【摘 要】随着我国经济的高速发展，能源短缺、环境污染问题日益严峻，人类正急切地寻求能源的综合利用。本文对沼气发电的特点、沼气发电动力装置的选择及关键技术、沼气内燃机发电系统的组成进行了介绍。

【关键词】新能源；沼气发电；内燃机

1 沼气资源的特点

沼气是有机物质在厌氧条件下，经过微生物的发酵作用而生成的一种混合气体。沼气是多种气体的混合物，一般含甲烷50～70%，其余为二氧化碳和少量的氮、氢和硫化氢等。其特性与天然气相似。沼气无色、无味、无毒，比空气轻，难溶于水，易燃。沼气是性能较好的燃料，纯燃气热值为21.98MJ/m3（甲烷含量60%、二氧化碳含量32%）时，属中等热值燃料，沼气还是可再生能源。因此，高效的利用沼气资源，可以有效的减少污染，也使资源得到了综合利用。

2 沼气发电动力装置

2.1 沼气发电动力装置的选择

沼气以燃烧方式发电，是利用沼气燃烧产生的热能直接或间接地转化为机械能并带动发电机而发电。沼气可以被多种动力设备使用，如内燃机、燃气轮机、锅炉等。对于采用沼气发动机（内燃机）、燃气轮机和锅炉（蒸汽轮机）发电这三种形式来说，前两者燃料燃烧释放的热量通过动力发电机组和热交换器转换再利用，相对于不进行余热利用的锅炉（蒸汽轮机）机组，其综合热效率要高。而采用沼气发动机方式的结构最简单，而且具有成本低、操作简便等优点。

在4MW以下的功率范围内，采用内燃机有较高的利用效率。相对燃煤、燃油发电来说，沼气发电的特点是功率小，对于这种类型的发电动力设备，国际上普遍采用内燃机发电机组进行发电，否则在经济上不可行。

沼气发动机一般分为压燃和点燃两种型式。压燃式发动机使用的是柴油、沼气两种燃料，发动机首先通过压燃少量的柴油从而将沼气点燃进行燃烧做功。压燃式的优点是可调节柴油/沼气燃料比，能够适应沼气量和甲烷浓度的变化，当沼气不足甚至停气时，发动机仍能正常工作。缺点是系统较为复杂，发动机价格也高。点燃式发动机特点是系统简单，操作方便，不需要辅助燃料，但受沼气供应的影响，适合于沼气供应稳定的情况。

2.2 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。

2.2.1 沼气的净化处理

沼气的产生主要是通过无氧环境下污水、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。生成的沼气中含有腐蚀性介质，有微量的水分和H2S等，这些腐蚀性介质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。为了除去这些腐蚀性介质，可对沼气进行脱硫，将干式脱硫塔安装在进气管道上，脱硫剂为铁屑；或者采用湿式脱硫塔，脱硫剂为NaOH碱液，浓度30%。另外，为保证沼气质量，还要在进气管道上安装过滤除尘、除湿、除油装置。

2.2.2 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，应对输气管道中的易腐蚀部件进行防护处理。另外，沼气中的H2S燃烧会产生S02，S02的腐蚀性更强，所以燃烧室和排气管均应采取防腐措施。

2.2.3 电控混合器技术

普通的燃气发动机在CH4浓度变化时无法自动调节空燃比，会导致发动机的输出功率和转速波动较大，甚至因点火问题停机。

沼气发电机组采用电控混合器，电脑实时监控燃气的燃烧情况，将信号发送到ECU，然后由ECU发出信号，改变气道的流通面积，从而根据CH4浓度的变化合理匹配沼气和空气的流量，实现实时调节空燃比。

3 沼气发动机发电系统

3.1 系统组成

如图1所示，沼气发电系统主要由消化池、储气罐、供气泵、沼气发动机、交流发电机、沼气锅炉、废热回收装置（冷却器、给水预热器、热交换器、汽水分离器、废热锅炉等），以及脱硫化氢及二氧化碳塔、稳压箱、配电系统、并网输电控制系统等部分组成。

沼气内燃机发电系统主要由以下几部分组成：

（1）沼气内燃机（发动机）。与通用的内燃机一样，沼气内燃机也具有进气、压缩、燃烧膨胀做功及排气四个基本过程。由于沼气的燃烧热值及特点与汽油、柴油不同，沼气内燃机必须适合于甲烷的燃烧特性而设计，一般具有较高的压缩比，点火期比汽、柴油机提前，必须采用耐腐蚀缸体和管道等。

（2）交流发电机。与通用交流发电机一样，没有特殊之处，只需与沼气内燃发动机功率和其他要求匹配即可。

（3）废热回收装置。采用水-废气热交换器、冷却水-空气热交换器及预热锅炉等废热回收装置回收由发动机排出的废热尾气，提高机组总能量利用率。回收的废热可用于消化池料液的升温或采暖。

（4）气源处理。沼气在进入内燃机之前必须经过净化处理，将硫化氢含量降到500mg/m3以下。

3.2 注意问题

根据沼气发动机的工作特点，在组建沼气发动机发电机组系统时，要着重考虑以下几个方面：

3.2.1 沼气脱硫及稳压、防爆装置

沼气中含有少量的H2S，对发动机有强烈的腐蚀作用，因此沼气要先经过脱硫装置。为了使沼气的流量调节准确，应确保进入发动机时的压力稳定，所以需要在沼气进气管路上安装稳压装置。另外，为了防止进气管路回火引起沼气管路发生爆炸，应在沼气供应管路上安置防回火与防爆装置。

3.2.2 进气系统

在进气总管上，需加装一套沼气-空气混合器，以调节空燃比和混合气进气量。混合器应调节精确、灵敏。

3.2.3 发动机

沼气的燃烧速度很慢，若发动机内的燃烧过程组织不利，会影响发动机运行寿命，所以对沼气发动机有较高的要求。

3.2.4 调速系统

沼气发动机的运行是联轴驱动发电机稳定运转，以用电设备为负荷进行发电，由于用电设备的装载、卸载都会使沼气发动机负荷产生波动，为了确保发电机正常发电，沼气发动机上需要安装调速与稳速控制系统。

4 前景展望

沼气发电是提高沼气综合利用的有效方法，也使沼气的利用有了更为广阔的前景。它即能提供清洁能源，又能解决环境问题。尤其是具有一定规模的大中型沼气工程，沼气发电应是其运营的首选途径。如果能实现热电联产，经济效益将更为显著。从我国沼气生产潜力、发电设备水平、市场需求以及国家政策导向来看，可以预见沼气发电有很大的发展空间。

国外的发展经验表明，目前沼气发展的原动力主要是政策激励，沼气发展迅速的一些国家，都有相应的激励政策，包括价格激励、财政补贴、减免税费、配额制度以及加强科研投入等，这些经验对我国发展沼气发电产业极具借鉴价值。

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[责任编辑：丁艳]