根據(jù)對(duì)德國(guó)沼氣技術(shù)的考察情況， 分析 總結(jié) 了德國(guó)沼氣工程技術(shù)的特點(diǎn)、 發(fā)展 驅(qū)動(dòng)力與發(fā)展趨勢(shì)，借鑒德國(guó)沼氣發(fā)展的經(jīng)驗(yàn)并結(jié)合 中國(guó) 沼氣工程技術(shù)發(fā)展中存在的一些 問(wèn)題 ，從政策、管理和技術(shù)角度對(duì)如何發(fā)展中國(guó)的沼氣工程提出了幾條建議。

1 德國(guó)沼氣工程發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)

在參加CIGR2006會(huì)議期間，以及2005年在中國(guó)和荷蘭政府合作項(xiàng)目“促進(jìn)中國(guó)西部 農(nóng)村 可再生能源綜合發(fā)展 應(yīng)用 ”的資助下，作者先后兩次對(duì)德國(guó)的可再生能源發(fā)展?fàn)顩r進(jìn)行了考察，考察過(guò)程中，德國(guó)的沼氣工程技術(shù)給我們留下了深刻的印象，有許多地方值得中國(guó) 學(xué)習(xí) 和借鑒。

德國(guó)位于中歐，國(guó)土面積為35.7萬(wàn)平方公里，人口總數(shù)8226.4萬(wàn)人，人口密度230人/平方公里。在歐洲僅次于俄羅斯。德國(guó)的地形異常多樣，從連綿起伏的山巒、高原臺(tái)地、丘陵、山地、湖泊直至遼闊寬廣的平原。從北到南劃為5大地形區(qū)：北德高地，中等山脈隆起地帶，西南部中等山脈梯形地帶，南德阿爾卑斯山前沿地帶以及南部的阿爾卑斯山區(qū)。整個(gè)地勢(shì)南高北低。德國(guó)處于大西洋和東部大陸性氣候之間的涼爽的西風(fēng)帶，溫度大起大落的情況很少，平穩(wěn)溫和是德國(guó)氣候的總體特征，冬季平均溫度在1.5℃(低地)和 -6℃(山區(qū))之間。7月份平原來(lái)地區(qū)的平均溫度為18℃，在南方山谷地區(qū)為20℃左右。這種良好的氣候條件非常適合沼氣的發(fā)展。

近年來(lái)，沼氣工程在德國(guó)得到了快速發(fā)展，特別是在2000年其可再生能源法(Renewable Energy Act ，EEG)出臺(tái)以后。2000年之前的10年間德國(guó)沼氣工程的數(shù)量增加了不到1000處，而從2000到2004的4年間就增加了1450處。德國(guó)沼氣工程總量歷年的變化情況見(jiàn)圖1。而且其發(fā)展?jié)摿艽螅瑩?jù)估計(jì)，其原料的 理論 利用量能滿足220000個(gè)沼氣工程的需要(包括農(nóng)場(chǎng)小型沼氣工程On-Farm AD和大型沼氣工程Centralized AD)[1]。

2 德國(guó)沼氣工程發(fā)展的特點(diǎn)

1)主要采用全混合發(fā)酵工藝

在德國(guó)，建設(shè)沼氣工程以獲取能源為主要目的，因此追求最大原料產(chǎn)氣率是這些工程最為重要的 經(jīng)濟(jì) 指標(biāo)。從原料產(chǎn)氣率角度分析，一些作物，如玉米、甜菜、甜高粱及大麥的干物質(zhì)產(chǎn)氣率可高達(dá)600-1000m3/t，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于動(dòng)物糞便的產(chǎn)氣率，而動(dòng)物糞便與這些原料摻在一起進(jìn)行混合發(fā)酵，可以彌補(bǔ)這些原料氮源不足的問(wèn)題，從而更有利于沼氣的生產(chǎn)。此外，這些作物的單位產(chǎn)量也很高，比如種植1ha甜菜可以收獲100t甜菜和26t甜菜葉，而1t新鮮甜菜可生產(chǎn)100m3沼氣。同時(shí)采用這兩種原料有充足的資源保證。德國(guó)每年的秸稈產(chǎn)量大約為4800萬(wàn)t， 目前 的畜牧業(yè)養(yǎng)殖規(guī)模大約為牛1600萬(wàn)頭，豬2600萬(wàn)頭，馬400萬(wàn)頭，家禽1.14億只，這些家畜和家禽每天產(chǎn)生的糞便所含干物質(zhì)可達(dá)57500t[1]。因此，這種采用作物和糞便兩種原料進(jìn)行混合發(fā)酵的沼氣工程在德國(guó)得到了快速發(fā)展[2]。

由于混合發(fā)酵原料SS含量和TS濃度都比較高，適合采用全混合厭氧反應(yīng)器。從采用的反應(yīng)器類型看，約90%為立式全混合反應(yīng)器，少數(shù)采用臥式反應(yīng)器，主要用于含沙和纖維量高的原料，而且受結(jié)構(gòu)限制此類反應(yīng)器的容積一般低于300m3，還有不到10%的工程采用兩種反應(yīng)器聯(lián)合應(yīng)用的方式。隨著材料技術(shù)的發(fā)展，一些工程采用了將發(fā)酵罐和儲(chǔ)氣柜一體化的設(shè)計(jì)，即在反應(yīng)器的上部安裝雙層膜用以儲(chǔ)存沼氣，見(jiàn)圖2和圖3。

許多農(nóng)場(chǎng)建的沼氣工程多采用2個(gè)發(fā)酵罐串聯(lián)發(fā)酵，其中第一個(gè)發(fā)酵罐采用連續(xù)進(jìn)出料方式，其排出的料液進(jìn)入第二個(gè)發(fā)酵罐儲(chǔ)存并在其中繼續(xù)產(chǎn)氣，同時(shí)該罐還兼作沼氣儲(chǔ)氣裝置。儲(chǔ)存在第二個(gè)發(fā)酵罐的料液經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后被排放出來(lái)，然后作為有機(jī)肥噴施到農(nóng)田里，所以不存在廢液二次污染 問(wèn)題 。

2) 沼氣主要用于發(fā)電和供熱

德國(guó)的沼氣工程所產(chǎn)生的沼氣主要用來(lái)發(fā)電，同時(shí)多數(shù)將發(fā)電過(guò)程中產(chǎn)生的廢熱用于供熱，即熱電聯(lián)產(chǎn)工藝。這也是“Renewable Energy Act”所鼓勵(lì)的。沼氣發(fā)電的方式主要是利用內(nèi)燃機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)進(jìn)行發(fā)電。所采用的內(nèi)燃機(jī)以雙燃料內(nèi)燃機(jī)為主，占72%，其余28%為單燃料內(nèi)燃機(jī)。圖6所示為一小型沼氣發(fā)電設(shè)備。

3) 沼氣生物脫硫技術(shù)的 應(yīng)用

在德國(guó)一些沼氣工程采取有控制的向沼氣反應(yīng)器內(nèi)充空氣的 方法 來(lái)脫硫。這種脫硫方法的原理是利用兼性厭氧微生物在微量氧氣(<0.1mg/L)存在的情況下，將硫化物氧化為單質(zhì)硫[4]。這類細(xì)菌屬于無(wú)色硫細(xì)菌，其中硫桿菌Thiobacillus就是一種典型的脫硫細(xì)菌，它屬于自養(yǎng)細(xì)菌，以無(wú)機(jī)硫化物為 電子 供體，以CO2為碳源。這種生物脫硫方法的關(guān)鍵在于氧含量的控制，控制不好就會(huì)破壞反應(yīng)器的厭氧環(huán)境，導(dǎo)致沼氣發(fā)酵效果下降或停止產(chǎn)氣。 目前 較為可靠的控制方法是采用氧化還原電位OPR在線監(jiān)測(cè)的方法控制料液的充氧濃度[3]。

3 德國(guó)沼氣工程 發(fā)展 的驅(qū)動(dòng)力

近年來(lái)德國(guó)沼氣工程的快速發(fā)展，主要得益于以下2個(gè)方面。

1)強(qiáng)有力的政策推動(dòng)

近年來(lái)德國(guó)非常重視可再生能源的發(fā)展，為了促進(jìn)包括沼氣在內(nèi)的可再生能源的發(fā)展，制訂了“Renewable Energy Act”，該法于2000年開(kāi)始實(shí)施，并在2004年進(jìn)行了重新修訂以加大對(duì)可再生能源的扶持力度。該法提出的目標(biāo)是到2010年由可再生能源提供的電能要占德國(guó)總電能消耗的12.5%，到2020年至少達(dá)到20%。為實(shí)現(xiàn)該目標(biāo)，該法制定了可再生能源發(fā)電補(bǔ)貼措施，其中對(duì)生物質(zhì)能發(fā)電的補(bǔ)貼方法見(jiàn)表1。根據(jù)發(fā)電設(shè)備裝機(jī)容量的不同，制定了不同的上網(wǎng)電價(jià)補(bǔ)償標(biāo)準(zhǔn)。此外，對(duì)利用能源植物做原料的電廠，或者采用熱電聯(lián)產(chǎn)工藝的電廠在上網(wǎng)電價(jià)基本補(bǔ)償標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上再給予不同額度的獎(jiǎng)勵(lì)。進(jìn)而，如果新建的熱電聯(lián)產(chǎn)工廠在生物質(zhì)轉(zhuǎn)換利用環(huán)節(jié)采用熱化學(xué)氣化技術(shù)、燃料電池等新技術(shù)，可以再增獲得獎(jiǎng)勵(lì)。上述規(guī)定適用于2004年1月1日以后運(yùn)行的沼氣發(fā)電工程，保持20年不變，但在2005年1月1日后建設(shè)的電站其基本補(bǔ)償價(jià)格每年遞減5%。電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)商收購(gòu)可再生能源電力增加的費(fèi)用由全國(guó)分?jǐn)偂?/p>

同時(shí)，該法被認(rèn)為是最有效的環(huán)境保護(hù)措施，2003年在德國(guó)可再生能源對(duì)溫室氣體CO2的減排量貢獻(xiàn)已達(dá)到5300萬(wàn)t，而其中的2300萬(wàn)t應(yīng)歸功于該法的推動(dòng)作用。除了可再生能源法外，其它一些法規(guī)，如廢棄物處理和循環(huán)利用法(Recycling and Treatment of Wastes Act)，生物廢棄物條例(Biowaste Ordinance)等都對(duì)沼氣的發(fā)展起到了推動(dòng)作用。

此外，在解決沼氣工程建設(shè)資金方面，政府可以為 企業(yè) 或農(nóng)場(chǎng)主提供長(zhǎng)期低息貸款。

表1 德國(guó)新的可再生能源法對(duì)生物質(zhì)能發(fā)電的補(bǔ)償標(biāo)準(zhǔn)

Table 1 Payments for power from biomass according to new EEG(單位：歐分/kW•h)

裝機(jī)容量 150kM 500kM 5MW >5MW

基本補(bǔ)償額 11.5 9.9 8.9 8.4

基本補(bǔ)償額1 6 6 4 -

基本補(bǔ)償額2 2 2 2 2

基本補(bǔ)償額3 2 2 2 -

*注：能享受額外增加償付額1、2、3的對(duì)象依次為：利用能源植物做原料的發(fā)電廠，新建熱電聯(lián)產(chǎn)工程，采用熱電聯(lián)產(chǎn)新工藝的新建工程。

2)完善的質(zhì)檢控制體系保證

在德國(guó)有一套完善的沼氣工程質(zhì)量控制法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)。如安全操作規(guī)程(Operational Safety Regulations)，農(nóng)業(yè)貿(mào)易協(xié)會(huì)安全規(guī)程(Agricultural Trade Association Safety Regulations), 歐盟機(jī)械指南(EU Machinery Directive), 德國(guó) 工業(yè) 標(biāo)準(zhǔn)(DIN Standards)等都對(duì)沼氣工程適用。

由于沼氣是一種易燃易爆的氣體，所以，根據(jù)Operational Safety Regulations的要求，需要對(duì)沼氣工程進(jìn)行防爆監(jiān)控。需要監(jiān)控的系統(tǒng)必須滿足以下要求：

① 正式投入生產(chǎn)之前以及進(jìn)行大的改造之后必須對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行檢查;

② 至少每3年重復(fù)檢查1次;

③ 制訂防爆文件;

④ 每年對(duì)員工開(kāi)展培訓(xùn);

⑤ 在爆炸危險(xiǎn)區(qū)使用的設(shè)備必須獲得許可。

而防爆文件的制定必須包含以下 內(nèi)容 ：

① 易爆位置地圖;

② 設(shè)備正常情況下的操作與開(kāi)關(guān)程序;

③ 非正常情況下的操作和故障處理程序;

④ 自動(dòng)操作系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)手動(dòng)操作程序;

⑤ 檢查和維護(hù)方法說(shuō)明;

⑥ 沼氣發(fā)生泄漏和存在爆炸危險(xiǎn)時(shí)緊急處理預(yù)案及通知;

⑦ 操作步驟或流程圖;

⑧ 維護(hù)記錄及檢查清單;

⑨ 防爆措施說(shuō)明;

⑩ 事故檢查報(bào)告?zhèn)浒浮?/p>

對(duì)在易爆地點(diǎn)使用的設(shè)備，必須符合防爆要求，設(shè)備是否是防爆設(shè)備，檢查時(shí)只需看該設(shè)備是否貼有Ex標(biāo)志，即防爆標(biāo)志。根據(jù)ATEX Gudielines要求只有通過(guò)ATEX認(rèn)證的設(shè)備才允許貼Ex標(biāo)志。

對(duì)機(jī)械設(shè)備，根據(jù)EU Machinery Directive要求，生產(chǎn)商對(duì)該設(shè)備的說(shuō)明必須與其實(shí)際性能相一致，并粘貼CE標(biāo)志，即實(shí)行CE標(biāo)志強(qiáng)制認(rèn)證制度。

在德國(guó)，沼氣工程從申請(qǐng)建設(shè)到投入使用有一套嚴(yán)格的程序：

① 業(yè)主編制工程建設(shè)可行性 研究 報(bào)告;

② 向政府提出申請(qǐng);

③ 獲得批準(zhǔn)，按照批準(zhǔn)的可行性研究報(bào)告進(jìn)行工程建設(shè);

④ 工程完工，試運(yùn)行2個(gè)月;

⑤ 向檢測(cè)機(jī)構(gòu)提出檢測(cè)申請(qǐng);

⑥ 檢測(cè)機(jī)構(gòu)派出人員現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè);

⑦ 檢測(cè)人員寫出工程評(píng)價(jià)報(bào)告;

⑧ 通過(guò)認(rèn)證，工程進(jìn)入正常運(yùn)行。

如果工程未通過(guò)檢測(cè)，對(duì)于非關(guān)鍵性問(wèn)題，檢測(cè)機(jī)構(gòu)將向業(yè)主提出整改建議，由業(yè)主解決后可以進(jìn)入正常運(yùn)行;但是對(duì)于存在比較嚴(yán)重問(wèn)題的，問(wèn)題解決后還必須通過(guò)檢測(cè)機(jī)構(gòu)的復(fù)查，才允許運(yùn)行。

由于有質(zhì)量控制法規(guī)做依據(jù)，檢查人員對(duì)工程的檢查和驗(yàn)收相對(duì)比較簡(jiǎn)單，基本不需要檢測(cè)儀器，特別是對(duì)機(jī)械設(shè)備的檢查，只需檢查工程是否按相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求選用設(shè)備，判斷的依據(jù)就是設(shè)備上的認(rèn)證標(biāo)志。

4 對(duì) 中國(guó) 沼氣工程發(fā)展的幾點(diǎn)建議

通過(guò)對(duì)德國(guó)沼氣工程的考察，作者得到一些啟示，并籍此對(duì)我國(guó)沼氣工程的發(fā)展提出幾點(diǎn)建議。

1) 落實(shí)并加大對(duì)沼氣發(fā)展的政策支持力度。中國(guó)已出臺(tái)了《可再生能源法》，而且國(guó)家發(fā)展與改革委員會(huì)也制定了與該法配套的《可再生能源發(fā)電價(jià)格和費(fèi)用分?jǐn)偣芾碓囆修k法》。[5]根據(jù)德國(guó)的成功經(jīng)驗(yàn)，為使沼氣等可再生能源發(fā)電在較短時(shí)間內(nèi)在中國(guó)有一個(gè)快速發(fā)展，關(guān)鍵在于如何有效的使這些政策得以落實(shí)。

2) 加快制訂大中型沼氣工程技術(shù)規(guī)范。我國(guó)大中型沼氣工程的發(fā)展已有20多年，一大批沼氣工程正在發(fā)揮著明顯的能源環(huán)保效益。但到目前為止，在工程設(shè)計(jì)、施工方面，尚無(wú)統(tǒng)一的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)規(guī)范。這是導(dǎo)致目前中國(guó)沼氣工程建設(shè)質(zhì)量得不到保障的主要原因。同時(shí)，由于缺乏執(zhí)法依據(jù)致使對(duì)沼氣工程的建設(shè)、安裝、使用等難以實(shí)施有效的監(jiān)督[6]。

(3)加大適用技術(shù)的研發(fā)與推廣。德國(guó)目前使用的厭氧反應(yīng)器絕大多數(shù)為全混合厭氧反應(yīng)器，而這種反應(yīng)器由于被認(rèn)為是一種低效率的反應(yīng)器，所以中國(guó)已建成的沼氣工程基本不使用�？紤]到中國(guó)同時(shí)存在養(yǎng)殖廢棄物污染和秸稈污染問(wèn)題，應(yīng)該根據(jù)國(guó)內(nèi)情況研發(fā)一些效率不一定很高，但非常適用的技術(shù)。相應(yīng)的前提是中國(guó)應(yīng)首先出臺(tái)可再生能源電力上網(wǎng)實(shí)施細(xì)則，從政策角度引導(dǎo)企業(yè)、個(gè)人投資沼氣發(fā)電。此外，就是要對(duì)養(yǎng)殖場(chǎng)的規(guī)模進(jìn)行必要的控制，以便沼氣發(fā)酵處理后的排出液能被周圍的土地消納，不會(huì)排入水體對(duì)環(huán)境造成污染。

4) 開(kāi)展以秸稈為原料的沼氣發(fā)酵技術(shù)攻關(guān)�？紤]到我國(guó)有大量的秸稈資源，以及《可再生能源法》實(shí)施對(duì)可再生能源發(fā)電的促進(jìn)作用，以秸稈為原料發(fā)酵產(chǎn)沼氣會(huì)重新受到沼氣發(fā)電企業(yè)的重視。因此，需要在借鑒國(guó)外成功經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，盡快開(kāi)展以秸稈為原料的沼氣發(fā)酵技術(shù)攻關(guān)。建議重點(diǎn)從秸稈前處理技術(shù)，高效厭氧發(fā)酵微生物的篩選與培育，新型秸稈厭氧發(fā)酵工藝，秸稈厭氧發(fā)酵示范工程等幾方面開(kāi)展工作。

[ 參 考 文 獻(xiàn) ]

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