沼气发电-水葫芦的变废为宝.doc

沼气发电-水葫芦的变废为宝

摘要：生物质能是以实物的形式存在的一种可储存和运输的可再生能源。利用生物质能发电不仅可以缓解目前世界普遍存在的能源危机，如果运用合理，还可以得到效益与环保双赢的结果。将难以治理的水葫芦制成沼气并用来发电正是合理运用生物质的并达到双赢的一种表现形式。

方案思路来源：水葫芦，学名凤眼莲，多年生宿根浮水草本植物。因其繁殖能力很强，覆盖在整个淡水水域水面，使得其他水中的植物无法进行光合作用，而水中的动物没有得到充分的空气与食物，使得水中的生态平衡遭到破坏，甚至有时会堵塞水道。对与这种生命力强，繁殖能力高的“水害”来说，人们的解决方案的着手点一直是怎样清除它们，但对于怎样将它们变废为宝却很少有人问津。因此，我们想以这个为突破口，将遍布全国15个省的水葫芦利用起来进行发电，减缓能源危机的同时也能维护淡水生态平衡。

方案总体设计：我们小组认为，既然水葫芦经过了较长时间的光合作用，其内含有较多由太阳能转换而来的化学能，生物质能潜力较大。目前，生物质能资源的利用技术包括沼气技术、生物燃料技术、生物质燃烧技术、生物质气化技术、生物质热解技术以及生物质直接液化技术等。我们组采用的是生物质气化技术，将水葫芦进行厌氧发酵长生沼气，再利用沼气进行发电供给水域附近居住区的日常用电甚至是为生产单位提供生产所需的部分电能。

具体方案：
一、沼气的制备--水葫芦的厌氧发酵

1、水葫芦的产气（沼气）潜力

将水葫芦用作厌氧发酵原料产沼气最早可追溯到上世纪的七十年代,国外报道了水葫芦产气潜力,此后,又有大量试验结果证明了这一说法。由于众多研究是在不同条件下进行,其水葫芦产气潜力相差较大：以水葫芦为唯一底物,获得的产气潜力为400 ml/gVS(挥发性固体含量) ,同样以水葫芦为唯一底物,在其他条件下，其获得的产气潜力仅为190 ml/g VS；分别用鲜样与风干样水葫芦为底物,采用批次方法,常温下,发酵300 d,所获得的鲜样、风干样产气潜力分别为291 ml/g、245 ml/g TS (总固体含量) , 348 ml/g、292 ml/g VS。

日本生物学家Yukihiko在水葫芦化学元素分析基础上,推算出水葫芦化学结构为C6H1206 ,依据水葫芦成份,进一步推算出在厌氧条件下,水葫芦厌氧发酵产甲烷与二氧化碳量分别为14.8%、40.5% (质量比) ,换算成质量体积比分别为207.2 ml/g、206.2 ml/g,理论产气(沼气)潜力为413.4 ml/g,其中甲烷含量为50.1%。

2、发酵前的预处理

研究发现,水葫芦虽然含有较高的可发酵物质,具有较高的产气潜力,但因较高木素质含量,影响了水葫芦的实际生物产气量。此外,由于水葫芦比重轻,含水量高,不仅使反应器中有机负荷量调节困难,也由于它飘浮的特性,使反应器进出料增加难度且易堵塞,即是将水葫芦切碎在传统的批次反应器中仍然存在困难,因此,水葫芦的预处理技术尤为重要。

水葫芦切碎处理（预处理的一种）,可增加微生物接触底物(水葫芦)的比表面积,有利于提高产气。研究发现，在中温条件下（在不同接种量和氮水平以及不同切碎长度的条件下） ,当接种量最( 4.7 ∶10.0, 质量体积比) 与C /N 比最小(C /N为15∶1)条件下,水葫芦切碎长度为6.1 mm时,能获得更高的产气量。

在以水葫芦为底物的厌氧发酵试验中,一些金属元素的添加, 如: Fe3 + 、Zn2 + 、Ni2 + 、Co2 + 和Cu2 + ,不仅有利产气,提高产气量,还可以提高气体中甲烷含量与系统运行的稳定性。用来自电镀厂铜污染水体中生长的水葫芦进行发酵试验,与未污染水体中生长的水葫芦相比,可以获得更好的产气量与甲烷含量;用基于修复纸浆废水的水葫芦作产气试验,其产气量也大于来自清洁水源的水葫芦;在水葫芦厌氧发酵过程中添加Ni,同样可以增加水葫芦的产气量;添加不同形态的硼化合物也起到促进水葫芦中有机物降解, 提高产气量的作。将水葫芦与其它畜禽粪便或人粪尿混合发酵,因粪便可以为水葫芦发酵提供更多微生物数量,更丰富的生物多样性以及更多的养分,可增加水葫芦的产气量与产气效率 。

3、厌氧发酵工艺

在分析了水葫芦的产气能力及预处理工艺之后可知，水葫芦的产气潜力甚至超过了秸秆，而且在采取一定的预处理措施之后，又能进一步的提高产气率。然而利用水葫芦产生沼气发电的关键之处就在于如何将水葫芦的产气潜力开发出来。目前，一般采用的是厌氧发酵的工艺。

研究者开展了直接从水葫芦酸化过程中提取挥发性脂肪酸(VFA) ,然后采用液体进料方式进行连续发酵产沼气研究工作。将水葫芦放在一个可连续搅拌的酸化反应器中,用部分畜禽粪便作为接种物,让水葫芦进行发酵,将发酵产生的挥发性有机酸引入UAF (上流式厌氧滤池)反应器中,用经驯化过的污泥作接种物,进行厌氧发酵,产气量(VAF)为0.38 m3 / ( kg·d) ,甲烷含量60%。通过对有机负荷、水力滞留时间以及对酸化反应器中稀释度进行优化,酸化采用瘤胃式反应器,厌氧反应采用UASB (升流式厌氧污泥床)工艺,结果水葫芦酸化过程中产生的有机酸100%地转化为沼气。

二、沼气发电

1、沼气发热量

每立方米纯甲烷的发热最为34000焦耳，根据水葫芦厌氧发酵产生的沼气中的甲烷平均含量来算，由水葫芦制得的每立方米沼气的发热量约为20400焦耳。即1立方米沼气完全燃烧后，能产生相当于0.6千克无烟煤提供的热量。

2、沼气发电系统概述

构成沼气发电系统的主要设备有沼气发电机组、发电机和热回收装置。沼气经脱硫器由贮气罐供给燃气发电机组，从而驱动与沼气内燃机相连接的发电机而产生电力。沼气发电机组排出的冷却水和废气中的热量通过热回收装置进行回收后，作为沼气发生器的加温热源。

一般来说，作为发电机组燃料的沼气中甲烷的含量必须高于50%，而通过水葫芦制得的沼气中甲烷含量约为60%，满足要求。而且不必进行二氧化碳的脱除，因为少量二氧化碳对发电机组有利，使其工作平稳，减少废气中有毒物的含量。从发电装置出来的废沼气进入热交换器中，将热量释放出来，用来加热进行厌氧发酵的污泥，从而提高沼气的发生率。

3、沼气用于内燃机的特点

甲烷的燃烧点在640～840℃之间，它在密闭条件下与空气的混合比为1/120～1/7时遇火引燃，因此，可以利用它使内燃机工作。沼气的理论燃烧温度为1807.2～1945.5℃，由于沼气中混有二氧化碳气体，使其火焰的传播速度低，所以在内燃机内有良好的抗爆作用。

4、沼气发电机组装置

大功率沼气发电机组是沼气工业化利用的关键设备。在我国，有全部使用沼气的单燃料发电机组及部分使用沼气的双燃料沼气-柴油发电机组。

单燃料沼气发电机组工作原理及优点：

工作原理：将“空气沼气”的混合物放在气缸内压缩，用火花塞使其燃烧，通过火花塞的往复运动得到动力，然后连接发电机发电。

优点：① 不需要辅助燃料油及其供给设备；② 燃料为一个系统，在控制方面比可烧两种燃料的发电机组简单；③ 发电机组价格较低。考虑到利用水葫芦发电的主要供给对象是周边住宅区及为工业区的提供部分生产所需的电力，采用成本较低，发电机组 的单燃料沼气发电机组比较适宜。

此外，可以充分利用发电机组的余热用于沼气生产，使综合热效率达 80 ％左右，大大高于一般 30~40% 的发电效率，用户的经济效益显著。一般来说，沼气发电机组的输出电压为400V，可以与6.3KV或10KV变压器低压端相联供给使用。

三、可行性分析

首先，此方案的基础是利用水葫芦为源材料进行发电，必须考虑到其来源的广阔性，经济性，可持续性。

水葫芦易见于我国华北，华东，华中及华南的19个省，而且繁殖能力强，生命力强，可在每年的5~10月份对其进行连续分批的采集。剩余本分又可进行风干处理给及其他月度使用。

其次，就是水葫芦的发酵工艺。目前，世界上利用生物质发酵制取沼气的技术已经日趋成熟，尤其是利用秸秆发酵产生沼气进行发电应经达到了商业性运营的程度。在中国，已经有了利用水葫芦产沼气发电的例子，但并没有得到开展和引起人们的重视。并不是因其制取沼气的过程较秸秆复杂，而是秸秆具有更广阔的来源的持续性。但事实上，水葫芦的产气能力甚至超过了秸秆，而且发酵工艺基本相同，因此在水葫芦分布较多的区域，水葫芦的发电效益要比秸秆高。

最后，就是水葫芦发电的经济性。其经济性与秸秆发电的经济性差不多，主要的成本用在大修费用，财务费用以及设备折旧上面，参照秸秆发电的经济结算，回收期一般在8~10个月左右。不仅可以盈利，还起到了保护生态环境，减缓化石能源危机的双重作用，是一项集环保和节能于一体的新能源综合利用项目。