欧洲沼气工程发展现状_邓良伟.doc

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2.四川大学生命科学学院,四川成都 610064) 摘 要:洲沼气发酵工艺、沼气净化、沼渣沼液利用以及沼气发电等方面的技术现状。欧洲沼气发展经验表明,政策激励是目前沼气工程发展的原动力,凡是沼气发展迅速的国家,都有很好的政策激励。关键词:欧洲;沼气;沼气发电;汽车燃料中图分类号:s216. 4; x703 文献标识码:a 文章编号: 1000-1166(2007)05-0023-08the current state ofb iogas engineering in europe /deng liang-wei1, chen z i-ai1,2(1. b iogas scientific re-search institute of them inistry ofagriculture, chengdu610041, china;2. school oflife science, sichuan uni-versity, chengdu610064, china).abstract:the biogas extension policies and laws in recentyears in europe, aswellas the biogas outputand theway ofuti-lization, were introduced in this paper. the technology actuality in respectof fermentation process, biogas purification, di-gestate treatment and utilization, and electricity generation using biogas, were reviewed. the experience in europe showedthatpolicies and laws are the motivities of biogas development at present. the countries where biogas industry developedfast all established attractive policies and laws.key words:europe union; biogas; electricity generation using biogas; biogas vehicle随着能源和环境问题的日益突出,沼气(厌氧消化)技术作为一种处理废弃物并能回收能源的环境工程技术,在世界上受到了越来越重要的关注。不论是在沼气工程技术、相关政策还是在沼气工程带来的经济、环境和能源效益等各方面,一些欧洲国家走在了世界前列。在现场考察、国际交流以及文献检索基础上,以及运行管理经验等进行了总结,希望能为我国沼气工程今后的发展方向提供参考和借鉴。1 政策法律框架1997年欧盟制定了可再生能源发展战略白皮书,计划到2010年,可再生能源份额翻倍,所占比例达到12%,其中生物质能所占比例超过80%,沼气贡献150亿吨石油当量1。目前,德国、奥地利、丹麦、瑞典等国以国内法的形式落实欧盟对可再生能源的要求,制订了相应的促进可再生能源(包括沼气)发展的法律法规。11 德国在欧洲国家中,德国是发展中小型农场沼气工 程的典型代表,主要动力来自于一系列优惠鼓励政 策的出台。1990年实施的电力并网法规定:电力 运营商有义务有偿接纳在其供电范围内生产出来的 可再生能源电力。对于地理位置不在电网运营商供 电范围的可再生能源发电厂,距离该发电厂最近的 电网运营商有接纳的义务。电网运营商由此产生的 额外成本按照该法的规定在帐目结算中分摊、转嫁。 特别是2000年颁布的可再生能源优先法以及国 家鼓励沼气发电上网的一系列配套政策的出台,为 广大农场主建设沼气工程并通过发电上网增加收入 创造了极好的法律环境。2004年,德国国会对可 再生能源优先法进行了修订,使小型农场沼气发 电上网更有吸引力。除了上网电价优惠外,对装机 低于70kw的沼气工程还可获得15000欧元的补助 金以及低息贷款。从新颁布的法律规定来看,德国 政府更加支持小型的和以农场为基础的生物质能发 23中国沼气china biogas2007, 25(5) 电工程2。12 奥地利根据欧盟的要求, 2002年制订了绿色电力法,鼓励建设消化能源作物与畜禽粪便的沼气工 程,不鼓励消化有机废弃物的沼气工程。含有有机 废弃物的沼气工程,上网电价比消化能源植物与畜 禽粪便的沼气工程低25%。对有2004年底前取得 许可,以及2006年中期运行的所有生物质能工程, 保证发电上网优惠价格到2015年。对沼气工程,国 家没有财政支持,在特定条件下,联邦州政府和环境 部对小型农场沼气工程给予支持。在欧盟资助的农 村发展项目范围内(bmlfuw, 2003, 83)或在国家 技术促进项目内(bgb.l inr. 149/2002),政府补贴 可以达到沼气工程投资的40%3-4。12 英国2002年英国开始实行绿色证书系统可再 生能源义务证书系统,该系统要求电力供应商逐 年增加可再生能源发电的份额,从2002-2003年度 的3%,增加到20032004年度的4. 3%, 2004 2005年度4. 9%, 20052006年度5. 5%,在2026 2027年度达到15. 4%。在该系统中,沼气是最 具代表性的可再生能源。对厌氧消化生产沼气,主 要有三方面的激励机制:(1)对沼气项目的研究、开发、示范项目进行支 持。可再生能源项目覆盖了沼气产业的几乎所有类 别:农场沼气工程、填埋气利用、市政垃圾厌氧消化、 工业有机废水厌氧消化。(2)对农场沼气工程、填埋气利用、市政垃圾厌氧消化、工业有机废水厌氧消化工程的沼气发电,非 化石燃料义务项目(nffo)提供上网电价补贴。(3)通过增加废弃物生产者许可证、填埋税、填 埋标准等措施提高废弃物处置管理费用。与环境效益相比,厌氧消化技术的能源效益仍 然较低。但是,能源利用对工程运行的经济贡献十 分显著。通过非化石燃料义务项目(nffo)的实 施,英国政府的能源政策鼓励可再生能源发电量达 到1500mw1, 5。13 法国2006年7月新上网电价的颁布,是法国沼气发 展的重要转折点。新电价的执行期为15年。并且 简化了上网手续,上网技术更方便易行5。 14 意大利意大利没有沼气支持项目,但是,电力公司有义务以高于末端用户电价80%的价格购买沼气发 的电。法律规定:厌氧消化液必须经过后处理后再 回收利用,这是沼气发展的主要障碍。因为消化液 后处理必须组合污水集中处理厂的净化技术,以去 除有机和无机污染物,费用昂贵6。15 丹麦所有沼气工程得到了补贴,上世纪80年代末补 助30% 40%, 90年代末20%。沼气作为可再生 能源,其收益免国税6。16 葡萄牙作为可再生能源的一部分,国家“能源”项目支 持沼气生产,进一步支持由国营或私营企业进行。 通常以研讨会的形式推广支持沼气技术。环境效 益、分期还款(3到7年)、能源产品商业利用是驱使 沼气发展的主要动力。主要问题是没有有效的激励 机制、高投入低产出。缺乏经费支持影响了技术革 新,结果建筑和装备质量低劣,已有沼气工程维护管 理水平低下,缺乏自动检测与控制6。17 西班牙随着废弃物处理重要性的日益增加,环境保护 是沼气发展的主要动力。并且,相当大的沼气工程 建设补贴在上世纪80年代末就已经实行。 生物质能发电和沼气发电得益于皇家法案436/2004。该法案规定了不同来源的可再生能源价格。经营者有两种方法,一种是直接将电卖到市场, 另一种是将电卖给电网公司。对于前一种情况,另 给参考价的40%的作为奖励;对于后一种情况,皇 家法案每年设定的电价相当于参考电价的90%, 20 年后降到80%5。18 瑞典有几个政府部门都对厌氧消化很感兴趣。严格 限制垃圾填埋以及填埋温室气体排放税的征收促进 了废弃物替代处理方法。沼气能源不上缴co2排 放税。并且中央政府向投资减排温室气体的地方政 府或企业实行补贴。对购买以沼气作燃料的汽车给 予很大的税收减免。农业部门对于能源植物和无害 有机物作为原料的消化残余物很感兴趣,目的在于 将营养物质还田并减少对化肥的依赖。这几个因素 增加了沼气作为汽车燃料的市场价值。发展沼气的 主要障碍在于:电价以及分散供热(木材燃料)价格 均很低。瑞典环保局发布的废弃物管理行动计划, 提出了废弃物管理的目标,如:到2005年禁止有机 废弃物的填埋,增加了人们对厌氧消化和堆肥的兴 24中国沼气china biogas2007, 25(5) 趣5。19 荷兰荷兰在有机废水厌氧消化领域处于世界领先地 位。但是,其农场沼气工程发展缓慢。影响因素主 要包括:荷兰法律严格限制土壤中引入矿物质,消化 残余物价值低;法律也严格要求高质量的堆肥,意味 着限制消化残余物进入市场;肥料政策的主要核心 是降低氨氮(氨减少计划1995年12月);粪便与 其它有机物联合消化的消化残余物不允许作肥料; 在荷兰,沼气和热能的价格低。2004年6月,一个肯定的清单被提出,在这个清 单中,农产品可以用于联合消化,并且没有排斥消化 残余物作肥料。最近的财政激励是沼气发电的补贴, 从2005年1月起,每kwh的粪便厌氧消化沼气电,荷 兰政府补贴9.1欧分,这是一项有效的激励措施5。 110 芬兰没有真正的国家沼气发展促进项目。主要是“沼气中心”在促进沼气的利用, joensuu大学也正 在进行一些厌氧消化的研究,可以获得研发和示范 项目的资助。有机废弃物采用填埋方式处置,四个 填埋场正在安装填埋气收集装置。将来,填埋气收 集将会增加,而集中式联合发酵沼气工程将会发展 缓慢。沼气技术应用主要障碍是:芬兰法律允许采用廉价的方式处理畜禽粪便,与其他欧盟国家相比,电价和燃料价格相当低;由于农场分散,沼气工程建设费用高,公众倾向于填埋气收集。因为运输和气味问题,而对大型沼气工程集中处理废弃物的兴趣低,小型农场沼气工程可能会得到发展。随着环境保护法律要求的严格,垃圾填埋将会被抛弃,生产沼气的废弃物处置方式将会是一种可能的解决方式6。根据制订的法律法规,一些欧盟国家对沼气发电上网制订了相应的优惠价格(表1表3)。表1 德国沼气发电上网价格1, 2(欧分(kwh)-1)农场沼气工程填埋气和污水处理厂沼气工程基本上网电价 150kw机组11. 16 500kw机组7. 67150500kw机组9. 6 500kw5mw机组6. 65500kw5mw机组8. 645mkw20mw机组8. 15额外补贴能源作物、动物粪便、农产品加工废弃物作原料46 新技术2热电联产2 新技术(干发酵,燃料电池、气轮机、多燃料发电)2注:购买电价从2005年1月1日起,每年递减1. 5%。表2 奥地利沼气发电上网价格3(欧分(kwh)-1)机组农场沼气工程混有其他废弃物的农场沼气工程100kw 16. 5 12. 375100500kw 14. 5 10. 8751000kw 12. 5 9. 375100kw 10. 3 7. 725表3 2006rh法国沼气发电上网价格5(欧分(kwh)-1)基本电价额外补贴150kw机组9沼气工程22mw机组7. 5热电联供03德国的上网电价规定很细,尤其鼓励农业废弃物沼气发电上网。奥地利基本上是参照德国的做法。表4 2006年欧盟沼气产量5(ktoe* 1)国家填埋气污泥消化沼气* 2其它沼气* 3合计德国573. 2 369. 8 980. 2 1923. 2英国1515. 0 181. 0 - 1696. 0意大利310. 8 0. 9 42. 1 353. 8西班牙251. 6 56. 8 25. 8 334. 3法国148. 0 75. 0 4. 0 227. 0荷兰38. 8 50. 8 29. 4 119. 0奥地利11. 2 3. 5 103. 4 118. 1丹麦14. 2 23. 5 56. 5 94. 2波兰27. 5 65. 8 0. 5 93. 8比利时50. 6 25. 0 7. 8 83. 3希腊54. 2 15. 2 - 69. 4芬兰50. 9 12. 7 - 63. 5捷克25. 2 31. 1 3. 6 59. 9爱尔兰25. 4 4. 8 4. 5 34. 7瑞典11. 3 21. 1 1. 0 33. 3匈牙利0. 1 7. 3 3. 1 10. 5葡萄牙- - 9. 2 9. 2卢森堡- - 8. 9 8. 9斯洛文尼亚6. 9 1. 1 0. 4 8. 4斯洛伐克- 4. 3 0. 6 4. 8爱沙尼亚1. 3 - - 1. 3马耳他0 0 0 0欧盟3116. 2 949. 5 1281. 1 5346. 7注:* 1. ktoe为千吨石油当量, 1 t石油当量相当于2000 m3沼 气;* 2.市政和工业污泥沼汽工程;* 3.分散农场沼气工程,市政固 体废弃物沼气工程,集中联合发酵沼气工程。25中国沼气china biogas2007, 25(5) 2 沼气生产现状在2006年,欧盟生产了近53. 5mtoe(百万吨石油当量)沼气,填埋气占58. 3%,分散农场沼气工程、市政固体废弃物处理沼气工程、集中式联合发酵 沼气工程占24. 0%,市政和工业污泥厌氧消化沼气占17. 8%5。欧盟各国沼气产量见表4。2005年到2006年间,欧盟沼气产量增长了136%,主要得益于农场沼气工程沼气产量的增加。农业沼气工程增加41. 7%,垃圾填埋气只增加了577%,污泥厌氧消化沼气只增加了5. 31%。21 英国以前英国是欧洲生产与利用沼气最多的国家,处于欧洲沼气的领头羊位置, 2006年,这一位置被德国取代。但人均沼气产量在欧洲仍然是第一。沼气初级能源的增加主要是填埋气发电市场的增加。填埋气是绿色证书系统(可再生义务证书系统re-newable obligation certificate system, rocs)的受益者。绿色证书系统要求电力提供商每年增加可再生能源发电所占的份额, 20052006年度,为5. 7%,2015年将达到15. 4%。20042005年度,沼气占可再生能源发电的35. 9% (填埋气占33. 6%,污水处理沼气占2. 3% ),相当于3. 9 twh, 20052006年度将达到4. 3 twh1, 5。22 德国德国是农场沼气工程发展最好的国家,主要是因为激励系统刺激了农场沼气工程的快速增长。德国沼气产量的增加主要是由于农场小型沼气工程(热电联供)的大规模增加,在2006年,基本上每个 月新建50座沼气工程,到2006年底,沼气工程的数 量达到3500座,总装机达1100mw。德国沼气协会 估计,到2020年,总装机将达到9500mw。到2005 年底,德国在沼气行业大约投资6. 50亿欧元用于沼 气工程建设,产生了8000个工作岗位。在国内市场 快速发展的基础上,德国沼气工业的出口也持续增 长, 2004年达到2700万欧元,约占行业总产值的 10%,在不久的将来,预计达到30%1, 5。23 意大利有5个集中沼气工程(包括在建的),有150多 个农场沼气工程,大约50个在运行1。在2006年,沼气发电产生的能源增加了3%。意大利电网管理者将沼气作为国家绿色证书系统的 一部分,该系统要求可再生能源发电的比例在2006 年占到2. 7%,绿色证书系统的平均电价逐年增加, 2006年达到13. 91欧分(kwh)-1 5。24 西班牙20052006年间沼气产量增加了17. 4 ktoe,2006年达到334. 3 ktoe,主要是填埋气增加,填埋气 占总沼气的75. 3%,这些增加主要得益于沼气发 电, 2006年沼气发电达到674. 9 gwh,热电联供成 倍增加,从36. 7 gwh增加到84. 4 gwh5。 25 法国与北欧国家不同,法国较少采用能源植物和粪 便生产沼气。法国沼气生产相对稳定,大部分沼气 来自填埋气(140. 8 ktoe),市政和工业废水(75ktoe),其它沼气只有4 ktoe。在法国,大约有70个 市政污水处理沼气工程, 126个工业废水处理沼气 工程, 22个废弃物存储中心, 2个市政垃圾沼气工 程, 7个养殖场沼气工程。法国最新建成的沼气化 垃圾处理厂位于北部的加来市,于2006年12月8 日正式投产。该工厂年处理垃圾量为28000吨,主要 是经过挑选的可发酵生物垃圾和农业食品工业垃圾 (油和油脂),这些垃圾来自该市区和周边59个村镇。 垃圾沼气化处理后产生的肥料将用于农业;产生的沼 气将卖给法国电力(edf),可发电6600mwha-1; 还可产生热水形式的能源4900mwha-1,用于垃圾 干燥; 3000mwha-1的蒸汽,用于高压供热1。 26 丹麦大部分沼气来自20个集中式联合发酵沼气工 程和60个农场沼气工程(57. 5 ktoe),其余是填埋 气(14. 3 ktoe),生物固体处理沼气工程(20. 5ktoe),计划在2006年建9个集中式联合发酵沼气工程。热电联产(chp)也发展很快,占整个国家沼 气发电的99. 3%,占沼气工业的84. 6%1。 27 奥地利其沼气发展与德国类似,自从绿电法案颁布以 来,农场沼气工程发展迅速, 2001至2002年期间, 沼气工程数量翻倍。2003到2005年间新建了100 多座沼气工程,其中15. 5%的工程,发电装机小于 100 kw; 72%在100500 kw之间;大于500 kw 占12. 5%。大约50座新建沼气工程将在2005年 运行,平均装机500 kw。到2006年底,沼气工程数 量达到了350座5。28 瑞典沼气主要有两个来源:污水处理厂(140座,沼 气产量69. 3 ktoe),填埋场(60座,沼气产量35. 8 26中国沼气china biogas2007, 25(5) ktoe),供热和发电不是沼气的主要利用方式。瑞典 的沼气利用选择作汽车燃料,占17. 2 ktoe。在2006 年底,瑞典将建世界上最大的沼气工程,来自市政污 水处理厂的沼气经净化后作汽车燃料,沼气产量 1600 m3h-1。另外,也将净化后的沼气注入天然 气燃气网,每年相当于180万m3天然气1, 5。 29 芬兰因为目前的法律允许采用如堆肥等廉价的方式 处理畜禽粪便,畜禽粪便沼气工程几乎没有。在 vaasa的stormossen沼气工程,用于处理市政固体废 弃物,每年生产大约170万m3沼气(10200mwh)。 一些试验性的农场沼气工程正在运行6。 210 荷兰大约在1980年,建立了大约30个农场沼气工程,由于运行费用高,消化液肥料价值低导致了大多 数沼气工程不再运行7, 8。厌氧消化主要用于污泥 处理和污水净化。2005年联合消化的沼气工程还 不到10座, 2007年初,已经达到50多座,但是集中 式沼气工程大规模的发展仍然存在困难,并且需要 时间5。211 葡萄牙在葡萄牙有几个地区如santarem, leiria, mon- tijo和riomaior,猪场高度集中,在lourinh. q, rio major和leiria,有4个集中沼气工程在运行。在中 部,南部大约60个农场沼气工程在运行。集中沼气 工程的运行结果不满意,因为选用了不合适的处理 方法,通常应用的是厌氧消化工艺(塞流式,上流式 污泥床,常规厌氧消化,厌氧滤池),活性污泥法后处理,条垛式堆肥。没有粪便与其有机废弃物的联 合消化6沼气工程。3 沼气利用现状垃圾填埋气主要以发电上网形式利用,工业污 水处理产生的沼气主要以热的形式由工厂 如果沼气提纯至甲烷含量95%以上,可以用作 汽车燃料,或注入城市燃气网替代天然气。瑞典、瑞 士、法国、冰岛都有沼气作为公共汽车、火车、轿车燃料的事例。沼气作汽车燃料,关键问题不是技术研 究与开发,而是市场和产业化的问题。北欧国家,对 于沼气是否应该提纯后用于并网或作汽车燃料仍然 存在争论。31 德国自从2000年颁布了可再生能源法(renewable energyact(eeg) )后,由于受政策驱动和经济利 益的影响,德国的沼气基本上用于发电。一些在 可再生能源法(2000年)颁布之前建造的小型工 程,沼气主要用于分散供热(如烧锅炉)。由于没有 沼气并入燃气网的法律规定,德国沼气基本没有并 入燃气网。随着2005年7月能源经济法的修 27中国沼气china biogas2007, 25(5) 订,这种情形已经发生改变,因为能源经济法明 确将沼气定义为燃气,并网的法律基础得以建立。 wsthof沼气有限公司在德国北部jameln建立的第 一个公共沼气加气站已于2006年6月开张营业。 另一个刺激因素是石油和天然气价格的波动,沼气 替代天然气变得更有吸引力。据估计,沼气可以替 代德国天然气消耗的10%。但是,沼气生产成本大 约是进口天然气价格的3倍,因此,尽管有能源经 济法的鼓励,沼气发电似乎仍然是唯一合理的选 择1。32 英国污泥消化沼气工程产生的沼气用于发电,发的 电和余热供污水处理厂使用或并入国家电网1。 32 法国大部分沼气就地燃烧,或发电用于处理站自身 消耗,或者内部供热。进行了几个沼气并入燃气网 项目研究,但由于财政原因被否定了。但是,一些沼 气作汽车燃料的项目得到了发展,法国是沼气作汽 车燃料的先驱。法国里尔有124辆沼气燃料汽 车1。34 瑞典瑞典是使用沼气作汽车燃料最先进的国家,沼气作汽车燃料开始于1996年,并建立了沼气作汽车 燃料的标准。目前,有779辆沼气燃料公共汽车, 4500辆汽油、沼气与天然气混合燃料的小汽车, 2004年开始,火车开始也以这种方式运行。在交通 工具的气体燃料中,沼气占54%,其余是天然 气1, 5。35 丹麦丹麦的沼气用于发电,电并入国家电网,农场主就地利用发电余热。丹麦的沼气可以并入天然气 网。丹麦沼气工程的收入主要来源于三个方面:出 售电占1/3,供热占1/3,收购工业废弃物占1/31, 6。36 奥地利沼气用于发电,电并入国家电网,农场主就地利 用发电余热1。37 荷兰沼气主要并入天然气网作为燃气1。38 冰岛沼气用作汽车燃料,首都-雷克雅未克有44辆 沼气燃料汽车1。39 意大利产生的沼气主要是养殖场使用或居民使用1。 4 沼气技术现状41 厌氧消化技术4. 1. 1 发酵原料欧洲工业废水处理沼气工程的原料主要是糖加工废水、土豆加工废水、造纸废水、啤酒废水等。污 水处理厂沼气工程的原料是剩余污泥与初沉污泥。 农场沼气工程发酵原料主要有三种:畜禽粪便:牛粪、猪粪、鸡粪;能源植物:主要是玉米及玉米杆,其它植物如青贮饲草、紫花苜蓿、三叶草、向日葵、甜稷、苏丹草也 变得越来越重要;有机废弃物:如食品与农产品加工废弃物,市场 废弃物、市政垃圾有机物。在德国,大约94%的农场沼气工程是混合原料 发酵,牛粪或猪粪占混合发酵原料的比例在50% 80%之间。有机副产品、农产品和食品加工废弃物、 能源作物以及作物收割残余物是最常用补充发酵原 料。玉米和青草是最常用的能源作物,因为每公顷 玉米的甲烷产量高,青草具有输入成本低的特点。 很少的工程采用单一能源作物作为发酵原料9。 在奥地利,大约10%的新建沼气工程只消化能 源植物,消化能源植物与畜禽粪便混合原料的占 65%,消化畜禽粪便与有机废弃物混合原料的大约 占25%。新建的沼气很少采用单一发酵原料(占3. 1% ),往往是几种原料混合发酵,以4种、5种发酵 原料的沼气工程最多,分别占26. 1%和25%,有的 多至67种发酵原料3, 10。能源植物与畜禽粪便混合发酵能保证系统稳定。如果只有能源植物或添加有机废弃物作原料, 沼气工程的运行很困难,因为缓冲能力低、产气被回流液中的盐或氨氮抑制,系统容易失稳。 丹麦有20% 50%的沼气工程发酵原料来源于非农业废弃物。农场沼气工程十分依赖食品工业 的废油如鱼油和动物油。每m3废油可产沼气700 1000 m3。在畜禽粪便中添加2% 5%的废油, 沼气产量将翻倍,因此使投资变得更有吸引力。虽 然目前只付运费,由于获得这种油的竞争日趋激烈, 以后将不得不付费购买。一个沼气工程每年需要 500900吨废油,整个丹麦每年总需要量大约5000 吨,显著高于可供量,因此还需要从汉堡和鹿特丹进 口6。28中国沼气china biogas2007, 25(5) 4. 1. 2 发酵工艺对于工业废水如糖加工废水、土豆加工废水、造 纸废水、啤酒废水等原料,主要采用上流式污泥床 (uasb)、膨胀颗粒床(egsb)和内循环厌氧反应器 (ic)等高效厌氧反应器。以污泥为原料的沼气工 程采用完全混合式厌氧反应器(cstr)。农场沼气 工程则采用完全混合式厌氧反应器、推流式反应器 或其组合工艺。在德国,连续式湿发酵占主导地位,干发酵仅仅 在进行小规模实验示范。大约90%沼气工程采用 立式发酵罐(完全混合式),装置容积8001500m3,几种集中沼气工程发酵装置容积为20005000 m3。在奥地利,采用完全混合式工艺的立式发酵罐 沼气工程占84%左右,标准容积500和2000 m3。 卧式发酵罐(推流式工艺)主要用于小工程或高固 体含量的原料,在德国,约占沼气工程的4%。卧式 发酵罐主要在德国东南部地区,该地区的养殖场规 模小。卧式发酵罐典型容积在德国为150 600 m3;在奥地利,容积为50和150 m3。因为在高固体 条件下可以获得良好的混合,往往推流式作为第一 级,完全混合式作为第二级。在奥地利,完全混合式 与推流式组合工艺占16%左右,而单独采用推流式 工艺在奥地利基本没有3, 9, 10。立式发酵罐水力停留时间42天。卧式发酵罐 第一级平均水力停留时间50天,第二级55天。立 式发酵罐第一级vs容积负荷7 kgm-3d-1,第二 级vs容积负荷4 kgm-3d-1,卧式发酵第一级vs 容积负荷4 kgm-3d-1 3, 9, 10。能源植物的原料vs产ch4率0. 33 m3kg-1; 能源植物与粪便混合原料vs产ch4率0. 45 m3 kg-1;能源植物、畜禽粪便与有机废弃物混合原料vs产ch4率0. 32 m3kg-1 3, 9, 10。有机固体甲烷化从1990年以后成为厌氧消化 新趋势,也是未来沼气产业的发展方向。这种类型 的提供商在欧洲很多,每个公司都发展了自己的厌 氧消化技术。主要技术包括:valorga, linde brv, dranco, bta andkompogas工艺1, 5。4. 1. 3 混合搅拌欧洲农场沼气工程一般采用机械搅拌。早期,普遍采用快速潜水推进式搅拌,目前,低速搅拌逐渐 成为发展趋势。在奥地利,新建沼气工程54%采用 低速浆式搅拌器, 9%采用长轴式搅拌器, 7%采用快 速潜水推进式搅拌器。大约55%的消化池采用1 个搅拌器,目前趋势是采用2个(大约42% )甚至3 个搅拌器(大约3% )3, 9, 10。4. 1. 4 发酵温度德国和奥地利的农场沼气工程, 90%采用中温发酵。德国有大约9%的沼气工程采用高温发酵。 奥地利只有3%左右采用高温发酵,另有3%左右采 用一级高温、二级中温的组合发酵3, 9, 10。 42 沼气净化沼气净化的程度取决于沼气的用途。沼气供热,需要脱水、脱硫;沼气发电,需要脱水、脱硫、脱有 机卤化物;沼气作汽车燃料,需要脱水、脱硫、脱有机 卤化物、脱二氧化碳;沼气并网,需要脱水、脱硫、脱 有机卤化物、脱二氧化碳以及去除金属。沼气作汽 车燃料的净化要求最高:甲烷含量大于96%,水分 含量低于15 mgnm-3,h2s含量不超过100 mg nm-3,颗粒物质限制在40m以下。沼气净化具体方法如下1, 5, 6:脱水:两相分离、冷却。当沼气用于并网时,脱 水采用乙二醇或分子筛吸附,用于燃料时,含水率低 于15 mgnm-3。脱硫: fe2o3,活性碳。水洗,可以同时脱硫和co2。生物脱硫,农场沼气工程主要采用生物脱硫, 因为生物脱硫技术比较简单,费用低并能满足发电 机组的要求。脱有机卤化物、重金属:活性碳吸附法。脱氧:催化处理。脱co2,水洗、变压吸附,可以同时脱硫和co2, 正在进行藻类光和固定。脱有机硅、碳氢化合物:活性碳吸附法。43 沼气发电沼气发电通常采用气体发动机。在德国, 98% 的沼气工程是热电联产(chp)。200 kw以下的机组主要是双燃料机组,需要8% 15%的柴油机燃 料用于气体点火,电效率33% 37%。双燃料机组 可以在甲烷含量比较低的情况下使用,如能源作物 的发酵。200 kw以上纯燃气机组采用火花点火,电 效率34% 37%,比双燃料机组使用寿命长,但造 价稍高9。气体发动机替代新技术是采用微涡轮,具有以下优点:非常低的氮氧化合物和一氧化碳尾气排放; 维护费用低;尾气温度大于500,有利于余热利 用。然而,目前微涡轮价格昂贵9。44 沼气燃料电池29中国沼气china biogas2007, 25(5) 最近几年,沼气作燃料电池的试验已经在整个 欧洲进行。2004年完成的欧盟amonco项目,已 将沼气工程研究重点从厌氧消化过程行为的预报、 监测和控制转向沼气燃料电池。沼气作为燃料电池 的燃料源已经在小试中得到了较好的证实。amonco项目研究结果已经显示出沼气燃料电池 的潜力。例如,与目前的气体发动机相比,热电联产 机组中燃料电池能提高效率。采用现代发动机可以 将沼气发电效率从30%提高到35%,而燃料电池的 电效率可以达到60%以上。在家庭,燃料电池能代 替老的加热设备,直接供电供热。沼气燃料电池分 为低温燃料电池和高温