德国沼气工程技术考察及思考

作者：杨世关 发布时间：04/11/2014 17:14 来源：河南农业大学机电工程学院

根据对德国沼气技术的考察情况，分析总结了德国沼气工程技术的特点、发展驱动力与发展趋势，借鉴德国沼气发展的经验并结合中国沼气工程技术发展中存在的一些问题，从政策、管理和技术角度对如何发展中国的沼气工程提出了几条建议。

1 德国沼气工程发展现状与趋势

在参加CIGR2006会议期间，以及2005年在中国和荷兰政府合作项目“促进中国西部农村可再生能源综合发展应用”的资助下，作者先后两次对德国的可再生能源发展状况进行了考察，考察过程中，德国的沼气工程技术给我们留下了深刻的印象，有许多地方值得中国学习和借鉴。

德国位于中欧，国土面积为35.7万平方公里，人口总数8226.4万人，人口密度230人/平方公里。在欧洲仅次于俄罗斯。德国的地形异常多样，从连绵起伏的山峦、高原台地、丘陵、山地、湖泊直至辽阔宽广的平原。从北到南划为5大地形区：北德高地，中等山脉隆起地带，西南部中等山脉梯形地带，南德阿尔卑斯山前沿地带以及南部的阿尔卑斯山区。整个地势南高北低。德国处于大西洋和东部大陆性气候之间的凉爽的西风带，温度大起大落的情况很少，平稳温和是德国气候的总体特征，冬季平均温度在1.5℃（低地）和 -6℃（山区）之间。7月份平原来地区的平均温度为18℃，在南方山谷地区为20℃左右。这种良好的气候条件非常适合沼气的发展。

近年来，沼气工程在德国得到了快速发展，特别是在2000年其可再生能源法（Renewable Energy Act ，EEG）出台以后。2000年之前的10年间德国沼气工程的数量增加了不到1000处，而从2000到2004的4年间就增加了1450处。德国沼气工程总量历年的变化情况见图1。而且其发展潜力很大，据估计，其原料的理论利用量能满足220000个沼气工程的需要（包括农场小型沼气工程On-Farm AD和大型沼气工程Centralized AD）[1]。

2 德国沼气工程发展的特点

1) 主要采用全混合发酵工艺

在德国，建设沼气工程以获取能源为主要目的，因此追求最大原料产气率是这些工程最为重要的经济指标。从原料产气率角度分析，一些作物，如玉米、甜菜、甜高粱及大麦的干物质产气率可高达600-1000m3/t，远远高于动物粪便的产气率，而动物粪便与这些原料掺在一起进行混合发酵，可以弥补这些原料氮源不足的问题，从而更有利于沼气的生产。此外，这些作物的单位产量也很高，比如种植1ha甜菜可以收获100t甜菜和26t甜菜叶，而1t新鲜甜菜可生产100m3沼气。同时采用这两种原料有充足的资源保证。德国每年的秸秆产量大约为4800万t，目前的畜牧业养殖规模大约为牛1600万头，猪2600万头，马400万头，家禽1.14亿只，这些家畜和家禽每天产生的粪便所含干物质可达57500t[1]。因此，这种采用作物和粪便两种原料进行混合发酵的沼气工程在德国得到了快速发展[2]。

由于混合发酵原料SS含量和TS浓度都比较高，适合采用全混合厌氧反应器。从采用的反应器类型看，约90%为立式全混合反应器，少数采用卧式反应器，主要用于含沙和纤维量高的原料，而且受结构限制此类反应器的容积一般低于300m3，还有不到10%的工程采用两种反应器联合应用的方式。随着材料技术的发展，一些工程采用了将发酵罐和储气柜一体化的设计，即在反应器的上部安装双层膜用以储存沼气，见图2和图3。

受结构的局限，这种反应器的容积最大不宜超过1200m3，如果建造更大容积的反应器，则多采用图4所示结构形式的反应器。

基于所用沼气发酵原料的特点，此类沼气工程设有固体原料进料装置，见图5。

许多农场建的沼气工程多采用2个发酵罐串联发酵，其中第一个发酵罐采用连续进出料方式，其排出的料液进入第二个发酵罐储存并在其中继续产气，同时该罐还兼作沼气储气装置。储存在第二个发酵罐的料液经过一段时间后被排放出来，然后作为有机肥喷施到农田里，所以不存在废液二次污染问题。

2） 沼气主要用于发电和供热

德国的沼气工程所产生的沼气主要用来发电，同时多数将发电过程中产生的废热用于供热，即热电联产工艺。这也是“Renewable Energy Act”所鼓励的。沼气发电的方式主要是利用内燃机带动发电机进行发电。所采用的内燃机以双燃料内燃机为主，占72%，其余28%为单燃料内燃机。图6所示为一小型沼气发电设备。

3） 沼气生物脱硫技术的应用

在德国一些沼气工程采取有控制的向沼气反应器内充空气的方法来脱硫。这种脱硫方法的原理是利用兼性厌氧微生物在微量氧气(＜0.1mg/L)存在的情况下，将硫化物氧化为单质硫[4]。这类细菌属于无色硫细菌，其中硫杆菌Thiobacillus就是一种典型的脱硫细菌，它属于自养细菌，以无机硫化物为电子供体，以CO2为碳源。这种生物脱硫方法的关键在于氧含量的控制，控制不好就会破坏反应器的厌氧环境，导致沼气发酵效果下降或停止产气。目前较为可靠的控制方法是采用氧化还原电位OPR在线监测的方法控制料液的充氧浓度[3]。

3 德国沼气工程发展的驱动力

近年来德国沼气工程的快速发展，主要得益于以下2个方面。

1）强有力的政策推动

近年来德国非常重视可再生能源的发展，为了促进包括沼气在内的可再生能源的发展，制订了“Renewable Energy Act”，该法于2000年开始实施，并在2004年进行了重新修订以加大对可再生能源的扶持力度。该法提出的目标是到2010年由可再生能源提供的电能要占德国总电能消耗的12.5%，到2020年至少达到20%。为实现该目标，该法制定了可再生能源发电补贴措施，其中对生物质能发电的补贴方法见表1。根据发电设备装机容量的不同，制定了不同的上网电价补偿标准。此外，对利用能源植物做原料的电厂，或者采用热电联产工艺的电厂在上网电价基本补偿标准的基础上再给予不同额度的奖励。进而，如果新建的热电联产工厂在生物质转换利用环节采用热化学气化技术、燃料电池等新技术，可以再增获得奖励。上述规定适用于2004年1月1日以后运行的沼气发电工程，保持20年不变，但在2005年1月1日后建设的电站其基本补偿价格每年递减5%。电网运营商收购可再生能源电力增加的费用由全国分摊。同时，该法被认为是最有效的环境保护措施，2003年在德国可再生能源对温室气体CO2的减排量贡献已达到5300万t，而其中的2300万t应归功于该法的推动作用。除了可再生能源法外，其它一些法规，如废弃物处理和循环利用法（Recycling and Treatment of Wastes Act），生物废弃物条例（Biowaste Ordinance）等都对沼气的发展起到了推动作用。

此外，在解决沼气工程建设资金方面，政府可以为企业或农场主提供长期低息贷款。

表1 德国新的可再生能源法对生物质能发电的补偿标准

Table 1 Payments for power from biomass according to new EEG（单位：欧分/kw·h）

装机容量150kM500kM5MW>5MW

基本补偿额11.59.98.98.4

基本补偿额1664-

基本补偿额22222

基本补偿额3222-

*注：能享受额外增加偿付额1、2、3的对象依次为：利用能源植物做原料的发电厂，新建热电联产工程，采用热电联产新工艺的新建工程。

2）完善的质检控制体系保证

在德国有一套完善的沼气工程质量控制法规和标准。如安全操作规程（Operational Safety Regulations），农业贸易协会安全规程（Agricultural Trade Association Safety Regulations）, 欧盟机械指南（EU Machinery Directive）, 德国工业标准（DIN Standards）等都对沼气工程适用。

由于沼气是一种易燃易爆的气体，所以，根据Operational Safety Regulations的要求，需要对沼气工程进行防爆监控。需要监控的系统必须满足以下要求：

① 正式投入生产之前以及进行大的改造之后必须对系统进行检查；

② 至少每3年重复检查1次；

③ 制订防爆文件；

④ 每年对员工开展培训；

⑤ 在爆炸危险区使用的设备必须获得许可。

而防爆文件的制定必须包含以下内容：

① 易爆位置地图；

② 设备正常情况下的操作与开关程序；

③ 非正常情况下的操作和故障处理程序；

④ 自动操作系统发生故障时手动操作程序；

⑤ 检查和维护方法说明；

⑥ 沼气发生泄漏和存在爆炸危险时紧急处理预案及通知；

⑦ 操作步骤或流程图；

⑧ 维护记录及检查清单；

⑨ 防爆措施说明；

⑩ 事故检查报告备案。

对在易爆地点使用的设备，必须符合防爆要求，设备是否是防爆设备，检查时只需看该设备是否贴有Ex标志，即防爆标志。根据ATEX Gudielines要求只有通过ATEX认证的设备才允许贴Ex标志。

对机械设备，根据EU Machinery Directive要求，生产商对该设备的说明必须与其实际性能相一致，并粘贴CE标志，即实行CE标志强制认证制度。

在德国，沼气工程从申请建设到投入使用有一套严格的程序：

① 业主编制工程建设可行性研究报告；

② 向政府提出申请；

③ 获得批准，按照批准的可行性研究报告进行工程建设；

④ 工程完工，试运行2个月；

⑤ 向检测机构提出检测申请；

⑥ 检测机构派出人员现场检测；

⑦ 检测人员写出工程评价报告；

⑧ 通过认证，工程进入正常运行。

如果工程未通过检测，对于非关键性问题，检测机构将向业主提出整改建议，由业主解决后可以进入正常运行；但是对于存在比较严重问题的，问题解决后还必须通过检测机构的复查，才允许运行。

由于有质量控制法规做依据，检查人员对工程的检查和验收相对比较简单，基本不需要检测仪器，特别是对机械设备的检查，只需检查工程是否按相关标准要求选用设备，判断的依据就是设备上的认证标志。

4 对中国沼气工程发展的几点建议

通过对德国沼气工程的考察，作者得到一些启示，并籍此对我国沼气工程的发展提出几点建议。

1） 落实并加大对沼气发展的政策支持力度。中国已出台了《可再生能源法》，而且国家发展与改革委员会也制定了与该法配套的《可再生能源发电价格和费用分摊管理试行办法》。[5]根据德国的成功经验，为使沼气等可再生能源发电在较短时间内在中国有一个快速发展，关键在于如何有效的使这些政策得以落实。

2） 加快制订大中型沼气工程技术规范。我国大中型沼气工程的发展已有20多年，一大批沼气工程正在发挥着明显的能源环保效益。但到目前为止，在工程设计、施工方面，尚无统一的国家标准和技术规范。这是导致目前中国沼气工程建设质量得不到保障的主要原因。同时，由于缺乏执法依据致使对沼气工程的建设、安装、使用等难以实施有效的监督[6]。

（3）加大适用技术的研发与推广。德国目前使用的厌氧反应器绝大多数为全混合厌氧反应器，而这种反应器由于被认为是一种低效率的反应器，所以中国已建成的沼气工程基本不使用。考虑到中国同时存在养殖废弃物污染和秸秆污染问题，应该根据国内情况研发一些效率不一定很高，但非常适用的技术。相应的前提是中国应首先出台可再生能源电力上网实施细则，从政策角度引导企业、个人投资沼气发电。此外，就是要对养殖场的规模进行必要的控制，以便沼气发酵处理后的排出液能被周围的土地消纳，不会排入水体对环境造成污染。

4） 开展以秸秆为原料的沼气发酵技术攻关。考虑到我国有大量的秸秆资源，以及《可再生能源法》实施对可再生能源发电的促进作用，以秸秆为原料发酵产沼气会重新受到沼气发电企业的重视。因此，需要在借鉴国外成功经验的基础上，尽快开展以秸秆为原料的沼气发酵技术攻关。建议重点从秸秆前处理技术，高效厌氧发酵微生物的筛选与培育，新型秸秆厌氧发酵工艺，秸秆厌氧发酵示范工程等几方面开展工作。

[ 参 考 文 献 ]

[1] M. K?ttner. Biogas in agriculture and industry potentials, present use and perspectives [J]. Waste Management World, 2002, 1: 83-90

[2] P. Weiland. Anaerobic waste digestion in Germany-Status and recent developments [J]. Biodegradation, 2000, 11: 415-421 

[3] Samir Kumar Khanal, Ju-Chang Huang. OPR-based oxygenation for sulfide control in anaerobic treatment of high-sulfate wastewater [J]. Water Research, 2003, 37: 2053-2062

[4] Janssen AJH, Ma SN, Lens P, Lettinga G. Performance of a sulfide-oxidizing expanded-bed reactor supplied with dissolved oxygen [J]. Biotechnol Bioeng, 1997, 53(1):32-40

[5] 王永建. 第四代能源起飞之际-审视《可再生能源法》[J].中国电力企业管理，2005，5: 26-28

[6] 施国中. 沼气工程规范化建设势在必行[J]. 中国沼气, 2004,22(3): 29-30