陇西秸昱科技开发有限公司大型沼气池建设可行性分析报告
青岛天人环境工程有限公司二00八年十二月一日
.概述
1.1项目名称:陇西秸昱科技开发有限公司沼气工程及沼气发电等综合利用
1.2建设模式：能源环保型
1.3建设内容及规模：
（1）存栏牛400余头，羊800余头，每天产干鲜粪6T。
每天的干物质为：6T*20%=1.2T，每天产沼气：1.2*300=360立方/天
每小时产沼气：360/24=15立方，年产沼气：360*365=13.14万立方米/年
按0.6立方沼气发一度电计算，则装机容量为：15/0.6/0.80=50KW
日发电50*0.8*24=960度，年发电960度*300天=28.8万度
（2）项目将建设厌氧池1000立方米，日处理废水量45吨；
(3)年产沼渣肥300吨、沼液肥3000吨。
1.4产品方案
对养牛场干鲜粪1.2T/D及冲洗粪便废水进行发酵，沼气用于发电及员工做饭菜，余热对冬季发酵池加温，沼渣作为肥料出售。
2.项目建设的方案设计
2.1工艺设计原则
（1）沼气工程的工艺技术方案设计应以减量化、无害化、资源化为目标，综合考虑各种因素后选择工艺路线；
（2）沼气工程的工艺技术方案设计应做好前期工作，实地考察和收集必要的资料。要与客观实际紧密结合，能够正确处理集中与分散、处理与利用、近期
与远期的关系；
（3）沼气工程的工艺技术方案设计应在不断总结生产实践经验和吸收科研成果的基础上，积极采用经过鉴定的新技术、新工艺、新材料、新设备，以提高
自动化水平，降低劳动强度，减少投资和运行费用；
（4）沼气工程的工艺技术方案设计应考虑沼气的有效利用，充分利用养殖场周边
的果园和农田消纳沼渣；
（5）沼气工程的工艺技术方案设计，除了执行能源环境行业标准外，还应符合国家及地方现行的相关标准、规范的规定。
2.2工艺技术介绍
建立沼气工程的重点是利用畜粪产沼气。利用沼气池处理畜禽养殖场的废弃物在理论上可行，技术上成熟，而且具有消除粪臭，可杀灭病原微生物，不影响沼渣中含氮成分和提供能源等诸多优点，在大规模应用方面有许多成功的例子。利用沼气发电，在理论上和技术上都不成问题。
生产工艺的确定是沼气工程建设的关键。工艺是否合理直接关系到工程的处理效果、运转稳定性、投资、运转成本。因此，必须结合粪污特征，综合考虑粪便资源、配套土地和能源需求等因素，慎重选择适宜的生产工艺，以达到最佳的处理效果和经济效益。
目前比较成熟、适用的生产工艺有两大类，一类是以综合利用为主的“能源生态型”处理利用工艺，另一类是以污水达标排放为主的“能源环保型”处理利用工艺。
“能源生态型”处理利用工艺是指畜禽场污水经厌氧无害化处理后不直接排入自然水体,而是作为农作物的有机肥料的处理利用工艺。此工艺要求沼气工程周边的农田等能够完全消纳经沼气发酵后的沼渣，使沼气工程成为生态农业园区的纽带。如为畜禽粪便沼气工程，首先要将养殖业与种植业合理配置，这样既不需要后处理的高额花费，又可促进生态农业建设，所以说“能源生态型”沼气工程是一种理想的工艺模式。该工程的特点是由于后处理过程比较简单，因此投资和运行成本均较低。
“能源环保型”处理利用工艺指的是畜禽场的畜禽污水处理后直接排入自然水体或以回用为最终目的的处理工艺，该工艺要求最终出水达到国家或地方规定的排放标准。“能源环保型”沼气工程适于周边环境无法消纳沼气发酵后的沼渣、沼液，必须将沼渣制成商品肥料。该模式既不能使资源得到充分利用，并且工程和运行费用较高，应尽量避免使用。但由于采用了沼气发酵工艺可回收一定量的沼气作为能源，并通过沼气发酵又去除了污水中的大部分有机物，这比单纯使用好氧曝气的方法来处理污水，既产能又节能。“能源环保型”沼气工程的首要目的是要达标排放，否则养殖场或发酵工厂就不能再办下去，所以在工艺上首先要使污水减量化。在养殖场等采用拣干粪的方式人工收集固体有机物，进行好氧堆沤处理，然后再将残余粪便结用水进行
冲洗。粪水进入调节池后，先进行固液分离，然后再进入沼气池进行沼气发酵。这样水量和浓度都大幅度降低，有利于降低水处理成本。当然沼气产量也相应减少。
利用本场牛粪尿进行厌氧产沼气，沼气发电除本场用能外，其余供应当地农村使用。沼渣制肥、沼液处理达标排放或灌溉。
2.3 沼气生产工艺流程
2.3.1沼气发酵的原理
沼气发酵的原理是利用厌氧细菌的分解作用，将有机物（碳水化合物、蛋白质和脂肪）经过厌氧消化作用转化为沼气和二氧化碳。目前为大家所公认的沼气发酵的过程其中共有五大类群的细菌参与沼气发酵活动。他们是：①发酵性细菌；②产氢产乙酸菌；③耗氢产乙酸菌；④食氢产甲烷菌；⑤食乙酸产甲烷菌。沼气法具有生物多功能性，沼气净化技术使污水中的不溶有机物变为溶解性有机物，实现无害化生产，从而达到净化环境的目的，沼气的用途也非常广泛，除用作生活燃料外，还可供发电等生产用能，这样既能够营造良性的生态环境、治理环境污染，又能够开发新能源，为农户提供优质的有机肥料，从而取得综合利用效益。
概括来说，厌氧消化具有以下四大特点：
消化过程中无需供氧，因此可以节省供氧所需的设备和动力消耗，整体运行费用低；
产生沼气，可以回收污染物中储存的能量，其回收率可达80%以上；
产生的污泥量较少，可减低污泥处置费用；
厌氧消化对某些难降解物质和有毒的有机物具有独特的降解能力，因此厌氧消化处理技术可转化去除低浓度有毒物质。
2.3.2 沼气发电生产工艺流程
一、沼气的动力燃烧特性
沼气是一种无色的混合可燃气体，其成分不仅取决于发酵原料的种类及其相对含量，而且随着发酵条件及阶段的不同而变化。正常情况下沼气的主要成分是甲烷（CH4 50-70%）和二氧化碳（CO230-40%），此外还有少量的氢气（H2）、一氧化碳（CO）、硫化氢（H2S）及水蒸气等。
沼气的燃烧特性和主要性能参数如表1、表2所示：
表3-1 沼气的燃烧特性
表3-2 沼气主要性能参数
二、沼气发电系统组成
沼气的发电系统流程图如下图3-3所示：
图3-5 沼气发电系统流程图
三、发电系统余热回收与利用
利用沼气发电，其发电余热利用系统示意图及沼气发电机组的能量收支平衡图如下所示。
图3-4 发电余热利用系统示意图
有效电力30％
7％
热量17％热量23％
回收余热40％
综合效率70％
图3-5沼气发电机组的能量收支平衡图
随着常规能源（煤、石油、天然气）的日益减少以及环境问题的日趋严重，新能源的开发利用（尤其是可再生能源的开发和综合利用）越来越受到人们的重视。我国政府一直非常重视有关新能源和可再生资源的开发和综合利用。国家计委、国家科委、国家经贸委制定的《1996-2010年新能源和可再生资源发展纲要》进一步明确，要按照社会主义市场经济的要求，加快新能源和可再生资源的发展和产业建设步伐。
国家在进一步完善新能源和可再生资源的开发和综合利用法律、法规的同时，相继出台了一系列的鼓励、支持新能源和可再生资源的开发和综合利用项目的文件，并在国家重点行业推广“清洁生产技术”。其中，“沼气发电机组”被列入《当前国家鼓励发展的环保产业设备（产品）目录》（第一批）。因此，采用上述相关技术和设备的企业，将享受国家的有关优惠政策。
2.3.3 沼液作为肥料原理
沼气发酵不仅是一个生产沼气能源的过程，也是一个造肥的过程。在这个过程中，作物生长所需的氮、磷、钾和微量元素基本上都保持下来，同时，存留了丰富的氨基酸、B族维生素、各种水解酶、生长素、对病虫害有抑制作用的物质或因子。因此，他是很好的有机肥料，具有广泛的综合利用前景。
沼液中除含有机肥料三要素（氮、磷、钾）外，还含有其他多种养分和微量元素，且大多数呈速效状态。沼液在调节作物生长、肥效和抗病虫害三个方面能起到很大的作用。见下表。
表3-6 沼液肥效
表3-7 沼液中的氨基酸含量
表3-8 沼液中的金属离子含量
2.3.4沼渣生产有机肥原理及工艺流程
有机物质在厌氧发酵过程中，除了碳、氢、氧等元素逐步分解转化，最后生成甲烷、二氧化碳等气体外，其余各种养分元素基本都保留在发酵后的剩余物中，其中一部分水溶性物质保留在沼液中，另一部分不溶解或难分解的有机、无机固形物则保留在沼渣中，在沼渣的表面还吸附了大量的可溶性有效养分，故沼渣含有较全面的养分元素和丰富的有机物质，具有速缓兼备的肥效特点。
沼渣中主要养分含量有：30%-50%的有机质、10%-20%的腐殖酸、0.8%-2.0%的全氮、0.4%-1.2%的全磷、0.6%-2.0%的全钾。由于发酵原料种类和配比的不同，沼渣养分含量有一定的差异。根据对一些地区的沼渣的分析结果，若每667米2地施用1000千克(湿重)沼渣，可给土壤补充氮素3-4千克、磷1.25-2.5千克、钾2-4千克。
牛粪沼渣含丰富的有机质和氮、磷、钾元素（见表1-6），具有优良的改良土壤作用，施用于农田补充磷、钾有利养分平衡，亦改善土壤的通透性能，在农作物等稳产高产上将发挥重要作用。也可直接回收用作果园和花卉肥料。
表3-9 牛粪沼渣的养分含量
沼渣生产有机肥的工艺流程如下图所示：
图3-10沼气生产有机肥的工艺流程图
图3-11 沼渣发酵装置示意图
图3-12 有机肥生产设备
3. 本工程设计方案
3.1工艺设计
（1）水量
牛粪量6T/D及废水45M3/D。
（2）处理工艺
根据牛场粪污的特点及我们的实践经验，本着投资省、占地少、运行费用低、产气效率高、易于管理的原则，以发展循环经济、生态农业为依托，又考虑工艺的经济实用型，我们选择采用以下处理工艺。
图3-11 工艺流程图
3.4.2工艺设计说明
(1) 栏册池
由于粪污中含有一些毛类、塑料袋、杂草等无机物，这些物质不能发酵，故需要先去除，以免在沼气池内沉积，影响去除效果。
(2) 温度调节池
冬天增温, 达到常年产气均匀。
(3) 常温发酵沼气池
采用深埋1-1.2M利用地热保温的常温发酵沼气池是整个沼气工程的核心部分，它将决定沼气产量的大小以及沼气中甲烷的含量等。在反应器中集有大量高效颗粒化的厌氧污泥，因而大大提高了COD去除率，高出一般传统的厌氧消化池2-3倍，工程造价低,运行成本无, 高效实用等优点。
采用深埋1-1.2M利用地热保温的常温发酵沼气池的基本原理是：废水中的有机污染物在厌氧条件下经微生物降解，转化成甲烷、二氧化碳等，所产气体（沼气）含甲烷大于60%，可做为能源再次利用，如用于锅炉燃烧等，这样，既去除了有机污染物又回收了能源。厌氧处理出水可作农田灌溉，也可以使废水中的有机物含量达到工业污水的排放要求。冬季给废水适当加温，以保证厌氧污泥的活性。
(4) 沼渣沉淀池
由于常温发酵及污水在沼气池中停留时间不到30天, 故有部分有机物没能降解, 通过沼渣沉淀可将污水COD降到1000以内。
(5)沼液储存池
储存沼液，由于灌溉。
此工艺之所以采用采用深埋1-1.2M利用地热保温的常温发酵沼气池，主要是因为其有以下几个优点：
A.处理能力强，有机负荷高。处理效果高于同类厌氧处理工艺的2-3倍。
B.运行管理简便，装置没有泵等复杂的电器需要人工操作，节省了人力，减少
了动力消耗，同时具有投资少等优点。
C.对各种冲击有较强的稳定性和恢复能力。
D.无填料堵塞问题，运行稳定。
（6）沼气预处理
根据理论计算及工程经验，厌氧发酵所产生的沼气会含有一定量的水分、H2S和灰尘等成分，如果不加以处理，将会对后续沼气的利用产生影响。所有沼气要经过脱硫、干燥、除尘等预处理再利用。经过上述处理后沼气需贮存在贮存系统中使沼气达到稳定。
(7)沼气发电
沼气发电是整个沼气工程最终要实现的目标，是实现畜禽粪便更高价值的主要途径。
4 沼气发电机组技术文件
4.1 沼气发动机系统组成及技术指标
4.1.1沼气发动机系统组成
本公司生产的所有的气体发动机是在原有柴油机的基础上，按照气体发动机的原理进行重新设计，所需要改动的专用零部件也是由专业生产厂进行生产的，与原柴油机在同一流水线上装配，用天然气进行出厂试验，并非使用成品柴油机进行改装的，也就是说我公司不是一个改装厂，这样生产出来的的发动机无论是从运动部件的平衡性还是抗热负荷的能力（使用比柴油机更好的材料或进行重新设计，能承受比柴油机更高的排气温度，因为排气温度高是气体发动机的特性，主要是由于气体发动机的燃烧速度偏慢引起的），都是改装发动机不可比拟的。气体发动机的专用系统主要包括：燃气供给系统、电子调速控制系统和点火控制系统等，下面进行详细说明：
①燃气供给系统
采用美国进口Λ=1的比例膜片式混合器，具有燃气和空气的混合比控制准确、混
合均匀、可靠性高等优点，特别适用于沼气和天然气等气体。
对气体压力的要求：燃气进口压力为0.8~1.2KPA（即为80~120毫米水柱），高于此压力必须使用减压器进行减压，否则会造成发动机工作不正常甚至造成损坏。
对气体热值要求：沼气热值≥21MJ（5000大卡），天然气热值≥31MJ（8000大卡），否则气体发动机的功率会有所下降。
②电子调速控制系统
采用大同云四达专门用于燃气控制的电子调速器，它包括控制器、执行器、转速传感器、以及线束等，具有调速精确与快速、最大电流限制与保护、稳态调速率可调、高低速设定范围宽、启动油量限制、升速时间控制、电瓶电压实时指示、转速实时指示、超速保护等功能，可靠性高、调速性能好、功能齐全、安装维护方便。超速保护一般出厂设置成1650转/分。
③点火控制系统
包括电脑控制点火器（ECU）、高压线圈、高压线、火花塞、霍尔传感器以及点火线束和传感器线束。用电脑控制点火，能根据发动机的不同转速和不同负载情况以最佳角度点火，发动机出力最大，节省能源，减少排污，且损耗的电源功率最小，并且还具有发动机超速保护功能。
4.1.2 主要技术指标
直流电源电压： 12V±10%
工作环境温度： -20℃-60℃
发动机缸数： 4
最低点火转速： 100RPM
最高点火转速： 4000RPM
点火角度范围： 5-35度
点火角度精度： 0.5度
ECU输出限制电流：连续1A，峰值5A（10MS）
ECU的存储温度： -40℃-80℃
KDGR30-G发动机型号： R4105Q
额定功率： 50KW;
转速： 1500转/分；
满载耗气量: ≤ 225（含97% 天然气）G/KW.H
润滑油耗油: ≤1.36G/KW.H
机组尺寸(MM): 2065*790*1350（长*宽*高）
机组重量： 1250KG；
功率因数： 0.8(滞后)；
4.2 交流发电机的结构特点及技术参数
4.2.1 交流发电机的结构特点
利莱森玛交流发电机主要特征
①与各种动力系统良好的匹配性：
无论是从电气，力矩还是机械配合结构特性以及动态力学指标考量，LSA发电机都具有良好的匹配性能。
电子调压器系列：R438,R448和R449所具有的负载调节模块功能可以缓解负载激烈变动对引擎的冲击。
发电机结构可以有单轴承和双轴承两种，标准接口间具有良好的互换性。
②对各种环境的适应性:
LSA发电机的标准防护等级为LP23
绕组的绝缘等级为H级；
高强度的绕组保护（湿绕工艺）保证发电机在如轮船的油机房相对湿度为95％清洁环境下仍然可以正常运行。
选项：
－便捷的进出风滤网；
－恶劣环境的绕组特别保护；
－空间加热器；
－定子测温器；
－IP42-44滤网。
③优化的绕组设计保证更好的性能:
无论在50HZ和60HZ情况下，有多种绕组形式，以适应不同使用场合的电压要求。
LSA发电机定子绕组标准为2/3统组设计，在畸变负载情况下具有良好的性能。
④广泛的使用范围:
随着部件设计的模块化和不断更新，利莱森玛发电机可以为以下领域提供能源方案：
－海运；
－电信以及互联网服务；
－发电机组并机运行；
－民航以及军事航空(400MHZ)；
－油田和天然气开发；
－军事等。
⑤宽畅的端子箱易于调整 :
发电视端子箱尺寸宽裕，便于安装与维护。
检测发电ＡＶＲ可以从端子用侧板或前板接近。
可以简便地重接发电机引出线来改变输出电压。
便于安装电流互感器，方便发电机并机使用，或满足检测或保护的需求选择您所需要的励磁系统
⑥利莱森玛可以提供竞争对手无法比拟的发电机无刷励磁系统：
－SHUNT自励系统，应用于三相如短路能力场合或强励能力要求场合；
－AREP和 SHUNT＋PMG励磁系统应用于特殊要求或短路能力要求场合。
AREP励磁系统为利莱森玛自主开发并拥有专利权的强劲系统，通过在发电机定子绕组加装两个辅助统组，保证了发电机的可靠性，结构紧凑，良好的启动性能以及短路能力。
4.2.2交流发电机的结构特点
4.3 控制系统
由DSE5110模块等组成
DSE 5110模块被设计满足工业上最复杂性技术要求。可通过该模块启动和停止发电机组，还可以通过LCD显示方便监测到所有的系统运行参数。
DSE5110 模块可监控发电机组，显示运行数据及故障情况；自动关闭发电机组，通过LED发光二极管指示发电机组出现故障。通过面板上的LCD显示具体的故障状况。内置全能的微处理器的模块具备如下功能特点：
?图标LCD显示（不包括非西方的字体根）
?发动机参数监测
?发电机电压、电流和频率的监测
?警报或不同功能范围所需的全配置式输入
?大范围的输出功能用作继电器扩容或固定继电器输出。
?前面板的运转数
模块用一个硬塑料箱封闭，固定在控制柜的前面面板上，通过带锁的插头和插座来连接模块。
4.4 底座框架
高硬度钢机架，电焊，燃气发动机和交流发电机及冷却水箱与控制屏整体撬装。
4.5 发电机组技术参数：
5 沼气机组余热回收装置
该装置是将20度凉水加热到70度, 毎小时产70度热水0.5立方，燃气发电机组专用------NZG 超导热管余热回收装置。NZG 型超导热管余热回收装置是专为燃气发电机组的烟气余热回收而设计的专用高效节能产品。它采用超导热管作为高效传热元件，既提高传热效率，又安全可靠，是目前燃气发电机烟气余热回收的首选设备。
5.1 NZG 型超导热管余热回收装置工作原理 ①超导热管的结构及工作原理5
超导热管一般垂直布置，分为加热段、绝热段、冷凝段三部分，其内部结构如图1所示，两端封闭的管壳内充入一定量的传热工质后，抽成真空（1.3×10-1～1.3×10-4PA ）状态。工
作时，加热段受热时，管内液态工质蒸发汽化，蒸汽在微
小
体
流冷体
流冷流热流热