秸秆发酵电厂建设可行性研究

2.2沼气池能量平衡
据统计，目前的农村沼气用户在2650万口以上[3]，但多集中在我国的南方地区。在北方，户用沼气池所存在的主要问题是发酵速度慢、效率低，以至于建造成本相对较高，效益较小。导致户用沼气池发酵速度低的一个最主要原因是池温太低。
实验表明，发酵温度对于发酵速度与效率影响很大，因此如果能够保持沼气池高温发酵，那么发酵速度与发酵效率就会大大提高[5-8]。由于秸秆在发酵的时候所产生的热量是非常有限的，不足以加热整个沼气池，因此保持池内温度就需要有外部加热。沼气池的散热方式主要有3种：一是池体表面直接向周围环境散热；二是沼气池出料时会携带热量；其三是沼气所带走的热量，沼气池热平衡示意图见图4。

图4沼气池热平衡示意图
事实上，考虑到建设占地与系统维护，56842m3的总发酵容积，分成6个沼气池较为合理，每个沼气池的容积约为9500m3。
以农业发达、生物质资源丰富的山东南部为例来计算沼气池的热平衡，当地年平均气温在13.9℃，夏天最高温度37℃，冬季最低气温为-15℃。
2.2.1池体表面散热
如图4所示，采用圆柱形池子，体积为V的圆柱体表面积S的最小值可以采用下面的方式计算：

6个池子的最小总面积为S=14896.2m2
如果不采用热夹层的方式，而是利用保温材料对池体进行保温，那么假定水泥混凝土池壁厚度为0.30m，外铺设保温材料的厚度为0.05m，同时取保温材料的导热系数为0.05W/(m•K)，取混凝土板的导热系数为0.79W/(m•K)[9]。根据当地的气温一般在-15～37℃，因此可假定保温材料两面的温差为55-(-15～37)=18～70℃，所以池表面最大散热量为
Q1=15721.2×(18～70)/(1+0.3/0.79)=194.3～755.7kW
2.2.2进出料液散热
如果以小麦秸秆为例，并进行充分发酵，那么每吨小麦秸秆(干)的产气量约为432m3[5]。如果采用连续发酵的方式，每天需要的干秸秆量为72000/432=166.7t，如果仅按照80%的发酵效率来计算，则每天需要秸秆量为208.4t，折合2.41kg/s。如果进料质量分数为10%，那么进料质量流量为24.1kg/s。由于沼气产量为3000m3/d，约合1kg/s(沼气密度为1.22kg/m3[5])，为了维持池内物料平衡，出料的质量流量为23.1kg/s。在实际运行过程中，为了回收出料中所携带的热量，就需要增加进出料液的流动性，因此需要将秸秆进行粉碎。如果假定换热器的端差为10℃，流进与流出的料液比热取与水相同，根据能量守恒，可以计算出进池料液将被加热到约42.5℃，因此还需要的加热功率为Q2=12.5×4.18×24.1=1259.2kW。
2.2.3气体散热
由于沼气的质量流量仅为1kg/s，如果沼气的比热取与空气相同的值(1.0045kJ/kg)，并且不考虑水分蒸发所携带能量，可以计算沼气所携带热量Q3=15～70kW。综上所述，沼气池的散热总量为1468.5～2084.9kW。
2.2.4系统潜在加热量
如果忽略掉发酵过程所产生的热量，系统的有效热来源主要来自3个方面：一是汽轮机的排热2871.4kW(56℃)；二是5台发动机的高温排热功率7256.9kW(55℃)；三是余热锅炉排出来的废气如果温度降低到55℃(可采用气-水混合式换热器)，可以产生的余热为5×1.7×95×1.0045=8111.3kW(没有计算水蒸气的相变潜热)。所以系统总的加热功率可以达到10939.47kW，远大于沼气池的散热。
因此，分析表明，沼气池内的温度保持是没有问题的，池内可以全年维持50～55℃的高温。多余的热量可以在冬季用于附近居民生活采暖，清洁的废烟气可以直供附近的蔬菜大棚。
2.3池内停留时间
在该系统中，可以使用各种新鲜的农业废弃物或禽畜粪便，而对水分、形态没有任何要求，这是相对于直燃发电利用必须干燥的一个突出优势。但是不同生物质种类的发酵产生沼气的停留时间不同。对于西瓜皮、蔬菜下脚料等自身含水较高的生物质原料，时间较短即可发酵完全。但是，这些原料的供应总量不会占到很大比例，而大量的生物质可能是农作物秸秆。成熟庄稼形成的秸秆的发酵时间要求较长。为了保证发酵充分，秸秆在沼气池内需停留时间超过50天以上[8]。而如果仍按照80%的发酵效率计算，即使50天不出料，一共消耗秸秆为12050t，50天所产生沼气的质量为4392t，池中最多还有7658t干物质(因为发酵过程还要产生一部分水分)，而57000m3的容水质量约为5.7万t，此时池中干物质浓度仅相当于13.4%，因此发酵停留时间足够，也能保证发酵的充分进行。
3经济性分析
3.1投资费用
根据调研，结合国内沼气池的建设成本以及内燃机的价格，5880kW/5750kW的沼气发电装机容量、日产热值为21520kJ/m3[5]的燃料气72000m3、年联产有机肥5万t的规模，建设需要投资1.2亿～1.3亿元(未考虑居民沼气管道等外部投资)。
3.2运行费用
电厂原料主要是各种农业废弃物，农村生活垃圾对水分和热值没有严格的要求。考虑到规模收集利用，应该以中农作物的秸秆为主。秸秆的收集可以采用图5的方式[1]。

图5农作物秸秆收集网络示意图
首先计算秸秆成本，距离电厂较近的地方可以将秸秆粉碎后直接送到电厂，秸秆的粉碎成本大约在20元/t；但如果距离较远，可以采用秸秆颗粒成型的方式来解决运输与储存问题，秸秆颗粒成型成本见表4。
表4秸秆颗粒成本（元/t）

如果按照80%的发酵效率计算，电厂年消耗秸秆(折合含水量15%、原始热值13.5MJ/kg)89477.5t。如果生物质的进厂成本都按照300元/t计算，每年的秸秆成本为2684.3万元；对于农业种植业比较发达的山东地区，仅秸秆一项的平均产量可以高达329.67t/km2[1]，周围15km范围内的秸秆产量为232911.86t，因而电厂所耗农作物秸秆不足当地资源的40%，若辅助以其他农业废弃物，则发酵原料完全可以得到保障，而且也不会对当地秸秆的价格产生太大的影响。