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    沼氣發電技術的研究與應用

       日期:2015-02-10     來源:互聯網    瀏覽:102    

      沼氣是一種新型的可再生能源, 其燃燒產物中的污染物很少, 而且沼氣厭氧發酵技術對工廠廢水、城市生活垃圾、農業廢棄物等有非常好的處理效果, 有積極的環保意義。
     

      沼氣作為照明和炊火能源已廣泛地應用于許多發展中國家的偏遠地區, 并取得了巨大了成效。近年來由于環境和能源的嚴峻挑戰, 我國在農村地區大力發展沼氣技術, 有效地解決了當地居民的炊火能源的問題, 保護了當地的森林資源。沼氣發電技術可以將這種清潔的可再生能源轉化為電能, 輸入公用電網, 對我國許多農村偏遠地區的用電提供了一個經濟可行的途徑, 可有效地解決部分地區生活及生產中小功率用電的困難, 并有利于緩解我國用電緊張的局面。在發達國家, 沼氣發電技術被廣泛應用于垃圾填埋廠等大型垃圾廢水的處理過程中, 是一種經濟有效的垃圾處理技術, 受到了廣泛的關注與深入的研究。

      1、 沼氣燃燒特性

      沼氣是一種主要有效成分為甲烷的可燃混合氣體, 甲烷約占50% ~ 70%, 二氧化碳約占25% ~ 50% , 還含有少量的硫化氫、氮、氧、氫、一氧化碳等氣體。沼氣依據其原料、生產過程等的不同, 其成分組成有很大的區別。甲烷的燃燒點為632  , 而且沼氣中高濃度的二氧化碳對其有阻燃作用, 因此沼氣發動機的改裝過程中要盡量提高甲烷的燃燒速度。沼氣中的硫化氫對發電設備有很強的腐蝕作用, 硫化氫含量高于0. 1% 的沼氣在用于發電時應嚴格脫硫。

      沼氣在燃燒過程中空氣的混入量對其燃燒特性有很大的影響。lafay等人對沼氣穩定燃燒區域、火焰結構、CH4 /空氣和沼氣/空氣火焰結構的變化進行了分析, 結果表明, 燃氣組成變化時火焰及其動態變化與火焰的分層結構有強烈的依賴關系。在沼氣中加入少量的氫氣可以明顯地改善沼氣的燃燒性能。Po rpatham 等在沼氣中加入少量的氫氣( 5%、10%、15%, 以能量計), 并以此為燃料, 在一定速度下研究了不同的氫氣比例對火花點燃式發動機的性能、排放、燃燒的影響。結果表明, 氫氣的加入明顯增加了沼氣的燃燒率, 減少了沼氣燃燒的限制, 在制動熱效率和制動能量上有明顯的改善。然而高于15%的氫含量并沒有導致相對較高的燃燒率 .

      2、 沼氣發動機改裝及應用現狀

      2. 1 沼氣發動機的改裝

      目前, 用于沼氣發電的設備主要有內燃機和汽輪機, 主要機理是沼氣燃燒使內燃機或汽輪機轉動帶動發電機發電。內燃機一般由柴油機和汽油機改制而成, 分為雙燃料式和單燃料式兩種。由于沼氣的著火點很高, 靠壓縮自燃比較困難, 因此需要采取一定的技術措施。一般單燃料式燒純沼氣, 用電火花點火; 雙燃料式噴柴油點火。若將柴油機改燒沼氣, 須作如下幾項工作: ( 1) 確定為降低壓縮比及燃燒室形狀所必需的機器改裝; ( 2)設計沼氣的進氣系統和沼氣? 空氣混合器機構; ( 3)設計氣體調節系統及其與調速器相配的聯動機構; ( 4)設計點火系統。若是由汽油機改燒沼氣則不需再作( 1)、( 3)、( 4) 項工作。

      國內外對沼氣發動機的改裝做了大量的研究。Duc等人研究了沼氣發動機的性能、柴油燃料的替代、能量消耗和長期的使用效應, 結果顯示: 使用沼氣柴油雙燃料除了降低發動機的能量轉換效率, 而沼氣對柴油燃料的替代抵消了能量轉換率的降低, 除此之外對發動機的性能沒有明顯的副作用。這種發動機在某些方面的長期使用是具有經濟可行性的 .李會芬等以沼氣作為小型汽油機的燃料在165F汽油機上進行了燃用沼氣的改裝試驗, 初步得出沼氣作為小型汽油機的燃料是可行的。熊樹生等利用快壓機對沼氣燃燒的過程進行了模擬, 提出了火花點火沼氣發動機性能的快速燃燒方法, 設計出了包括燃燒室在內的快速燃燒系統, 并將其用于6160沼氣發動機發電機組的開發 .目前較成熟的國產沼氣發電機組的功率規格主要集中在100~ 500 kW 這個區段, 根據沼氣建設發展趨勢分析和對沼氣發電設備的市場需求調查, 對大于和小于這個區段規格的發電機組的需求正在增長。劉振波等人根據農村戶用沼氣池的系統特征和沼氣的燃燒特性, 設計研制了功率分別為700、1 800、3 800、4 800W等系列的戶用沼氣發電裝置。

      2. 2、 沼氣發動機應用現狀

      沼氣發電機組主要用于垃圾填埋場的沼氣處理工藝中, 垃圾填埋沼氣發電技術是垃圾無害化、能源化、減量化處理的一條重要途徑。目前, 美國在沼氣發電領域有許多成熟的技術和工程, 處于世界領先水平, 其現有61個垃圾填埋場使用內燃機發電加上使用汽輪機發電的裝機, 總容量已達340MW.歐洲用于沼氣發電的內燃機, 較大的單機容量在0. 4~ 2MW, 填埋沼氣的發電效率約為1. 68~ 2 kW h /m3 .德國政府鼓勵新能源的利用, 給沼氣發電上網提供了法律支持與政策鼓勵, 因此近年來德國應用沼氣發電也迅速增加。目前, 德國國內沼氣發電工程的數量已由1992年的139家發展到2003年底超過2000家, 發電裝機總量由1999年的50MW 猛增到2002 年的250MW[ 9] .生物質能發電并網在西歐、德國、丹麥、奧地利、芬蘭、法國、瑞典等一些國家的能源總量的比例為10% 左右, 預計本世紀末將增加到25%.

      1998年10月, 我國在浙江杭州天子嶺廢棄物填埋總場建成首家垃圾沼氣發電廠, 裝機總容量為1 940 kW, 其發電已并入華東電網, 并產生了一定的經濟效益。目前, 在我國深圳已建成南山沼氣發電廠和下坪沼氣發電廠, 南京、上海、北京等大中城市也正在或準備修建垃圾沼氣發電廠 .2002年鞍山市廢棄物處理中心在世界上首次將沼氣變成燃料用于汽車上, 鞍山市200輛垃圾運輸車首次應用這種新型綠色環保能源, 隨后將用于全市的公交車上 .沼氣在汽車上的應用將為世界的經濟發展產生巨大的推動作用,在未來的社會發展中有巨大的發展潛力。

      近年來,  農村能源一直是國家相關科研計劃重點關注的問題之一, 高效沼氣和發電工程系統的研究是主要研究發展方向之一。豬場的規模化使豬糞尿和豬場污水成為嚴重的難題, 而沼氣發電技術不僅可以有效地解決這一嚴重的環境問題, 而且變廢為寶, 解決豬場的照明用電和供熱, 并可向電網輸送電能, 降低污水處理的成本。2006年1月, 可再生資源發電價格和費用分攤管理試行辦發布, 規定了可再生資源發電的電價、電費支付與分攤等方面的問題, 為沼氣發電并網提供了有力的法律依據。于海濱通過對農村畜牧養殖業污物狀況的調研并綜合分析當前養殖業污物處理的途徑后指出, 在養殖行業推廣沼氣發電是利用清潔能源、解決環境問題的工程, 在中國具有廣闊的發展前景 .

      3、 沼氣電池的研究與應用現狀

      燃料電池是一種將儲存在燃料中的化學能直接轉化為電能的裝置。日本的東芝公司從20世紀70 年代后半期開始, 以分散型燃料電池為重點進行開發, 將200 kW 機、11MW 機形成了系列化, 11MW 機是世界上最大的燃料電池發電設備。安裝在美國某公司和安裝在日本大阪梅田中心大阪煤氣公司的2臺燃料電池, 累計運行時間相繼突破了4萬h.沼氣燃料電池發電與沼氣發電機發電相比, 不僅出電效率和能量利用率高, 而且振動和噪音小, 排出的氮氧化物和硫化物濃度低.在北美、日本和歐洲, 燃料電池發電已進入快速發展階段, 將成為21 世紀繼火電、水電、核電后的第4代發電方式。

      燃料電池將是21世紀最有競爭力的高效、清潔的發電方式, 它將在潔凈煤燃料電站、電動汽車、移動電源、不間電源、潛艇及空間電源等方面有著廣泛的應用前景和巨大的潛在市場。將沼氣用于燃料電池發電, 是有效利用沼氣資源的一條重要途徑, 這對我國沼氣利用技術的發展具有重大意義。

      4、 結語

      上世紀六七十年代以來, 世界各國面臨能源危機, 各國經濟的發展面臨能源瓶頸的嚴峻挑戰, 煤、石油等傳統能源的大量使用帶來了嚴重的環境污染, 而且面臨枯竭, 尋找新的可再生能源已成為中國及世界各國經濟發展的迫切需求。沼氣發電技術不僅可以有效地解決有機污染問題, 還可以生產清潔環保的新型可再生能源沼氣, 并可將其轉化為電能, 因此沼氣發電技術在我國將有廣闊的發展前景。從本研究結果可看出, 蔓花生在Pb2+ 、H g2+ 脅迫下表現出積極反應, 這說明蔓花生對700 mg /kg 以下的Pb2+ 和3 m g /kg以下的H g2+ 具有一定的忍耐性, 超出此范圍還需進一步研究。

     
    標簽: 沼氣 技術
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