沼氣是由各種有機(jī)物質(zhì)在適宜溫度、濕度及無空氣的條件下，經(jīng)過微生物的發(fā)酵作用產(chǎn)生的一種可燃?xì)怏w。沼氣的主要成分是CH4，含量為50%~70%；另外還含有30%~40%的CO2，0%~5%的N2，以及少量的H2、H2S、NH3、硫醇、硫醚和微量的不飽和烴垃圾滲濾液處理厭氧工藝過程中會產(chǎn)生大量的沼氣，通常1m3垃圾滲濾液會產(chǎn)生15~30m3的沼氣。
1 垃圾焚燒發(fā)電廠沼氣回收利用
沼氣的熱值約為36090kJ/m3，如果用內(nèi)燃機(jī)來發(fā)電的話，每立方米純凈甲烷可以發(fā)電4kWh。當(dāng)沼氣中甲烷含量為60%~70%時(shí)，其低位熱值為20934~25120kJ/m3。用內(nèi)燃機(jī)發(fā)電每立方米沼氣可以發(fā)電1.8~2kWh。沼氣具有無煙、少灰、不產(chǎn)生污染等特性。將沼氣中的C02提取后還可以把沼氣制成天然氣:CNG (壓縮天然氣）和LNG（液化天然氣)。
1.1 沼氣燃燒
沼氣通過沼氣鍋爐直接燃燒可以生產(chǎn)熱水和蒸汽，多余的沼氣通過火焰炬燃燒后排入大氣，以便減少對環(huán)境的污染。這種應(yīng)用方式一般用在沼氣量較少，又沒有穩(wěn)定的熱用戶情況下使用。沼氣燃燒原理如圖1示。
1.2 沼氣發(fā)電
沼氣通過內(nèi)燃機(jī)發(fā)電是沼氣能量利用的一種有效形式。沼氣的能量在沼氣發(fā)電過程中經(jīng)歷由化學(xué)能一熱能一機(jī)械能一電能的轉(zhuǎn)化過程，其能量轉(zhuǎn)化效率受熱力學(xué)第二定律的限制，熱能不能完全轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，熱能的卡諾循環(huán)效率小于40%，大部分能量隨廢氣排掉。因此，將發(fā)動機(jī)的廢氣回收是提高沼氣能量總利用效率的有效途徑，有余熱回收的發(fā)電系統(tǒng)總效率可以達(dá)到60%~70%。一般稍大點(diǎn)的沼氣內(nèi)燃機(jī)發(fā)電項(xiàng)目可以將內(nèi)燃機(jī)產(chǎn)生的高溫廢氣(420~550°C)導(dǎo)入余熱鍋爐，余熱鍋爐產(chǎn)生的熱水和蒸汽提供給生產(chǎn)和生活使用。在垃圾焚燒發(fā)電廠中以沼氣為燃料的內(nèi)燃機(jī)可以不再另設(shè)余熱鍋爐，可以直接利用垃圾焚燒余熱鍋爐回收內(nèi)燃機(jī)的廢氣余熱，從而簡化了系統(tǒng)，減少了投資。采用這種工藝每立方米沼氣通過內(nèi)燃機(jī)可以生產(chǎn)1.8~2kWh的電能，通過垃圾焚燒發(fā)電廠余熱鍋爐回收廢氣的余熱發(fā)電還可以生產(chǎn)0.7kWh的電能，目前可再生能源發(fā)電上網(wǎng)電價(jià)為0.65元/kWh，經(jīng)濟(jì)效益顯著。
在4000kW以下的功率范圍內(nèi)，采用內(nèi)燃機(jī)具有較高的利用效率。相對燃煤、燃油發(fā)電來說，沼氣發(fā)電功率小。對于這種類型的發(fā)電動力設(shè)備，國際、國內(nèi)普遍采用內(nèi)燃機(jī)發(fā)電機(jī)組進(jìn)行發(fā)電，否則運(yùn)行不經(jīng)濟(jì)。因此，采用沼氣發(fā)動機(jī) (內(nèi)燃機(jī)）和發(fā)電機(jī)組是目前利用沼氣最經(jīng)濟(jì)和有效的途徑。 在理論上沼氣也可利用燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電，但沼氣項(xiàng)目的規(guī)模要大，否則運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性差。沼氣燃燒發(fā)電和余熱回收利用工藝如圖2所示。
沼氣在導(dǎo)入內(nèi)燃機(jī)時(shí)一般需要進(jìn)行預(yù)處理并經(jīng)過穩(wěn)壓防爆裝置。由于沼氣中含有少量的H2S氣體，該氣體對發(fā)動機(jī)有強(qiáng)烈的腐蝕作用，因此沼氣必須先進(jìn)行脫硫。通常用氧化鐵作為脫硫劑，而且可以反復(fù)再生使用，另外沼氣中含有的飽和水需要去除。沼氣作為燃?xì)?，其流量調(diào)節(jié)是基于壓力差實(shí)現(xiàn)的，為了使調(diào)節(jié)準(zhǔn)確，必須確保沼氣壓力穩(wěn)定，因此在沼氣進(jìn)氣管路上安裝穩(wěn)壓裝置。另外，為了防止進(jìn)氣管路回火引起沼氣管路發(fā)生爆炸的問題，應(yīng)在沼氣供應(yīng)管路上安裝防回火與防爆裝置。
沼氣發(fā)動機(jī)一般由柴油機(jī)改造而成，分為壓燃式和點(diǎn)燃式兩種。
壓燃式發(fā)動機(jī)采用柴油和沼氣雙燃料，通過壓燃少量的柴油以點(diǎn)燃沼氣進(jìn)行燃燒做功。這種發(fā)動機(jī)的特點(diǎn)是可調(diào)節(jié)柴油與沼氣的燃料比，當(dāng)沼氣供應(yīng)正常時(shí)，發(fā)動機(jī)引燃油量可保持基本不變，只改變沼氣供應(yīng)量來適應(yīng)外界負(fù)荷變化；當(dāng)沼氣不足甚至停氣時(shí)，發(fā)動機(jī)能夠自動轉(zhuǎn)為燃燒柴油的工作方式。這種方式一般用在小型沼氣發(fā)電項(xiàng)目中，對供電負(fù)荷可靠性連續(xù)性要求較高的場合般不會并網(wǎng)運(yùn)行。缺點(diǎn)是系統(tǒng)復(fù)雜，所以大型沼氣發(fā)電并網(wǎng)工程往往不采用這種發(fā)動機(jī)，而采用點(diǎn)燃式沼氣發(fā)動機(jī)。
點(diǎn)燃式沼氣發(fā)動機(jī)的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，一般采用較低的壓縮比，用火花塞使沼氣和空氣混合氣點(diǎn)火燃燒，而且無需輔助燃料，適合在中大型沼氣工程上使用。沼氣通過內(nèi)燃機(jī)燃燒，產(chǎn)生的廢氣可以采用熱交換器或者余熱鍋爐回收利用，該系統(tǒng)稍微復(fù)雜，但具有較好的經(jīng)濟(jì)效益、環(huán)保效益和社會效益。
2 用沼氣制天然氣并獲取食品級的二氧化碳工藝
沼氣中含有30%~40%的CO2，可以很容易地制備成食品級的CO2。首先對沼氣進(jìn)行脫硫、脫碳、脫水等一系列凈化處理，即可制得清潔無污染的使其燃燒熱值大幅提升的清潔能源一天然氣（甲院）。脫碳尾氣還可以制取食品級液體二氧化碳，從而可以將沼氣進(jìn)行充分有效的利用。該工藝一般要求日產(chǎn)生沼氣達(dá)15000m3以上，才可獲得一定的經(jīng)濟(jì)效益。
根據(jù)最終產(chǎn)品目標(biāo)要求，可將沼氣制成天然氣直接輸送至天然氣管網(wǎng)作為民用燃?xì)?，或?qū)⑻烊粴鈮嚎s至20~25MPa制成CNG(車用壓縮天然氣)作為車用燃料，也可以將沼氣深冷液化最終制成LNG(液化天然氣）。沼氣制天然氣并獲取食品級的二氧化碳工藝流程圖如圖3所示。
3 應(yīng)用實(shí)例
徐州某垃圾焚燒廠垃圾滲濾液處理工程設(shè)計(jì)處理能力為300t/d，污水通過預(yù)處理后進(jìn)入?yún)捬跎磻?yīng)器，經(jīng)過2.5個月對生化反應(yīng)器的調(diào)試，進(jìn)入正常運(yùn)行階段。在正常運(yùn)行工況下每天對生化反應(yīng)器進(jìn)出口水流量、COD、pH、VFA等指標(biāo)進(jìn)行監(jiān)測，連續(xù)核算記錄生化反應(yīng)器進(jìn)出水水量、循環(huán)量、三相反應(yīng)器沼氣排放量好氧段生化反應(yīng)沼氣產(chǎn)生量，連續(xù)監(jiān)測210d。厭氧反應(yīng)器進(jìn)出水COD濃度與去除率見圖4。
從圖4可以看出，在25?27周，厭氧反應(yīng)器進(jìn)水COD值最高為46000mg/L左右，出水C0D在8000?9000mg/L內(nèi)波動，COD去除率為80.4% ~82.6%。厭氧反應(yīng)器出水中VFA濃度為2000~3000mg/L，較高的VFA有助于后續(xù)的好氧生物處理。
圖5為進(jìn)水量、循環(huán)量、循環(huán)比與沼氣產(chǎn)率圖，從圖中可以看出，厭氧反應(yīng)器進(jìn)水達(dá)到設(shè)計(jì)流量12.5m3/h左右時(shí)，厭氧反應(yīng)器出水循環(huán)量大都集中在30~40m3/h，循環(huán)比在250%~320%內(nèi)波動，1m3滲濾液沼氣的產(chǎn)率約9~19m3，沼氣的產(chǎn)率系數(shù)為每去除1kgCOD產(chǎn)生0.5m3沼氣，沼氣產(chǎn)率與COD產(chǎn)率線性相關(guān)，COD的去除率直接影響到沼氣的產(chǎn)率。
沼氣的產(chǎn)生主要來自厭氧反應(yīng)器，其主要成分是甲烷（CH4）,厭氧生物反應(yīng)產(chǎn)生的沼氣含甲烷量為50%~60%，熱值約為20934kJ/m3。用沼氣直接導(dǎo)入焚燒爐焚燒可以提高垃圾焚燒溫度，改善垃圾焚燒污染物治理效果，沼氣中含有的氨在垃圾焚燒爐中還可以把氮氧化物還原為氮?dú)?，從而降低煙氣中的氮氧化物濃度，沼氣中含有的硫化氫在燃燒后轉(zhuǎn)化為二氧化硫,后續(xù)脫硫裝置會將二氧化硫去除。
5 結(jié)語
水的凈化保護(hù)是環(huán)境保護(hù)的一項(xiàng)非常重要內(nèi)容，污水處理需要消耗較高的成本，利用自然界相生相克轉(zhuǎn)化機(jī)理，通過對污水處理過程中產(chǎn)生的沼氣進(jìn)行治理并綜合利用可以獲得寶貴的電能及高品質(zhì)的清潔能源和其他副產(chǎn)品。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展、技術(shù)的進(jìn)步和基礎(chǔ)能源電價(jià)、天然氣價(jià)格的提高，沼氣的深度開發(fā)加工效益會越來越好，高濃度的垃圾滲濾液污水也可能變成能源和資源。這不僅有助于減少環(huán)境污染，而且還可以替代部分化石能源消耗，可以獲得較好的經(jīng)濟(jì)效益、環(huán)境效益和社會效益。
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