利用农林生物质电厂烟气余热对畜禽粪便沼气系统研究分析

研究背景：

《全国农村沼气发展“十三五”规划》中的数据显示，2015 年全国共有猪、牛、鸡三大类畜禽粪便资源量为 19 亿吨，可供沼气生产利用的畜禽粪便资源量约10.6 亿吨，沼气生产潜力约为640 亿立方米。利用畜禽粪便生产沼气是促进生态循环农业发展的重要举措，不仅能有效防止和减轻畜禽粪便排放和化肥农药过量施用造成的面源污染，而且对提高农产品质量安全水平，进行绿色和有机农产品生产，实现农业节本增效，转变农业发展方式发挥重要作用。

东北三省为我国沼气资源丰富的 I 类地区，厌氧发酵制备沼气是当前畜禽粪污最为主流的处理技术。迄今为止，大多数厌氧发酵系统在中温范围内运行，最佳发酵温度为 35~40° C。但是东北地区自然环境温度低，冬季时间长，需要对沼气发酵原料加热，并补偿反应过程中的热量损失。

为响应《全国农村沼气发展“十三五”规划》将沼气应用到更多的应用场景中，将沼气、煤炭和生物质等资源在锅炉内直接燃烧生产保温热水，而实际上为维持发酵反应所需的能量要求较低，75~85° C 的供回水温度即可满足中温厌氧发酵的需求，采用沼气、煤炭和生物质等资源在锅炉内直接燃烧的生产方式，热量利用率较低，造成能源资源的巨大浪费的同时带来环境的污染。

研究内容：

目的在于针对现有技术中存在的生产沼气过程中，热量利用率低、浪费能源的不足，提供一种利用农林生物质电厂烟气余热，清洁、高效、经济合理的畜禽粪便沼气系统。主要包括：

1、烟气热水换热装置，将农林生物质电厂排出的烟气的温度转化为水的温度，所述烟气热水换热装置位于农林生物质电厂锅炉的烟气排出口；

2、畜禽粪便预处理装置，用于对原料的除杂、加热；

3、中温厌氧发酵装置，用于对所述畜禽粪便预处理装置预处理后的畜禽粪便进行发酵产生沼气；

4、沼气净化装置，用于对所述中温厌氧发酵装置产生的沼气进行脱水、脱硫及其他微量气体脱除；

5、储气柜（双膜干式储气柜），用于储存所述沼气净化系统净化后的沼气；

以上所述烟气热水换热装置中转化的水的温度用于所述畜禽粪便预处理装置中对除杂后的原料的加热和用于所述中温厌氧发酵装置进行对预处理后的畜禽粪便的发酵提供热量。

同时，还配备固液分离装置，用于对所述中温厌氧发酵装置产生的废弃物进行固液分离，对分离出的沼液和沼渣独立存放。所述烟气热水换热装置包括与农林生物质电厂锅炉的烟气排出口管路连通的高温烟气管道、与所述高温烟气管道管路连通的烟气热水换热装置以及与所述烟气热水换热装置连通的软化水储水装置；

具体实施：

在结合附图作进一步详细的说明：

如图 1- 图 2 所示，利用农林生物质电厂烟气余热的畜禽粪便沼气系统的具体实施例包括烟气热水换热装置 1，将农林生物质电厂排出的烟气的温度转化为水的温度，烟气热水换热装置 1 位于农林生物质电厂锅炉的烟气排出口；畜禽粪便预处理装置 2，用于对原料的除杂、加热；中温厌氧发酵装置 3，用于对畜禽粪便预处理装置 2 预处理后的畜禽粪便进行发酵产生沼气；沼气净化装置 4，用于对中温厌氧发酵装置 3 产生的沼气进行脱水、脱硫及其他微量气体脱除；储气柜5，用于储存沼气净化系统净化后的沼气。

其中烟气热水换热装置 ¹ 中转化的水的温度用于畜禽粪便预处理装置 2 中对除杂后的原料的加热和用于中温厌氧发酵装置 3 进行对预处理后的畜禽粪便的发酵提供热量。

本沼气系统中烟气热水换热装置 1 包括与农林生物质电厂锅炉的烟气排出口管路连通的高温烟气管道、与高温烟气管道管路连通的烟气热水换热装置 1 以及与烟气热水换热装置 1 连通的软化水储水装置9；烟气热水换热装置 1 的供水口通过补水管网与软化水储水装置 9连接，烟气热水换热装置 1 的出水口通过供热水管与畜禽粪便预处理装置 ² 和中温厌氧发酵装置 3 连接，需要进一步说明的是，软化水储水装置 9 用水来自生物质电厂化学水系统，农林生物质电厂锅炉的烟气排出口设置有除尘器 12，烟气热水换热装置 1 与除尘器 12 的出口连通，保证进入烟气热水换热装置1 中的烟气中无较大的粉尘。

参照图 2，利用农林生物质电厂锅炉尾部的除尘器 12 后的高温烟气，经烟气热水换热装置 1，生产出用于畜禽粪便预处理装置 2 和中温厌氧发酵装置加热、保温所需要的高温热水，通过高温热水供水装置 11 进行供给。高温热水在畜禽粪便预处理装置 2 和中温厌氧发酵装置内换热后变为低温水，低温水经低温水回水装置 10 输送至烟气热水换热装置内加热后循环利用；通过软化水储水装置 9 对低温水进行补水，维持烟气热水换热装置内的水量平衡。

本研究中畜禽粪便经畜禽粪便预处理装置 2 调节至含固率为8 ～ 12% 左右，而后通过泵送至中温厌氧发酵装置 3 进行中温湿式厌氧发酵。物料在中温厌氧发酵装置 3 中的水中停留时间为 15 ～ 25天，中温厌氧发酵装置 3 中畜禽粪便的发酵温度为 35~40° C，pH 在6.5 ～ 8.0 之间。中温厌氧发酵装置 3 包括 CSTR 厌氧发酵罐、设置在CSTR 厌氧发酵罐顶部的中心搅拌机以及设置在 CSTR 厌氧发酵罐的罐壁上的增温盘管。CSTR 厌氧发酵管顶部的中心搅拌机，确保厌氧罐内物料充分混合。

畜禽粪便预处理装置2 和中温厌氧发酵装置3 上均设有增温盘管，可利用烟气热水换热装置 1 所产生的高温热水，经高温热水供水装置为物料增温保温。

中温厌氧发酵装置 3 厌氧发酵产生的沼气经沼气净化装置 4 进行脱水、生物脱硫和其他微量气体脱除，随后暂存储气柜 5 中，通过后续沼气供气装置 8 对外供给，将储气柜 5 中的沼气输送到相应的应用系统中，从而有效拓展沼气的应用范围，而非仅局限于发电上网，其中，本实用新型中的储气柜5 为双膜干式储气柜。

需要进一步地说明的是本沼气系统还包括固液分离装置 6，用于对中温厌氧发酵装置 3 产生的废弃物进行固液分离，对分离出的沼液和沼渣独立存放，中温厌氧发酵装置 3 中的发酵废弃物通过固液分离装置 6 形成沼渣和沼液，用于生产有机肥，使生产沼气中的废弃物得到充分的利用，增加沼气的生产效益。同时在烟气热水换热装置 1 的低温烟气出口与农林生物质电厂尾端的脱硫设备连接，将气体净化后向大气排放，避免对大气的污染，整个沼气系统热量能够充分被利用，且清洁、高效、经济合理。

研究结论：

该沼气系统利用农林生物质电厂烟气余热为畜禽粪便沼气系统供热，解决了东北严寒地区畜禽粪便的中温厌氧发酵过程中需要的加热和保温的问题，有效降低畜禽粪便沼气项目投资和运行成本，该系统合理且充分的利用农林生物质电厂烟气余热，不需建设复杂的沼气发电设备或锅炉设备，充分利用了外部低品位热源，避免资源的浪费，提高了能源的利用率。

本沼气系统中还设置有固液分离装置，将厌氧发酵装置产生的废弃物进行固液分离，分离出的沼液和沼渣用于生产有机肥，使生产沼气中的废弃物得到充分的利用，增加沼气的生产效益；同时在烟气热水换热装置的低温烟气出口与农林生物质电厂尾端的脱硫设备连接，将气体净化后向大气排放，避免对大气的污染。