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基于沼气工程的分布式供能技术与模式

摘要：为使我国北方农村地区能够更好地实现清洁供能，设计了基于沼气工程的分布式供能供气模式，包括分布式供能供气模式设计、气热联供系统工艺设计、供气集成设备工艺设计、供热锅炉工艺设计、自控系统设计，解决北方地区村镇分布散、输送距离长引起的集中供能难度大、成本高的问题，是实现长距离、较分散的广大农村地区用能用气的有效方式。

黑龙江省农业十分发达，发达农业的背后产生了大量的农业废弃物，秸秆每年超过1亿吨，粪污每年超过3亿吨，严重污染环境[1-4]。沼气发酵作为处理这些有机废弃物的有效技术在我国已广泛应用。沼气的利用形式包括沼气发电并网、提纯车用天然气、民用燃气供暖及炊事等[5-7]。但是，由于我国北方农村地区村与村之间距离较远且较为分散，很难以铺设燃气管网的形式进行农村供气的全覆盖[8-10]。结合多年经验，提出了基于沼气工程的分布式沼气供能供气模式，这是实现长距离、较分散的广大农村地区用能用气的有效方式。

1分布式供能供气模式设计

我国农村地区村落分布一般较分散，传统形式是以沼气工程为中心，通过燃气管道向周围村落进行燃气供应，很难实现农村地区的全范围覆盖，且随着传输距离的增长，建造成本也愈加昂贵[11-12]。设计了基于沼气工程的分布式供能供气模式，以“移动气站”形式进行能源传输，将自然村落作为能源考量和应用的基本单元，摒弃了传统以沼气工程为中心的大面积集中供能的设计和评价方法，克服了北方地区村落分布散、输送距离长引起的集中供能难度大、成本高等问题，适宜于北方农村地区清洁用能的可持续发展[13-14]。

基于沼气工程的分布式供能供气模式的基本内容，是以分散的自然村为单位，建立村基站，进行能源供应。基站气源来自沼气工程生产的沼气，经过压缩灌装至气瓶后运输至村基站。基站内设有供能供气的集成设备，为该村农户提供集中采暖及炊事供气。该模式具体运行流程如图1所示。

2气热联供系统设计

北方地区村镇级沼气型气热联供系统的组成如图2所示。主要由沼气锅炉及其水处理子系统、集成调压及其供气站子系统、自动控制子系统组成。系统采用集中式供热及供气设计，能够提高热能利用效率，降低污染物的排放。

2.1气热联供系统工艺设计

图3是气热联供系统的工艺设计图。系统主要是由村基站、移动式供气集成设备、气站、用户端供气调压箱等部分组成。基站主厂房内主要设计有控制室、锅炉间、水处理间、发电机间和值班室。气站设置于距离基站35m处，保持足够的防火安全距离，主要用于气瓶组的装卸、存放及连接。供气集成设备采用移动式撬装设计，设置于气站旁，露天放置，用于将气瓶中的高压沼气调至燃烧设备适宜的压力，由于末端用户距离气站较远，在用户端设计有供气调压箱，保证稳定的炊事供气压力。

2.2移动式供气集成设备设计

目前，国内缺少针对沼气的调压集成设备，现有调压设备多针对于天然气设计，沼气调压设备并不多见[15-17]，因此设计的供气集成设备中有沼气脱硫装置，有利于增加后端燃气管路及燃烧设备的使用寿命。设备整体采用移动式撬装设计，不需要单独建造设备厂房。配有快速连接接头，用户能够根据实际使用需求将设备拉运至使用场地，即插即用。供气集成设备工艺设计如图4所示。

移动式供气集成设备的作用是将气瓶内20MPa高压沼气安全地调至锅炉及用户炊事燃气灶适用的2～6kPa的目标压力。气瓶组由多个气瓶并联汇流至一条总管进入供气集成设备。供气集成设备内设有三级调压装置，能够得到更平稳的供气压力，适应不同燃气设备的压力需求。其中，一级调压器是将压力从20MPa调至2～4MPa，二级调压器是将压力从2～4MPa调至0.2～0.4MPa，三级调压器是将压力从0.2～0.4MPa调至2～6kPa。管路中的重要压力节点均设有安全阀，当压力传感器检测到节点处压力大于限值时，安全阀泄压后汇流至火炬燃烧，防止泄放造成的大气污染。高压气体在压力释放过程中会吸收大量的热，对元器件造成破坏。本工艺中设计有二次复加热装置，能够有效补充气体压力释放过程中吸收的热量。

由于末端农户距离气站较远，炊事供气管路较长，为保证足够的供气压力，使用二级调压出气口(0.2～0.4MPa)进行供气。入户前装设供气调压箱，再将压力调至合适的炊事压力(2～4kPa)。沼气锅炉和沼气发电机使用三级调压出气口(2～6kPa)直接供气。

2.3沼气锅炉供热设备设计

根据示范村的采暖总面积及房屋维护结构信息，进行供热量核算。锅炉设计功率为700kW，采用常压供热设计，锅炉的基本设计参数如表1所示。

沼气锅炉系统由锅炉本体、沼气燃烧器、自控系统及锅炉辅机等组成，如图5所示。其中，辅机部分包括软水器、补水箱、除污器、分集水器、烟囱等。软水器设计为1t