德国沼气工程发展现状分析与借鉴

德国是当今世界上沼气工程技术发展和实践应用最为成功的国家之一，在推进国内能源结构转型升级、保障国家能源安全、增加业主收入和生态安全方面发挥了重要作用。笔者近期实地考察了德国巴特黑斯费尔德的弗劳恩霍夫研究院中试沼气厂、德累斯顿的智康公司示范沼气工程、哥廷根市的南下萨克森州能源再生科技公司垃圾沼气工程、莱比锡的德国生物质研究中心中试沼气厂等4个大型沼气工程，对其“混合中温发酵、全程自动控制、沼气热电联产”的技术模式，以及显著的经济效益、社会效益、生态效益，留下了深刻印象。本文就此分析总结了德国沼气工程建设运行、技术特点与发展趋势，从政策、管理和技术角度对如何发展河南省的沼气工程进行了思考，并提出些许建议。一、德国沼气工程建设现状德国位于欧洲中部，国土面积为35.7万km2，人口总数8211万人。德国的地形复杂多样，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，整个地势南高北低分为北部平原、中部丘陵以及阿尔卑斯高地3个部分。德国处于大西洋和东部大陆性气候之间的凉爽的西风带，温差不太大，主要是海洋性气候，夏季无酷暑，冬季无寒冬，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）和一6（山区）之间。7月份平原地区平均温度为18，在南方山谷地区为20左右，这种气候条件非常适宜发展沼气。德国沼气工程从20世纪90年代初开始建设至2011年，经历了不同发展阶段。其主要原因来源于德国政府对可再生能源的政策导向，特别是对沼气发电上网和能源作物的开发利用使其市场经济效益发生明显变化，加上其先进的技术和设备生产，在全世界位居首位。近年来，特别是在2000年德国可再生能源法开始实施以后，沼气工程得到了快速发展。在2000年之前的10年间德国沼气工程的数量增加了1050座，而从2000年到2010年的10年间就增加了4750座，到2011年已累计建成沼气工程7200座，遍布整个德国，分别应用于私人农庄、畜禽养殖场、垃圾处理，总装机容量为2700MW，最大规模沼气电站装机容量高达55MW,而最小沼气发电工程装机容量仅为7kW。沼气发电每年在200亿度以上，超过我国三峡工程的年发电量，占德国年平均用电量的4.9%。目前，可再生能源已占德国整个能源消耗的8.6%，而且发展势头良好，潜力巨大。用于沼气生产为目的的能源作物种植面积已达80万hm2，占德国耕地面积的6.8%。德国计划到2020年建成12000个沼气能源工程，发电装机总量达4800MW，使沼气发电占全国发电总量的7.5%；要用全国1700万hm2农业用地中的420万hm2（约占农业用地的25%，在不影响国家粮食供应安全的情况下），用于能源作物生产，确保沼气原料的供应，到2030年在天然气管网中至少含10%的沼气。到2050年，农民收入的1/4来自于沼气工程。二、德国沼气工程建设技术特点（一）建池材料质地好德国沼气工程中的主体结构材料采用钢罐、搪瓷拼装罐、钢筋混凝土制作池体，扁平型的发酵罐多采用混凝土，瘦高型的多采用钢罐或搪瓷拼装罐。柔性材料作反应器池顶的集气材料，这样可确保池体使用寿命长，克服混凝土慢渗气的缺点，工程建造成本和日常维护成本也大大降低。依靠罐体保温和热交换，地上部分的池体保温层基础为35cm厚的聚氨酯或岩棉。发酵罐罐体内部侧面或顶部中央安装搅拌器，顶部一般为双层沼气贮气膜结构。（二）发酵原料多元化沼气发酵原料多样化，可利用的发酵原料有能源作物（主要是种植玉米、甜菜、青草等直接作沼气发酵原料使用）、畜禽粪便、城市家庭垃圾、城市污水污泥、工业及食品加工废渣和废液等，沼气工程普遍采用混合原料进行发酵。玉米青贮作沼气发酵原料是德国沼气产业迅猛发展的主要因素。目前，德国年产青贮约4800万t，其中主要为青贮玉米。从原料产气率角度来看，一些能源作物如玉米、甜菜等干物质的产气率可高达6001000m3/t，远远高于畜禽粪便的产气率，而畜禽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。（三）发酵工艺先进沼气工程的厌氧消化工艺是根据处理规模、发酵原料的性质和浓度以及发酵温度等因素选择的。所建沼气工程普遍采用多级高浓度CSTR湿式中温发酵工艺，就是说一般都设有二级或三级以上反应器，一级比一级原料浓度低，发酵温度在38-42范围内。德国制定了热电联产激励政策，鼓励企业利用发电余热给沼气工程厌氧消化装置增温、保温，即使在冬季环境气温低至-200C，沼气工程依然运行良好。中温装置产气率可达1.21.8 m3(m3.d)，高温装置产气率可达2.03.0m3/ (m3-d)，最高的可达56 m3/(m3.d)，经济效益显著。（四）沼气高值利用目前，德国的沼气工程所产生的沼气主要利用方式为发电并网，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。大型沼气工程主要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。工程平均发电效率为40%42%平均热能转换率为45%，其中约10%的沼气发电量和45%的余热用于工程自身运行，55%的发电余热用于公共建筑或农舍供暖、农作物干燥、沼渣烘干、农产品冷藏库制冷等。除了发电，沼气提纯在德国也日益受到重视，和瑞典不同的是，德国的沼气经过提纯后直接进入天然气管网。这样做的好处是，一方面全德国范围的天然气管网就好像一个大的储气装置，可以将生产出的生物质能储存起来，待风电和太阳能不足时作为补充能源；另一方面将农村地区生产出的沼气送到城市或工业地区发电使用，更有利于将热能在更需要的地方得到利用。（五）产业政策优惠德国走的是沼气能源工厂市场化、产业化之路。前期工程建设国家没有直接资金支持，银行为企业或农场主提供长期低息贷款，而政府不提供任何建设补贴，前期建设资金靠的是20年不变的低息贷款。国家颁布了一系列鼓励和激励政策，如企业税率20年不变、低息贷款利息20年不变、产品定价20年不变、发展机制、配套法规、标准体系等。一系列利好政策确保了沼气工程的稳定受益，提高了农场、养殖场等建设沼气工程的主动性、积极性，促进了沼气能源工厂市场化、产业化、规模化发展。德国沼气工程建设方很多都是能源企业，以销售能源为目的，其形式有沼气发电上网或直接销售经沼气提纯后的天然气。另外，沼气工程还可通过处理生活垃圾等废弃物收取处理费用，以获得更好的企业利润。德国从事沼气行业的能源工厂人员少、效率高，普遍采用操作规范、专业技术强、机械化作业的运行管理模式，沼气工程的持续运行有了保障。参观的4处沼气工程常年的经营管理均为12人，包括沼气工厂的日常管理和能源作物的种植管理，降低了常年运行费用。（六）配套设备标准化，工程运行自动化德国沼气产业经过长期的实践和发展，沼气工程的进料设备、搅拌设备、脱硫设备、沼气存储设备、热电联产成套设备等，形成了标准化、规模化生产，性能处于世界沼气行业领先地位，沼气发电机、固液分离机、专用泵、搅拌机等一批核心配套产品形成了国际品牌，为沼气工程的正常运行提供了技术保障。沼气工程自动化程度较高，从原料收集、分类、进料、高温消毒、发酵、产气、脱硫提纯、发电上网、出料、沼渣沼液贮存、运输等全过程均实现机械化和自动化。（七）“三沼”利用突出德国沼气工程均安装燃烧火炬，沼气用于热电联产，未利用的多余沼气统统燃烧。目的是防止未经净化或未燃烧的沼气排空造成二次污染，避免产生爆炸、火灾隐患、温室气体排放以及异味污染。德国沼气工程都建有沼液、沼渣储存池，沼液、沼渣储存池均加盖。储存池加盖防止沼液、沼渣中的氮素通过好氧分解而流失掉，阻止由于长期堆放产生的异味逸出，还能改善卫生环境。储存池的沼液、沼渣经过3