德國(guó)沼氣工程發(fā)展現(xiàn)狀分析與借鑒

德國(guó)是當(dāng)今世界上沼氣工程技術(shù)發(fā)展和實(shí)踐應(yīng)用最為成功的國(guó)家之一，在推進(jìn)國(guó)內(nèi)能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型升級(jí)、保障國(guó)家能源安全、增加業(yè)主收入和生態(tài)安全方面發(fā)揮了重要作用。筆者近期實(shí)地考察了德國(guó)巴特黑斯費(fèi)爾德的弗勞恩霍夫研究院中試沼氣廠、德累斯頓的智康公司示范沼氣工程、哥廷根市的南下薩克森州能源再生科技公司垃圾沼氣工程、萊比錫的德國(guó)生物質(zhì)研究中心中試沼氣廠等4個(gè)大型沼氣工程，，對(duì)其“混合中溫發(fā)酵、全程自動(dòng)控制、沼氣熱電聯(lián)產(chǎn)”的技術(shù)模式，以及顯著的經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益、生態(tài)效益，留下了深刻印象。本文就此分析總結(jié)了德國(guó)沼氣工程建設(shè)運(yùn)行、技術(shù)特點(diǎn)與發(fā)展趨勢(shì)，從政策、管理和技術(shù)角度對(duì)如何發(fā)展河南省的沼氣工程進(jìn)行了思考，并提出些許建議。一、德國(guó)沼氣工程建設(shè)現(xiàn)狀德國(guó)位于歐洲中部，國(guó)土面積為35.7萬(wàn)km2，人口總數(shù)8211萬(wàn)人。德國(guó)的地形復(fù)雜多樣，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，整個(gè)地勢(shì)南高北低分為北部平原、中部丘陵以及阿爾卑斯高地3個(gè)部分。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，溫差不太大，主要是海洋性氣候，夏季無(wú)酷暑，冬季無(wú)寒冬，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）和一 6℃精品文檔交流（山區(qū)）之間。7月份平原地區(qū)平均溫度為18℃，在南方山谷地區(qū)為20℃左右，這種氣候條件非常適宜發(fā)展沼氣。德國(guó)沼氣工程從 20世紀(jì)90年代初開(kāi)始建設(shè)至 2011年，經(jīng)歷了不同發(fā)展階段。其主要原因來(lái)源于德國(guó)政府對(duì)可再生能源的政策導(dǎo)向，特別是對(duì)沼氣發(fā)電上網(wǎng)和能源作物的開(kāi)發(fā)利用使其市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)效益發(fā)生明顯變化，加上其先進(jìn)的技術(shù)和設(shè)備生產(chǎn)，在全世界位居首位。近年來(lái)，特別是在2000年德國(guó)可再生能源法開(kāi)始實(shí)施以后，沼氣工程得到了快速發(fā)展。在2000年之前的10年間德國(guó)沼氣工程的數(shù)量增加了1050座，而從2000年到2010年的10年間就增加了4750座，到2011年已累計(jì)建成沼氣工程7200座，遍布整個(gè)德國(guó)，分別應(yīng)用于私人農(nóng)莊、畜禽養(yǎng)殖場(chǎng)、垃圾處理，總裝機(jī)容量為 2700MW，最大規(guī)模沼氣電站裝機(jī)容量高達(dá)55MW,而最小沼氣發(fā)電工程裝機(jī)容量?jī)H為7kW。沼氣發(fā)電每年在200億度以上，超過(guò)我國(guó)三峽工程的年發(fā)電量，占德國(guó)年平均用電量的4.9%。目前，可再生能源已占德國(guó)整個(gè)能源消耗的 8.6%，而且發(fā)展勢(shì)頭良好，潛力巨大。用于沼氣生產(chǎn)為目的的能源作物種植面積已達(dá)80萬(wàn)hm2，占德國(guó)耕地面積的6.8%。德國(guó)計(jì)劃到2020年建成12000個(gè)沼氣能源工程，發(fā)電裝機(jī)總量達(dá)4800MW，使沼氣發(fā)電占全國(guó)發(fā)電總量的 7.5%；要用全國(guó)1700萬(wàn)hm2農(nóng)業(yè)用地中的 420萬(wàn)hm2（約占農(nóng)業(yè)用地精品文檔交流的25%，在不影響國(guó)家糧食供應(yīng)安全的情況下），用于能源作物生產(chǎn)，確保沼氣原料的供應(yīng)，到2030年在天然氣管網(wǎng)中至少含10%的沼氣。到2050年，農(nóng)民收入的1/4來(lái)自于沼氣工程。二、德國(guó)沼氣工程建設(shè)技術(shù)特點(diǎn)（一）建池材料質(zhì)地好德國(guó)沼氣工程中的主體結(jié)構(gòu)材料采用鋼罐、搪瓷拼裝罐、鋼筋混凝土制作池體，扁平型的發(fā)酵罐多采用混凝土，瘦高型的多采用鋼罐或搪瓷拼裝罐。柔性材料作反應(yīng)器池頂?shù)募瘹獠牧?，這樣可確保池體使用壽命長(zhǎng)，克服混凝土慢滲氣的缺點(diǎn)，工程建造成本和日常維護(hù)成本也大大降低。依靠罐體保溫和熱交換，地上部分的池體保溫層基礎(chǔ)為3—5cm厚的聚氨酯或巖棉。發(fā)酵罐罐體內(nèi)部側(cè)面或頂部中央安裝攪拌器，頂部一般為雙層沼氣貯氣膜結(jié)構(gòu)。（二）發(fā)酵原料多元化沼氣發(fā)酵原料多樣化，可利用的發(fā)酵原料有能源作物（主要是種植玉米、甜菜、青草等直接作沼氣發(fā)酵原料使用）、畜禽糞便、城市家庭垃圾、城市污水污泥、工業(yè)及食品加工廢渣和廢液等，沼氣工程普遍采用混合原料進(jìn)行發(fā)酵。玉米青貯作沼氣發(fā)酵原料是德國(guó)沼氣產(chǎn)業(yè)迅猛發(fā)展的主要因素。目前，德國(guó)年產(chǎn)青貯約 4800萬(wàn)t，其中主要精品文檔交流為青貯玉米。從原料產(chǎn)氣率角度來(lái)看，一些能源作物如玉米、甜菜等干物質(zhì)的產(chǎn)氣率可高達(dá)600～1000m3/t，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于畜禽糞便的產(chǎn)氣率，而畜禽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)。（三）發(fā)酵工藝先進(jìn)沼氣工程的厭氧消化工藝是根據(jù)處理規(guī)模、發(fā)酵原料的性質(zhì)和濃度以及發(fā)酵溫度等因素選擇的。所建沼氣工程普遍采用多級(jí)高濃度CSTR濕式中溫發(fā)酵工藝，就是說(shuō)一般都設(shè)有二級(jí)或三級(jí)以上反應(yīng)器，一級(jí)比一級(jí)原料濃度低，發(fā)酵溫度在38---42℃范圍內(nèi)。德國(guó)制定了熱電聯(lián)產(chǎn)激勵(lì)政策，鼓勵(lì)企業(yè)利用發(fā)電余熱給沼氣工程厭氧消化裝置增溫、保溫，即使在冬季環(huán)境氣溫低至-200C，沼氣工程依然運(yùn)行良好。中溫裝置產(chǎn)氣率可達(dá)1.2～1.8m3／(m3.d)，高溫裝置產(chǎn)氣率可達(dá)2.0—3.0m3/(m3-d)，最高的可達(dá)5～6m3/(m3.d)，經(jīng)濟(jì)效益顯著。（四）沼氣高值利用目前，德國(guó)的沼氣工程所產(chǎn)生的沼氣主要利用方式為發(fā)電并網(wǎng)，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。大型沼氣工程主要利用內(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。工程平均精品文檔交流發(fā)電效率為 40%～42%．平均熱能轉(zhuǎn)換率為 45%，其中約10%的沼氣發(fā)電量和 45%的余熱用于工程自身運(yùn)行， 55%的發(fā)電余熱用于公共建筑或農(nóng)舍供暖、農(nóng)作物干燥、沼渣烘干、農(nóng)產(chǎn)品冷藏庫(kù)制冷等。除了發(fā)電，沼氣提純?cè)诘聡?guó)也日益受到重視，和瑞典不同的是，德國(guó)的沼氣經(jīng)過(guò)提純后直接進(jìn)入天然氣管網(wǎng)。這樣做的好處是，一方面全德國(guó)范圍的天然氣管網(wǎng)就好像一個(gè)大的儲(chǔ)氣裝置，可以將生產(chǎn)出的生物質(zhì)能儲(chǔ)存起來(lái)，待風(fēng)電和太陽(yáng)能不足時(shí)作為補(bǔ)充能源；另一方面將農(nóng)村地區(qū)生產(chǎn)出的沼氣送到城市或工業(yè)地區(qū)發(fā)電使用，更有利于將熱能在更需要的地方得到利用。（五）產(chǎn)業(yè)政策優(yōu)惠德國(guó)走的是沼氣能源工廠市場(chǎng)化、產(chǎn)業(yè)化之路。前期工程建設(shè)國(guó)家沒(méi)有直接資金支持，銀行為企業(yè)或農(nóng)場(chǎng)主提供長(zhǎng)期低息貸款，而政府不提供任何建設(shè)補(bǔ)貼，前期建設(shè)資金靠的是20年不變的低息貸款。國(guó)家頒布了一系列鼓勵(lì)和激勵(lì)政策，如企業(yè)稅率20年不變、低息貸款利息20年不變、產(chǎn)品定價(jià)20年不變、發(fā)展機(jī)制、配套法規(guī)、標(biāo)準(zhǔn)體系等。一系列利好政策確保了沼氣工程的穩(wěn)定受益，提高了農(nóng)場(chǎng)、養(yǎng)殖場(chǎng)等建設(shè)沼氣工程的主動(dòng)性、積極性，促進(jìn)了沼氣能源工廠市場(chǎng)化、產(chǎn)業(yè)化、規(guī)?；l(fā)展。德國(guó)沼氣工程建設(shè)方很多都是能源企業(yè)，以銷售能源為目的，其形式有沼氣發(fā)電上網(wǎng)或直接銷售經(jīng)沼氣提純后的天然氣。另外，精品文檔交流沼氣工程還可通過(guò)處理生活垃圾等廢棄物收取處理費(fèi)用，以獲得更好的企業(yè)利潤(rùn)。德國(guó)從事沼氣行業(yè)的能源工廠人員少、效率高，普遍采用操作規(guī)范、專業(yè)技術(shù)強(qiáng)、機(jī)械化作業(yè)的運(yùn)行管理模式，沼氣工程的持續(xù)運(yùn)行有了保障。參觀的4處沼氣工程常年的經(jīng)營(yíng)管理均為1～2人，包括沼氣工廠的日常管理和能源作物的種植管理，降低了常年運(yùn)行費(fèi)用。（六）配套設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)化，工程運(yùn)行自動(dòng)化德國(guó)沼氣產(chǎn)業(yè)經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的實(shí)踐和發(fā)展，沼氣工程的進(jìn)料設(shè)備、攪拌設(shè)備、脫硫設(shè)備、沼氣存儲(chǔ)設(shè)備、熱電聯(lián)產(chǎn)成套設(shè)備等，形成了標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)?；a(chǎn)，性能處于世界沼氣行業(yè)領(lǐng)先地位，沼氣發(fā)電機(jī)、固液分離機(jī)、專用泵、攪拌機(jī)等一批核心配套產(chǎn)品形成了國(guó)際品牌，為沼氣工程的正常運(yùn)行提供了技術(shù)保障。沼氣工程自動(dòng)化程度較高，從原料收集、分類、進(jìn)料、高溫消毒、發(fā)酵、產(chǎn)氣、脫硫提純、發(fā)電上網(wǎng)、出料、沼渣沼液貯存、運(yùn)輸?shù)热^(guò)程均實(shí)現(xiàn)機(jī)械化和自動(dòng)化。（七）“三沼”利用突出德國(guó)沼氣工程均安裝燃燒火炬，沼氣用于熱電聯(lián)產(chǎn)，未利用的多余沼氣統(tǒng)統(tǒng)燃燒。目的是防止未經(jīng)凈化或未燃燒的沼氣排空造成二次污染，避免產(chǎn)生爆炸、火災(zāi)隱患、溫室氣體排放以及異味污染。德國(guó)沼氣工程都建有沼液、沼渣精品文檔交流儲(chǔ)存池，沼液、沼渣儲(chǔ)存池均加蓋。儲(chǔ)存池加蓋防止沼液、沼渣中的氮素通過(guò)好氧分解而流失掉，阻止由于長(zhǎng)期堆放產(chǎn)生的異味逸出，還能改善衛(wèi)生環(huán)境。儲(chǔ)存池的沼液、