沼氣是由各種有機物質在適宜溫度、濕度及無空氣的條件下，經(jīng)過微生物的發(fā)酵作用產(chǎn)生的一種可燃氣體。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，如果用內燃機來發(fā)電的話，每立方米純凈甲烷可以發(fā)電4kWh。當沼氣中甲烷含量為60%~70%時，其低位熱值為20934~25120kJ/m3。用內燃機發(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
沼氣通過內燃機發(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)歷由化學能一熱能一機械能一電能的轉化過程，其能量轉化效率受熱力學第二定律的限制，熱能不能完全轉化為機械能，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)總效率可以達到60%~70%。一般稍大點的沼氣內燃機發(fā)電項目可以將內燃機產(chǎn)生的高溫廢氣(420~550°C)導入余熱鍋爐，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燃機可以不再另設余熱鍋爐，可以直接利用垃圾焚燒余熱鍋爐回收內燃機的廢氣余熱，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燃機可以生產(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)電價為0.65元/kWh，經(jīng)濟效益顯著。
在4000kW以下的功率范圍內，采用內燃機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)電動力設備，國際、國內普遍采用內燃機發(fā)電機組進行發(fā)電，否則運行不經(jīng)濟。因此，采用沼氣發(fā)動機 (內燃機）和發(fā)電機組是目前利用沼氣最經(jīng)濟和有效的途徑。 在理論上沼氣也可利用燃氣輪機發(fā)電，但沼氣項目的規(guī)模要大，否則運行經(jīng)濟性差。沼氣燃燒發(fā)電和余熱回收利用工藝如圖2所示。
沼氣在導入內燃機時一般需要進行預處理并經(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)動機有強烈的腐蝕作用，因此沼氣必須先進行脫硫。通常用氧化鐵作為脫硫劑，而且可以反復再生使用，另外沼氣中含有的飽和水需要去除。沼氣作為燃氣，其流量調節(jié)是基于壓力差實現(xiàn)的，為了使調節(jié)準確，必須確保沼氣壓力穩(wěn)定，因此在沼氣進氣管路上安裝穩(wěn)壓裝置。另外，為了防止進氣管路回火引起沼氣管路發(fā)生爆炸的問題，應在沼氣供應管路上安裝防回火與防爆裝置。
沼氣發(fā)動機一般由柴油機改造而成，分為壓燃式和點燃式兩種。
壓燃式發(fā)動機采用柴油和沼氣雙燃料，通過壓燃少量的柴油以點燃沼氣進行燃燒做功。這種發(fā)動機的特點是可調節(jié)柴油與沼氣的燃料比，當沼氣供應正常時，發(fā)動機引燃油量可保持基本不變，只改變沼氣供應量來適應外界負荷變化；當沼氣不足甚至停氣時，發(fā)動機能夠自動轉為燃燒柴油的工作方式。這種方式一般用在小型沼氣發(fā)電項目中，對供電負荷可靠性連續(xù)性要求較高的場合般不會并網(wǎng)運行。缺點是系統(tǒng)復雜，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，而采用點燃式沼氣發(fā)動機。
點燃式沼氣發(fā)動機的特點是結構簡單，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。沼氣通過內燃機燃燒，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)稍微復雜，但具有較好的經(jīng)濟效益、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，從而可以將沼氣進行充分有效的利用。該工藝一般要求日產(chǎn)生沼氣達15000m3以上，才可獲得一定的經(jīng)濟效益。
根據(jù)最終產(chǎn)品目標要求，可將沼氣制成天然氣直接輸送至天然氣管網(wǎng)作為民用燃氣，或將天然氣壓縮至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 應用實例
徐州某垃圾焚燒廠垃圾滲濾液處理工程設計處理能力為300t/d，污水通過預處理后進入?yún)捬跎磻?，?jīng)過2.5個月對生化反應器的調試，進入正常運行階段。在正常運行工況下每天對生化反應器進出口水流量、COD、pH、VFA等指標進行監(jiān)測，連續(xù)核算記錄生化反應器進出水水量、循環(huán)量、三相反應器沼氣排放量好氧段生化反應沼氣產(chǎn)生量，連續(xù)監(jiān)測210d。厭氧反應器進出水COD濃度與去除率見圖4。
從圖4可以看出，在25?27周，厭氧反應器進水COD值最高為46000mg/L左右，出水C0D在8000?9000mg/L內波動，COD去除率為80.4% ~82.6%。厭氧反應器出水中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，厭氧反應器進水達到設計流量12.5m3/h左右時，厭氧反應器出水循環(huán)量大都集中在30~40m3/h，循環(huán)比在250%~320%內波動，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，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器，其主要成分是甲烷（CH4）,厭氧生物反應產(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氣，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化為二氧化硫,后續(xù)脫硫裝置會將二氧化硫去除。
5 結語
水的凈化保護是環(huán)境保護的一項非常重要內容，污水處理需要消耗較高的成本，利用自然界相生相克轉化機理，通過對污水處理過程中產(chǎn)生的沼氣進行治理并綜合利用可以獲得寶貴的電能及高品質的清潔能源和其他副產(chǎn)品。隨著經(jīng)濟的發(fā)展、技術的進步和基礎能源電價、天然氣價格的提高，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)濟效益、環(huán)境效益和社會效益。
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