德国沼气工程项目建设考察与思考李泉临

第31卷增刊2011年9月云南师范大学学报JournalofYunnanNormalUniversityVol.31SupplementSePt.2011德国沼气工程项目建设考察与思考’李泉临`,2,刘伟伟2,`,卢业勇3,杨志良2,曹成茂2(l.安徽农村能源总站,安徽合肥230001;2.安徽农业大学工学院,安徽合肥230036;3.安徽省农业委员会农村能源办公室,安徽合肥230001)摘要:通过赴德国下萨克森州等地的实地考察调研,全面介绍了德国在大中型沼气工程项目建设与管理方面的成就和经验,特别是对以秸秆为沼气发酵原料的工程项目所采取的一系列配套成功做法进行了叙述;进而,结合我国大中型沼气工程项目建设现状,提出若干建设性意见。关健词:沼气工程;德国;现状;建议中圈分类号:5216.4文献标识码:A文章编号:1007一9793(2011】增刊一0149一05应德国汉诺威中国中心邀请,我们于Zon年1月赴德国下萨克森州考察交流学习大中型沼气工程工艺、建设技术、运行管理、沼气能源化利用、沼气发酵残留物的开发利用、沼气产业相关政策等。在汉诺威中国中心的安排下,考察团先后与德国下萨克森州农业部及有关大学、职业技术培训机构、融资机构(银行)和沼气生产企业代表进行了交流,并实地考察了德国KWS种子股份有限公司(能源作物种子的研发)、Hardegsen以秸秆为主要发酵原料的大型沼气工程等。通过考察交流,我们认为德国在沼气工程建设方面的成果,有许多地方值得学习和借鉴。德国下萨克森州沼气工程发展概况德国非常重视可再生能源的开发和利用,据介绍,仅沼气项目,2010年德国已有400多万户居民使用沼气发电所产生的电能,总发电装机容量达到2300MW,相当于2一3个核电站。下萨克森州是德国重要的农业大州,沼气工程是重点发展的可再生能源技术之一(另外为风力发电、太阳能光伏发电等),绝大部分养殖场均建有沼气工程,同时建有一批利用能源植物(主要为能源玉米)为原料生产沼气的大型工程。沼气工程95%以上由农场主或企业联系银行(一般为北德州银行)享受低息贷款建设,项目建设政府给予约总投资30%左右的资金补贴(拨付给银行作相应贷款贴息等),根据工程不同投资规模,补贴额度设定一个上限。一般工程正常运行5~8年即可收回投资。沼气工程建设多采取招投标制由专业化的公司设计建造;国家没有专门的沼气工程技术标准,沼气工程的设计施工一般参照欧盟相关的技术标准和规范。沼气工程运行管理人员技术培训主要来自两方面,一是政府认可的社会上所办的农业工程技术培训学校,二是沼气工程设计、施工企业。工程的建后维修事宜多为谁承担建的谁负责,合同规定明确,诚信度较高,沼气工程项目验收,一般由政府认可的有资质专门承担工程项目验收公司负责。目前,德国新建沼气工程的工艺多采用全混合产储气一体式反应器(CSTR)、中收稿日期:2011一08一17甚金项目:安徽省2010年度第二批科技计划项目(10140702024);安徽省ZOn年度第二批科技计划项目(11010402100).作者简介:李泉临(1956一),男,副研究员(副站长),安徽临泉人,主要从事农村能源技术推广和管理工作.E一mail:[e-mail]通讯作者:刘伟伟(1981一),男,讲师,陕西礼泉人,主要从事农业生物环境与能源工程方面的研究及教学工作.-Email:[e-mail]150云南师范大学学报(自然科学版)第31卷温(38一43℃)发酵,料液浓度根据工程原料不同有低浓度(TS)6一12%,粪污原料)或高浓度(TS)30%,农作物秸秆原料),料液发酵滞留期一般较长(30一60d),沼气发酵残留物以直接喷洒至农田综合利用为主,且根据德国联邦政府规定,沼气发酵残留物必须经过l80d(含厌氧发酵期)储存后才能至农田使用。发酵所产沼气2008年之前主要进行发电上网,2008年后则得益于低压吸附提纯沼气技术的推广应用,许多沼气工程开始采用通人国家天然气管网供气的模式。据统计,201。年下萨克森州可再生能源消费比例已占总能源消费的15%;计划到202。年达到20一25%,并逐步关闭核电站。目前,下萨克森州自用电力的6.5%都来自于沼气发电。2000年德国制定可再生能源法促进了沼气工程等可再生能源发展,2004年又实行对沼气发电进行0.2欧元/kw·h的价格补贴政策,有力的促进了下萨克森州沼气工程发展。现在德国5%的沼气发电都在下萨克森州,2009年该州建有发电站的沼气工程875家,预计2011年将达到1300家,发电量由2009年46omw将提高至2011年65omw;全州沼气工程年投人资金20亿欧元,年产值10亿欧元,总体利润约1亿欧元。下萨克森州现有26万公顷耕地用于能源植物种植,占该州总耕地13.6%,其中用于沼气工程原料的能源植物种植面积占75%.沼气工程建设,涉及该州的多个领域,如:能源作物育种、能源作物种植、新技术研发、工程建设、运输物流、能源投资、设备产销、技术培训、银行、社会中介组织等,通过沼气工程实施有力推动了整个产业发展。据介绍,目前下萨克森州不同规模装机容量沼气发电工程所占比例为:26oKW以下占23%,261一sooKW占50%,50一1oooKw占22%,1001KW以上占5%.2011年该州计划将进一步调整和优化用于沼气原料的能源作物种植面积、通过立法从政策方面解决沼气工程发电或提纯供气并网等市场推广问题、进一步加大沼气技术研发与技术培训等。历史的大型作物育种企业,在德国上市,在全球业内位列前五,已在70多个国家和地区开展业务,并设立了55家子公司和联营公司。2009年末公司全球营业额达7亿欧元。每年将营业额的15%投人在研发活动中。KWS公司自30多年前进入中国,一直致力于提高中国甜菜品种的生产能力,中国主要糖区的单位面积产糖量在过去的30年里增加了近一倍。近年来KWS公司的玉米品种在某些抗性方面表现出明显优势,且密植性能优异。据介绍,近十年来,在德国,建设沼气工程多以获取生物能源为主要目的,因此追求最大原料产气率是这些工程的重要技术指标。从原料产气率角度分析,一些农作物,如玉米、甜高粱、甜菜的干物质产气率可高达600一1000m3t/,远远高于畜禽粪便的产气率,此外,这些作物的单位产量也很高,比如种植1亩甜菜可以收获约7t甜菜和1.7t甜菜叶,而It新鲜甜菜可生产loom3沼气。同时采用这些发酵原料有充足的资源保证。KWS公司在欧洲约15%的年收益来自于能源作物。生物质能源在德国的应用形式主要是通过沼气作为能源载体,能源作物的用途决定其育种目标相对其他食用、饲用作物较简单,即,干物质产量的最大化、提高每千克有机干物质的沼气产量、改善剩余作物的可消化性、产量稳定、成熟期有保障。3德国沼气工程建设特点2KWS种子股份有限公司能源作物种子开发KWS成立于1856年,是一家具有150多年据汉诺威应用科学大学的AhcimLoewen教授等介绍,德国每年的农作物秸秆产量大约为5000万t左右,目前的畜牧业养殖规模也有较大发展,每天产生的粪便所含干物质约可达60OO0t左右。因此,采用农作物和畜禽粪便两种原料进行发酵(全混合发酵工艺)的沼气工程在德国占主导地位。由于全混合发酵原料55含量和TS浓度都比较高,适合采用全混合厌氧反应器。德国目前约85%左右为立式全混合反应器,约5%采用卧式反应器,还有10%左右的沼气工程采用两种反应器联用的方式。近年来,随着新材料、新技术的发展,新建沼气工程有80%采用了将发酵罐和储气柜一体化的设计建造模式,即在反应器的上部安装双层膜用以储存沼气,既节省工程建设增刊李泉临,等:德国沼气工程项目建设考察与思考151用地,又节省建材和投资;传统型钢制湿式储气柜将逐渐被淘汰。农场主运料地点(GPS卫星定位监视)到沼气站过地磅记录开始至向发酵罐加料、增温及运行监测、故障报警等全过程,完全实现自动化。该工程从设计、建设、施工以及环境保护,包括噪音和排放都严格按照欧盟相关标准执行。工程照片见图2、图3。Fig.1Biogasplantinafamr在农村,许多畜禽养殖场、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,其排出的料液进人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12od左右时间储存后才能排放运出去作为有机肥施用到农田里,绝对不存在沼肥二次污染问题。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余热用于厌氧发酵罐增温,即热电联产模式。沼气发电的方式主要是利用内燃机带动发电机进行发电上网。随着沼气净化提纯技术的进步,目前,已有部分企业把生产的沼气经提纯后(CH;含量达94%左右)以0.8欧元/m,价格出售,输人国家天然气管网。3.1实地考察Hardegsen的大型沼气工程概况该沼气工程由两部分构成,沼气生产部分由德国C4能源股份公司投资兴建;沼气提纯人网部分由德国能源巨头E·ON公司投资建造。在该项目中,德国C4能源股份公司负责沼气工程的运营以及沼气的高效生产,生产的沼气直接销售给E·ON公司,E·ON公司负责气体提纯工程的运营,提纯后的沼气输人国家天然气网。整个工程(包括提纯沼气部分)总投资1100万欧元。沼气站目前仅有两人管理操作,自动化程度和运营效率非常高。该沼气工程设计使用多级发酵工艺技术,原料在厌氧发酵罐中经过大约6d0的完全发酵后,其有机物的分解率达到90%以上,真正做到将资源完全,充分开发利用的目的。该套沼气工程装置完全利用的是德国先进的多级混和物发酵技术,所有生物发酵过程和沼气提纯工程的运营采用高度自动化的监控技术;如:从供应秸秆原料的Fig.2Hadegsenbio,5PlantFig.3oCnrstarwasfermentatiounraterialsinthefield3.2该工程设计工艺规模及有关技术参数该工程的设计规模为每小时产气1200m3,采用沼气锅炉给发酵罐增温,每小时锅炉消耗沼气约150m3,自动维持厌氧发酵罐和次级厌氧发酵罐内40℃左右恒温。设计全年运营时间为8ZOOh,平均每天运营时间为22.sh.设计全年沼气产气总量为9840O00m“.沼气锅炉消耗气体量为1230000m3,剩余气体通过低压吸附工艺提纯达到天然气品质(甲烷含量达95写以上),输人国家天然气网,供给天然气用户;设计年输送国家天然气网的沼气总量为47044oom,.该沼气工程采用混合原料的干法发酵方法,即主要原料来自已签约的沼气站周围50个农场主供应的玉米青储秸秆,麦秸秆等;此外还有少量的人畜粪便及高浓度有机污水做补充发酵原料,主要来自附近农场的禽畜粪便和冲洗污水等;粪污液体原料通过收集后用粪罐车运输到沼气站输152云南师范大学学报(自然科学版)第31卷入发酵原料预处理池,并通过预处理后泵人发酵罐与秸秆原料充分混合。该工程工艺流程图如图4。Fig.4TeehonlogiealporeessofthebiogasPlant该沼气工程为平均每天处理粪便污水约50m“。沼气厌氧发酵装置前处理由一个35Om3预处理池(主要用于处理畜禽粪便污水等),两个容积为3435m3一级钢筋混凝土结构的产、储气一体化发酵罐,和两个体积为3435m3的二级产、储气一体化发酵罐以及三个体积为3633m3的产、储气一体化发酵残余物储存罐组成。总体上沼气发酵物在站内储存期180d(包括厌氧发酵期)。一级发酵罐和二级发酵罐的罐体内设有增温装置,常年罐内保持恒定温度约为40℃.该沼气工程储气采用各独立的柔性双膜储气装置通过气体管道相互连通的方式;一、二级厌氧发酵罐储气装置设计容积各为1921m,,发酵料液残物储存罐的储气装置设计容积各为2123m“,储气设计总容积为14o53m,.4启示与建议德国沼气工程建设,主要是通过政府政策引导、资金扶持,企业自主运作,走市场化经营之路;每个项目从立项、资金筹集、工程设计建设、操作管理培训、工程验收、运行维护到新技术研发等,都比较规范川。如:德国下萨克