农村沼气发电
摘要 探讨农村沼气发电的可行性及意义，介绍了沼气发电技术原理，沼气发电系统组成，对家用沼气发电方案研究。
关键词 沼气 农村沼气发电
1农村沼气发电可行性及其意义
1.1农村能源问题在新农村建设中占有重要地位
我国农村地区地域辽阔，自然条件差距较大农村能源的主要用途是农副业生产机械用能，农民日常生活的照明做饭等生活用能主要方式是电力烧煤或柴草，燃油（柴汽油）发动机等 多年以来国家通过农村电网建设，在农村推广沼气池等多种途径解决农村的能源问题，包括在无电地区推广风电太阳能为主的新能源，通过国债补助的形式在广大农村推广建设沼气工程等，应该说取得了很大的成效，但仍远远不能满足农村发展的需要因此，采用包括新能源在内的各种方式解决农村能源问题仍然任重道远。
1.2沼气发电可有效解决沼气的二次污染问题
近些年来，农村养殖业得到快速发展，其禽畜粪便对农村环境造成严重的污染问题 建设沼气工程很大程度上可以缓解污染，但目前这些沼气工程产生的沼气的应用仅限于做饭等直接燃烧利用，大量无法利用的沼气只能被白白放空粗略估计，在高温季节，一户每天的排空量就可能有1~2立方米。
二氧化碳是导致全球变暖的罪魁祸首，世界各国正在采取各种措施以减少其排放但科学家正在提醒人们：甲烷是另一个加剧温室效应的凶手，它导致全球气候变暖的能力是二氧化碳的23倍沼气的主要成分是甲烷，大量的沼气排放不仅造成了能源浪费，更重要的是引起了大气二次污染.。
1.3沼气发电在农村的各种新能源中具有明显的综合优势
根据农村的地域和原料资源的特点，在农村大力推广新能源是解决农村能源问题的一条重要思路适用于农村地区的清洁新能源有很多种，其中较为成熟的有风能太阳能沼气发电等几种风能和太阳能是一种清洁的可再生新能源，但它们的共同点是对风力或日照资源的依赖性非常高，而我国中部的大部分地区则不具备良好的风能和太阳能利用的资源条件，而且风能和太阳能设施的使用寿命低价格高。
沼气发电是一种利用生物质能源的可再生新能源利用技术 与一台同样功率的小型沼气发电机组设备相比，小型风力发电机组的设备价格是其价格的3~4 倍；一套太阳能发电设备的价格是其价格的22 倍以上小型沼气发电只需要建设沼气池，其建池成本略相当于小型沼气发电设备的成本，目前农村地区已经有不少户用沼气池，而且均由国家财政补贴支持建造 而沼气池的原料主要是人畜粪便农作物秸秆等废料，成本基本为零除此之外，沼气发电相对于风能和太阳能还具有以下一些优点：
1.使用方便，不受天气和环境的制约。
2.原料来自生活生产废料，同时帮助解决了废料造成的环境污染问题。
3.沼气池产生的沼渣沼液是优良的农家肥，实现了农家废物的循环利用
4.小型沼气发电设备小巧，搬运方便，在沼气输气管可达地方可就近为小型电动农用机具供电。
1.4在农村推广沼气发电已经具有相当的基础与条件
在我国农村地区，经过近三十年的推广与普及，家用沼气池的建设与应用已具一定的规模 同时，农民迫切希望通过沼气发电扩大沼气的应用范围近些年来蓬勃发展的农村养殖业也迫切渴望建设配套有沼气发电的规模化沼气池，既解决粪便污染问题，又降低生产成本通过调查还发现，由于农牧业的生产特点，很多需要人照料的菜地果园养殖场等建立在远离村镇的偏远地带，这些工作场所大部分孤立存在，接通电网的代价高，所以大部分没有电力供
应因此，我国的大规模农村沼气工程的建设已经具备了良好的基础与条件。
1.5中小型沼气发电的推广使用需要政府的大力支持
在农村推广沼气发电还存在以下问题需要政府采取有力措施予以解决：
1. 农村地区的人们文化水平相对较低，专业人才相对较少因此，农户不能很好地维护沼气池，导致其产气率低 这就需要政府主导，通过建立市场化的区域性专业服务站为农民开展专业咨询与服务；
2 .农户对沼气发电的设备选型设备的配套等方面还不了解 需要政府通过示范推广带动
的方式让农民了解沼气发电的好处和使用方法；
3.农村收入水平仍然较低，尽管沼气发电设备的成本相对较低，但在大部分农村地区，完全依靠农民自己的经济能力仍难以承受沼气发电设备的价格 因此需要国家对在农村推广沼气发电予以资金的大力扶持。
2沼气的生产
2.1沼气的理化特性及发电原理
沼气是由多种气体组成的混合气体，它的主要成分为甲烷和二氧化碳，甲烷成分约占
60 一70 ，二氧化碳成分约占30％一40 。 沼气中还含有少量的硫化氧，氮，氧，氧等气 体，约占总含量的5 。沼气中的主要可燃成 分为甲烷，甲烷在空气中遇火就能燃烧，转变
成二氧化碳和水，并放出8 k J／M热量，其 化学反应方程式为：
如果空气中混有5．3一l5 的甲烷，在密闭条件下，遇火会产生强烈的爆炸，沼气机就是利用这一原理推动气缸内活塞作功的。每m。的褶气，在0．1MPa(一个标准大气压)，0℃的情况下，理论发热量为23~27MJ，能使1kW的内燃机工作1．5h，能发电约1．25kWh(俗
称 度”)，相当于0．6—0．7kg汽油和0．83kg标准煤的发电量。
2.1沼气池客积的规划
沼气的主要成分是甲烷，im 沼气燃烧后约放热2 13×1O kJ 用它代替柴油、汽油 怍为动力机的燃料，无烟无污染，具有良好 的抗爆性能。这种和用沼气驱动动力机，从而 带动电动机发电的方法就是沼气发电。
要设计一个沼气发电站，首先要确定负 荷量。例如，某个Lb~．t有50户人家，计划用沼 气发电。每户生活用电按IOOW计算、则总用 电量为IOOWx 5O=5000W；村内路巷照明 6OVK×6=360W；公共设施及学校用电 IOOW×5=500W 这几项用电合计5860W。考虑机械掼失，效率按85 计算，则发电机 的容量应6894w，可选用7 5kW发电机 一台。设动力机的转换效率为8O ，所以可 选用l2马力(9 952kW)的柴油机作为与之 配套的动力机。然后确定沼气发酵
池的容积。 设该村一般住户每晚有4h用电，全村总耗电量5860×4—23．4kwh。据广州能源研究所测定。当沼气含甲烷6O％时，用单燃式高压 缩比内燃机组发电，im。沼气可发电1．3～ 1．4kWh，因此，全村每晚耗气量为23．4÷ 1．4—16．7m ，设发酵池im 料液24h产气 0．15～0．2m ，料液占池容积一般为9O ，所 以沼气池的容积为：
按这样设计的沼气池能够满足要求，一次装料可连续使用半年。
2.2沼气池的选址、试水和试气
2.2.1选址
沼电站往往是全村台办，与户用小沼气 池不一样，有个选址问题。要考虑：④场地空阔．便于贮、堆料，车辆进出方便；②有利于获 得阳光、保温、背风；③加水、放水方便；④远 离居住区，防止事故发生及噪音影响
2.2.2确保沼气池不渗水、不漏气
试水 将水充满池子，24h后，观察水位 如果水位下降．就要等到不下降为止，记下水位高度 排出池中水，检查所记下的水位高度 之上的池壁，寻找漏水原因。待修补完毕后， 再放水观察，直到不渗水为止， 试气 可采用正压试气，即将试水后的池 中水放出三分之一，将池盖好封严。在导气管 处安上u形压力计，向池中充气(或向池中加水)，使池中压力达到80cmH O(7840Pa)。 经过24h后，若水柱下降2cm之内就不再下 降，说明池子不漏气。否则，应对气室部分做 检查修理后再试，直到合格为止。也可采用负 压试气，即在试水合格后，将池盖盖好封严， 放出部分池 时水，使池内形成80cmH O (7840Pa)负压。静止后，观察到负压不升高 便为合格。
沼气池的修建必须十分细心，每一道工序都要认真完成，不然出现问题处理起来更麻烦。
2.3沼气池的装料
池子试水、试气合格后，要及时装料，不可长期空置，尤其不可长期敞口空置，严防引起干裂，导致漏水、漏气现象发生。
2.3.1备 料
主要原料是青干草本植物的茎、叶、农作物的秸秆、树叶、人畜粪便等有机物质。应将原料铡短切碎。新池加料应接种，即要搀入旧沼池的乏料和废水(含有褶气池内的菌种)牲口粪便或池塘污泥 原料中所含物质种类及相对数量对以后出气量很有影响。据有关部门测定，产诏气的细菌的生长繁殖要有一定的碳氢比例，最好是25：1(相当于牛粪的c、N比例)。构成原料的几种物质的碳、氢比如下：干麦秸87；1，干稻草67：1，玉米秸53：1，鲜人粪2．9：1。因此，在池料中应加大鲜人粪的比例，每S0kg干麦秸、干稻草、 玉米秸分别应搀入鲜人粪86．5kg、70kg和 57．5kg，使原料中c、N比接近25：l。应注意，受到严重化学污染的原料不能用。
2.3.2装 料
原料入池以前应进行堆沤。将切好的碎 料堆放在背阴的场地上，泼上疆气
池中的废水或污水，拌合均匀，让其自然发酵。待料变色，内部温度达到50。c左右时装入池内。亦可将碎抖直接加入池内堆沤，待发酵、升温变色后．再加水封盖。池外堆沤的料入池时，每加入8O～100cm高度后要将池内料捣实一次，靠近池壁处的料尤其要捣实。若在池内堆沤，则不必翻动．进一步压实即可。不管哪一种方法装料，都要随之加入人畜粪便和褶气种。
2.3.3加 水
池内装完料后要多加污水(未被化学污染的水)，加入旧招池的废液效果更佳。气温高时可一次加满水，气温低时则分多次加水，使池内温度尽量高。适宜的发酵料液浓度是物质含量9 左右、水分ll 左右。如未发现异常现象，方可封盖，并在盖处做水封，防 止漏气。掺入人畜粪便的原料入池封盖后1o 天左右就可产气，不加人畜粪便，产气要慢得多。
2.4沼气机
沼气可以直接作为煤气机的原料，但考虑 到农村的实际情况，即适用装机容量小，普通 家庭只需0．1—0．2kw左右，甚至更小，此外 还需考虑有关经济状况 因此，将现有的市场 上可以买到的汽油机或柴油机改装为沼气机的 方法比较可行。功率大小，要根据实际需求而 定，再选配一与之相匹配的发电机，就可构成 一完整的沼气发电机组。 将汽油机和柴油机改装为沼气机的具体方法：
汽油机属点燃式内燃机，如果把它的燃料供应系统拆除，加装一气体混合器(图1)， 便成为一台沼气机。利用混合器合理调节进入气缸中混合气的数量和质量，可以很容易地启动和控制发动机的运转。如想尽可能地提高改装后的功率，还呵采用适当提高压缩比，减小火花塞电极间隙，加大点火提前角，提高发动机充气量等方法。
圈1 气体混合器示意图
一般柴油机多属压燃式内燃机，最佳的方法是将其改装成同时使用柴油和沼气的双燃料内燃机。这只要在进气管上安装沼气、空气混合器，换上喷油量较少的高压油泵和油嘴就可
以了。这种双燃料机，柴油仅起点燃引爆沼气的作用，消耗很少，柴油的消耗量每马力小时 不到40g。如果当地购买柴油困难，也可以采 用类似汽油机的改造方法，将柴油机改为纯用 沼气为燃料的单一沼气机。所不同的是，需要 在柴油机上加装一套高压火点装置(图2)，
靠火花塞点燃沼气作功。
不管将沼气用于何种内燃机，都有两个共同的要求：
1、进入混合器前的沼气压力要接近大气压，以调节它与空气的混合比和防止爆震。
2、沼气中的硫化氢对机件有腐蚀作用，在有条件的情况下，应对气体实施净化处理机
定期对机器进行清洗。
3动力机试车要点
动力机有两种类型，用褶气及少量柴油为动力的叫混燃式动力机，纯用裙气开动的叫单燃式动力机。前者是一般的柴油机做简单改装而成，运转时要加入30 的柴油，要消耗矿物燃料。后者结构复杂一些，纯用裙气，充分利用生物质能，但造价高些开机操作时应注意：①机器设各安装完 毕后，应按一定的顺序试机。首先检查设备安 装和线路连接情况。确认无误后，依次给动力机水箱加足水，混燃式动力机加足油，单燃式动力机的电瓶要充好电；接通沼气管道，查气压和阀门开关；给电容器或同步发电机激磁 线圈充电。②开机试运转。先低速，无异常后 加大沼气输入量，提高转速空载运转，无异常 便可接上负荷，进行生产性运转。③开机和停机时要渐加和渐减负荷。开机生产时，要注意不能带负荷起动和起动后立即满负荷运转。 要逐渐加负荷，一路一路地送电，随之调
节褶气阀门，使机器保持额定转速，直至负荷加满。停机时应注意，应逐渐降低负荷，减少沼气供应量，使机逮降低。负荷完全去掉后，仍让机器运转一会儿。
4沼电的沼气系统和动力系统常见故障
4.1沼气系统常见故障
一般表现为沼气产量不足，可能的原因及排除方法如下。
1. 漏气：查明漏气部位，进行修理。
2. 漂 料：打开入孔盖，将漂料捣碎，使之沉底，严重时要放掉池水，入池
处理意禁用明火照明 不能贸然下池，经试验光危硷后方可入池
3.酸碱度不适宜：过酸，加石灰中和；过 碱，加入青鲜料，使碱性降低，调整pH值。
4.温度太低：加强保温措旖，例如在发酵池上加 盖透光保温棚，兼做温室，种植蔬菜。
5..料液 c、N比倒不合适：增加含N多的原料，提高细菌的活性。
6.料用太久已失效：按新料
4.2动力系统常见的故障
一般有两种，第一种是起动困难。可能的原因及排除方法如下。
① 压缩力不足、进排气门漏气、气缸漏 气：修理、更换进、排气阀门和活
塞环以至气 缸。
② 供油受阻(指谒燃式动力机)：检查、修理油路。
③ 供气不足、沼气质量不合格或管路受阻：检查、修理供气管路，检查招
气池的产气情况。
第二种故障是转速不稳。可能的原因及 排除方法如下。
① 沼气压力波动，招气供应量过大，使调节器产生周期性变化r控制沼气供
应量。
② 沼 气中甲烷含量过低：查看料液的pH值和碳一氮比，改变气体成分： ③ 招气与空气混合不 均，燃烧不好：清理滤清器和混合器。
5.家用滔气发电方案及工艺流程
目前，随着招气技术的迅速发展，农村沼气池越来越普及，而且工艺日趋完善，这为沼 气机的应用提供了很大的优势。根据实际情况，我们考虑利用原有沼气池为宜，这样可大大减少投资。当然，如果条件允许，新建与发 电容量相匹配的沼气池，使其成为一完善系统
是最理想的。
沼气池产生的沼气首先进入水封逆止罐进行除尘，然后就可直接进入发动机，驱动活塞 作功。根据沼气发动机的燃烧要求和沼气特性，以及农村家庭的实际情况，我们采用如下工艺路线(见图3)。
沼气池所产生的沼气先经过一个三通管分成两路，一路供应生活燃用等，另一路经阀门 进入水封逆止罐。水封逆止罐起两个主要作用，一是起过滤净化沼气的作用，另一是防止沼气回火，发生危险。需要注意的是，水封逆 止罐应定期排去污水，换上净水。从水封逆止罐出来的干水沼气，即可通过一球阀控制，进入机组作功，由发动机带动发电机发电。管道 的距离和设备的位置应根据实际情况而定，但机组与招气池应尽量保持一段距离，防止发生
意外。沼气进机组前的阀门⑤，必须采用球阀，因为球阀操作迅速，如发生问题，可迅速关闭。此外，水封逆止罐的尺寸及水位的高低，则根据装机容量、沼气量、净化程度及压力而具体确定。值得说明的是，整个系统必须 保持密封，不允许空气渗入。
6.操作规程及注意事项
操作规程：
1、机组启动前应检查有无漏水情况，阀门是否灵活，水位是否符合要求。
2、手动盘车，检查机组是否运转灵活。
3、检查导器部分引线是否牢固。
4、阀门④、③，④关闭，打开②、⑤开始供气。
5、用摇把手动启车，急速运转几分钟后，额定转速运转，正常发电。
6、合闸给电瓶充电。
7、停车时，逐渐闭小阀门⑤使转速逐渐降低，最后停车。
7.对家用沼气的有关技术要求
1、压力；根据实验证明；在沼气供气量充足的条件下，10mmH O的沼气压力即可启动和运转沼气发电机组。但如果压力太低，沼 气发电机组的运行就不很稳定，因此适当提高沼气的供气压力对机组的稳定运行大有好处。
2、温度；经改造的沼气发动机的压缩比较小，由于沼气的燃点温度较高，约为700。C
左右，因此夏季启动沼气机比较容易，而冬季就较为困难。这样可适当采取一些暖车措施， 予热混合气体是保证沼气发动机在任何季节都能迅速启动的有效方法。
3、沼气成份t为保证沼气发动机运行稳定，就要求沼气的成份保持相对稳定，尤其是甲烷的含量。沼气中甲烷的含量高低与发酵原料和工艺条件有关，保持甲烷含量较高并相对稳定，可保证沼气发动机稳定运行。
参考文献
1.王则武．箔气综合利用技术阿答，安徽科学技术出版 社，1990
2.盛凯，张衍林．我国农村户用沼气建设可持续发展思考[J]．华中杠业大学学报(社会科学版)，2007(2)：19-22
3.蒋同昌，等．我国沼气发电机的研究和生产情况．中国沼气，1992，(2)：44~45．