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【专家解说】：

沼气发电

沼气发电始于20世纪70年代初期。当时，国外为了合理、高效地利用在治理有机废弃污染物中产生的沼气，普遍使用往复式沼气发电机组进行沼气发电。使用的沼气发电机大都是属于火花点火式气体燃料发动机，并对发动机产生的排气余热和冷却水余热加以充分利用，可使发电工程的综合热效率高达80%以上。通常每100万吨的家庭或工业废物就足以产生充足的甲烷作为燃料供一台一兆瓦的发电机运转10～40年。在我国20世纪70年代沼气发电开始受到国家的重视，成为一个重要的课题被提出来。到80年代中期我国已有上海内燃机研究所、广州能源所、四川省农机院、南充地区农机所、武进柴油机厂、泰安电机厂等十几家科研院所、厂家对此进行了研究和试验。在我国，沼气机、沼气发电机组已形成系列化产品。目前国内从8千瓦到5000千瓦各级容量的沼气发电机组均已先后鉴定和投产，主要产品有全部使用个沼气的单燃料发动机及部分使用沼气的双燃料沼气-柴油发动机。

一、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动机、发电机和热回收装置。沼气经脱硫器由贮气罐供给燃气发动机，从而驱动与沼气内燃机相连接的发电机而产生电力。沼气发动机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。

从废水处理厂出来的污泥进入一次消化槽和二次消化槽，在消化槽中产生的沼气首先经脱硫器进入球形贮气罐，然后由此输送入沼气发电装置中。作为发动机燃料的沼气中甲烷的含量必须高于50%，不必要进行二氧化碳的脱除，因为少量二氧化碳对发动机有利，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。

二、沼气用于内燃机的特点

甲烷的辛烷值在105～115之间时，沼气的辛烷值较高。由于抗爆性能好，发动机可以选用较高的压缩比。柴油机在燃用沼气或双燃料时，可以获得不低于原机的功率。柴油机全部烧柴油时的额定功率为9708W/2000r/min，如果燃用70%的沼气和30%的柴油，同样可以达到这一指标。如全部烧沼气，调整压缩比和燃烧室，可以达到11032W/2000r/min，乃至更高的指标。

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，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。

三、沼气发动机装置

在我国，有全部使用沼气的单燃料沼气发动机及部分使用沼气的双燃料沼气-柴油发动机。下表为两种发动机的性能比较。

两种发动机的性能比较

项目

单燃料式发动机

双燃料式发动机

点火方式

电点火方式

压缩点火方式

原理

将“空气沼气”的混合物在气缸内压缩，用火花塞使其燃烧，通过火塞的往复运动得到动力

将“空气燃烧气体”的混合物在气缸内压缩，用点火燃料使其燃烧，通过火塞的往复运动得到动力，是复合燃料发动机

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动机简单

③ 发动机价格较低

① 用液体燃料或气体燃料都可工作

② 对沼气的产量和甲烷浓度的变化能够适应

③ 如由用气体燃料转为用柴油燃料在停止工作，发动机内不残留未燃烧的气体，因为饿耐腐蚀性好

缺点

工作受到供给的沼气的数量和质量的影响

① 用气体燃料工作时也需要液体辅助燃料

② 需要液体燃料供给设备

③ 控制机构稍复杂

④ 借个较单燃料式发动机稍高

近十几年由于农村家庭责任制、大中型的工厂化畜牧场的建立及环境保护等原因，我国的沼气机、沼气发电机组已向两极方向发展。农村主要向3～10千瓦沼气机和沼气发电机组方向发展，而酒厂、糖厂、畜牧场、污水处理厂的大中型环保能源工程，主要向单机容量为50～200千瓦的沼气发电机组方向发展。国外，绝大多数小型沼气发电机均有原汽油机改装而成，其功率大都下降，一般下降15%～20%，而柴油机改装成小功率的沼气机很少，原因在于其控制系统均采用电子调速系统来控制混合器，增加了成本。在国内，大多数小功率沼气机的改装都以柴油机为主，功率相对下降10%～15%，主要原因为沼气中含甲烷量少，发动机工作容积不变，不能增加混合气热值所致，热效率在33%～36%之间。

（一）单燃料发动机

单燃料发动机又称为全烧式发动机，在沼气产量大的场合可连续稳定地运行，适合在大、中型沼气工程中使用，可以使用天然气发动机，亦可由柴油机改装而成。由于气体燃料的组分、热值、物理性能、着火温度、爆炸极限、燃烧特性存在很大差异，当利用天然气发动机燃烧沼气时，需对发动机的相关部件进行必要的调整或改装，例如发动机的空气-燃气混合器，在改装时，空气阀的通径需扩大1.4倍左右；此外，还应根据发动机对空燃比和调节特性的要求，确定燃气阀芯的型号，设计若干组阀座与阀芯的配合方案，以备筛选。

即使是同一种气体燃料，其燃烧特性同样会因产地、原料、成分的不同而不同。所以气体燃料的发动机必须根据实际的燃气特性进行现场调试，以达到预期的技术技能和经济指标。沼气发电机组调试的目的是根据现场实际的燃料特性，将空燃比和点火提前角调整到最佳范围，使发动机达到设计的性能指标。空燃比的调整是关键，在调试过程中应对沼气燃料的成分和空燃比进行随机监控，以便随时调整调试的方向。

国内也有将四冲程的液体燃料发动机改装成为气体燃料发动机的，这种改装比改装为燃料发动机复杂，因为液体燃料发动机本身缺少点火装置。若将柴油机改烧沼气，需做如下几项工作：

1.确定降低压缩比及燃烧室形状所必须的机器改装；

2.设计沼气的进气系统和沼气-空气混合器结构；

3.设计气体调节系统及其与调速器的联动机构；

4.设计点火系统。

若是由汽油机改烧沼气则不需要再做1、3、4项工作。

燃用沼气时内燃机的具体改装：

1.汽油机的改装

只需在原机的化油器前部加上一个沼气-空气混合器，就可以用沼气代替汽油使汽油机连续工作。国内外已有较成功的实验结果。

德国直接用汽油机燃用沼气；菲律宾在21室315m 的沼气池装上丰田全燃沼气发动机带动发电机组发电；台湾省利用沼气开动2.2.6kW汽油机带动2kW发动机组工作；四川省用沼气带动1kW、2kW、12kW、15kW等不同功率的发电机组，用80 m 沼气池的沼气供2.206kW汽油机使用；湖北省用沼气开动2.206kW汽油机。

2.柴油机的改装

应加装磁电机或蓄电池电点火系统，同时增加火花塞，变内燃式发动机为点火式发动机，即点火的全燃沼气发动机。

甲烷与适量空气混合（含5%～15%甲烷），即可进行燃烧。混合气压到汽缸内，温度一般不超过700℃，低于甲烷的自燃温度，但又高于柴油的自燃温度，当压缩冲程终了前喷以少量柴油以引燃沼气，所以能保证双燃料内燃机正常工作。

沼气柴油双燃料发动机的工作安全可靠。燃用沼气的双燃料内燃机的耗气量为每0.736kW·h0.4～0.5 m ，热效率在22%～25%之间。

单燃料沼气发动机的基本工作原理为：沼气与空气在混合器内形成可燃混合气，被吸入气缸后，当火塞压缩接近上止点时，由火花塞点燃进行燃烧做功。单燃料沼气发动机一般存在燃烧速度慢、后燃严重、排气温度高与热负荷大等问题，为了加快混合气的燃烧速率，可以通过提高压缩比，加强混合气的气流扰动，提高点火能量等措施来实现。考虑到沼气与柴油不同的物理化学特性，针对沼气燃烧速度慢的特点，可以采用能改善其燃烧性能的快速燃烧方法，具体为：

1.采用紊流型燃烧室，使得燃烧室内产生强度很大的紊流和尺度很小的微涡团，提高沼气-空气混合气的燃烧速度，缩短快速燃烧期；

2.沼气的主要成分是甲烷，抗爆性能很好，可以选择高压缩比；

3.为了防止排气管“放炮”，采用的气阀重叠角比原柴油机减少60°曲轴转角。

（二）沼气-柴油双燃料发动机及装置

沼气-柴油双燃料发动机是对柴油机的进气混合系统和双燃料调节系统进行改装得到。其工作原理是：沼气与空气在混合器中形成可燃混合气，被吸入气缸后，当活塞压缩接近上止点时，向燃烧室内喷入少量引燃柴油，柴油燃烧后点燃缸内混合气进行燃烧做功。双燃料发动机在正常运行情况下，其引燃柴油量在8%～20%（单位时间内引燃油耗量与改装前该发动机在额定工况下柴油耗量的比值）之间。双燃料发动机的特点是在燃气不足甚至没有的情况下增加进行燃烧的柴油量，甚至完全烧柴油，以保证发动机正常运行。因此，使用起来比较灵活，适用于产气量较少的场合（如农村地区的小沼气工程中）。这种方案的最大优点就是可以利用少量的引燃柴油压缩后点燃沼气。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塞点火的能量，就有可能使沼气的着火滞后期乃至整个燃烧期缩短，从而解决沼气机的严重后燃、高排温与热负荷大等问题。任何一台四冲程柴油机都不必更换主要零件，就可以改装成为柴油-沼气机。

我国采用的双燃料沼气发动机，没改变原柴油机结构，可保证在运行状态时转换为全烧柴油工作。保留了原燃油系统，在保证喷油嘴零件有最够的冷却强度情况下确定的节油指标能达到国际公认的最佳范围。国外柴油机改为柴油-沼气双燃料机若供油系统不变，其节油率为70%～85%，但其热量利用率地域原柴油机。我国的双燃料发动机，从1974年先后有四川农机院、上海内燃机研究所、中科院广州能源所等十几个科研大为从事这方面的研究试验工作，并去的很好的成绩，改装后的机组，操作极其简单方便，其节油率在75%以上，发电机组的主要性能指标达到我国GB 2819-81《交流工频移动电站通用技术条件》所规定的指标范围。目前国内较多使用双燃料发动机（单燃料发电机组多为石油部门采用），但是大中型双燃料发动机采用手动调节，工作可靠性差，操作困难，而且操作人员不能离开机组，工作强度大。

1．双燃料内燃机的操作使用方法

（1）起动

关闭沼气阀，按柴油机的起动方法，用柴油起动。

（2）操作

起动后带上负荷，将柴油机油门放在合适位置（一般放在中间偏低一点位置）， 待发动机运转正常后，慢慢地打开沼阀输入沼气。通气后，在调速器作用下供油量自动减少，发动机转速稳定。若沼气输入量过多，发动机会出现瞬时供油中断现象，产生断续的工作声。遇到这种情况，应将沼气阀关小，直到正常运转为止。调整转速的方法与改装前用柴油工作一样，通过改变油门手柄位来完成。

（3）停车

先关沼气阀，再关油门。

2．操作注意事项

（1）经常检查沼气阀、输气管道、接头等是否漏气，以免引起火灾甚至爆炸事故。

（2）操作沼气阀要平稳，不要忽大忽小，以避免因进入的沼气量忽多忽少而造成发动机工作不正常。

（3）经常注意双燃料发动机，在运转中负荷与沼气压力的变化，好的机手在稳定负荷下节油率可高达80%～90%，差的机手则只有50%～60%。

（4）当沼气供气不足时，不必停机，只要半闭沼气阀，即可按一般柴油机操作方法使用。

3．操作中出现不正常情况及处理办法

（1）起动后转速不够，工作吃力，排气管冒白烟或冒黑烟，有时甚至熄火。原因是负荷太重或过早输入沼气。冒黑烟说明发动机已因空气量过少，混合气过浓而燃烧不完全。

排除方法：尽可能做到空车起动，运转正常后再加负荷，如需要带负荷起动时，就应先用柴油起动，待运转正常后再逐渐输入沼气。

（2）起动后，转速不够，带不起负荷。原因是调速把手（油门把手）位置不对。如果把油门把手放在小的位置，也就是把调速把手放在了低转速位置，起动后转速自然就上不去。

排除方法：按柴油的起动方式用柴油起动后，再带上负荷，把调速把手（油门） 按负荷大小固定在适宜位置，再逐渐输入沼气。

（3）输入沼气后转速反而下降，甚至熄火。原因是沼气输入过多、过快，沼气和空气是通过同一气管进入的，大量沼气的输入势必会减少空气的进入量，会造成燃烧不好、不完全，转速自然就下降。

排除方法：慢慢打开沼气阀逐渐增加沼气量，当听到有断续的放炮声时再将沼气阀略为关小，直到断续声和放炮声消失为止。

（4）工作过程中产生断续声和放炮声。原因是工作负荷减少，相对沼气增加。如果负荷急剧减少，转速陡然上升，调速器使油门迅速关闭，转速又陡然下降而油门又在调速器弹簧作用下打开，过多的柴油与可燃气体因燃烧不完全在排气管内第二次膨胀，就会产生“噼啪”的放炮声。

排除方法：遇到上述情况，慢慢关小沼气阀，或加大负荷直至断续声和放炮声消除为止。

（5）节油效果不好。在正常情况下，该设备的节油率应在75%90%，否则视为节油效果差。这主要是由于沼气池产气不充分，出现沼气供气量不足，使油泵齿条自动向大油量方向移动，节油率自然明显下降。此外，负荷不稳定，操作不正确，也会影响节油量。