秸秆发酵电厂建设可行性研究

摘要：针对我国秸秆资源的特点，提出了采用大型沼气池利用秸秆为原料高温发酵生产沼气，然后通过内燃机组、余热锅炉以及汽轮机组等设备的联合动力循环、沼气代替液化气满足村镇居民的生活用气、沼渣生产有机肥的秸秆综合利用技术路线，该系统采用成熟技术的组合，所有设备均可国产化。介绍了该系统的工艺路线，并分析了其技术可行性与项目经济性。分析结果表明，发电余热完全可以维持沼气池内50～55℃的温度，能够实现高温发酵；以消耗秸秆9万t/a(折合含水量15%，原始热值13.5MJ/kg)的发酵电厂为例，能够日产热值为21MJ/m3的沼气72000m3，发电量5×107kWh/a，生产有机肥4.4万t/a；项目投资回收期大约5年。
关键词：秸秆；发酵；沼气；发电；有机肥；联合动力循环
我国的生物质资源以农林废弃物为主。据统计，中国农作物秸秆资源总量6亿t以上。每年的林业生物质总产量8亿～10亿t，其中可作为能源利用的林业生物质产量为3亿t以上，折合标准煤约2亿t[1]。由于生物质资源本身的特性，如密度低，给生物质的收集、运输与储存带来了很大的困难，根据不同地区的运价水平，一般生物质运输距离超过50km，其经济竞争力将大幅下降，即使已经采用了压缩成型技术。
目前作为发电能源来利用生物质资源主要为农作物秸秆，其主要利用方式为生物质纯燃发电和掺烧发电等。生物质纯燃发电一般是利用锅炉设备采用直接燃烧的方式将生物质能转化为电能，目前我国已有300万kW的生物质能发电装容量，其中纯烧秸秆发电占120万kW，而正在报批的纯烧秸秆发电项目还有80多个。
作为纯烧秸秆的电厂，考虑到秸秆的收集、储存以及运输等因素，装机容量不可能太大，又由于纯烧秸秆所带来的秸秆处理、锅炉防腐等因素，所以导致了这种发电方式投资巨大，约每千瓦1万元，而且运行效率低，供电标煤耗高达520g/kWh以上，因此运行费用较高。对于纯烧秸秆发电的重大疑问是燃料供应的安全性。在纯烧秸秆的锅炉中，一般对秸秆的种类有一定的限制。而秸秆资源是由农业生产决定的。由于市场需求的变化，农产品的种植种类并非一定不变。因此建成的纯烧秸秆发电厂，不仅受限于秸秆生长的季节性，还受制于农产品市场的变化。秸秆混烧方式尽管能够在一定程度上克服上述不足，但是因为缺乏国家有利的政策支持，也存在运行费用较高的缺点。而且秸秆作为燃料，即使其燃烧掉形成的灰全部回用至农田，但其中的N、P等营养元素也基本会损失殆尽。而每年因为秸秆燃烧所浪费的有效养分是相当多的，据统计，仅黑龙江省每年焚烧的秸秆中氮元素折算化肥价值约为5.8亿元[2]。从长远来看，是不利于生态环境的。为了解决利用生物质能开发利用与生态环境之间的矛盾，改善秸秆种类对其利用的限制，采用大型沼气池高温发酵生产沼气、然后通过内燃机组、余热锅炉以及汽轮机组等设备的联合动力循环发电、同时提供沼气满足村镇居民的生活用气代替液化气，以及采用沼渣生产有机肥的生物质利用技术路线来利用生物质能可能是一个更为合理的生物质能利用途径。在该技术中，对生物质种类和水分含量没有严格要求，在一定程度上可以缓解生物质供应的季节性，同时解决了在农村同样存在的生活垃圾的问题。
采用沼气发电在垃圾、粪便处理上已经有大量成功的案例。经过多年的发展，我国大型沼气池技术已经成熟，并已经得到了迅速的推广[3]。但到目前为止，我国大型沼气池基本都用于养殖场或者工业生产废弃物的处理，并多采用中温发酵方式，产气速度不是很高，而采用沼气池直接利用秸秆的发电方式还未见报道。
1秸秆发酵电厂系统
笔者设计的生物质利用技术路线系统见图1。

图1秸秆发酵电厂系统工艺图
在该系统中，生物质经过简单粉碎以及预处理后进入沼气池进行高温发酵，发酵产生的沼气采用联合循环的方式进行发电：即首先利用沼气发动机去发电，然后沼气发动机的发电余热在余热锅炉中产生蒸汽，再去推动汽轮机机组发电，这样具有整体效率较高的优势；发电后的余热可以加热沼气池，如果系统建在比较集中的居民区附近，发电余热在保证沼气池保温的情况下，多余部分可以用于冬天供热，夏天可以采用吸收式制冷机组进行供冷；电厂多余沼气也可以向居民提供生活用气，以替代液化石油气，改善农村的生活条件。在冬季极端温度天气下，可以采用热夹层的方式让烟气流过沼气池的外壁面以起到保温加热的作用，热夹层示意图见图2；但在平时排放的烟气甚至可以部分的引至附近的蔬菜大棚，提高蔬菜产量。

图2热夹层示意图