沼气发电机

目录

目录 ............................................. 1

一、国内外沼气发电技术进展状况 ..................... 2

二、沼气发电机组的应用现状及前景 .................. 10

三、沼气发电机组的概述 ........................... 12

1、沼气发电机组的结构简介 . .................................................................................. 12

2、沼气发动机的结构 ............................................................................................. 13

3、沼气发动机的进气过程 ...................................................................................... 14

4、沼气发动机的关键技术 ...................................................................................... 14

四、国内外沼气发电机组的优劣比较 .................. 15

五、国内外发电机组效益差异分析 .................... 17

六、结论 ........................................ 21

一、 普通发动机的结构概述

图一 发动机结构示意图

发动机（见图一）是一台由许多机构和系统组成的复杂计起，现代汽车发动机的结构形式很多，即使是同一类型的发动机，其具体构造也是各种各样的，但就其总体功能而言，基本上都是由如下的机构和系统组成：曲柄连杆机构、配气机构、供给系、润滑系、冷却系和启动系。如果是汽油机还包括点火系，若为增压发动机则还应有增压系统。若是电喷发动机还有其独特点火系、燃油供给系和电子控制系统等。

各部分功用如下：

1、 曲柄连杆机构

曲柄连杆机构是发动机实际工作循环，完成能量转换的主要运动部件。它由机体组、活塞连杆组和曲轴飞轮组等组成。在做功过程中，活塞承受燃气压力在气缸内做直线运动，通过连杆转换成曲轴的旋转运动，并从曲轴对外输出动力，而在进气、压缩和排气过程中，飞轮释放能量把曲轴的旋转运动转化成活塞的直线运动。

2、 配气机构

配气机构的功用是根据发动机的工作顺序和工作过程，定时开启、关闭进气门和排气门，使可燃混合气或空气进入气缸，并使废气从气缸内排出，实现换气过程。配气机构大多数采用顶置气门式配气机构，一般由气门组、气门传动组和气门驱动组组成。

3、 燃料供给系

汽油机燃料供给系的功用是根据发动机的要求，配制出一定数量和浓度的混合气，供入

气缸，并将燃烧后的废气从气缸内排出到大气中，柴油机燃料供给系的功用是把柴油和空气分别供入气缸，在燃烧室内形成混合气并燃烧，最后将燃烧后的废气排出。

4、 润滑系

润滑系的功用是向作相对运动的零件表面输送定量的清洁润滑油，以实现液体摩擦，减小摩擦阻力，减轻机件的磨损，并对零件表面进行清洗和冷却，润滑系通常由润滑油道、机油泵、机油滤清器和一些阀门等组成。

5、 冷却系

冷却系的功用是将受热零件吸收的部分热量及时散发出去，保证发动机在最适宜的温度状态下工作。水冷发动机的冷却系通常由冷却水套、水泵、风扇、水箱、节温器等组成。

6、点火系

能够按时在火花塞电极间产生电火花的全部设备成为点火系。

在汽油机中，气缸内的可燃混合气是靠电火花点燃的，为此在汽油机的气缸盖上装有火花塞，火花塞头部深入燃烧室内。点火系通常由蓄电池、发电机、分电器、点火线圈和火花塞等组成。

7、 启动系

发动机由静止状态过渡到工作状态，必须先用外力转动发动机的曲轴，使活塞作往复运动，气缸内的可燃混合气燃烧膨胀做功，推动活塞向下运动使曲轴旋转，发动机才能自行运转，工作循环才能自动进行。因此，曲轴在外力作用下开始转动到发动机开始自动地怠速运转的全过程，称为发动机的启动。完成启动过程所需的装置，称为发动机的启动系。

汽油机由以上两大机构和五大系统组成，即由曲柄连杆机构、配气机构、燃烧供给系、润滑系、冷却系、点火系和启动系组成；柴油机由以上两大机构和四大系统组成，即由曲柄连杆机构、配气系统、燃料供给系、润滑系、冷却系和启动系组成，柴油机是压燃的，不需要点火系。

二、沼气发动机的结构概述

1、沼气发动机的结构简介

沼气发动机的基本结构要适应沼气的燃烧特性, 各部件的布置应适合沼气生产使用的现场条件。设计中发动机的机体、曲轴、连杆、气缸盖、凸轮轴等主要部件和普通燃气发动机基本相同; 对点火系统、增压器、中冷器和进气系统等要进行重新匹配。机组结构及安装布置见图二 :

1. 计算机监控系统 2. 抽风机 3. 过滤器 4. 稳压罐 5. 阻火器 6. 水气分离器

7. 电磁阀 8. 调压阀 9. 发动机 10. 电控混合器 11. 涡轮增压器 12. 发电机

图二 沼气发电机组安装图

2、沼气发动机的进气过程

沼气由气源输出后, 经净化处理, 由稳压罐、阻火器、水气分离器、电磁阀、调压阀进入电控混合器; 计算机监控系统根据燃烧室内压力、温度等参数的变化向电控混合器发出指令, 自动调节沼气与空气的混合比, 得到合适空燃比的混合气; 再经增压器、中冷器、进气管进入燃烧室。在燃烧室内燃烧后将沼气的化学能转化为机械能, 燃烧后的废气经排气管排出。

3、沼气发动机的关键技术

沼气发动机要解决的核心问题是沼气的净化处理和混合。

3.1、沼气的净化处理

沼气的产生主要是通过厌氧消化, 而厌氧消化是利用无氧环境下生长于污水、污泥中的厌氧菌菌群的作用, 使有机物经液化、气化而分解成沼气。生成的沼气中含有微量的水分和 H2S 等腐蚀性介质, 这些有害成分会对输气管道和发动机部件产生腐蚀, 影响发动机的正常运行和使用寿命。为了除去沼气中的水分和H2S, 可在进气管道上安装干式脱硫塔, 脱硫剂为铁屑; 或者湿式脱硫塔, 脱硫剂

为浓度30 %的NaOH 碱液。另外, 还要在进气管道上安装过滤除尘、除湿、除油装置。

3.2、沼气发电机组的防腐处理

沼气中含有的H2S 和水分形成弱酸液, 对管道及发动机的金属部件产生腐蚀, 特别是对铜质及铝质部件腐蚀更为严重。因此 , 应对输气管道、中冷器、增压器、活塞等部件进行涂漆、渗瓷、渗氮等防护处理。另外, 由于H2S 燃烧后的产物SO2 具有更强的腐蚀性, 燃烧室周围相关部件及排气管均应考虑采取防腐措施。

3.3、电控混合器技术

普通燃气发动机使用等真空度混合器, 不能根据气源CH4浓度的变化自动调节空燃比, 使用时容易导致发动机转速和输出功率波动较大, 甚至因点火不连续而停机, 难以推广使用。

沼气发电机组采用电控混合器。计算机监控系统实时监控燃烧室内的燃烧状况, 并将燃烧信号反馈到 ECU 控制单元, ECU 发出指令, 使电控混合器的执行器带动操纵机构, 改变沼气与空气的进气流道面积, 根据沼气中CH4理匹配空气和沼气流量, 达到实时调节空燃比的目的, 实现稳定的稀薄燃烧, 有效地控制了发动机的热负荷。

三、沼气发电机组的概述

1、沼气发电机组的结构简介

（1）、沼气发电机组主要由沼气发动机、发电机、控制屏、公共钢制底盘和冷却系统等组成。

（2）、以胜动沼气发电机组为例，燃气发动机的主要部件构成：

燃气机的机械基础件（机体、曲轴、连杆等主要部件），与我国目前铁路机车动力和石油钻井柴油机通用，均是经过了几十年长期考验的成熟机型，针对沼气的特点，通过降低转速并对部分基础件进行特殊处理来更好的适合沼气。

电子调速器：采用美国WOODW ARD 公司生产的电调系统。

进气压力调节阀：采用膜片式压力调节阀双向气道精确调整技术，配合电控

混合器对空燃比自动调整，可以达到良好的均匀层燃效果。

缸温、排温的控制:对燃气机的缸温和排温进行监测并控制，对燃气机的缸温和排温进行监测并控制，可以及时调整发动机的相关参数以消除爆震倾向。

新型活塞环：采用既扭又锥的气环和组合式油环，对机组的油耗控制有保证。 气门座圈采用新型耐热合金材料，提高了燃气机的可靠性和使用寿命。

主重要控制部分零件如点火系统（火花塞、高压线、点火线圈、磁电机）等，采用美国公司的产品。

配气系统：采用专为燃气机设计的凸轮轴及其他配气机构，具有独特的配气相位、配气夹角、点火提前角等，可使燃气机达到理想的充气效率及燃烧效果。

（3）、IFC6/TF系列无刷恒压同步发电机结构及主要技术性能参数

机组配置按西门子进口许可证生产的无刷励磁稳极式电机，电机电压为0.4kV . IFC6/TF系列无刷恒压同步发电机结构组成：

发电机：由主机、励磁机和励磁系统组成。主机为旋转磁场式，转子成圆柱形并带有阻尼绕阻，励磁机为旋转电枢式，主机励磁功率通过旋转整流器输入主发电机转子。

励磁系统：带可控硅电压调节器的THYRIPART 励磁系统，采用相复励无刷自动电压调压方式，发电机的励磁电流随负载情况而自动调节，保持发电机的电压恒定。在负载变化和短路情况下具有良好的动态特性。

绝缘系统：标准绕阻采用西门子DURIGNIT2000绝缘系统，满足VDE0530标准对F 级绝缘的要求。所采用的绝缘材料具有不吸潮、介电强度高等特性，且能承受剧烈的温度变化。定子绕阻采用具有高耐水解特性的特种漆包线或包有云母箔的扁铜母线制成。标准绝缘采用特殊的树脂浸渍工艺，能获得高机械强度、高抗震性和极好绝缘强度的满意效果，从而使发电机能在DIN50019标准规定的各种气候条件下长期运行。

短路电流和短路参数：当发生突加大型鼠笼式异步电动机负载情况时，由于励磁系统以相复励方式运行，发电机满足最小电压降和最快电压恢复的要求，此时这种励磁方式可提供其值约为3-5倍额定电流的持续短路电流，以便选择保护装置，但在持续短路电流的持续时间达5S 时，发电机卸载负荷。

过载：按VED0530标准的规定，在额定电压下，发电机能承受1.5倍额定

电流，历时2min 的过载。

四、投资分析

以潍柴沼气发电机组为例，发动机的机体、气缸盖、曲轴、凸轮轴、飞轮、齿轮室等主要部件和普通燃气发动机相同，为潍柴独立生产，其余均采购配件进行装配，例如：

活塞：马勒

增压器：honeyweell 、霍尔赛特

火花塞：博世、香火炬。

电控：WOODW ARD

发电机：蓝电、马拉松、西门子、斯坦福、强辉、兴诺。

厂区面积：1500X500平米

员工15000人，年产5-6万台。

沼气燃烧发电是随着沼气综合利用的不断发展而出现的一项沼气利用技术，它将沼气用于发动机上，并装有综合发电装置，以产生电能和热能，是有效利用沼气的一种重要方式。目前用于沼气发电的设备主要有内燃机和汽轮机。

国外用于沼气发电的内燃机主要使用Otto 发动机和Diesel 发动机，其单位重量的功率约为27 kW／T 。汽轮机中燃气发动机和蒸汽发动机均有使用，燃气发动机的优点是单位重量的功率大，一般为70～140kW ／T ；蒸汽发动机一般为10kW ／T 。国外沼气发电机组主要用于垃圾填埋场的沼气处理工艺中。目前，美国在沼气发电领域有许多成熟的技术和工程，处于世界领先水平。现有61个填埋场使用内燃机发电，加上使用汽轮机发电的装机，总容量已达340兆瓦；欧洲用于沼气发电的内燃机，较大的单机容量在0.4～2兆瓦，填埋沼气的发电效率约为1.68～2kWh ／m3。

德国的沼气工程所产生的沼气主要用来发电，同时多数将发电过程中产生的废热用于供热，即热电联产工艺。沼气发电的方式主要是利用内燃机带动发电机进行发电。所采用的内燃机以双燃料内燃机为主，占72% ，其余28 % 为单燃料内燃机。

我国开展沼气发电领域的研究始于八十年代初，1998年全国沼气发电量为1,055，160kWh 。在此期间，先后有一些科研机构进行过沼气发动机的改装和提高热效率方面的研究工作。我国的沼气发动机主要为两类，即双燃料式和全烧式。目前，对“沼气一柴油”双燃料发动机的研究开发工作较多。如：中国农机研究院

与四川绵阳新华内燃机厂共同研制开发的S195—1型双燃料发动机：上海新中动力机厂研制的20／27G 双燃料机等。成都科技大学等单位还对双燃料机的调速、供气系统以及提高热效率等方面进行过研究。潍坊柴油机厂研制出功率为120 kW 的6160A 一3型全烧式沼气发动机，贵州柴油机厂和四川农业机械研究所共同开发出60 kW 的6135AD(Q)型全烧沼气发动机发电机组；此外，还有重庆、上海、南通等一些机构进行过这方面的研究、研制工作。可以说，目前我国在沼气发电方面的研究工作主要集中在内燃机系列上。

沼气――柴油双燃料发动机方案采用少量的引燃柴油经压燃后点燃沼气。因为哪怕只有5％左右的柴油，其着火能量就会大大高于火花点火的能量，可以解决因沼气燃烧速度慢而带来的严重后燃、高排温及大负荷等问题。其另一个优点是在可燃气不足的情况下可以用柴油补充；没有可燃气时，可以全部燃用柴油工作，使用起来比较灵活。

上面介绍了双燃料发动机的许多优点，但其缺点是离不开柴油，经济效益也较低。所以在沼气资源丰富的场合下，全烧沼气发动机更具有应用价值。起初，国产的全烧式沼气发电机排温太高，可靠性不过关，经济性也不好。现经过国内多年研究，通过采用快速燃烧系统等措施，明显地改善了全烧沼气发动机的性能，取得了排气温度接近500℃的国际先进水平，可望使国产沼气排温高达650～700℃，致使可靠性与寿命不过关的问题得以解决, 国内部分发电机组气耗率已接近0．5Nm3／kw ·h ，达到国内先进水平，目前国内的机组大部分为全燃式机组。

近年来，随着人们对生物质能认识的提高，国内有实力的厂家加大了科研和市场推广的力度。目前成熟的国产沼气发电机组的功率规格，主要集中在24～600kW 这个区段。

典型企业胜利油田胜利动力机械有限公司自上世纪80年代起就致力于燃气机的研制和推广，因双燃料式机组经济效益较低，它主要致力于全烧式机组的研发，现在生产的燃气机单机功率已经达到2000KW ，机组的各项指标参数已经接近国外机组水平，在技术方面，胜动机组采用电控燃气混合技术、低压进气技术、稀薄燃烧技术，选用美国WOODW ARD 电子调速技术，采用美国进口磁电机点火技术，已可以与国际先进技术同步，给沼气发电事业带来了活力。

二、沼气发电机组的应用现状及前景

随着我国对发展节能产业 , 提高能源利用效率的日益重视 , 沼气发电已经不是单纯的能源工程 , 而是与环境保护、生态平衡及资源回收利用密切结合的重大举措。从沼气大量使用的范围看 , 沼气发电机组主要应用在以下几个方面：

（1）、城市污水处理产生的沼气

当污水处理厂采用污泥消化技术时, 产生的沼气可用来发电。1m ³的污泥可产生10m ³左右的沼气, 可发电15kW ·h 以上, 余热还可用来加热污泥, 总的能量利用率达到 70 %以上, 可补充城市污水处理厂20%～40%的电耗, 对降低污水处理厂的运行成本起到重要作用。

典型案例：北京排水集团有限责任公司（国内最大的污水处理企业）是2002年2月正式组建的国有独资公司，负责运行和经营北京高碑店污水处理厂等9座大中型污水处理厂、3座再生水回用和1座污泥消纳设施，日处理污水能力为214万立方米。高碑店污水处理厂对生化沼气前期采用4套美国库伯公司生产的沼气发电机组（装机容量2052kW ），总投资6000万元；二期采用3套奥地利颜巴赫公司生产的沼气发电机组（装机容量2130kW ），总投资5000万元。

（2）、垃圾填埋沼气

一吨城市生活垃圾全部发酵后, 所产生的填埋沼气量约为100～200立方米，提供150～300kW ·h 的电力。我国城市每年可产生数亿吨生活垃圾, 如果将其发酵产生的沼气都转换为电能, 可发电150～300 亿kW ·h, 如果进行热电联供 , 效益更大。

典型案例：梅州市采取CDM(清洁发展机制) 综合治理龙丰垃圾填埋场，该项目2005年3月正式通过联合国CDM 理事会注册，成为我国第一例成功实施的CDM 项目。目前，该项目已投入资金3000多万元，利用胜动公司生产的4台500千瓦沼气机组，建立了2000千瓦规模的沼气发电站，于06年1月18日正式发电成功并网。该项目为我国及众多发展中国家因资金、技术缺乏而未能及时治理的成千上万的垃圾填埋场提供了运用联合国清洁发展机制模式综合治理环境问题的成功范例。

（3）、酒厂与柠檬酸厂沼气

我国年产酒精约400万吨, 每生产1吨酒精可产生沼气300立方米, 可发电450kW ·h, 产生0.3MP 蒸汽0.5吨。这样, 因生产酒精而产生的沼气就可发电18亿kW ·h, 产生0.3MP 的蒸汽200万吨。我国年产柠檬酸70万吨（每生产1吨柠檬酸可产生沼气200立方米, 可发电300kW ·h ）, 发电总量可达2. 1亿kW ·h, 产生0.3MP 的蒸汽24.5万吨。

典型案例：山东柠檬生化公司老厂区年产2万吨柠檬酸，新厂区年产5

万吨柠檬酸，前期沼气用于烧锅炉产蒸汽，后公司新建一火电厂，电厂给厂区供应蒸汽，这样沼气面临燃烧排空，为节约能源，实现循环经济。2004年11月从“胜动”购买4台500GF1-RZ 沼气机组，老厂区和新厂区分别运行2台机组，通过运行，经济效益非常可观。2005年8月，老厂区又增加1台500GF1-RZ 沼气发电机组。2005年9月，公司又订购2台500GF1-RZ 机组，老厂和新厂分别再增加1台500GF1-RZ 机组。截至目前该公司共有15台

500GF1-RZ 沼气发电机组，目前该厂正在扩产，沼气产量将继续增加，对方也将继续扩大沼气电站的容量。

（4）、农村生物质发酵池沼气

沼气原料在我国农村分布广泛, 潜力很大, 凡是有生物的地方都有可能获得制取沼气的原料, 所以农村生物质沼气是一种取之不尽, 用之不竭的再生能源, 修建一个平均每人l ～1. 5平方米的发酵池, 就可以基本解决一年四季的烧火做饭和照明问题。农村地区生产沼气可以就地取材, 节省开支。沼气电站建在农村, 发酵原料一般不必外求, 作物秸杆、人畜粪便、腐泥杂草等通过发酵后, 都可产生沼气; 剩下的污泥还可作为肥料, 而且由于腐熟程度高会使肥效更好, 粪便等沼气原料经过发酵后, 绝大部分寄生虫卵被杀死, 还可以改善农村卫生条件, 减少疾病的传染。 兴办一个小型沼气发电站, 设备和技术都比较简单, 管理和维修也很方便, 大多数农村都能办到。据调查对比, 小型沼气电站每千瓦投资只要400 元左右, 仅为小型水力电站的 1/13～1/12,投资成本比风力、潮汐和太阳能发电低得更多。小型沼气电站的建设周期短, 只要几个月时间就能投产使用, 基本上不受自然条件变化的影响。

典型案例：淮安温氏畜牧公司为省级农业龙头企业，该公司获得2008年省级农村清洁能源工程建设项目补助金50万元，规划建设V 类沼气工程。据悉，

该公司严岗猪场按存栏量3000头猪计算，年粪污排放量1.1万吨，沼气工程建成后年产沼气约5.1万立方米，发电7.7万度，能满足整个猪场、燃气、用电等需要。

当前, 我国正处在快速工业化进程中, 社会经济发展对能源的依赖程度越来越高。在可持续发展战略上, 我国已提出走重质量、高增长、高效益、能源消耗最少、环境污染最小的发展道路; 在能源利用上, 实行节能优先、结构多元、环境友好、市场推动的方针。沼气资源丰富, 热值高; 沼气发电投资见效快, 污染小, 其燃烧所产生的污染物通常只有石油的1/40 , 煤炭的1/800。沼气作为发电机组燃料, 能够有效改善我国的能源结构, 保护生态环境, 缓解能源运输压力, 满足社会对清洁能源的需求, 具有良好的发展前景。

三、沼气发电机组的概述

1、沼气发电机组的结构简介

（1）、沼气发电机组主要由沼气发动机、发电机、控制屏、公共钢制底盘和冷却系统等组成。

（2）、以胜动沼气发电机组为例，燃气发动机的主要部件构成：

燃气机的机械基础件（机体、曲轴、连杆等主要部件），与我国目前铁路机车动力和石油钻井柴油机通用，均是经过了几十年长期考验的成熟机型，针对沼气的特点，通过降低转速并对部分基础件进行特殊处理来更好的适合沼气。

电子调速器：采用美国WOODW ARD 公司生产的电调系统。

进气压力调节阀：采用膜片式压力调节阀双向气道精确调整技术，配合电控混合器对空燃比自动调整，可以达到良好的均匀层燃效果。

缸温、排温的控制:对燃气机的缸温和排温进行监测并控制，对燃气机的缸温和排温进行监测并控制，可以及时调整发动机的相关参数以消除爆震倾向。

新型活塞环：采用既扭又锥的气环和组合式油环，对机组的油耗控制有保证。 气门座圈采用新型耐热合金材料，提高了燃气机的可靠性和使用寿命。

主重要控制部分零件如点火系统（火花塞、高压线、点火线圈、磁电机）等，采用美国公司的产品。

配气系统：采用专为燃气机设计的凸轮轴及其他配气机构，具有独特的配气

相位、配气夹角、点火提前角等，可使燃气机达到理想的充气效率及燃烧效果。

（3）、IFC6/TF系列无刷恒压同步发电机结构及主要技术性能参数

机组配置按西门子进口许可证生产的无刷励磁稳极式电机，电机电压为0.4kV . IFC6/TF系列无刷恒压同步发电机结构组成：

发电机：由主机、励磁机和励磁系统组成。主机为旋转磁场式，转子成圆柱形并带有阻尼绕阻，励磁机为旋转电枢式，主机励磁功率通过旋转整流器输入主发电机转子。

励磁系统：带可控硅电压调节器的THYRIPART 励磁系统，采用相复励无刷自动电压调压方式，发电机的励磁电流随负载情况而自动调节，保持发电机的电压恒定。在负载变化和短路情况下具有良好的动态特性。

绝缘系统：标准绕阻采用西门子DURIGNIT2000绝缘系统，满足VDE0530标准对F 级绝缘的要求。所采用的绝缘材料具有不吸潮、介电强度高等特性，且能承受剧烈的温度变化。定子绕阻采用具有高耐水解特性的特种漆包线或包有云母箔的扁铜母线制成。标准绝缘采用特殊的树脂浸渍工艺，能获得高机械强度、高抗震性和极好绝缘强度的满意效果，从而使发电机能在DIN50019标准规定的各种气候条件下长期运行。

短路电流和短路参数：当发生突加大型鼠笼式异步电动机负载情况时，由于励磁系统以相复励方式运行，发电机满足最小电压降和最快电压恢复的要求，此时这种励磁方式可提供其值约为3-5倍额定电流的持续短路电流，以便选择保护装置，但在持续短路电流的持续时间达5S 时，发电机卸载负荷。

过载：按VED0530标准的规定，在额定电压下，发电机能承受1.5倍额定电流，历时2min 的过载。

2、沼气发动机的结构

沼气发动机的基本结构要适应沼气的燃烧特性 , 各部件的布置应适合沼气生产使用的现场条件。设计中发动机的机体、曲轴、连杆、气缸盖、凸轮轴等主要部件和普通燃气发动机基本相同; 对点火系统、增压器、中冷器和进气系统等要进行重新匹配。机组结构及安装布置见图1 :

1. 计算机监控系统 2. 抽风机 3. 过滤器 4. 稳压罐 5. 阻火器 6. 水气分离器

7. 电磁阀 8. 调压阀 9. 发动机 10. 电控混合器 11. 涡轮增压器 12. 发电机

图1 沼气发电机组安装图

3、沼气发动机的进气过程

沼气由气源输出后, 经净化处理, 由稳压罐、阻火器、水气分离器、电磁阀、调压阀进入电控混合器; 计算机监控系统根据燃烧室内压力、温度等参数的变化向电控混合器发出指令, 自动调节沼气与空气的混合比, 得到合适空燃比的混合气; 再经增压器、中冷器、进气管进入燃烧室。在燃烧室内燃烧后将沼气的化学能转化为机械能, 燃烧后的废气经排气管排出。

4、沼气发动机的关键技术

沼气发动机要解决的核心问题是沼气的净化处理和混合。

4.1、沼气的净化处理

沼气的产生主要是通过厌氧消化, 而厌氧消化是利用无氧环境下生长于污水、污泥中的厌氧菌菌群的作用, 使有机物经液化、气化而分解成沼气。生成的沼气中含有微量的水分和 H2S 等腐蚀性介质, 这些有害成分会对输气管道和发动机部件产生腐蚀, 影响发动机的正常运行和使用寿命。为了除去沼气中的水分和H2S, 可在进气管道上安装干式脱硫塔, 脱硫剂为铁屑; 或者湿式脱硫塔, 脱硫剂

为浓度30 %的NaOH 碱液。另外, 还要在进气管道上安装过滤除尘、除湿、除油装置。

4.2、沼气发电机组的防腐处理

沼气中含有的H2S 和水分形成弱酸液, 对管道及发动机的金属部件产生腐蚀, 特别是对铜质及铝质部件腐蚀更为严重。因此 , 应对输气管道、中冷器、增压器、活塞等部件进行涂漆、渗瓷、渗氮等防护处理。另外, 由于H2S 燃烧后的产物SO2 具有更强的腐蚀性, 燃烧室周围相关部件及排气管均应考虑采取防腐措施。

4.3、电控混合器技术

普通燃气发动机使用等真空度混合器, 不能根据气源CH4浓度的变化自动调节空燃比, 使用时容易导致发动机转速和输出功率波动较大, 甚至因点火不连续而停机, 难以推广使用。

沼气发电机组采用电控混合器。计算机监控系统实时监控燃烧室内的燃烧状况, 并将燃烧信号反馈到 ECU 控制单元, ECU 发出指令, 使电控混合器的执行器带动操纵机构, 改变沼气与空气的进气流道面积, 根据沼气中CH4理匹配空气和沼气流量, 达到实时调节空燃比的目的, 实现稳定的稀薄燃烧, 有效地控制了发动机的热负荷。

四、国内外沼气发电机组的优劣比较

主要优劣比较体现在以下两方面：

1、内燃发电机技术方面比较

沼气发电在发达国家已受到广泛重视和积极推广，如美国的能源农场、德国的可再生能源促进法的颁布、日本的阳光工程、荷兰的绿色能源等。生物质能发电并网在西欧如德国、丹麦、奥地利、芬兰、法国、瑞典等一些国家的能源总量中所占的比例为10左右，并一直在持续增加。沼气发电设备方面，德国、丹麦、奥地利、美国的纯燃沼气发电机组比较先进，气耗率≤0.5m3/kWH（沼气热值≥25MJ/m3），价格在500～750美元/kWH。

我国在“九五”、“十五”期间研制出20～500KW 纯燃沼气发电机组系列产品，气耗率0.6～0.8m3/kWH（沼气热值≥21MJ/m3），价格在300～500美元/kWH，由此可见，价格低廉是国内机组的一个较大优势。

但是，国内机组与国外机组相比，在运行、控制以及维护方面有较大差距，国外机组的优势主要表现在以下几点：

（1）国外机组运行稳定，年运行可以达到8300小时，无震动、噪声小；国内机组组可燃气体浓度瞬时变化造成电压波动大，经常出现停机现象，故障率高，经常需要停机维护；

（2）国外机组对沼气中甲烷含量要求比较宽松，机组能适应沼气中甲烷含量范围为38%-65%。机组采用稀燃技术，根据沼气中甲烷含量自动调节空气与沼气的比例，达到最佳燃烧状态；

（3）能量利用方面：能够实现冷热电联产，能量总利用率可以达到83%，发电效率大于40%，国内机组的发电效率36%左右，总的能量利用率只有60%左右；

（4）国外机组运行可以达到无人值守的状态，机组自动切换市网与独立供电之间的切换。

（5）国外机组寿命可以达到50年，20万小时进行中修，1万小时进行更换配件，机组的运行费用为0.041元/KWh,国内机组的运行费用大约为0.06元/KWh。

（6）机组的容量方面：国外成熟的大型沼气发电机组容量已达2000KW 以上，如颜巴赫的大型发电机组的容量达到了2433KW ，而目前，国内主流的沼气发电机组容量普遍小于1000KW ，最成熟的大型发电机组的容量为500KW ，这与国内的沼气发电的规模普遍较小有关系。

因此，提升沼气发电及组的容量、发电的性能、发电效率以及总体利用热效率是国内沼气发电及厂商需要重点解决的问题。

2、余热利用方面比较

沼气发电机的余热利用分为两部分，一是排烟的余热利用，二是发电机自身冷却热量的利用。目前，国内的发电机不提供机组自身冷却热量的利用，只有排烟的余热可用。国外机组，例如GE Jenbacher的内燃机，可以提供上述两部分的余热利用。余热利用有以下四种方案：

（1）热水型。利用发电机的余热可以产生90℃甚至更高温度的热水。这种形式在需要供暖的北方地区可以使用。

（2）烟气型。利用烟气的余热配合吸收式制冷机组，可以提供冷源负荷。

（3）蒸汽型。利用烟气的余热可以产生饱和蒸汽或者过热蒸汽，但是沼气发电机组的容量较小，蒸汽的产量较小。例如，一台1MW 的沼气发电机组，可以产生1.0吨左右，蒸汽压力为0.6MPa 的饱和蒸汽，作为供汽负荷使用。

（4）发电型。利用发电机的余热，配合螺杆膨胀动力机发电。一台1MW 的沼气发电机组，利用排烟余热，可以配置一台70KW 的螺杆膨胀动力机发电。 利用燃气发电机组产生的废气余热可以制冷、供热。夏季利用烟气热量，冬季主要利用发电机组冷却水热量。夏季的主要工艺流程：通过烟-水热交换器产生高温的水，输送至溴化锂冷水机组中，产生12℃冷媒水，通过风机盘管空调器给房间制冷；冬季的主要流程：一部分利用发电机组的冷却水送至室内系统，一部分利用烟-水热交换器产生的水进行二级换热，作为热负荷的补充。1台500GF1-RZ 机组所产余热可满足6000平方米面积的制冷，可满足15000平方米面积的采暖。这样，沼气综合利用率可达80%左右。

目前，我国集约化养殖厂一般建在农村比较偏远的地方，养殖场周围没有热、汽用户，冷源用户也非常少，沼气发电厂通常建在养殖场的附近。因此，采用发电型方案可能是沼气发电余热利用的最佳方式。

五、国内外发电机组效益差异分析

沼气发电具有无可比拟的社会效益，也有巨大的经济效益，假设沼气量充足，分别在60000小时内，以胜动沼气发电机组跟颜巴赫沼气发电机组为例进行分析。

1、以胜利油田胜利动力机械有限公司燃气发电机组为例进行分析：

沼气的主要成分是甲烷，理论上约占所产生的各种气体的50%一60%。每立方米纯甲烷的发热量为 34000千焦，每立方米沼气的发热量约为17000－20400千焦，在这里统一取沼气的发热量为20MJ 。

以500KW 发电机组（具体参数见表1）为例：

查表1得胜动发电机组的电效率为36%，每立方米沼气用“胜动”燃气机可发2度电。

成本一：胜动发电机组购价为127.4万元，其设计寿命为10年，折合87600小时，60000小时的折旧费约为127.4X60000/87600=87.3万元。

发电总量：胜动发电机组的大修周期为25000小时，大修成本为15万，大修时间为15天-25天，取20天，每年能运行7500小时（312天），其电效率为36%，则60000小时（大约7年）内其发电总量为：500kW/台×36%×1台×（60000-53X7X24-20X2X24）小时=902.4万kWh 。

成本二：60000小时内大修需要大修2次，成本为15X2=30万元。

成本三：运行费用包括：人员费用；机油消耗；配件及维修等运行费用。运行费用按0.06元/kWh计算：902.4×0.06=54.1万元。

胜动发电机组60000小时内总发电量为902.4万kWh ，总成本为87.3+30+54.1=171.4，每发一度电所需成本为171.4/902.4=0.190元。

另外，胜动发电机组的发动机、发电机及附件整洁有序的安装在一个撬座上，可整体吊装、运输，现场安装非常方便。

其发电机组的噪声水平为1m 处的噪声值为低于105dB ，达到环保要求。 因胜动发电机组为国产品牌，配件购买方便，维修方便。

体积较大，需要的基础面积大。质量比颜巴赫笨重。

表1 胜动发电机组参数表

2、以颜巴赫沼气发电机组为例进行分析：

颜巴赫发电机组的电效率为40.4%，每立方米沼气用“颜巴赫”沼气发电机组可发电力2.24度，同样以500KW 发电机组（具体参数见表3）为例，：

成本一：颜巴赫发电机组购价为318.5万元，其设计寿命为20年，折合175200小时，60000小时的折旧费约为318.5X60000/175200=109.1万元。

发电总量：颜巴赫发电机组的大修周期为60000小时，每年能运行8300小时（346天），其电效率为40.4%，则60000小时（大约7年）内其发电总量为：526kW/台×40.4%×1台×（60000-19X7X24）小时=1207.2万kWh 。

成本三：运行费用包括：人员费用；机油消耗；配件及维修等运行费用。运行费用由表2得知为0.047元/kWh计算：1207.2×0.047=56.7万元。

颜巴赫发电机组60000小时内总发电量为1207.2万kWh ，总成本为109.1+56.7=165.8，每发一度电所需成本为165.8/1207.2=0.137元。

备注：

保养包含，润滑油过滤器，空气过滤器，火花塞等根据机组运行情况需要正常更换的耗件；

预防性维修，包含小修与中修

表2 颜巴赫沼气发电机组大修期内平均成本表

大修周期为60000工作小时，大修2种方式，一种为直接针对机组维修，另外一种为以旧换新。

机组配件国内在广州有备件库，可以国内发货，售后服务由广州的服务中心负责（捷成集团负责），国内品牌发电机组在维修、配件供应、售后服务这几个方面无明显优势。

其发电机组的噪声水平为1m 处的噪声值为低于95dB ，环境效益优于国内品牌。

结构紧凑，发电机组体积较小，需要的基础面积小。质量轻，安装较胜动方便。

表3 颜巴赫发电机组参数表

3、对比总结

六、结论

通过国产胜动发电机组与国外颜巴赫沼气发电机组的对比，可以看出每发一度电的成本颜巴赫要低于胜动，颜巴赫的电效率高于胜动，体积、重量方面，颜巴赫均小于胜动，环境效益方面，颜巴赫的噪声分贝小于胜动，即便是维修方面，国产品牌胜动沼气发电机组亦

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没有优势。

整体来看，颜巴赫沼气发电机组各指数较胜动沼气发电机均有较大优势，因此，国外沼气发电机组的引进势在必行。

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