餐廚垃圾沼氣發電及余熱回收技術

文章來源 | 《科學與技術》

作者 | 申娜

摘要：餐廚垃圾厭氧處理后產生的沼氣經過凈化處理后進入發電機發電，發電機排出的高溫煙氣進入余熱鍋爐，產生的蒸汽用于餐廚垃圾厭氧處理工藝及供熱供冷，對余熱鍋爐排出的煙氣進行脫硝，達到排放要求后排入大氣。

關鍵詞：餐廚垃圾 沼氣 內燃機 余熱回收 煙氣

1 前言

隨著城鎮化進程的加快，城市人口日益增加，大量人口所產生的餐廚廢棄物問題日漸顯現。而餐廚廢棄物作為一種特殊的城市生活垃圾，一旦處理不當，將會對城市人居生活產生重要影響，所以加強城市餐廚廢棄物的管理，對實現餐廚廢棄物資源化、減少環境污染、保障食品安全和人民身體健康具有十分重要的意義。對餐廚垃圾進行厭氧處理，產生的生物燃氣用來發電，符合國家產業政策和發展方向。

沼氣燃燒發電是隨著大型沼氣池建設和沼氣綜合利用的不斷發展而出現的一項沼氣利用技術，它將厭氧發酵處理產生的沼氣用于發動機上，并裝有綜合發電裝置，以產生電能和熱能。沼氣發電具有創效、節能、安全和環保等特點，是一種分布廣泛且價廉的分布式能源。

2 餐廚垃圾處理工藝

目前餐廚垃圾處理的主要技術包括厭氧發酵、飼料化肥料化技術和微生物處理技術。其中，厭氧發酵技術比較先進，可靠性較高，符合國家產業政策和發展方向，不存在類飼料化技術存在的安全隱患。厭氧發酵處理工藝的產品為生物燃氣，能平穩銷售，可保證餐廚垃圾的長期持續性處理。厭氧處理技術在國內外的成功應用案例較多，適合大規模連續化工廠生產，易于控制，投資適中對環境的二次污染較小。

3 沼氣凈化

3.1 餐廚垃圾厭氧沼氣成分

3.2 沼氣發電機組對沼氣的氣質要求

3.3 沼氣凈化處理

通過詳細比較厭氧沼氣成分、參數和沼氣發電機組進氣要求的差異，需對厭氧沼氣采取脫硫、脫水、穩壓，并設置火炬。沼氣凈化可采用成套設備，其中脫硫采用干法。沼氣火炬用來焚燒沼氣量較大或發動機組檢（維）修時多余的沼氣。

4 沼氣發電及余熱回收

4.1 方案概述

餐廚垃圾處理項目產生的沼氣，先經過凈化，脫除硫和水分雜質后進入儲氣柜穩壓后，再進入燃氣內燃機發電。設置余熱鍋爐或者熱泵進行余熱回收。

4.2 沼氣發電機

往復式內燃機發電技術是國際主流的成熟技術，近年來已逐漸發展到電控等高端機型，是目前天然氣發電的主導設備，安全性高。采用往復式內燃機一次能源轉換效率高（36-42%），高于燃氣輪機、蒸汽輪機。

沼氣發電設備方面，德國、丹麥、奧地利、美國的純燃沼氣發電機組比較先進，氣耗率≤0.5m3/kwh（沼氣熱值≥25mj/m3），價格在300～500美元/kwh。我國在“九五”、“十五”期間研制出20～600kw純燃沼氣發電機組系列產品，氣耗率0.6～0.8m3/kwh（沼氣熱值≥21mj/m3），價格在200～300美元/kwh，其性價比有較大的優勢，適合我國經濟發展狀況。

沼氣發電機組及電站主體設備可以采取模塊化鋼制機房方式，設備與機房可以組成整體撬裝式，便于吊裝和運輸。機房內部配置完整，技術水平高，該方式在國內各型電站已得到廣泛的應用，可以大大減少土建投資，減少電站現場安裝施工工作量，大大縮短電站建設周期。該種方式具有安裝方便、集成化程度高、擴容方便等優點，便于電站整體遷移。

4.3 余熱利用系統

沼氣發電機的余熱回收有兩個方面，一是煙氣熱量，二是發電機自身冷卻的熱量。

對于煙氣熱量，可設置余熱鍋爐回收。沼氣發電機組排氣溫度為550℃左右，一般一臺1000kw機組的排煙熱量每小時可生產800kg飽和蒸汽，蒸汽價格按170元/噸計算，每天可創造效益0.8×24×170=3264元，每天可節約用于蒸汽鍋爐的天然氣消耗約1440立方米。余熱鍋爐可采用單壓或者雙壓，對于雙壓余熱鍋爐，高參數蒸汽供給餐廚垃圾處理項目；低參數蒸汽至溴化鋰制冷機組或換熱器，夏季制冷，冬季采暖。

對于發電機自身冷卻的熱量，若采用水冷，冷卻水出水溫度約為98度，可設置熱泵回收，用于供熱或者制冷。

4.4 沼氣發電機組冷卻系統

沼氣發電機組冷卻系統可采用臥式風扇散熱器冷卻或者冷卻塔冷卻。臥式風扇散熱器方式冷卻液消耗低，適應于環境溫度較低、水資源缺乏區域，安裝靈活方便。冷卻塔方式冷卻效果好，耗水量偏大，適應于環境溫度零上，水資源豐富的地區。

5 煙氣脫硝

目前還沒有關于燃氣發電機的nox排放限值規定，設置余熱鍋爐后，根據《gbt 28056-2011 煙道式余熱鍋爐通用技術條件》，鍋爐大氣污染物的排放應符合gb13223和gb13271，nox的排放限值為200mg/m3。

燃氣發電機組排放的煙氣中nox含量約為1500mg/m3，而排放限值為200mg/m3，需對煙氣進行脫硝處理，脫硝效率為87%，選擇scr脫硝方式。

scr脫硝技術主要由尿素存儲罐、尿素噴射箱、噴射柜、噴嘴、scr控制、scr反應室等部分組成。尿素以計算好濃度(32.5%）的溶解液的形態儲存于尿素罐中，在尿素噴射箱中在壓縮機、尿素泵的作用下送到噴射柜，然后在與煙氣和空氣充分混合進入scr反應室。當煙氣經過scr反應室的催化層時，發生選擇性催化還原反應。

6 總結

國內的分布式能源天然氣發電，由于發電成本問題推行實際效果不佳，沼氣作為新能源，成本低廉，沼氣發電配套余熱利用，實現了能源梯級利用，符合分布式能源發電條件。