的。沼气发电是利用工业、农业或城镇生活中的大量有机废弃物经厌氧发酵处理产生的沼气，利用发电机组发电，并充分利用发电机组余热，使综合效率达80%-85%，从而达到开发可再生能源和节能减排的目的。建设本项目，可以很好地形成社会、环境，企业经济、形象的双重结合。此项目首先是一个能源环保项目，生产清洁能源大大缓解项目所在地区的环保压力，改善环境状况，促进人们的生产生活质量。又是一个未来企业甚至是国家经济的一个新增长点。项目所产生的大量电能可减少社会发展对石油等化石能源的依赖。沼渣、沼液可消除化肥对土壤的污染。而且，可减少因粪污产生的大量甲烷对大气中的排放，甲烷的温室效应是二氧化碳的21倍，实施该项目对温室气体的减排也有着一定的作用。因此，项目对实现高效生态循环经济型企业，对环境治理、农业生产、温室气体的减排都有着重要的意义。第3章 项目建设单位基本情况3.1项目建设单位基本情况本项目的承建单位为江海市新能源生物燃气发电有限公司，是由*长信泰达科技有限公司与德国UPM组成的项目公司。*长信泰达科技有限公司是中国方面的合作伙伴，占合资公司注册资本及股权比例的百分之五十一（51%）；UPM公司作为CDM项目的管理公司占合资公司注册资本及股权比例的百分之四十九（49%）。*长信泰达科技有限公司是一家专业从事可再生能源投资的公司，其投资领域包括大型养殖场沼气工程、工业废水处理沼气工程、城镇生活垃圾沼气工程等。德国UPM公司致力于在甲烷回收领域提供专业的咨询和融资服务。其创始人在环境工程领域有30余年的专业经验，30年中他们与世界领先的技术供应方和融资机构建立了广泛而且良好的关系。从1991年开始，已经在世界各地成功开发了100多个甲烷回收项目。3.2技术依托单位情况简介本项目采用杭州能源环境工程有限公司的先进沼气工程的技术和设备，达到国际先进水平。*能源环境工程有限公司（前身*能源环境技术公司和*能源环境工程设计所）是中国生物质能技术开发中心副理事长单位和中国可再生能源专业委员会常务理事单位，具有建设部注册的环境工程专项乙级设计资质。经过三十余年的专业研究，十六年的市场化经营，目前*能源环境工程有限公司已经具备了精干的研发、设计、施工和调试的科技创新专业团队，16年来已设计建成大中型沼气工程80多项，承担完成国家科技部科技攻关项目、863项目、科技支撑项目8项并完成农业部大型沼气工程20余项，多次获得国家级、部省级科技进步奖，走在中国沼气工程技术领域的前沿。其中，内蒙古蒙牛澳亚牧场1 MW沼气发电工程、北京德青源2 MW沼气发电工程和山东民和牧业3 MW集中式沼气发电工程是目前国内农业生物质沼气发电领域最大的三个工程。2000年以来，公司承担完成联合国开发计划署（UNDP）/全球环境基金（GEF）示范工程的设计、建设5项，被列为联合国开发计划署（UNDP）和联合国经济社会事务部（UNDESA）注册的工程设计和沼气设备供货单位。第4章 产品方案和市场分析建设该项目生产沼气,沼气用于热电联供机组、电力可直接上网销售。热量回收用于厌氧发酵装置增温，实现35中温发酵，提高产气率。经厌氧消化的沼渣和沼液中不仅保留了有机物分解后所生成的各种养分，富含N、P、K、Ca、Mo、Zn、Fe、Mn等元素，还含有生长素、维生素、有机酸、氨基酸等多种活性物质，适宜用作农用灌溉及农业肥料。由于其不含任何有害化学物质，并且在沼气发酵过程中绝大多数的有害生物被杀灭，所以沼渣沼液可成为生产绿色食品和安全粮食的有机肥料。4.1产品方案4.1.1沼气发电随着常规能源（煤、石油、天然气）的日益减少以及环境问题的日趋严重，新能源的开发利用（尤其是可再生能源的开发和综合利用）越来越受到人们的重视。我国可再生能源法的颁布和实施，推动了沼气工程的快速发展。同时，国家出台了生物质能源发电上网电价补贴等激励政策支持，为沼气工程的发展营造了良好的市场环境。沼气的主要成分是甲烷（CH4），通常占总体积的6070；其次是二氧化碳，约占总体积的2540；其余硫化氢、氮、氢和一氧化碳等气体约占总体积的5左右。甲烷的发热值很高，其热值约为35.9 MJ左右。甲烷完全燃烧时仅生成二氧化碳和水，并释放出热能，是一种清洁能源，可替代天然气、煤、油等常规燃料使用。沼气是本项目的前端产品，设计产能为每年生产沼气约394.2万m3，采用进口发电机组，1立方米沼气可发2度电，电能将全部用于上网发电，设计年发电量约为788.4万kWh（装机容量1064 kW），发电产生的余热85945 MJ/d将充分利用在沼气发酵系统中的原料加热和罐体增温使用。4.1.2有机肥沼渣沼液中含有丰富的氮、磷、钾以及各种微量元素，还含有多种生物活性物质，是一种优质的有机肥料。利用沼渣沼液作为农作物的基肥和追肥，减少化肥用量，减低生产成本，提高作物产量和品质，实现安全粮食和绿色蔬果的生产。本项目年产沼渣1万t、沼液21万t。4.2市场分析本项目生产沼气用的原料全部来自企业内部产生的养殖粪便和污水，不需要依赖外部市场。因此，本项目涉及的市场环境主要包括沼气发电市场及沼渣肥料市场两个方面。4.2.1沼气发电市场沼气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，采用热电联产机组，生产电能和热能，是有效利用沼气的一种重要方式。电力供应是国家能源体系的重要组成部分，连续多年出现用电紧张的局面，同时能源结构比例失调。在现有的电力供应中，来自于可再生能源的绿色电力不足3%。我国在国民经济中期发展规划中，已提出在2020年将绿色电力的比例提高到10%以上的目标。国家为了鼓励可再生能源发电，对每度电在当地标杆电价的基础上补贴0.25元。4.2.2有机肥市场 国际市场：从发展的规模和数量上看，北欧、日本、美国等有机食品生产和需求发展较快，近十年来在国际市场上有机农产品的上市量每年增长速度为20%30%，有机农产品成交额已达200亿美元。而且在发达国家销售的有机农产品中，大部分依赖进口，其中德国、荷兰和英国进口量分别占消费量的60%、60%、70%。日益高涨的有机农产品贸易和消费需求得益于人类对生态环境和自身健康的关注。因此，国际上的有机肥的需求量越来越大。我国现有的农田种植面积约20亿亩，每年使用各种肥料数以亿吨计，其中90%以上是化肥。有关资料表明，目前全国的化肥年用量达1.4亿吨。许多地区由于长期施用单一化肥，有机肥施用量不足10%，从而造成土壤板结、环境污染、作物品质下降。而从发达国家的情况看，生物有机肥料的使用普遍受到重视，欧洲一些国家的有机肥使用量已占肥料总量的45 60%。美国从上世纪七、八十年代就进行农用肥料的变革，将有机肥的使用量从10%提高到了90%。因此，在我国大力推行有机肥的使用已经成为刻不容缓的重大任务。据有关资料，我国有机肥料的用量若能达到化肥使用量的10，其市场容量便将达到1400万吨。而且每年还会以400-500万吨的速度递增。在可预见的时期内，有机肥的生产和供应都远远不能满足市场的需要。本项目利用沼渣沼液肥具有肥效高、可防病抗虫害和改良土壤的独特性能，可实现粮食安全和无公害瓜果、蔬菜的生产，可大幅度为农民增收增效，无疑有着巨大的现实和潜在的市场。4.2.3沼肥的销售方案用沼肥肥效长、果实品质好，是安全粮食和绿色食品生产的理想有机肥。由于沼肥可直接使用，不需再堆沤，质量好价位低，比较适合周边广大农村使用。本项目中所产生的沼肥除了无偿提供给海丰农场施用于农场2万亩饲料地，剩余部分由沼气发电公司对外销售。第5章 项目地点选择分析5.1项目选址原则选择建设沼气工程的地址，除须符合行业布局、国土开发整治规划外，还应考虑地域资源、区域地质、交通运输和环境保护等要素。其主要选址原则包括：（1）符合国家政策和生态能源产业发展规划；（2）满足项目对发酵原料、供热供电的供应需求；（3）交通方便，运输条件优越；（4）充分利用地形地貌，地质条件符合要求；（5）满足养殖场的防疫要求，并远离水源；（6）基础条件适合与沼气工程的特定生产需要和排放要求；（7）有可供利用的社会基础设施和协作条件。5.2自然环境*市大地奶牛场位于*省*市大地饲养场内。*省*市地处亚热带与暖湿带的过渡地带，四季分明，气温适中，雨量充沛，年平均气温14.1，无霜期213天，常年降水量1042.2毫米，日照2238.9小时。历年最大风速为21.3米/秒，风向为西北偏北风。冬季冻土深度，据统计历年来冻土最大值31cm（1963年1月28日）近二十年来最大冻土深度为14cm（1999年12月23日）。*市地处*东部，黄海之滨，总人口73万，面积2367平方公里，辖14个镇、两个省级开发区，境内有省属农场和沪属农场各3个。*市先后荣获“*省文明城市”、“*省卫生城市”、“*省社会治安安全市”和“全国城市环境综合整治优秀城市”等30多个国家级和省级先进县（市）称号。*市先后实施了沿海防护林体系、湿地生物多样性保护等74项生态建设工程，被命名为全国生态建设示范市、国家可持续发展实验区，被联合国粮农组织确定为“持续农业与农村发展实验区”。海岸线112公里，沿海滩涂面积10万公顷，是亚洲最大的一片滩涂湿地，被联合国列入世界重要湿地目录。原始滩涂湿地上栖息着400多个野生动物家族，生长着近500种海边植物，是各类野生动植物栖息繁衍的天堂。国家重点工程大丰港位于江苏沿海海岸线中部，是填补*沿海港口空白带的中心战略大港。5.3交通及运输项目建设地的大地农场东临黄海丰收港开发区，有万吨级国际深海码头，北接连云港，南连南通、上海等港口，项目建设所在地境内有两条河道，复河和大利河，其中复河最大可通行500吨船；大利河可作引水河。西边有沿海高速公路贯通南北，距上海约250公里路程。新长铁路纵贯大丰境内，北与欧亚动脉陇海线接轨，南与沪宁、宣杭线相连；毗邻南通机场、盐城机场，已开通至韩国的国际航班及北京、广州、温州等国内航线，近期将开通西安、厦门、武汉、大连等航线；从港口可直通沿海高速、徐大高速、宁靖盐高速、沪宁高速、204国道；港口5级疏港航道可通过通榆运河直达长江水系，为大丰营造了良好的投资环境。5.4厂址选择根据项目选址原则，项目所在地农村经济、种植业、畜牧业等发展现状，结合项目建设单位的实际情况，项目建设地点选择在海丰奶牛场内。确定理由如下：（1）项目建设点所在地区位置优越，交通便利；（2）建设区当地政府和企业已经认识到解决粪便污染问题的紧迫性，建设沼气工程配套资金充足，可保证项目建设充足资金；（3）项目建设地点水电充足，可保证项目用水、用电；（4）项目建设用地是建设单位在海丰农场的沼气工程预留建设用地，并且周围有大量的农田和饲料地，保证了该沼气工程产生的沼渣、沼液有充足的种养结合的有机肥利用面积。第6章 工艺技术方案分析6.1项目的指导原则以“整体、协调、循环、再生”为总的指导思想，按照“减量化、无害化、资源化、生态化”的原则，建设沼气发电示范项目典型。项目将以沼气工程为纽带，把能源环境建设和资源循环利用有机的结合为一体，真正实现牛粪、污水的资源化利用，形成没有污染的可持续发展的农业生态循环经济体系。6.1.1实现场区内污染零排放通过建设该项目，可使场区内实现清洁生产和粪污治理的开发利用，并可实现场区内污染零排放的目标。采用科学合理的先进的沼气工艺，使粪便、污水经过发酵后产生沼气，沼渣、沼液可直接作肥使用，实现场区内污染物的零排放，并使这些粪污变成资源。通过对沼气的有效利用，减少温室气体排放，积极应对气候变化。6.1.2循环经济理念循环经济就是按照生态规律，利用自然资源和环境容量，实现经济活动的生态化转向。循环经济倡导的是一种物质不断循环再生利用的经济发展模式，即：“资源-产品-消费-再生资源”,在生产和消费中，追求资源和能源利用效率的最大化和废物产量的最小化，从而根本解决长期以来环境与发展之间的尖锐冲突。把循环经济理念应用于农业系统，在农业生产过程中和产品生命周期中减少资源、物质的投入量和减少废物的产生排放量，实现农业经济和生态环境效益“双赢”。6.1.3种植、养殖、加工的协调发展通过种植、养殖、加工业的有效结合，实现废弃物的回收利用，每年可消化掉场区所产生的所有牛粪和高浓度有机废水。沼气是优质的可再生能源，沼气发电、供热联产又为各项产业提供高品位的能源与动力保障，而沼渣和沼液直接作肥，可以促进当地种植业的发展，种植为养殖提供饲料，养殖为种植提供肥料，形成一个以生物燃气为纽带的种植、养殖、加工于一体的良性循环经济模式。6.2沼气工程工艺设计6.2.1工程规模设计*市海丰奶牛场（一期）饲养规模为10,000头奶牛，其中成年奶牛总数为6969头（泌乳牛5575头），后备乳牛总数为3031头。一、资源量根据奶牛粪便排放量资料统计，成年奶牛牛粪量为30 kg/头d，产尿30 kg/头d；后备牛牛粪量平均为10 kg/头d，产尿10 kg/头d。则本项目：粪便量：成年奶牛粪便量：6969头 30 kg/头d 209 t/d后备奶牛粪便量：3031头 10 kg/头d 30.3 t/d合计粪便量：240 t/d牛尿量：成年奶牛尿量：6969头 30 kg/头d 209 t/d后备奶牛尿量：3031头 10 kg/头d 30.3 t/d合计牛尿量：240 t/d按照每头泌乳牛每天挤奶时的冲洗水为30 kg计算，则整个奶牛养殖场冲洗污水量为：5575头 30 kg/头d = 167 t/d，混合后的粪污的TS为7%。按每t牛粪产气45 m3计，则每天产沼气量为：240 t/d 45 m3/t = 10800 m3/d牛粪、尿及冲洗污水混和后进入沼气工程，见表6-1。表6-1 牛粪、尿及污水计算项 目排放量（t/d）TS含量TS量（t/d）含水量（t/d）牛粪24018%43.1196.9牛尿2400.8%1.9238.1冲洗水167-167混合粪污6477 %45602二、处理后沼液、沼渣的量1、物料（TS）平衡及沼渣产量计算物料（TS）全天输入总量为45 t，预处理阶段减少量为0.9 t，包括泥砂、矿物质以及少量粪渣，该部分消耗将作为堆肥外运利用。厌氧阶段消耗量为19.8 t，该部分TS消耗是生物质能转化、沼气生产的主体。厌氧阶段TS的输出量为24.3 t，经过固液分离后，有35%（8.5 t/d）进入固态有机肥料，另外部分进入沼液池中。物料（TS）平衡计算见表6-2。表6-2 物料（TS）平衡计算表工艺阶段处理单元投入量（t/d）消耗系数消耗量（t/d）预处理阶段匀浆池452%0.9厌氧阶段厌氧罐44.145%19.8固液分离阶段固液分离机24.335%8.5储存阶段沼液储存单元15.8-15.8沼渣储存单元8.5-8.524.3 t/d45 t/d预处理44.1 t/d17.30 t/d厌氧罐剩余污泥2.5 t/d15.8 t/d沼渣8.5 t/d沼液池15.8 t/d0.9 t/d固液分离图6-1 物料（TS）平衡图 按表6-2计算结果，每天沼渣干物质产量为8.5 t/d，见图6-1。沼渣含水率为70%左右，每天沼渣干物质产量为8.5 t/d，则沼渣产量为28.3 t/d。2、水量平衡及沼液产量计算 本项目每天水量为602 t，其中，牛粪含水为196.9 t，牛尿及污水为405.1 t。各处理单元水的消耗量和总水量平衡关系见表6-3、图6-2。表6-3 水量平衡计算表处理单元项目数量（t/d）固含量沉砂、匀浆干物质457%清除干物质0.9水量602清除干物质耗水量2.1牛粪含水量196.9尿及冲洗水量405.1输出水量599.9厌氧反应厌氧反应消耗量1.13.9%厌氧反应输出量598.8固液分离固液分离输入水量598.8固液分离输出水量579沼液储存沼液含水量5792.7%沼渣储存沼渣含水量19.830.0%沼渣预处理1.1 t/d厌氧罐固液分离沼液池579 t/d2.1 t/d598.8 t/d579 t/d19.8 t/d8.08 t/d599.9 t/d602 t/d图6-2 水量平衡图本项目水、物料（TS）总平衡关系见表2-4。沼液产量为594.8 t/d，其中含水量为579 t/d，含干物质量为15.8 t/d，含固率为2.7%。表6-4 水量、物料（TS）总平衡关系项目水量（t/d）干物质（t/d）合计处理单元输入量60245647单元输出量2.10.93预处理单元1.119.820.9厌氧过程-固液分离19.88.528.3沼渣储存57915.8594.8沼液储存输出量合计602456476.2.2沼气工艺流程的确定6.2.2.1沼气工程工艺选择一、沼气工程工艺流程本沼气工程工艺流程如图6-3所示。沼气发电上网混合粪污匀浆水解池厌氧反应器CSTR固液分离机固态有机肥用作农作物、果园、饲料地等液态有机肥生物脱硫贮气柜发电机余热利用后发酵池沼液池氧化塘图6-3 大丰市海丰奶牛场沼气工程工艺流程二、工艺流程说明发酵原料牛粪、尿和冲洗水等统一收集，然后进入匀浆水解池，经过进一步水解和沉砂之后进入厌氧罐发酵。本工程拟采用全混合式钢结构厌氧发酵罐。产生的沼气经生物脱硫、脱水净化后进入热电联产的沼气发电机组，产生的电能上网，发电机余热回收利用，用于厌氧罐增温和沼渣干燥。厌氧发酵后的发酵液经过固液分离，沼渣生产固态有机肥料，沼液用于果园、饲料地和无公害蔬菜基地的有机肥料，在非用肥季节，沼液进入氧化塘净化处理达到畜禽废水排放标准后排放。 1、预处理工艺混合粪污进入匀浆水解池，在此进一步匀浆水解，去除泥砂等杂质。在匀浆水解池内将料液增温至30，再用螺杆泵泵入厌氧罐内。 2、厌氧消化工艺厌氧消化工艺包括进料单元、厌氧消化单元、沼气贮存等构成。 （1）进料方式粪污经由螺杆泵泵入厌氧消化单元，分批间歇进料。 （2）厌氧反应器工艺本工程采用完全混合厌氧反应器。完全混合厌氧反应器（CSTR）适用于畜禽粪污发酵工艺。它在沼气发酵罐内采用搅拌和加温技术，这是沼气发酵工艺中的一项重要技术突破。搅拌和加热，使沼气发酵速率大大提高，完全混合式厌氧反应器也被称为高速沼气发酵罐。其特点是：固体浓度高，TS 612%，可使畜禽粪便污水全部进行沼气发酵处理。优点是处理量大，产沼气量多，便于管理，易启动，运行费用低。一般适宜于以产沼气为主，有使用液态有机肥（水肥）习惯的地区。由于这种工艺适宜处理含悬浮物高的畜禽粪污和有机废弃物，具有其他高效沼气发酵工艺无可比拟的优点，现在欧洲等沼气工程发达地区广泛采用。因此，选择完全混合厌氧反应器（CSTR）是较为合适的，有利于节省投资；较长的水力停留时间也有利于奶牛粪污的充分分解与消化，沼气的产量也相对稳定，同时，更有利于项目的顺利实施与运行管理。（3）厌氧罐配置每座厌氧反应器内设置搅拌器，使进料均匀分布并充分与厌氧微生物接触，并使厌氧罐内料液温度均匀，有利于提高产气率。而且，还可以破除浮渣，防止结壳。反应器上部设出料系统，溢流进入下一个处理单元。图6-4 温度对厌氧中温发酵产气率的影响（4）保温与增温厌氧消化反应过程受温度影响很大，如图6-4所示。本项目厌氧处理单元设计为中温，其最佳温度范围为3538。为了保证厌氧反应在冬季仍可正常运行，必须对系统实施增温和整体保温措施。a. 保温系统整体保温包括管道、阀门保温；厌氧消化罐体的保温。对厌氧消化罐采用高密度挤塑板等材料进行强化保温。b. 增温增温主要是在预处理匀浆水解池和厌氧罐内同时进行。增温的热源来自热电联供发电机组产生的余热；在罐体内设置加热管，发电机余热经交换管交换热量，实现对罐体的增温。发电机余热给厌氧消化罐进行增温后，热交换后的水再回到发电机系统。 3、固液分离及沼渣处理工艺厌氧发酵后的出水中含有大量的固体物质，必须进行固液分离。固液分离选择复合式螺旋挤压固液分离机。固液分离出水（沼液）溢流进入沼液储池，固液分离机可以使沼渣含水率降至70%以下运送至有机肥堆场贮存，供农田和饲料地使用。 5、沼液处理工艺 本工程设计沼液池和氧化塘。 沼液用途：沼液经管网至青贮玉米饲料地、果园、苗圃等施肥用地，作为液态有机肥使用。同时配套氧化塘，非用肥季节沼液进入氧化塘净化处理并达到畜禽废水排放标准。6.2.3 沼气净化与贮存工艺6.2.3.1沼气净化工艺厌氧发酵罐刚产出的沼气是含饱和水蒸气的混合气体，除含有气体燃料CH4和CO2外，还含有H2S和悬浮的颗粒状杂质。H2S不仅有毒，而且有很强的腐蚀性。过量的H2S和杂质会危及发电机组的寿命，因此需进行脱硫等净化处理。对于牛粪废水产生的沼气，其中H2S气体含量约为1200 ppm，而沼气发电机组要求沼气中含H2S气体含量低于300 ppm，沼气的脱硫净化处理是必须的。本工程拟采用生物脱硫法对沼气进行脱硫处理。生物脱硫法是利用无色硫细菌，如氧化硫硫杆菌、氧化亚铁硫杆菌等，在微氧条件下将H2S氧化成单质硫或亚硫酸。这种脱硫方法已在欧洲广泛使用，在国内某些工程已有采用，其优点是：不需要催化剂、不需处理化学污泥，产生很少生物污泥、耗能低、H2S去除率为90%，去除效率高。脱硫效率稳定，脱硫成本每立方米沼气0.04元，比化学脱硫法成本降低70%。6.2.3.2沼气储存工艺 本工程选择双膜干式贮气柜贮存沼气。 双膜干式沼气贮气柜由外层膜和内层膜组成，外层膜构成贮气柜外部球体形状，内层膜与底部围成内腔以贮存沼气。贮气柜设有防爆风机，防爆风机自动按要求调节气体的输送量至沼气发电机，以保持贮气柜内气压的稳定。外层膜设有一道上下走向的软管，由上述防爆风机把外面空气经此软管输送进外层膜与内层膜之间的空间，使外层膜保持球体形状并同时把沼气压送出去。并配有超声波测距仪，自动调节和控制沼气的贮存量。6.2.4 热电联供沼气发电机配置6.2.4.1热电联供发电机配置方案选择本工程选择沼气用于发电上网。由牛粪污水厌氧消化处理后所产生的沼气是一种优质的生物气体能源。在标准状态下（0，101.325 kPa），每立方米沼气可产生热量约为23.1 MJ，理论上相当于电量6.4 kWh（1 kWh=3.6 MJ）。目前，国产沼气发电机可把沼气中总含能量的30%左右的能量转化成电能，40%左右可以以余热的形式回收，对沼气的能源利用效率为70%。如采用进口发电机组，发电机效率可达到38%，热效率42%，总效率可达80%（如图6-5所示）。余热可以用于厌氧发酵罐的增温及沼渣干燥。本工程本工程拟选用1064 kW GE Jenbacher进口发电机组1台。发电机组由发电机主机、余热回收装置、消音设备、软化水设备等部分组成。图6-5 沼气利用效率6.2.4.2热电联供发电机能量转换计算本工程设计粪污量为647 m3/d， TS为7%，经中温厌氧消化可日产沼气10,800 m3。采用热电联供沼气发电机组，进行热电联产。机组产生的余热作为热源，冬季用于厌氧进料和厌氧罐体的增温。（1）电能转换计算该系统每天产沼气10,800 m3。按实际运行发电转换率计算，每m3沼气可产生电能约2 kWh，则每天可发电总量为：10800 2 = 21600 kWh/d（2）热能转换计算发电机组每天可利用热能总量为：2160042%/38%3.6=85945 MJ/d。 （3）热能供需平衡计算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，需要对物料进行升温。每天有647 t混合粪污。根据当地冬季最冷月气温情况，混合粪污温度取5。假设粪水比热容和清水相当，上述物料需增温至35，热平衡计算表如下：表6-5 余热平衡计算表基本条件每天需增温物料量混合粪污：647 t/d；目标温度3535设冬季物料温度515每天增温至目标温度所需热量8.1104 MJ 5.4104 MJ可利用热能可利用的总热量8.6104 MJ热水形式的热量设换热效率65%8.6104 MJ 65% = 5.6104 MJ结论寒冷气候条件下，沼气发电机组的余热能不足于使每日647吨混合粪污增温至35以上，只有当原料温度在15以上时，发电机组的热水余热才可满足厌氧罐的增温要求。因此，必须在沼气发电站内设置沼气热水锅炉，保证原料增温需要（在原料温度满足要求时可停用）。第7章 工艺单元设计与设备选型7.1 预处理系统7.1.1 匀浆水解池功 能：水解匀浆，沉淀泥砂。容 积：1000 m3池 数：1座构造形式：地上钢砼结构主要设备：匀浆池搅拌机 功 能：