3 MW集中式热电肥联产沼气工程设计与建设.doc

3MW集中式热电肥联产沼气工程设计与建设李倩，蔡磊，蔡昌达（杭州能源环境工程有限公司，浙江 杭州，310020）摘 要 山东民和牧业股份有限公司是一家集养殖、食品、饲料加工等于一体的大型企业。公司2007年投资建设大型畜禽养殖场集中式沼气发电工程，利用公司23家养殖场的鸡粪和污水为原料进行发酵生产沼气。本文着重介绍了该沼气发电工程的工艺特点和技术要点，为同类型沼气发电工程设计和建设提供参考。关键词：畜禽场，厌氧发酵，生物脱硫，沼气发电，热电肥联产前 言山东民和牧业股份有限公司存栏130羽种鸡和370万羽肉鸡，分布在相对集中的23处养鸡场。日产鸡粪500吨（TS 20%）。公司于2007年投资建设大型集中式沼气发电工程，将公司下属的23处养鸡场的粪便和污水作为原料进行发酵，产生的沼气用于沼气发电并网，发电机组余热用于发酵系统自身增温。发酵后的沼液用于周围葡萄、苹果和玉米地等有机肥料。同时，该项目实现每年温室气体减排84,882吨二氧化碳当量。图1 山东民和牧业沼气发电工程流程图1 工艺流程2 主要建设内容本项目主要建设内容包括：预处理集水池：6,000 m3水解除砂池：2,000 m32座发酵系统厌氧发酵罐：3,300 m38座后发酵罐：2,000 m3沼气净化贮存生物脱硫塔2座双膜干式贮气柜：2,150 m3发电及增温系统沼气发电机组：1,064 kW3台（GE Jenbacher）余热蒸汽锅炉：0.7 t/h3台热水罐：360 m33 工艺要点（1）进料TS浓度进料TS浓度的选择主要基于两方面因素的考虑：能量平衡和氨氮浓度。a. 能量平衡。发酵系统主要依靠发电机组余热进行增温，保证发酵温度1。一般认为，发酵浓度大于8%时，发电机组提供的余热可满足发酵系统冬季自身增温的需要。b. 氨氮浓度。鸡粪原料中含有大量氨氮2。根据山东民和牧业监测的结果，VS占TS比例为67%，总氮占VS比例为8.3%。厌氧发酵所能承受的最大游离氨浓度为0.5 kg/m33（在pH 8.0，38条件下，游离氨占氨氮比例为12%）。根据Webb等人的试验，发酵后的氨氮占总氮比例为73%4。根据上述数据可以计算出，本工程最大进料TS浓度应控制在10%，以保证厌氧过程不会发生氨抑制。从能量平衡的角度来看，高TS浓度有利于减少物料总量，从而减少增温热量，节省能源。而从氨氮浓度来考虑，物料TS浓度不宜过高，以避免氨抑制现象的发生，保证发酵过程稳定。综合上述因素，本工程设计物料TS浓度为10%。（2）水解除砂种鸡饲料中添加一定量的贝壳粉和砂砾，砂砾通过消化道排出，种鸡粪便中含砂量为TS含量的1%左右，消化道粘液与粪污将砂砾包裹在一起，给除砂带来难度，一般常规的沉砂工艺很难实现粪砂分离。本工程采用水解除砂工艺，将粪砂分离后，通过刮砂机和螺旋除砂机将砂砾排出水解池外。水解除砂采用30中温水解工艺，水解停留时间24 h。（3）发酵工艺a厌氧罐图2 山东民和牧业沼气发电厂厌氧发酵罐（CSTR工艺，8座3300 m3）本工程采用CSTR工艺，建设8座厌氧罐和1座后发酵罐。4个厌氧罐为一组，采用两级发酵，3个罐为一级罐，1个罐为二级罐。物料在一级罐停留时间18天，二级发酵停留时间6天，两级合计停留时间24天，后发酵罐停留时间2天，发酵系统总停留时间为26天。发酵温度中温38。在厌氧罐外壁设置增温盘管，利用发电机组余热对罐体进行增温。盘管外采用150 mm厚聚苯乙烯保温材料。采用该保温方式，在罐内外温差50且外界不增温的条件下，厌氧罐24 h之内温度下降不超过0.3，适用于北方寒冷地区。图3 厌氧罐中心搅拌机和安全保护装置b搅拌与回流本工程厌氧罐采用低转速低能耗中心搅拌机，转速16 rpm，单位功率3.6 W/m3。比传统的机械搅拌节省能源50%以上。该搅拌机采用上下两层桨叶，上层用于破壳，下层用于物料混合搅拌。除搅拌机外，在一二级之间设置回流泵，将二级厌氧罐的污泥部分回流至一级罐，起到搅拌作用，加强了罐内传质，同时，减少了污泥流失。（4）沼气净化与贮存本工程采用生物脱硫工艺去除沼气中的H2S。生物脱硫是指在适宜的温度、湿度、pH、营养物和微氧条件下，通过脱硫细菌的代谢作用将H2S转化为单质硫或亚硫酸。方程式如下：2H2S + 3O2 2H2SO32H2S + O2 2S + 2H2O本工程共设置2座脱硫塔，并联运行，单座脱硫塔负荷8 m3（沼气）/ m3h。以鸡粪为原料发酵的沼气中含有较高浓度的H2S（一般为3,0005,000 ppm），经过生物脱硫净化处理后，沼气中H2S浓度可降至200 ppm以下。脱硫成本比传统干法化学脱硫降低70%左右。本工程采用低压双膜干式贮气柜对净化后的沼气进行贮存。该柜气柜由外膜和内膜组成，其中外膜保护并维持贮气柜结构，内膜收集并贮存沼气。通过支撑鼓风机向内外膜中间的夹层充气，维持一定压力（一般为1.2 1.5 kPa），能够承载设计范围内的风、雨、雪等荷载，同时将内膜内的沼气送入输气管道。图4为山东民和沼气发电厂运行中的2,150 m3低压双膜干式贮气柜。图4 低压双膜干式贮气柜（5）热电肥联产模式本项目采用的是适用于大型畜禽场沼气工程的热电肥联产模式5。以鸡粪为原料进行发酵，产生沼气，用于发电，采用GE Jenbacher 1MW发电机组3台，该机型电效率为38%，热效率为42%，总效率80%。发电机组烟道气通过余热锅炉换热，以蒸汽的形式回收，提供给发酵系统自身增温，多余热量并入养鸡场内蒸汽总管网，用于鸡舍供暖。发电机组缸套水余热以热水形式在热水罐内贮存，通过管道泵和厌氧罐壁外的盘管对厌氧罐体进行增温。图5 热电联产沼气发电机组及能量平衡图（1MW）发酵后的沼液和沼渣含有丰富的氮、磷、钾等营养物质，可作为周围葡萄、苹果和玉米等的优质有机肥。该模式将畜禽污染物转化为清洁的电能（Power）、热能（Heat）和有机肥料（Fertilizer），是目前大型畜禽场沼气工程普遍采用的成功模式。4 结 论山东民和牧业股份有限公司利用下属的23处养鸡场的鸡粪为原料，建设大型集中式沼气发电工程，日产沼气30,000 m3/d，发电60,000 kWh/d，实现减排二氧化碳当量84,882吨/年。工程采用热电肥联产工艺模式，在原料除砂、发酵工艺、搅拌技术、沼气脱硫和贮存等关键工艺要点上取得了突破，是目前国内畜禽场规模最大的沼气发电工程，其先进经验和技术值得借鉴和推广。参考文献1胡纪萃，周孟津，左剑恶等. 废水厌氧生物处理理论与技术. 北京：中国建筑工业出版社，20032王凯军等. 畜禽养殖污染防治技术与政策. 北京：化学工业出版社，20043Irini Angelidaki, Lars Ellegaard, Brigitte Kioer Ahring. Applications of the Anaerobic Digestion Process J. Advances in Biochemical Engineering/Biotechnology, 2003, Vol.82: 64A.R. Webb & Freda R. Hawkes. The Anaerobic Digestion of Poultry Manure: Variation of Gas Yield With Influent Concentration and Ammonium-Nitrogen Levels J. Agricultural Wastes, 1985, 14: 135156.5 Institut fr Energetik und Umwelt gGmbH. Handreichung Biogasgewinnung und nutzung. Herausgegeben von der Fachangentur Nachwachsend