3 MW集中式热电肥联产沼气工程设计与建设

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。

1 工艺流程

图1 山东民和牧业沼气发电工程流程图

2 主要建设内容

本项目主要建设内容包括： 集水池： 6,000 m3

2,000 m3×2座 水解除砂池：

厌氧发酵罐：

后发酵罐：

生物脱硫塔2座 3,300 m3×8座 2,000 m3 双膜干式贮气柜： 2,150 m3 沼气发电机组：

余热蒸汽锅炉：

热水罐：

3 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/m3[3]（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%。 1,064 kW×3台（GE Jenbacher） 0.7 t/h×3台 360 m3

（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。

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 → 2H2SO3

2H2S + 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）/ m3·h。以鸡粪为原料发酵的沼气中含有较高浓度的H2S（一般为3,000~5,000 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3 厌氧罐中心搅拌机和安全保护装置

（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4 低压双膜干式贮气柜

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 kW·h/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，2003

[2] 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，2004

[3] Irini Angelidaki, Lars Ellegaard, Brigitte Kioer Ahring. Applications of the Anaerobic

Digestion Process [J]. Advances in Biochemical Engineering/Biotechnology, 2003, Vol.82: 6

[4] A.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: 135 …… 此处隐藏：1913字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……