生物质能发电项目可行性研究报告

沙洋10MW生物质能电厂可行性研究报告三河新能源研究院二零一零年六月目 录第一章 总 论11.1项目概况11.1.1项目名称：生物质发电与燃煤火力发电的有机结合11.1.2建设单位：大亚发电股份有限公司福建分公司11.1.3建设地点：福建三明市2660MW燃煤火电厂的附近11.2编制依据和原则11.2.1编制依据11.2.2编制原则11.3研究范围21.4研究结论2第二章 项目背景42.1项目建设的必要性及意义42.2能源草制沼气发电的作用52.3建设地概况52.3.1厂址概况62.3.2交通运输72.3.3水资源情况7第三章 资源状况与分析83.1土地资源情况83.2能源草83.2.1作为新的生物质能源产业发展项目的可行性93.2.2已有的成功应用的案例93.2.3生态安全问题103.2.4可预见的经济和生态效益103.3能源草的价格103.4能源草的运输分析及沼渣沼液处理方案113.4.1运行分析113.4.2能源草价格的确定113.4.3原料的供应风险分析113.4.4处理电厂产生的沼渣沼液处理方案12第四章 建设规模及占地面积134.1建设规模134.2占地面积13第五章 项目资源量与产品量计算145.1物料总量和补充水量计算145.2沼气产量、发电量计算145.2.1产量计算145.2.2沼气发电量计算145.3沼肥产量估算14第六章 物料平衡分析166.1沼渣沼液产量估算166.1.1沼渣产量估算166.1.2沼液产量估算166.2物料平衡计算17第七章 产物供需平衡分析和解决方案187.1沼气利用方案选择187.1.1沼气供需平衡分析187.1.2方案比较分析187.1.3方案选择197.2沼肥种养平衡和有效利用解决方案197.2.1沼肥优势分析197.2.2沼肥承载土地量分析207.3发电机余热有效利用方案21第八章 技术方案228.1工艺流程说明228.1.1物料收集系统228.1.2物料储存系统228.1.3预处理系统228.1.4沼气生产系统228.1.5沼气净化系统258.1.6沼气储存系统268.1.7沼气发电并网系统268.1.8热能利用系统298.1.9电气控制系统348.1.10沼渣沼液储存系统348.1.11有机肥制造系统348.1.12附属配套系统358.2工艺流程及各单元配置358.2.1主要建构筑物（详见第九章）358.2.2反应器和储存罐（柜）配置368.2.3沼气生产主要设备配置368.2.4沼气发电并网主要设备配置378.2.5余热利用系统配置378.2.6其它配套设施37第九章 土建方案389.1总体布置389.1.1工程选址389.1.2总体布置要求389.2平面布置409.2.1平面布置原则409.2.2道路及绿化409.3核心单元设计（以10MW为设计单元）409.3.1原料处理区409.3.2沼渣沼液处理区419.3.3制肥区419.3.4配套设施区42第十章 给水排水设计4310.1设计依据4310.2设计范围4310.3消防给水排水4310.4场区给排水43第十一章 消防与安全4511.1依据4511.2建筑防火4511.2.1总平面4511.2.2单体建筑设计4511.3消防和安全设计45第十二章 电气系统设计4612.1设计规范4612.2集散控制系统的特点4612.2.1控制功能4612.2.2监视操作4612.2.3信息和数据4612.2.4系统扩展4712.2.5安装维护4712.2.6系统可靠性4712.3本项目DCS系统的组成4712.3.1现场监控站（监视站和控制站）4712.3.2操作员站4812.3.3工程师站4812.3.4通讯网络4812.3.5视频监控系统4812.4DCS系统的设计要求4912.5DCS控制系统方框图5012.6低压电力系统设计5012.6.1GCS低压抽出式开关柜的结构和特点5012.6.2MCC柜技术特点5112.6.3设备制造应遵守标准5112.6.4设备规范5112.6.5防雷接地5212.6.6电缆选择及敷设53第十三章 项目投资估算5413.1估算依据和范围5413.2总投资估算5413.2.1土建工程费5413.2.2设备购置与安装费5513.2.3其他费用5713.2.4基本预备费5813.2.5价差预备费5813.2.6建设期利息5813.2.7流动资金5813.2.8投资总额58第十四章 劳动组织与定员59第十五章 经济效益分析6015.1财务评价依据6015.2成本估算依据6015.3损益估算依据6015.4主要经济指标如下（10MW装置）6115.5敏感性分析6215.6盈亏平衡分析6415.7经济评价结论66第十六章 结论与存在的问题6716.1结论6716.2 存在的问题和建议67附 件68附件一 财务分析报表68附件二 10MW装置平面布置81附件三 附件大亚三明41000MW发电项目开发合作协议83附件四 三明市人民政府关于同于大亚发电股份有限公司福建分公司在我市开展火电项目开发工作的函86附件五 DOS控制系统方框图89附件六 会议纪要91第一章 总 论1.1项目概况1.1.1项目名称：沙洋10MW生物质能电厂1.1.2建设单位：大亚发电股份有限公司1.1.3建设地点：沙洋青州镇1.2编制依据和原则1.2.1编制依据（1）中华人民共和国再生能源法；（2）农业部农业生物质能产业发展规划（2007-2015年）；（3）中华人民共和国循环经济促进法；（4）大亚发电股份有限公司福建分公司与三明市政府签订的“福建大亚三明41000MW发电项目开发合作协议”（见附件三）；（5）三明市人民政府明政函200737号“关于同意大亚发电股份有限公司福建分公司在我市开展火电项目开发工作的函”（见附件四）；1.2.2编制原则（1）国家各项方针政策（2）可靠性原则尽量采用国内外成熟可靠的先进技术，遵循技术先进、工艺成熟、质量可靠的原则。（3）资源化原则能源草是一种有价值的资源，经厌氧消化后，可以产出再生能源（沼气、电能）和肥料，具有较好的经济价值。（4）减量化原则能源草经过厌氧消化后，不但能产生沼气，还可减少二氧化碳和有机废弃物的排放。（5）管理简便原则合理处理人工操作和自动控制的关系，对不便人工操作，且人工成本较高的工艺，采用自动化技术，提高系统运行管理水平。（6）综合效益原则兼顾环境效益、社会效益、经济效益，将治理污染与资源开发、燃煤发电与生物质发电有机结合起来，尽量提高本工程的综合效益。1.3研究范围本报告主要着重研究生物质电厂的原料来源与供应，综合处理与利用当地有关餐饮垃圾、禽畜粪便、有机秸秆等为主要目的，通过厌氧发酵生成沼气燃烧发电，以能源草作为主要原料或补充原料混合使用，以提高生产效率，确保发电机组安全稳定运行，并进行投资估算与经济分析，作出项目是否可行的初步意见。1.4研究结论本项目的主要研究结论如下：（1）工程规模：沼气发电机总装机容量为10MW。（2）运行年限：15年，财务分析期限16年（其中包括建设期一年）；（3）效益分析：本项目属于新能源项目，其效益以社会效益及环境效益为主。工程建成后，每年生产沼气2600万m3，年发电6500万kWh，年产有机肥（含水量小于10%）2.93万吨(全部以能源草为原料)或4.47万吨(主要以粪便、餐厨垃圾及秸杆为原料，辅以能源草)。其经济效益指标见下表。表1-1 主要效益指标（全部以能源草为原料，电价为0.629元/度）表1-2 主要效益指标（全部以能源草为原料，电价为0.729元/度）表1-3 主要效益指标(主要以粪便、餐厨垃圾及秸杆为原料，辅以能源草，电价为0.629元/度）表1-4 主要效益指标(主要以粪便、餐厨垃圾及秸杆为原料，辅以能源草，电价为0.729元/度）第二章 项目背景2.1项目建设的必要性及意义我国的电力以煤电占绝对大的比例，是我国最主要的工业污染源。200多年的工业化消耗了大量的一次能源，而化石能源是不可再生的，在不远的将来将要枯竭，发展可再生能源是根本出路。巨菌草是目前已知光合作用率最高的植物，又称能源草，以其为原料生产沼气发电，对开发再生能源新途径，同时促进我国减少二氧化碳排放，保持水土，都具有十分重要的意义，发展前景广阔。本项目把工业与农业发展有机结合起来，发展电力的同时，可以增加农民的收入。大力推广种植能源草并利用其生产沼气和发电，符合循环经济产业发展模式。项目中，二氧化碳通过光合作用被能源草吸收，能源草通过厌氧沼气产生电能和热能，产生的沼液、沼渣又是生产有机肥料的原料，用于种植能源草和农作物。种植能源草可以保持水土、改善土壤。（如图2-1、2-2示意）图2-1 菌草循环产业示范图巨菌草菌草食药用菌栽培畜牧业饲料沼气池沼气菌渣粪便太阳能CO2渣施肥燃烧切碎图2-2 菌草生物质能转化为沼气的循环示意图 同时，将当地工农业生产产生的废弃有机物如：养殖场粪便、农村秸杆、城市餐厨垃圾等综合处理，产生沼气发电，还付产有机肥料，从而既治理了环境，又产生了能源和肥料，达到了废弃物的无害化、减量化、资源化的最高治理目标。2.2养殖场粪便、秸杆、能源草等制沼气发电的作用本工程以养殖场粪便、秸杆、能源草为原料，利用生物工程技术，将其转化为沼气和有机肥料，实现变废为宝。沼气经过能量转换，一部分转变为电能输出，另一部分转变为热能利用；有机肥料供给本地的农业生产。将发电系统回收的余热蒸汽或热水用于厌氧系统发酵罐的保温增温。这样，一方面为当地提供了一定的清洁可再生能源；另一方面，为当地农业生产提供源源不断的低价、高效、优质的有机肥料，在当地种植能源草，还可以促进了当地绿色农业的发展。2.3建设地概况三明市位于福建省中西部，其地理坐标为北纬25292707，东经162211839。土地面积约2.293万km2，辖梅列、三元二区，永安市，大田、尤溪、沙洋、将乐、泰宁、建宁、宁化、明溪、清流9县，人口268.1万人。三明市是福建省重要的工农业产区，三明市工业基础雄厚，是福建省重要的原材料工业基地，拥有冶金、化工、煤炭、机械等比较齐全的工业体系。“十一五”期间，三明市将突出工业城市战略，壮大工业经济总量，三明市矿产资源总量是福建省第二位。三明市历史悠久，山川秀丽，具有广阔的发展前景。三明市已初步形成以公路为主体，铁路为支撑，水运为辅助的区域交通体系，三明市现有三（明）福（州）、银（川）福（州）高速公路在沙洋境交汇，205、305、316国道，7条省道。鹰厦铁路从南平入境，由北向南贯穿三明进入漳平市，水运有沙溪、尤溪、金溪。“十一五”期间三明市将加快建设向莆铁路，推进鹰厦铁路的改造，积极推进“一纵二横三联”高速公路主骨架建设，加快“三横四纵”省级干线公路的建设改造，加快建设三明沙洋机场，配合沿海港口建设，完善沙溪、尤溪、金溪经闽江至福州的航道。以上规划使得三明市境内选址建设大型火力发电厂的燃料运输问题有望得以解决。因此三明具有良好交通体系，具备建设大型燃煤发电厂的有利条件。2.3.1厂址概况沙洋位于福建省中部偏西北，闽江支流沙溪下游，东邻南平，西近三明，南溪大田，西北与明溪、将乐交界，北接顺昌。沙洋属华南丘陵山地，亚热带季风气候，气候宜人。全境总面积1815km2，辖6镇4乡2街道和1个省级开发区和1个市级开发区，180个村（居）委会，总人口24万人。2006年实现地区生产总值48.92亿元，财政收入2.3亿元。1999年、2002年两度评为全省经济发展“十佳县”，被省政府政策研究中心评定为全省最具发展潜力的县份，在2006年福建县级经济评价中，经济实力居全省县级第17位。沙洋有着独具的交通区位优势。2006年沙洋被列为全国百个、全省四个重要综合交通枢纽。公路方面，沙洋是福建中部高速公路重要的控制性枢纽，福银高速公路已全线建成通车；三泉高速公路正式动工建设，可于2008年建成通车；三厦高速公路已着手进行规划；铁路方面，鹰厦铁路横贯全境，向莆快速铁路过境沙洋并设联轨站，已做好前期工作，年内控制性工程可动工，将于2010年全面建成；空运方面，三明机场续建工程于2006年正式动工，可望于2008年建成投入使用，沙洋作为福建省重要交通枢纽的地位日益显现，为本项目实施提供了便利的基础条件。沙洋地势从东南、西北向沙溪河谷倾斜，西北部多低山丘陵，东南部以中低山为主，境内最高峰锣钹顶海拔1537m。主要河流沙溪，为闽江三大源之一，还有支流东溪、南溪。境内耕地1.76万公顷，有林地13.78万公顷，森林覆盖率77.6。根据康达新能源研究院与大唐电力福建分公司三明项目部达成的初步意见，生物质电厂拟选厂址靠近火电厂，拟选厂址的形势及状况在火电方案已有详尽描述，本方案不再复述。2.3.2交通运输火电预可研报告中有详尽描述，本报告略。2.3.3水资源情况火电预可研报告中有详尽描述，本方案略。第三章 资源状况与分析3.1土地资源情况根据统计，三明市土地面积3439.32万亩，其中各县（市、区）土地面积分别为：市区173.36万亩、永安市441.17万亩、明溪县256.29万亩、清流县271.27万亩、宁化县357.19万亩、大田县334.08万亩、尤溪县513.8万亩、沙洋269.2万亩、将乐县337万亩、泰宁县230.27万亩、建宁县255.69万亩。三明市耕地面积309.82万亩，占全市土地面积的9%，其中灌溉水田面积273.853万亩，望天田面积15.26万亩，水浇地面积0.08万亩，旱地面积18.34万亩，菜地面积2.28万亩。三明市耕地较集中于河谷平地、山间盆地以及沿河丘陵地。按行政区划的耕地面积较大者属宁化县、尤溪县、大田县、永安市和沙洋，这些县（市）耕地面积占全市耕地面积的62.99%，其余7个县（区）的耕地面积仅占全市耕地面积的37.01%。3.2能源草、粪便、秸杆等资源分析能源草又名巨菌草，是福建农林大学菌草研究所林占熺研究员分别于2000年从埃及、2003年从南非引进，已初步进行了适应性栽培试验和生物学特性研究及其他应用研究。根据初步的观测、试验和研究，该草是禾本科多年丛生草种，生物量大，种植一次可连续收割二十年。该草粗蛋白含量高达10%，优于稻草（粗蛋白含量3.5%）和玉米杆（粗蛋白含量4%），粗纤维28.5%、粗脂肪3.8%。现已完成了巨菌草的分子标记基因型鉴定，初步结论为目前国内新引进的草种。初步的栽培和应用研究结果表明，该草用途广泛。经规模化种植和加工，用于以草代木栽培食用菌，主要适栽菌种有香菇、灵芝、猴头菇等多种菌；养分和能量的利用率高，可用于治理水土流失；粗蛋白含量高，作牧草栽培，用作青饲料供应规模化养殖场。作生物质制沼气发电原料，其热值高达35004100大卡/公斤，是理想的可再生能源，成本和效益优于秸杆，具有很大优势。福建省政府正在大力支持林占熺研究员发展菌草产业，开展百村计划，由张昌平常务副省长任领导小组组长，在全省全面推广可持续发展的菌草循环产业，并设立618菌草技术公共服务平台，可为本项目提供很好的产业技术支撑及政策基础。 沙洋青州涌溪厂址作为备选厂址，周围50公里范围内可用原料资源如下：序号地区名称数量（万头）数量（万吨，以干物质计）1沙洋猪存栏122.02秸杆1.63南平延平区猪存栏6010.04南平延平区人口10万人产生餐厨垃圾1000吨 合计有机废弃物为13.6万吨/年(以不含水的干基计)，以收集率50%计算，可利用的有机废弃物6.8万吨/年(以不含水的干基计)。按1吨干物质产沼气300立方米计算，年可产沼气2040立方米，根据最新成果，康达公司引进消化再创新的进口发电机每方沼气可发电2.5度，则年可发电5100万度,可装机7850千瓦，即本工程（装机10000千瓦）的78.5%的原料可由当地的粪便、秸杆、餐厨垃圾等解决，其余原料可种植能源草加以解决，根据福建林业大学的研究成果，每亩可产干能源草5吨，每吨干能源草可产沼气400立方米、发电1000度，则需种植能源草的面积为：（65005100）（10005）=0.28万亩=2800亩。3.2.1作为新的生物质能源产业发展项目的可行性巨菌草（又称能源草）可在非农用土地上种植，对生态环境产生积极的影响，并且效率更高。能源草作为生物燃料发电，在大规模专业化的生产经营情况下，其成本并不比收购储存加工秸秆高，而作为生物质制沼气的发酵原料，更是具有优势。以种植一次可收割二十年来计算，用草发电是目前生物燃料中最经济、最清洁的方法。用草发电的生态效益还远远大于用煤，替代石化燃料可减少CO2的排放量；能源草发电CO2近零排放；能源草的推广可补充或替代煤、重油、秸秆和林木作为新的燃料来源。巨菌草可一年收割多次，除长期雨季外都可收割，根据电厂的生产计划和当地气候进行分批收割、破碎、干燥，从加工地点直接运送到电厂。所需仓储面积较小，储藏时间短，草粉质量和供应稳定。专业化集中种植，草源稳定，本工程所需原料若全部以能源草为原料，则年需能源草干草6.5万吨，种植面积1.3万亩，若利用当地的粪便、秸杆、餐厨垃圾 能源草，如前所述，仅需1.4万吨干能源草，能源草种植面积2800亩。能源草中P、K、S等矿物质元素含量低于秸秆，原料质量稳定，抗病虫害性能强，多年生，能增加土壤有机质含量及理化性质的改善，有利于生物多样性状况的改善。3.2.2已有的成功应用的案例福建农林大学林占熺课题组在宁夏对口帮扶种植巨菌草，亩产达24000公斤新草，适合作菌草栽培也可作青饲料。在宁夏河套地区做治理沙漠栽培试验取得初步成功。在浙江金华兰溪河滩沙地栽培108天，株高3.5米收割，亩产1.4万斤新草，全年亩产4.5万斤新草，已经在2008年10月12日用巨菌草试验成功发电，效果良好。我国较为适宜种植能源草的地区有海南、福建和云南。在巴布亚新几内亚做菌草栽培可年收割3次，生物量大、蛋白质营养水平高，是做菌草和饲草的理想原料。另外还可做生物质燃料用于火力发电和工业锅炉燃料，燃烧值35004100kcal/kg，在巴西和德国等国家已有合作成功运用大规模种草火力发电的案例。菌草研究所和南非已开发出该草种植和收割机械，3人一小时可一次性完成1公顷草场的栽种，开沟、放种、施肥、盖土、压实，六道工序一次完成。3.2.3生态安全问题巨菌草是丛生草种，收割后留茬可再生。该草在我国大部分地区不抽穗，偶有个别抽穗开花结籽，但草籽发芽率仅千分之一左右，不易自然传播，人工种植以扦插栽培为主，目前没有发现生物安全性问题。福建农林大学菌草研究所林占熺研究员在我国、马来西亚、巴布亚新几内亚、南非、莱索托、卢旺达种植多年的情况来看，没有发生生物入侵现象。3.2.4可预见的经济和生态效益根据初步研究和推测，利用当地养殖场粪便、农村秸杆、餐厨垃圾和种植巨菌草具有显著的环境效益、生态效益和一定的经济效益。（1）环境效益：利用当地养殖场粪便、农村秸杆、餐厨垃圾等工农业废弃有机物，既减少了这些废弃物对环境的污染，又获得了清洁的可再生能源和绿色有机肥料。（2）生态效益：种草与农作物相比，少施肥，不用除草剂，天然害虫较少，几乎不用杀虫剂。种一年可连续收割至少二十年，多年生的草不干扰土壤系统。在长达二十年的生产栽培期间，对土壤的耕作仅限于种植当年，可降低土壤侵蚀，增加土壤有机质含量；营养物质可通过根茎系统进行循环利用，因此对化肥的输入要求较低。种草能修复生态，在坡地、盐碱地、沙地、荒地、受到重金属污染等地方种草，能涵养和保护水源、保持水土，增加土壤有机质含量，减轻土壤板结，净化水体，因此，可有效利用和改良农业废弃地、农田边际土地、荒地、盐碱地、干旱地、山坡地、沙地等土地资源。种草有助于保持甚至改善生态多样性，草丛中生长各种昆虫，并且吸引鸟类筑巢和小型哺乳动物栖息；由于长期免耕，再加上晚冬至早春的延迟收获方法，适合各种鸟类和小动物繁殖，增加草丛中不同物种，特别是鸟类、哺乳动物和昆虫的数量。（3）经济效益：利用当地的养殖场粪便、秸杆、餐厨垃圾等废弃物和种植巨菌草（能源草）可实现CO2零排放，减少SO2排放。国家政策支持，可获国家专项资金资助和电价补贴等。种植能源草，每亩年产新草达2530吨，相当于45吨原煤（原煤6001000元/吨）。栽培技术简单，一次耕种，每年收割多次，20年不需再种植。经济价值远远大于一般农作物。3.3粪便、秸杆、能源草的价格粪便及餐厨垃圾收购半径50公里，其以干物质(不含水)计算，收购价为220元/吨；能源草当地种植，收购范围设定在项目厂址周围20公里内，鲜草收割并当场粉碎成2cm至5cm左右的大小，打包压缩并运送到生物质电厂的贮料仓库，换算为不含水的能源草到厂价格拟定为300元/吨。若大亚福建分公司自己租地种植，成立专业的能源草种植及供应公司，向电厂供料，这样不仅可保证能源草量的稳定供应，而且还可降低能源草的价格与电厂的生产成本。3.4原料的运输分析及沼渣沼液处理方案三明市区域内有国、省、市高等级干线公路，基本实现了“村村通”硬覆盖水泥路，已达到晴雨通车，连接千家万户，为项目建设所需原材料及原料运输提供了便利条件。三明市交通运输能力比较强，境内有铁路、公路、水路，公路交通连接各村组，形成了公铁运输互补的交通运输网络。生物质电厂依托大唐电力火电厂，运输有保障。3.4.1运行分析鉴于生物质能发电的特点，原料的收集与运输应保持良好的连续性和稳定性，才能发挥最大的投资效益。三明市交通条件较好，能源草运输半径小，通讯方便，所以，从收储点到电厂运输十分方便。但从调度角度讲，电厂应与收储点建立便捷有效的调度运输体系，这样可以有序运输，保证电厂原料的供应。电厂原料供应调度以先远点后近点形式调运，有意保留近点储备，以备应急时用，由于交通十分便利，原料调度十分方便，从收购点到料场运输十分方便。电厂的贮料场设在厂内。为了消防需要，秸杆、能源草等原料仓库离生物质电厂为3至5公里，粪便贮存库可建在厂区内。3.4.2原料的供应风险分析粪便、秸杆、能源草的价格及供应会随着农民的生产积极性及亩产量变化及其它相关因素的变化而变化。电厂可部分或全部自建能源草示范基地，自行种植，可以调节价格，降低风险及保证生产平稳。3.4.3沼渣沼液处理方案发电厂在厌氧生产沼气过程中将产生大量的沼渣沼液，其含有钾、镁、磷、钙、腐植酸等有机物质，是很好的有机复合肥原料，可以施用于农作物。沼渣可与氮、磷、钾复配成有机无机复合肥料，沼液可低价售予农民做叶面肥或农田灌溉，用于发展有机农业和绿色食品种植。沼液还可用于能源草种植，从而降低种植成本。第四章 建设规模及占地面积4.1建设规模生物质发电工程拟建规模为10MW，若全部以能源草为原料，年消耗能源草干草6.5万吨，需种植面积1.3万亩以上。若以当地的养殖场粪便、秸杆、餐厨垃圾等为主要原料，按50%收集率，其干物质为6.8万吨，另需能源草1.4万吨，能源草种植面积2800亩即可。4.2占地面积本工程主要包括原料储存区、原料预处理区、厌氧反应区（制沼气）、沼气预处理区、发电区、制肥区等。装置占地面积约为：6.5万平方米即6.5公顷或约100亩。其中：原料贮存区占地面积约0.3104m2、原料预处理区占地面积约0.45104m2、厌氧反应区（制沼气）占地面积约1.3104m2、沼气预处理区占地面积约0.13104m2、沼气贮存区占地面积约0.15104m2、发电区占地面积约0.2104m2、制肥区占地面积约2.5104m2，其它约1.47104m2。第五章 项目资源量与产品量计算5.1物料总量和补充水量计算本工程采用生化厌氧反应器，总装机10MW，年生产时间以6500小时计。方案一：全部以能源草为原料则10MW装置日需投入能源草240吨（不含水的干物质）。能源草经过粉碎打浆之后，添加菌种调节物料的TS(干物质)浓度到8%，每天进料量为3000吨。方案二：大部分以粪便、秸杆及餐厨垃圾为原料，辅以能源草则10MW装置日需投入不含水的干物质302.77吨。原料经过粉碎打浆之后，添加菌种调节物料的TS(干物质)浓度到8%，每天进料量为3784.63吨。5.2沼气产量、发电量计算5.2.1沼气产量计算10MW装置日需沼气96000立方米沼气，日发电24万度。5.2.2沼气发电量计算 10MW装置日发电24万度。5.3沼肥产量估算方案一：全部以能源草为原料10MW装置可产含水率为10%的沼渣肥约2.93万吨/年，沼液约74万吨/年，其中48万吨返回预处理工序循环使用，21.5万吨做液体肥。方案二：原料大部分以粪便、秸杆及餐厨垃圾为原料，辅以能源草10MW装置可产含水率为10%的沼渣肥约4.47万吨/年，沼液约74万吨/年，其中48万吨返回预处理工序循环使用，26万吨做液体肥。第六章 物料平衡分析6.1沼渣沼液产量估算6.1.1沼渣产量估算方案一：全部以能源草为原料10MW装置日需干物质（TS）总量为240吨。预处理阶段损耗量为1.2吨（TS），包括沉砂、矿物质及少部分有机质等，该部分消耗将作为垃圾外运消纳。厌氧阶段消耗量为120.0吨（TS），该部分TS消耗是生物质能转化、沼气生产的主体。厌氧阶段TS的输出量为118.8吨，其中71.28吨（TS）由厌氧反应器底部作为沼渣排出，进入沼渣固液分离系统；47.52吨（TS）与厌氧反应器上部出水一并排出，进入沼液固液分离系统。沼渣固液分离系统的分离能力为90%，分离出64.15吨沼渣（TS），余7.13吨（TS）进入沼液储存池。沼液分离系统的固体分离能力为70%，分离出33.26吨（TS）沼渣，余14.26吨（TS）进入沼液储存池。总计沼渣（TS）97.41吨，沼液（TS）21.39吨，得含水率65%的沼渣278.31吨。方案二：大部分以粪便、秸杆及餐厨垃圾为原料，辅以能源草10MW装置日需干物质（TS）总量为302.77吨。预处理阶段损耗量为1.51吨（TS），包括沉砂、矿物质及少部分有机质等，该部分消耗将作为垃圾外运消纳。厌氧阶段消耗量为120.0吨（TS），该部分TS消耗是生物质能转化、沼气生产的主体。厌氧阶段TS的输出量为181.26吨，其中108.76吨（TS）由厌氧反应器底部作为沼渣排出，进入沼渣固液分离系统；72.5吨（TS）与厌氧反应器上部出水一并排出，进入沼液固液分离系统。沼渣固液分离系统的分离能力为90%，分离出97.88吨沼渣（TS），余10.88吨（TS）进入沼液储存池。沼液分离系统的固体分离能力为70%，分离出50.75吨（TS）沼渣，余21.75吨（TS）进入沼液储存池。总计沼渣（TS）148.63吨，沼液（TS）32.63吨，得含水率65%的沼渣424.66吨。6.1.2沼液产量估算方案一：全部以能源草为原料图6-1 物料平衡示意图方案二：大部分以粪便、秸杆及餐厨垃圾为原料，辅以能源草原料预处理损耗厌氧反应器沼气沼液1514t水：1207.7t5000.7t4721.1t水: 928.1t水:3.5tTS:120.0t3793.0t20.0%TS:301.3t其中：TS:434.8tTS:1.51t其中：TS：166.3tTS: 32.8t含水量3.6t其中TS：133.5t沼渣水：276.0tTS: 148.6t回流图6-2 物料平衡示意图原料预处理损耗厌氧反应器沼气沼液1200.0t水：957.2t35331.2t3441.7t水: 772.7t水:2.8tTS:120.0t2576.0t20.0%TS:238.8t其中：TS:310.4tTS:1.2t其中：TS：93.0tTS: 21.4t含水量3.6t其中TS：71.6t沼渣水：180.9tTS: 97.4t回流 从上看出：全部采用能源草和少部分采用能源草，其沼液产量分别为：794.1吨/天（21.5万吨/年）和960.9吨/天（26.0万吨/年），见物料平衡图。6.2物料平衡计算以10MW装置一天的处理量作物料平衡计算，根据原料的不同会有不同,.其每天的物料平衡见图6-1、图6-2。第七章 产物供需平衡分析和解决方案7.1沼气利用方案选择7.1.1沼气供需平衡分析关于供需平衡的分析，主要考虑其经济价值量和方案的可行性。不同的分配方案其经济价值量会有差异甚至会有比较大的差异，此外，可操作性也是方案选择必须考虑的重要因素。7.1.2方案比较分析这里我们对2种选择方案进行比较分析。方案1：沼气全部用于发电并网销售。方案优势：（1）能源利用程度高。沼气发电机组热电联产的能量转换率最高可以达到80%，其总能量损失仅占20%；（2）热能利用充分。冬季用于厌氧反应器的保温、增温；夏季用于空调制冷；（3）电力销售收入稳定。2006年开始实施的可再生能源法是并网售电的法律保障，而且国家对于可再生能源生产的电力售价有优惠政策；（4）为CDM提供准确的数据计量。CDM以电力销售为计算依据，如果发出的电不进行上网销售，将无法操作CDM有关事宜；（5）设备利用率高，管理简便；（6）经济效益高。如果计入CDM收入，可获得很高的经济效益。即使不计入CDM收入，该方案的经济效益也较高。方案不足：对运行管理人员的技术素质要求高。方案2：沼气全部作为燃气使用。方案优势：（1）能源利用程度高；（2）经济价值高；（3）内部技术管理简便。方案不足：（1）销售收入不稳定；（2）投资大。沼气储存量大，加之沼气输配管网规模大，设施要求高；（3）CDM无法操作；（4）用户管理、费用收取、输出管网维护均有一定的难度。7.1.3方案选择综合考虑能源利用程度、经济价值、可操作性、管理复杂程度等因素，我们选择方案1作为设计方案。2种方案比较见表7-1。表7-1 沼气利用分配方案比较表比较指标方案1方案2能源利用程度高中销售收入高高收入稳定性高低CDM操作可能不可能余热利用易无余热利用运行管理要求高低投资回收期短长7.2沼肥种养平衡和有效利用解决方案本工程无论全部采用能源草或部分采用能源草，都将产生一定的沼液及沼渣，沼液可做液面肥给能源草或当地农作物施肥，这样既有利于能源草或农作物的快速生长，又可节约成本；沼渣则加工成颗粒肥外售。7.2.1沼肥优势分析沼肥是沼气发酵的残余物，含有较全面的养分和丰富的有机质，是具有改良土壤功效的优质有机肥料。沼肥含有丰富的氮磷钾等大量营养元素和多种微量营养元素，而且这些营养元素基本上是以速效养分形式存在的，因此，沼肥的速效营养能力强，能迅速被作物吸收，养分可利用率高，是多元的速效复合液体肥料。另外，沼肥中还富含多种氨基酸和维生素等，因此，沼肥也是畜禽饲料的良好添加料。根据有关研究表明，沼肥作为优质有机肥料与化肥或其它有机肥相比，明显提高了作物的产量和品质，并防病抗逆，其机理在于沼肥的养分结构易于吸收，有改土培肥、营造良性土壤微生态系统作用，其生命活性物质有助于提高抗逆能力。一般沼肥主要有两个处理去向：第一个是在农耕施肥季节，沼肥直接输送（管道、车辆）到果园、苗圃、农田等施肥用地，作为液态有机肥使用；第二个是在非农耕施肥季节，沼肥进入有机肥储存区，待农耕季节使用。沼肥不仅养分全、肥效快，而且易吸收，残留少，便于改良土壤的根际环境，疏松土壤，很少有盐分积累，是无公害栽培的首选肥料。沼肥作为一种优良的有机肥料可以完全代替化学肥料，大量试验说明沼肥是一种优质、全效的有机肥料。在生产中，沼肥有机肥可以用作基肥、追肥。沼肥用作果树基肥，使其结果大，果实色鲜、味美、甜度好。沼肥用于稻田，作物生长强壮，植株挺拔翠绿，分蘖多、苗高且根系粗壮发达，有效穗、穗粒数、结实率都有所提高。长期使用沼肥可以促进土壤团粒结构的形成，改良土壤结构，增强土壤保水保肥能力，提高土壤温度，改善土壤的理化特性，提高土壤中有机质、全氮、全磷以及土壤速效养分的含量，从而提高了土地肥力，并且减少化肥对环境的污染，降低用肥成本。根据试验研究，施用沼肥的土地与施用普通化肥的土地比较，土壤有机质含量增加1.02.0，全氮含量增加0.1左右，土壤速效氮、速效钾的含量分别提高60左右，其中，沼肥对提高土壤速效磷含量效果最为明显，施用沼肥的土壤速效磷含量是施用普通化肥的78倍。7.2.2沼肥承载土地量分析本项目全部完工，年产沼渣有机肥（含水率小于10%）3万或4.5万吨，根据相关数据推算，按一季农作物亩施肥标准计算，土地承载量在50万亩左右。如双季农作物或果园则土地承载量减半，为25万亩；如蔬菜大棚或苗圃，土地承载量则为计算量的1/3，大约为8万亩左右。三明市农业发达，水资源丰富，适宜多种农作物生长，有耕地309万亩，厂址所在地附近其它市也有大量耕地；因此，从土地承载量上分析，在三明市及周边市完全可以消化本项目所产有机肥。7.3发电机余热有效利用方案如上所述，发电机组在发电的同时还供应大量热能，这部分热能能否有效利用是节能的关键所在。本方案是将回收的这部分余热给发酵罐中物料增温及保温，从而达到能源综合利用，降低能耗的目的。第八章 技术方案本方案总装机10MW，每天需要干物质240吨(全部采用能源草)或302.77吨(主要以粪便为主，部分部采用能源草)。8.1工艺流程说明8.1.1物料收集系统原料主要来源是当地的粪便、餐厨垃圾、秸杆及能源草。物料收集系统主要是运输车辆与仓库，原料由供应商提供并输送到电厂料场仓库。8.1.2物料储存系统建（构）筑物包括原料储存场，可以存储三天的原料量。8.1.3预处理系统建（构）筑物包括预处理车间、调浆软化池、均质进料池、物料提升泵房等。预处理车间内主要进行原料的粉碎打浆；将粉碎后的物料暂存于调浆软化池，加入水或者沼液进行调节；将浆料投入均质进料池，每个进料池每三个小时进料一次，进料时间为1小时，备料（包括物料从调质软化池到进料池，沼液回流及搅拌）时间为2小时，两个进料池轮流进料。设备包括切割机、粉碎机、搅拌机、换热器、物料提升泵等。8.1.4沼气生产系统建（构）筑物包括厌氧反应器、操作间等。浆料在反应器中进行厌氧消化，这是产生沼气的核心装置，配备搅拌器；操作间内集中放置反应器和各种设备的电源开关及操作工具。设备包括搅拌器、工艺管路以及配套钢构，采用机械搅拌。目前厌氧产沼气过程中成熟的工艺设备包括完全混和厌氧工艺反应器、厌氧接触工艺反应器、上流式厌氧污泥床反应器及升流式厌氧固体反应器，下面通过对各种反应器的介绍和对比，选择适合本工程的工艺设备。（1）完全混合厌氧工艺反应器（CSTR）传统的完全混合厌氧工艺（CSTR）是借助消化池内厌氧活性污泥来净化有机污染物。有机污染物进入池内，经过搅拌与池内原有的厌氧活性污泥充分接触后，通过厌氧微生物的吸附、吸收和生物降解，使废水中的有机污染物转化为沼气。完全混合厌氧工艺池体体积较大，负荷较低，其污泥停留时间等于水力停留时间，因此不能在反应器内积累起足够浓度的污泥，一般仅用于城市污水厂的剩余好氧污泥以及粪便的厌氧消化处理。（2）厌氧接触工艺反应器厌氧接触工艺反应器是完全混合式的，是在连续搅拌完全混合式厌氧消化反应器（CSTR）的基础上进行了改进的一种较高效率的厌氧反应器。反应器排出的混合液首先在沉淀池中进行固液分离，污水由沉淀池上部排出，沉淀池下部的污泥被回流至厌氧消化池内。这样的工艺既保证污泥不会流失，又可提高厌氧消化池内的污泥浓度，从而提高了反应器的有机负荷率和处理效率，与普通厌氧消化池相比，可大大缩短水力停留时间。目前，全混合式的厌氧接触反应器已被广泛应用于SS浓度较高的废水处理中。其不足之处在于，厌氧污泥经沉淀池再回流，温度变化较大，影响了厌氧处理效率的提高，同时，厌氧罐内的热能损失也较大。（3）上流式厌氧污泥床反应器（UASB）待处理的废水被引入UASB反应器的底部，向上流过由絮状或颗粒状厌氧污泥的污泥床。随着污水与污泥相接触而发生厌氧反应，产生沼气引起污泥床的扰动。在污泥床产生的沼气有一部分附着在污泥颗粒上，自由气泡和附着在污泥颗粒上的气泡上升至反应器的上部。污泥颗粒上升撞击到三相分离器挡板的下部，这引起附着的气泡释放；脱气的污泥颗粒沉淀回到污泥层的表面。自由状态下的沼气和由污泥颗粒释放的气体被收集在三相分离器锥顶部的集气室内。液体中包含一些剩余的固体物和生物颗粒进入到三相分离器的沉淀区内，剩余固体物和生物颗粒从液体中分离并通过三相分离器的锥板间隙回到污泥层。UASB反应器的特点在于可维持较高的污泥浓度，很长的污泥泥龄（30天以上），较高的进水容积负荷率，从而大大提高了厌氧反应器单位体积的处理能力。但是对于SS含量很高的污水，由于三相分离器泥、气、水分离能力的限制，不可避免地造成出水中含泥量很高，整个系统的投资费用也较大。（4）升流式厌氧固体反应器（USR）升流式厌氧固体反应器是一种新型的专用以处理固体物含量较大的反应器，其构造特点是反应器内不设三相分离器和其它构件。含高有机物固体含量（大于5）的废液由池底配水系统进入，均匀地分布在反应器的底部，然后上升流通过含有高浓度厌氧微生物的固体床。使废液中的有机固体与厌氧微生物充分接触反应，有机固体被液化发酵和厌氧分解，约有50%左右的有机物被转化为沼气。而产生的沼气随水流上升具有搅拌混合作用，促进了固体与微生物的接触。由于重力作用固体床区有自然沉淀作用，比重较大的固体物（包括微生物、未降解的固体和无机固体等）被累积在固体床下部，使反应器内保持较高的固体量和生物量，可使反应器有较长的微生物和固体滞留时间。通过固体床的水流从池顶的出水渠溢流至池外。在出水溢流渠前设置挡渣板，可减少池内SS的流失，在反应器液面会形成一层浮渣层，在长期稳定运行过程中，浮渣层达到一定厚度后趋于动态平衡。不断有固体被沼气携带到浮渣层，同时也有经脱气的固体返回到固体床区。由于沼气要透过浮渣层进入到反应器顶部的集气室，对浮渣层产生一定的“破碎”作用。对于生产性反应器由于浮渣层表面积较大，浮渣层不会引起堵塞。集气室中的沼气经导管引出池外进入沼气贮柜。反应池设排泥管可将多余的污泥和下沉在底部的惰性物质定期排除。几种典型的厌氧反应器适用性能比较见表8-1。表8-1 厌氧反应器适用性能比较表反应器名称优点缺点适用范围完全混合厌氧反应器（CSTR）投资小、运行管理简单容积负荷率低，效率较低，出水水质较差适用于SS含量很高的污泥处理厌氧接触反应器投资较省、运行管理简单，容积负荷率较高，耐冲击负荷能力强停留时间相对较长，出水水质相对较差适用于高浓度、高悬浮物的有机废水上流式厌氧污泥床反应器（UASB）处理效率高，耐负荷能力强，出水水质相对较好投资相对较大，对废水SS含量要求严格适用于SS含量适低的有机废水升流式厌氧固体反应器（USR）处理效率较高，投资较省、运行管理简单，容积负荷率较高。对进料均布性要求高，当含固率达到一定程度时，必须采取强化措施。适用于含固量高的有机废水从以上列表可知，各种类型的厌氧工艺各有其优缺点和使用范围，在一定的条件下选择合适的工艺型式是厌氧消化工艺处理成功的关键所在。最适合本项目的工艺设备为完全混和厌氧反应器。8.1.5沼气净化系统建（构）筑物包括沼气净化间和控制间；设备包括风机、化学脱硫塔、脱水器、凝水器等。从厌氧发酵系统收集来的沼气，经过预处理之后能达到发电机设备对燃气的要求，系统压力的稳定通过自控系统和风机连锁调节来实现。预处理流程如图8-1所示：图8-1 沼气预处理工艺流程图从沼气生产系统产出的沼气进入预处理系统，此时沼气相对湿度为100%，经过高效除沫分离器，除去气体中的水雾和机械杂质，使出口气体中的含水量饱和且粉尘粒径小于50m，同时微量硫化氢、氨等有害气体溶于凝液中，排出系统。脱后处理后的气体进入深度冷却系统，在列管式换热器里与低温冷冻水换热，通过冷凝进一步除去气体中的水气及微量有害气体，同时也可利用凝水过程将沼气从脱硫塔内带出来的少量粉尘吸附去除，出冷凝器的沼气相对湿度小于80%，能满足燃气发电机等对水含量的要求。制冷系统采用列管式换热器冷凝，其具有温度分布均匀、冷量利用率高、冷凝水分离彻底的优点。在四季温差比较大的使用环境下，制冷机组在使用过程中，气温高时，制冷循环冷媒可以用水；气温低时，为防止冷媒液结冰，需要在冷媒液中加入助剂，降低冷媒液的凝固点，确保制冷过程的正常进行。冷凝器后设有一体化的气水分离器，可以将冷凝器产生的大部分液态水去除。本系统工艺设计过程中，每两套预处理系统配备一台备用风机和备用脱硫塔，以应对风机和脱硫塔在运行中出现故障以及更换脱硫剂的情况。8.1.6沼气储存系统沼气储存装置的选取从安全性能和成本两个方面进行评价。钢质耐压储罐和干式双膜气袋的安全性均良好，而干式双膜气袋的造价较前者低很多，性价比更好，故在此选用干式双膜气袋对沼气进行储存。8.1.7沼气发电并网系统建（构）筑物包括沼气加压机房、沼气发电机房、并网机房、控制机房等；设备包括沼气加压机、沼气发电机、电力并网设备、控制设备等。发电机组为本系统核心设备。（1）国外沼气机组的发展现状欧美等发达国家发展沼气发电机组已有四十多年的历史，开始主要其主要是在柴油发电机组上进行改造，其发动机的设计理念、材料及控制系统的限制，大大制约了沼气发电机组在单机容量上进行提升，但随着在科研、资金及人力上力度的加大，重新按照沼气发动机的理念进行设计，各种材料的制造技术及机组控制系统的逐步成熟及完善，运行良好的沼气发电机组才开始大量使用在新能源领域。近二十年来，作为可再生能源发电系统中的沼气发电机组得到飞速发展，发达国家在建及已经投产的沼气发电机组有数万台之多，其中机组最长的运行时间有25年以上，从机组参数来看，沼气机组的单机容量也由25kW400kW发展到800kW1500kW，从维修保养的互换性，高性能的材料及机组控制系统的稳定性来看，现在用于大型生物质能发电的单机容量普遍集中在1000kW功率段。根据沼气工程所产沼气量，生物质能电厂工程规划总容量为50MW，分为五个设计单元，每单元10MW，可选用发电机组容量为101000kW的沼气发电机组。目前在世界范围内，大型沼气发电厂普遍采用1000kW的沼气发电机组，且1000kW大沼气发动机发展至今，已经积累了大量的发动机设计、制造和控制的成功经验，技术相当成熟。（2）进口机组同国产机组的对比现在国外沼气机组普遍的发电效率在40%-42%，如果采用余热回收利用系统，整体的热效率可提高到80%以上，大大提高了沼气的综合使用效率。现在的国外沼气发动机采用米勒循环理论，利用发动机在工作时的压缩冲程中，先延迟进气门关闭的时间，活塞已上升约2/5个体积时，进气门才完全关闭，因此有一部分已经进入气缸的气体会重新进入进气支管，这样就造成了实际上的压缩空气没有进气时的多，而把压缩比降低了，所以造成膨胀比大于压缩比的特殊情况。也就是它压缩比较小造成它低沼气消耗,它的膨胀比大而造成它的更大的动力，此外，另一方面也避免过高的压缩比而造成发动机的爆振，大大地提高了机组的稳定性。稀薄燃烧应用在国外沼气机上，在进入发动机上相同空气量时需要更少的沼气，而输出功率相同，同时由于稀燃发动机一般不受到高负荷时的爆燃极限的限制，可以采用较高压缩比，提高了沼气的热效率。由于采用稀的混合气使燃烧温度降低，NOx的排放明显减少，同时燃烧产物中的氧成分有利于HC和CO的氧化，因此，HC和CO的排放也减小，最低可达到250ppm/Nm3的NOx较高排放标准，大大提高了沼气机的排放标准。因生物质能所产沼气中CH4含量会在一定范围内波动，采用空燃比控制系统随CH4含量的波动，调节合适的空燃比保证了发动机运行的稳定性，同时提高了燃料的使用效率。机组维护保养方便且保养时间短，一般1500小时只进行更换火花塞、机油等简单的保养，整个保养可在4个小时完成，小修12000小时可在2天内完成，中修24000小时可在5天内完成，大修48000小时可在10天内完成。由于机组的优越性能，故障率低，在线率高，在生物质能发电领域中，机组都以持续功率运行，在沼气充足的情况下，大多数的沼气机组都在8000小时/年左右稳定运行。而目前国产沼气机的设计基本是在原有的柴油机的设计上进行修改，主要是新增加火花塞点火系统，更改压缩比和部分相关零件。生产设备都采用原有的柴油机生产线，所以产品都带有柴油机的特性。导致输出功率低，体积庞大，运动件过重，使得机组整体效率低，机油消耗过高。由于燃气机热负荷高，气体带有一定的腐蚀性，很多有关零件的材料要求高，零件的热处理和化学处理工艺复杂，导致原有的柴油机零件的材料和工艺都不适应燃气机的要求。所以国产燃气机的大修期短，零件有效工作时间不长，更换频繁，运行成本高。严重的影响在线率，年平均在线时间短，一般只有65%左右。在机组控制系统上，国产机组都是采用传统的柴油机控制系统。在生物质能产沼气过程中，由于其特性决定沼气在产生过程中CH4 的含量，气体总流量，压力都处于一定范围的波动，没有有效的控制能力，就无法使机组正常运行。电压、频率、相位的波动都可能导致并网的失败，影响发电输出总量，产出低。（3）沼气发电机组的容量选择目前在世界范围内，大型沼气发电厂普遍采用1000kW的沼气发电机组，且1000kW大沼气发动机发展至今