万头奶牛养殖园区沼气发电项目工程总结

【摘要】在甘肃省兰州牧工商有限责任公司花庄万头奶牛养殖园区建设了沼气发电项目二期工程，采用二台120 kW热电联产机组。2012年8月开始，机组并网运行发电，余热用来给发酵罐加温， 解决沼气工程的冬季发酵问题。2013年1月，在环境温度为-10 ℃的情况下，2个800 m3发酵罐内的温度仍维持在23 ℃上下。项目日均产沼气2100m3、日均产电3780度、日产沼液105.5t、日产干沼渣7.4吨。

【关键词】沼气发酵；沼气发电；热电联产；沼肥利用

本项目利用甘肃兰州牧工商有限责任公司花庄万头奶牛养殖园区存栏2200头成乳牛的粪便及废水，采用800m3USR升流式厌氧反应器二座，经过厌氧发酵处理，日产沼气2100m3。沼气全部用于发电，发电装置采用二台120KW国产发电机改造成热电联产机组。采用并网不上网的输配电模式，日均产电3780度，年均产电138万度。项目年均产干沼渣2703吨，经过有机肥深加工，年均产有机固肥45055吨；年均产经过固液分离的液体肥--沼液38507吨，作为喷灌用肥采用管道输送到邻近的2200亩奶牛青饲料田中；整个项目是“改少污染物排放、变废为宝、资源全面综合利用的生态环保工程”，对畜禽业持续发展和拉动有机生态农业产业发展具有示范意义。

一、试点单位基本情况

项目单位位于甘肃省兰州市红古区花庄镇。

园区饲养模式为开放式棚养方式，牛粪通过人工进行清运，露天堆放到场区西南角的牛粪场，尿液污水则通过地下排水沟排放至集水池。

该园区正在进行作为饲草基地的2200亩土地的前期开发建设，最终将建成兰州牧工商总公司花庄乳业生物科技园区。

近几年当地电力紧缺状况日益明显。尤其是在夏季，经常全天停电，导致智能挤奶系统不能正常运行。不仅每天要损失几百公斤鲜奶，而且还会影响到奶牛的生长和产奶量的稳定。

二、工程设计与论证

1 基础建设条件

通过实地考察和研讨，项目组认为，该园区的生产条件比较完善，具有较强的经济实力和发展后劲，用电需求较大，能够较好地满足沼气发电工程建设的相关条件。

（1） 發酵原料充足

二期工程设计主要是针对2200头产奶奶牛的粪便进行处理。按照目前实际可收集的粪便原料，可日产沼气的数量约2100万m3。

（2）建设用地充裕

奶牛饲养场区的南侧为占地10亩的牛粪堆积场，四周开阔，可用作沼气发电工程建设用地。

（3）用电需求较大

园区的用电负荷总计约为498 kW，其中挤奶厅的动力及冷冻系统用电负荷为168 kW，其他动力用电负荷250 kW，照明及生活用电30 kW。

（4）沼液消纳方便

园区拥有新开发的格楞台土地2200亩，距离养殖场区2 km，计划用作青饲料田，生产优质牧草，可以消纳沼气工程产生的沼液。

2 技术设计与论证

（1）自然地理条件

兰州市红古区的地理特征呈川型地貌，当地海拔高度一般为1 590～1 820 m，最高为2 454.8 m，属大陆性温带干旱季风气候，光照充足、降水少、蒸发量大。年平均气温7.1～9.1 ℃，夏季最高气温在7月，一般为36～37 ℃；冬季最低气温在1月一般为-10 ℃左右，极限最低气温为-22 ℃。地下水位深度为20～30 m。

（2）技术参数的确定

园区沼气发电二期工程，主要是针对2200头成年奶牛的粪便处理，设计日产沼气数量2100 m3。发酵工艺采用中温发酵，发酵总容积为1600 m3，水力滞留期15 d左右，日产沼液105.5t。日产干沼渣7.4吨

沼气全部用于发电，储气柜设计容积为400 m3。产生的电力用来供园区生产和生活使用，回收的发电余热则用于厌氧反应器加热，解决增温和越冬问题。沼渣、沼液供新开发的2200亩牧草基地使用，形成“牛→沼→草”的生态循环。

按每立方米沼气生产电力2 kWh计算，2100 m3沼气每天可生产电力4200 kWh。若按每天发电20h计算，则发电装机的容量约为210 kW。实际采用二台120KW的发电机热电联产机组。

（3）专家论证意见

2011年9月，项目组组织国内沼气工程业内知名专家对花庄沼气发酵工程和发电工程的设计、规划进行了现场论证。专家组认为项目的工艺流程设计先进，参数选择合理。2台120 kW沼气发电机组，用电高峰时开2台，低谷时开1台，有利于设备维护和保养。

3 工艺流程图

工艺流程图如图1 所示。

工艺流程示意图

三、机组性能及运行情况

1 发电机组性能参数

项目采用国产沼气发电机组。参照捷克泰德姆（TEDOM）公司生产的沼气发电热电联供机组有关标准对国内的发电机进行改造，机组的工作燃料为沼气。

（1）发电机组并网运行

运行模式：孤岛运行形式独立供电和并网运行方式为用户供电。一般情况下，机组的运行方式为并网运行。

（2）自动化控制程度较高

发电机组可对运行状况进行全程检测，所有的运行数据都可显示在机组自带的显示屏上。通过互联网联接和数据交换，发电机组可实现远距离的运行控制和监测。

（3）运行噪音小、排放少

发电机组采用了防噪音外壳设计，噪声比一般的机组减少了很多。经实际测量，发电机房内距发电机组外壳1 m处的噪声声级仅为75 dB，发电机房外距墙壁2 m处的噪声仅为56 dB（人在大声说话时的声级为80 dB）。根据对发电机组尾气排放进行检测的结果，各项排放指标达到欧3级的标准要求。

（4）工程启动运行正常、安全越冬

2012年9月，沼气日产气量最高记录值为2400m3。项目月平均产气2150m3/d以上。目前在用电荷载不足的前提下，日发电最高值为3870 kWh，月平均最高值为3000 kWh/d。

目前，項目处理的奶牛粪便及污水总量约为130 t/d，约占可收集到的2200头奶牛全部粪尿的84.3%，发酵周期为15 d左右，发酵温度在36 ℃左右。

（5）沼渣、沼液充分利用

沼液通过固液分离机进行固液分离。分离后产生的沼液清液经高压泵输送到2200亩饲料田，用于改良土壤和生产优质牧草；沼渣一部分供附近菜农试用， 一部分送有机肥厂家，生产有机肥。

四、工程技术特点

1 先进的沼气热电联产机组

改造后的发电机组用纯沼气替代油气混合气体。通过在发动机排气口安装检测探头来检测沼气燃烧效果，进而控制进气阀，不但使尾气排放达标，而且提高了气电转换率，发电效率达到33.6%，标准状态下1 m3沼气甲烷含量在65%时，可发出2 kWh的电力。通过多级余热回收系统，沼气发电机组实现热电联产，余热利用效率达到40.9%，在生电的同时，标准状态下1m3沼气可获得超过3 kWh的热能。总能源效率超过80%。

由于发电机组采用了避震设计和增加隔音罩等设施，使发电机组运行时相距1 m处的噪声控制在75 dB以下，大大改善了生产和工作环境。

发电机组同时具备并网运行及孤岛运行等模式要求，还能实现发电机组运行参数的远程监控，实现无人值守运行。

2 先进的沼气发酵装置和增温工艺

工程采用先进成熟的USR沼气发酵工艺。通过采用新型的储气罐设计，浮罩外增加保温壳体，保温效果好。通过沼气发电机组的热电联产，为沼气工程在冬季的正常运行提供了保证，同时实现了28～35 ℃中温发酵。

一年来的实际运行结果表明：项目在我国高寒地区成功有效地解决了大型沼气工程的越冬问题，并解决了以牛粪为原料的沼气工程中一般存在的原料易结壳和产气率低的问题，证明了寒冷地区以牛粪为原料沼气发电工程的可行性。

3 先进的监测和显示仪器

项目实现了进料温度、浓度、酸碱度和进料量、发酵装置产沼气量、沼气的甲烷、二氧化碳、氧气、硫化氢和水份含量、发电机组的供气量、发电量等多项数据的自动采集和计算机集中处理及显示功能。为控制运行、科学试验和数据采集提供详实依据。

沼气发电机组噪声检测，尾气排放检测，发电机房内沼气泄漏报警，以及奶牛场区、发电机房、沼气站内的动态图像监视等，对沼气发电运行功能检测和安全运行提供了保障。对于总结工程运行经验创造了良好的条件。

4 尚存在的问题

（1）发电机运行尚不能长期满负荷运行

目前发电机组的基本运行模式虽为并网运行模式。但发出的电力只是用于园区，通过机组的自我控制，并不向电网额外送电。因此，发电机组的输出功率在许多情况下要受到园区用电负荷变化的约束，尚未达到长期满负荷运行。随着近期花庄乳品加工厂的建成和投产，上述问题将得到有效解决。

（2）可再生能源电力价格优惠政策尚未落实

由于建设单位尚未与当地电力公司签订送电上网的价格协议，沼气发电产出的电力没有计入当地电网的电力输入，发电价格也还体现不出国家规定的可再生能源发电上网的优惠政策，需要今后进一步落实解决。

（3）工程运行参数有待进一步改进

目前，在发电机组的余热充分利用和沼气的脱硫净化方面还有许多待改进的地方。一是要通过改善换热设备和增加热力管道，将发电余热用足用好；二是要改进脱硫工艺，进一步降低沼气中的硫化氢含量，提高燃气质量，做好发动机的维护和使用。

五、结论

1 沼气发电机组具有以下特点：能源利用率高，总效率达到81.5%；自动化控制程度高，操作简便；机组运行过程中噪声小、排放污染少；设备的生产质量好，运行性能稳定。

2 项目有效解决了园区的粪便污染问题，解决了园区的稳定供电问题，避免因停电造成的损失，每年可节省电费支出约50万元，资源综合利用和环境效益明显。

3 项目可减少贮气和输气管道的投入， 是今后大中型沼气工程的发展方向，是促进畜牧养殖场健康发展的重要途径。

4 选择单机发电容量在100～120 kW数量级的纯沼气内燃机发电机组作为沼气发电的设备，符合当前我国畜牧养殖场沼气工程的发展方向。

5 通过一年来的运行，热电联产提高了沼气工程能源利用效率，实现中温发酵，有效解决寒冷地区沼气发酵装置的越冬问题。

参考文献：

[1]刘振波. 户用沼气内燃机及其发电装置试验研究[D].河南农业大学，2007.

[2]谭旭娜. 城市固体废弃物沼气发电系统设计[D].华南理工大学，2013.

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