小型生質沼氣發電機組技術發展(上)

 

刊登日期:2017/12/5
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利用厭氧消化技術處理廢棄的有機物,例如生活垃圾、污水、工廠有機廢料、動/植物廢棄物和人/畜排泄物等,製造成沼氣進行發電,可以減少環境污染。同時將廢棄物轉換成能源,減少排向大氣的甲烷或二氧化碳量,緩解了大氣溫室效應,生產出優質的肥料。因此,推廣沼氣發電具有循環經濟的特性,兼具環保及經濟的效益。

沼氣發電原理
沼氣(Biogas)是透過有機廢物的厭氧分解或醱酵作用產生,主要成分包括甲烷(50~65%)、二氧化碳(30~45%)、水氣、少量硫化氫(H2S)及微量氣體等。根據廢棄物來源不同而有不同的組成比例,當甲烷純度越高,則其熱值越接近天然氣,一般沼氣熱值約在5,000~6,000 kcal/m3。由於甲烷的著火溫度較高,燃燒速度慢,且沼氣中大量存在的CO2有抑制燃燒的作用,所以沼氣的燃燒速度很慢,當使用沼氣用於推動發動機時,容易產生後燃等不正常燃燒現象,因此早期沼氣一般混合柴油引燃以加快其燃燒速度。另外沼氣中的H2S含量雖然很少,但是它對發動機的影響很大,當H2S的含量超過0.1%,沼氣就必須經過處理後才能進入發動機,否則H2S將嚴重腐蝕發動機的零部件,特別是氣缸蓋、氣缸、活塞環及軸瓦等,減少發動機壽命。目前常見的沼氣發電機主要有兩種,一為燃氣引擎發電機(Gas Engine Generator),另一為微型氣渦輪發電機(Micro Turbine Generator)。如圖一所示,沼氣發電機組係由發動機單元、發電機單元、併網控制單元、熱交換單元、噪音防制單元等各主要單元所組成。本文後續將針對沼氣發電機組各主要單元之技術進一步說明。

圖一、沼氣發電機組組成單元
圖一、沼氣發電機組組成單元

本文主要介紹小型生質沼氣發電機組技術發展方向,由沼氣發電原理切入主題,將沼氣發電機組之組成區分為五大主要單元,分別是發動機單元、發電機單元、併網控制單元、熱交換器汽電共生單元、噪音防制單元,再分別針對此五大單元技術進行探討,說明各功能單元技術趨勢、設計考量、應用情境、特性比較、整合方式等,系統性的介紹小型生質沼氣發電機的技術與應用。

發動機技術
沼氣發電發展於20世紀70年代,芬蘭、德國、丹麥等是較早使用沼氣發電的國家,也是應用水準最高的國家,所使用的燃氣發動機(Biogas Engine)屬於點火式氣體燃料發動機。沼氣發電併網在德國、丹麥、奧地利、芬蘭、法國、瑞典等國家的能源總量中所占的比例為10%左右,此一比例仍持續增加中。

目前燃氣發動機主要技術趨勢為:
①全數位化管理技術:利用電腦監控系統,對內燃發電機的燃燒系統、點火裝置、調速系統等主要控制系統實行統一的電子監控管理,對機組運行過程中、出現事故障礙過程中的資料進行即時採集傳輸,實現互聯網的遠端監控。

由於沼氣是高溫室效應氣體,需積極地將沼氣轉換為較無害的水與二氧化碳,此過程釋放的能量,若是經發動機等高效率機械處理,可以獲得較直接燃燒高的經濟效益。目前應用於沼氣的發動機,依據其使用情境,對特性的要求整理如表一。

表一、沼氣應用之發動機特性
表一、沼氣應用之發動機特性

表二為各型發動機的性能比較,其中生質燃料係指木屑等固態生質燃料,燃料需淨化除去硫、水、矽氧烷(Siloxanes)等雜質。由表二可說明表一各種使用情境選用不同型式發動機的理由,例如大型發電機組因要求高效率而選用燃氣渦輪機、家庭因要求低噪音而選用燃料電池等。以國內養豬場沼氣發電需求,適用於…...以上為部分節錄資料,完整內容請見下方附檔。

★相關閱讀:小型生質沼氣發電機組技術發展(下)

作者:陳譽元、劉祖閔、臧錫智、林冠融、邱國麟、劉達全、李侃峰/工研院機械所
★本文節錄自「工業材料雜誌」372期,更多資料請見下方附檔。


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