沼气发电工程

沼气发电工艺项目建设的难点及处理措施

1 沼气发电工艺

工艺概述

畜禽场鲜粪通过上料系统投入厌氧消化器（或在计量池内混合后泵入厌氧消化器）。畜禽舍冲洗水汇集到计量池，直接泵入厌氧消化器的前部，在消化器内搅拌装置作用下，配置成高浓度的发酵液（TS浓度在9%左右）。为保持沼气池内的温度在36℃左右，沼气池内设有盘管装置，热源为太阳能或其它外部供热。粪污经厌氧消化，产生的沼气经脱硫、脱水、脱杂净化后进入发电系统进行发电。沼渣、沼液经平板滤池过滤脱水，分离的沼渣作为有机肥，沼液进入贮存池作为液态有机肥直接施用于农田或处理达标后排放。

一个完整的大中型沼气发电工程，无论其规模大小，都包括了如下的工艺流程：原料（粪污）的收集、预处理、厌氧消化系统、出料的后处理系统、沼气净化系统、沼气发电系统、电气及控制系统、余热利用系统等、循环冷却系统、静音系统等。

养殖场沼气发电工艺流程图

1.1原料收集

充足稳定的原料供应是厌氧消化工艺的基础。原料的收集方式又直接影响原料的质量，如一个猪场采用自动化冲洗，其污水TS浓度一般只有1.5%～3.5%，若采用乔粪板刮出，则原料浓度可达5%～6%，如手工清运浓度可达20%左右。因此，在养殖场或工厂设计时应当根据当地条件合理安排畜禽粪污的收集方式和集中地点，以便就近进行沼气发酵处理。

1.2原料预处理

原料常混杂有生产作业中的各种杂物，为便于用泵输送及防止发酵过程中出现故障，或为了减少原料中的悬浮固体含量，有的在进入消化器前还要进行升温或降温等，因而要对原料进行预处理。

在预处理时，牛和猪粪中的长草、鸡粪中的鸡毛都应去除，否则极易引起管道堵塞。采用搅龙除草机去除牛粪中的长草，可以收到较好的效果，再配用切割泵进一步切短残留的较长纤维和杂草可有效地防止管路堵塞。鸡粪中含有较多贝壳粉和砂砾等，必须进行沉淀清除，否则会很快大量沉积于消化器底部，不仅难以排除，而且会影响沼气池容积。

1.3厌氧消化系统

1、厌氧消化原理

厌氧消化是一个复杂的过程，可概括为三个阶段。

第一阶段，粪污在水解与发酵细菌的作用下，使碳水化合物、蛋白质与脂肪经水解和发酵转化为单糖、氨基酸、脂肪酸、甘油、二氧化碳和氢等。

第二阶段，是在产氢产乙酸菌的作用下，把第一阶段的产物转化成氢、二氧化碳和乙酸。

第三阶段，通过两组生理物性上不同的产甲烷菌的作用，将氢和二氧化碳转化为甲烷或对乙酸脱羧产生甲烷发酵阶段，脂肪酸在专性厌氧菌-产甲烷菌的作用下转化为CH4和CO2。

2、厌氧消化工艺的分类

1）按消化温度的不同可以分为中温消化（适应温度区为30-38℃）

和高温消化（适应温度区为50-57℃）。

中温厌氧消化条件下，挥发性有机物负荷为0.6-1.5kg/(m3d),产气量约1-1.3m3/(m3d),消化时间约20-30天；高温消化条件下，挥发性有机物负荷为2.0-2.8 kg/(m3d)，产气量约3.0-4.0m3/(m3d)，消化时间约为10-15天。

2）按运行方式的不同可分为一级消化和二级消化。

一级消化，即在一个消化装置内完成全过程的消化。在消化的前8天里，产生的沼气量约占全部产气量的80%，据此将消化池一分为二，先在一级消化池中（设有加温、搅拌装置、并有集气罩收集沼气）进行消化，经过约7-12天旺盛的消化反应后，把排出的废水送入第二级消化池。第二级消化池中不设加温和搅拌装置，依靠来自一级消化池废水的余热继续消化，消化温度约为20-26，产气量约占20%，由于不搅拌，第二级消化池兼具有浓缩的功能。

3、厌氧消化反应器的选择

（1）塞流式反应器(Plug Flow Reactor，简称PFR)

塞流式反应器也称推流式反应器，是一种长方形的非完全混合式反应器。高浓度悬浮固体发酵原料从一端进入，从另一端排出，原料在消化器内的流动呈活塞式推移状态。

实践表明，由于牛粪质轻、浓度高、长草多、本身含有较多产甲烷菌、不易酸化，所以，用该反应器处理牛粪非常适宜。该消化器要求进料粗放，不用去除长草，不用泵或管道输送，使用绞龙或斗车直接将牛粪投入池内即可。但由于鸡粪沉渣较多，易生成沉淀而形成大

量死区，严重影响消化器的效率，故该反应器不适用于鸡粪的发酵处理。

（2）升流式固体反应器(Upf low Solids Reactor，简称USR) 升流式固体反应器是一种结构简单、适用于高悬浮固体原料的反应器。原料从底部进入消化器内，与消化器里的活性污泥接触，使原料得到快速消化。未消化的生物质固体颗粒和沼气发酵微生物靠自然沉降滞留于消化器内，上清液从消化器上部溢出，这样可以得到比水力滞留期高得多的固体滞留期(SRT)和微生物滞留期(MRT)，从而提高了固体有机物的分解率和消化器的效率。

USR工艺先对各类畜禽粪便其它有机物进行预处理，除去大颗粒和粗纤维物质（进料TS浓度3-5%）后，进入USR厌氧反应器，采用上流式污泥床原理，不使用机械搅拌。首都师范大学实验人员将USR反应器用于鸡粪废水的中温厌氧消化，负荷达10.5kgCOD/（m3.d），产气率高达4.9kgm3/（m3.d）。因此，该反应器非常适用于鸡粪、猪粪的消化处理。

因此，可根据处理粪污的种类不同，可选择适用于粪污自身消化的最佳反应器。

4、消化池的结构

厌氧消化系统中消化池是主要的核心设备，消化池的外形有矩形、方形、圆柱形、蛋形等。

矩形池用于现场条件受限制的情况。它的造价最省，但操作很困难，主要是因为方形结构搅拌不均，易形成死区。

圆柱形池:过去普遍使用的构造是带圆锥底板的低圆柱形，该圆池一般由钢筋混凝土制成。垂直边高度6-14m，直径8-40m.圆锥形底便于清扫。北方地区部分消化池采用砖砌外表，中间有空气夹层，内填土，聚苯乙烯塑料，玻璃纤维和绝热板材料等。

蛋形池：目前较广泛使用的是蛋形消化池。上部的陡坡和底板的锥体有得于减少浮渣和砂粒造成的问题，从而减少消化池清掏的工作量。蛋形消化池与传统矮圆柱形池相比搅拌要求要少，后者大部分的搅拌能量用于维持砂粒悬浮和控制浮渣形成。

消化池

1.4出料（沼渣、沼液）的后处理

出料后处理的方式多种多样，最简便的方法是直接用作肥料施入农田土壤或排入鱼塘，但施肥有季节性，而且单位面积有施肥限制，因此这类工程需养殖场周边有足够的农田、鱼塘、植物塘等，能够完全消纳经厌氧发酵后的沼渣、沼液，使沼气利用工程成为生态农业园区的纽带。

1.5沼气储存及净化系统

沼气是一种混合气体，它的主要成分是甲烷，其次还含有二氧化碳、硫化氢、饱和水蒸气、高碳烃等（从乙烷C2H6到庚烷C7H16）；