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 3 5cm 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 600 1000m3 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 2 1 8 m3 m3 d 高温装置 产气率可达 2 0 3 0m3 m3 d 最高的可达 5 6 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 1 2 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