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熱電聯(lián)產(chǎn)根據(jù)對德國沼氣技術(shù)的考察情況，分析總結(jié)了德國沼氣工程技術(shù)的特點、發(fā)展驅(qū)動力與發(fā)展趨勢，借鑒德國沼氣發(fā)展的經(jīng)驗并結(jié)合中國沼氣工程技術(shù)發(fā)展中存在的一些問題，從政策、管理和技術(shù)角度對如何發(fā)展中國的沼氣工程提出了幾條建議。
1德國沼氣工程發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢
在參加CIGR2006會議期間，以及2005年在中國和荷蘭政府合作項目"促進中國西部農(nóng)村可再生能源綜合發(fā)展應(yīng)用"的資助下，作者先后兩次對德國的可再生能源發(fā)展狀況進行了考察，考察過程中，德國的沼氣工程技術(shù)給我們留下了深刻的印象，有許多地方值得中國學(xué)習(xí)和借鑒。
德國位于中歐，國土面積為35.7萬平方公里，人口總數(shù)8226.4萬人，人口密度230人/平方公里。在歐洲僅次于俄羅斯。德國的地形異常多樣，從連綿起伏的山巒、高原臺地、丘陵、山地、湖泊直至遼闊寬廣的平原。從北到南劃為5大地形區(qū)：北德高地，中等山脈隆起地帶，西南部中等山脈梯形地帶，南德阿爾卑斯山前沿地帶以及南部的阿爾卑斯山區(qū)。整個地勢南高北低。德國處于大西洋和東部大陸性氣候之間的涼爽的西風(fēng)帶，溫度大起大落的情況很少，平穩(wěn)溫和是德國氣候的總體特征，冬季平均溫度在1.5℃（低地）和-6℃（山區(qū)）之間。7月份平原來地區(qū)的平均溫度為18℃，在南方山谷地區(qū)為20℃左右。這種良好的氣候條件非常適合沼氣的發(fā)展。
近年來，沼氣工程在德國得到了快速發(fā)展，特別是在2000年其可再生能源法（RenewableEnergyAct，EEG）出臺以后。2000年之前的10年間德國沼氣工程的數(shù)量增加了不到1000處，而從2000到2004的4年間就增加了1450處。德國沼氣工程總量歷年的變化情況見圖1。而且其發(fā)展?jié)摿艽?，?jù)估計，其原料的理論利用量能滿足220000個沼氣工程的需要（包括農(nóng)場小型沼氣工程On-FarmAD和大型沼氣工程CentralizedAD）[1]。
2德國沼氣工程發(fā)展的特點
1)主要采用全混合發(fā)酵工藝
在德國，建設(shè)沼氣工程以獲取能源為主要目的，因此追求最大原料產(chǎn)氣率是這些工程最為重要的經(jīng)濟指標。從原料產(chǎn)氣率角度分析，一些作物，如玉米、甜菜、甜高粱及大麥的干物質(zhì)產(chǎn)氣率可高達600-1000m3/t，遠遠高于動物糞便的產(chǎn)氣率，而動物糞便與這些原料摻在一起進行混合發(fā)酵，可以彌補這些原料氮源不足的問題，從而更有利于沼氣的生產(chǎn)。此外，這些作物的單位產(chǎn)量也很高，比如種植1ha甜菜可以收獲100t甜菜和26t甜菜葉，而1t新鮮甜菜可生產(chǎn)100m3沼氣。同時采用這兩種原料有充足的資源保證。德國每年的秸稈產(chǎn)量大約為4800萬t，目前的畜牧業(yè)養(yǎng)殖規(guī)模大約為牛1600萬頭，豬2600萬頭，馬400萬頭，家禽1.14億只，這些家畜和家禽每天產(chǎn)生的糞便所含干物質(zhì)可達57500t[1]。因此，這種采用作物和糞便兩種原料進行混合發(fā)酵的沼氣工程在德國得到了快速發(fā)展[2]。
由于混合發(fā)酵原料SS含量和TS濃度都比較高，適合采用全混合厭氧反應(yīng)器。從采用的反應(yīng)器類型看，約90%為立式全混合反應(yīng)器，少數(shù)采用臥式反應(yīng)器，主要用于含沙和纖維量高的原料，而且受結(jié)構(gòu)限制此類反應(yīng)器的容積一般低于300m3，還有不到10%的工程采用兩種反應(yīng)器聯(lián)合應(yīng)用的方式。隨著材料技術(shù)的發(fā)展，一些工程采用了將發(fā)酵罐和儲氣柜一體化的設(shè)計，即在反應(yīng)器的上部安裝雙層膜用以儲存沼氣，見圖2和圖3。
許多農(nóng)場建的沼氣工程多采用2個發(fā)酵罐串聯(lián)發(fā)酵，其中第一個發(fā)酵罐采用連續(xù)進出料方式，其排出的料液進入第二個發(fā)酵罐儲存并在其中繼續(xù)產(chǎn)氣，同時該罐還兼作沼氣儲氣裝置。儲存在第二個發(fā)酵罐的料液經(jīng)過一段時間后被排放出來，然后作為有機肥噴施到農(nóng)田里，所以不存在廢液二次污染問題。
2）沼氣主要用于發(fā)電和供熱
德國的沼氣工程所產(chǎn)生的沼氣主要用來發(fā)電，同時多數(shù)將發(fā)電過程中產(chǎn)生的廢熱用于供熱，即熱電聯(lián)產(chǎn)工藝。這也是"RenewableEnergyAct"所鼓勵的。沼氣發(fā)電的方式主要是利用內(nèi)燃機帶動發(fā)電機進行發(fā)電。所采用的內(nèi)燃機以雙燃料內(nèi)燃機為主，占72%，其余28%為單燃料內(nèi)燃機。圖6所示為一小型沼氣發(fā)電設(shè)備。
3）沼氣生物脫硫技術(shù)的應(yīng)用
在德國一些沼氣工程采取有控制的向沼氣反應(yīng)器內(nèi)充空氣的方法來脫硫。這種脫硫方法的原理是利用兼性厭氧微生物在微量氧氣(＜0.1mg/L)存在的情況下，將硫化物氧化為單質(zhì)硫[4]。這類細菌屬于無色硫細菌，其中硫桿菌Thiobacillus就是一種典型的脫硫細菌，它屬于自養(yǎng)細菌，以無機硫化物為電子供體，以CO2為碳源。這種生物脫硫方法的關(guān)鍵在于氧含量的控制，控制不好就會破壞反應(yīng)器的厭氧環(huán)境，導(dǎo)致沼氣發(fā)酵效果下降或停止產(chǎn)氣。目前較為可靠的控制方法是采用氧化還原電位OPR在線監(jiān)測的方法控制料液的充氧濃度[3]。
3德國沼氣工程發(fā)展的驅(qū)動力
近年來德國沼氣工程的快速發(fā)展，主要得益于以下2個方面。
1）強有力的政策推動
近年來德國非常重視可再生能源的發(fā)展，為了促進包括沼氣在內(nèi)的可再生能源的發(fā)展，制訂了"RenewableEnergyAct"，該法于2000年開始實施，并在2004年進行了重新修訂以加大對可再生能源的扶持力度。該法提出的目標是到2010年由可再生能源提供的電能要占德國總電能消耗的12.5%，到2020年至少達到20%。為實現(xiàn)該目標，該法制定了可再生能源發(fā)電補貼措施，其中對生物質(zhì)能發(fā)電的補貼方法見表1。根據(jù)發(fā)電設(shè)備裝機容量的不同，制定了不同的上網(wǎng)電價補償標準。此外，對利用能源植物做原料的電廠，或者采用熱電聯(lián)產(chǎn)工藝的電廠在上網(wǎng)電價基本補償標準的基礎(chǔ)上再給予不同額度的獎勵。進而，如果新建的熱電聯(lián)產(chǎn)工廠在生物質(zhì)轉(zhuǎn)換利用環(huán)節(jié)采用熱化學(xué)氣化技術(shù)、燃料電池等新技術(shù)，可以再增獲得獎勵。上述規(guī)定適用于2004年1月1日以后運行的沼氣發(fā)電工程，保持20年不變，但在2005年1月1日后建設(shè)的電站其基本補償價格每年遞減5%。電網(wǎng)運營商收購可再生能源電力增加的費用由全國分攤。
同時，該法被認為是最有效的環(huán)境保護措施，2003年在德國可再生能源對溫室氣體CO2的減排量貢獻已達到5300萬t，而其中的2300萬t應(yīng)歸功于該法的推動作用。除了可再生能源法外，其它一些法規(guī)，如廢棄物處理和循環(huán)利用法（RecyclingandTreatmentofWastesAct），生物廢棄物條例（BiowasteOrdinance）等都對沼氣的發(fā)展起到了推動作用。
此外，在解決沼氣工程建設(shè)資金方面，政府可以為企業(yè)或農(nóng)場主提供長期低息貸款。
表1德國新的可再生能源法對生物質(zhì)能發(fā)電的補償標準
Table1PaymentsforpowerfrombiomassaccordingtonewEEG（單位：歐分/kW?h）
裝機容量150kM500kM5MW>5MW
基本補償額11.59.98.98.4
基本補償額1664-
基本補償額22222
基本補償額3222-
*注：能享受額外增加償付額1、2、3的對象依次為：利用能源植物做原料的發(fā)電廠，新建熱電聯(lián)產(chǎn)工程，采用熱電聯(lián)產(chǎn)新工藝的新建工程。
2）完善的質(zhì)檢控制體系保證
在德國有一套完善的沼氣工程質(zhì)量控制法規(guī)和標準。如安全操作規(guī)程（OperationalSafetyRegulations），農(nóng)業(yè)貿(mào)易協(xié)會安全規(guī)程（AgriculturalTradeAssociationSafetyRegulations）,歐盟機械指南（EUMachineryDirective）,德國工業(yè)標準（DINStandards）等都對沼氣工程適用。
由于沼氣是一種易燃易爆的氣體，所以，根據(jù)OperationalSafetyRegulations的要求，需要對沼氣工程進行防爆監(jiān)控。需要監(jiān)控的系統(tǒng)必須滿足以下要求：
①正式投入生產(chǎn)之前以及進行大的改造之后必須對系統(tǒng)進行檢查；
②至少每3年重復(fù)檢查1次；
③制訂防爆文件；
④每年對員工開展培訓(xùn)；
⑤在爆炸危險區(qū)使用的設(shè)備必須獲得許可。
而防爆文件的制定必須包含以下內(nèi)容：
①易爆位置地圖；
②設(shè)備正常情況下的操作與開關(guān)程序；
③非正常情況下的操作和故障處理程序；
④自動操作系統(tǒng)發(fā)生故障時手動操作程序；
⑤檢查和維護方法說明；
⑥沼氣發(fā)生泄漏和存在爆炸危險時緊急處理預(yù)案及通知；
⑦操作步驟或流程圖；
⑧維護記錄及檢查清單；
⑨防爆措施說明；
⑩事故檢查報告?zhèn)浒浮?
對在易爆地點使用的設(shè)備，必須符合防爆要求，設(shè)備是否是防爆設(shè)備，檢查時只需看該設(shè)備是否貼有Ex標志，即防爆標志。根據(jù)ATEXGudielines要求只有通過ATEX認證的設(shè)備才允許貼Ex標志。
對機械設(shè)備，根據(jù)EUMachineryDirective要求，生產(chǎn)商對該設(shè)備的說明必須與其實際性能相一致，并粘貼CE標志，即實行CE標志強制認證制度。
在德國，沼氣工程從申請建設(shè)到投入使用有一套嚴格的程序：
①業(yè)主編制工程建設(shè)可行性研究報告；
②向政府提出申請；
③獲得批準，按照批準的可行性研究報告進行工程建設(shè)；
④工程完工，試運行2個月；
⑤向檢測機構(gòu)提出檢測申請；
⑥檢測機構(gòu)派出人員現(xiàn)場檢測；
⑦檢測人員寫出工程評價報告；
⑧通過認證，工程進入正常運行。
如果工程未通過檢測，對于非關(guān)鍵性問題，檢測機構(gòu)將向業(yè)主提出整改建議，由業(yè)主解決后可以進入正常運行；但是對于存在比較嚴重問題的，問題解決后還必須通過檢測機構(gòu)的復(fù)查，才允許運行。
由于有質(zhì)量控制法規(guī)做依據(jù)，檢查人員對工程的檢查和驗收相對比較簡單，基本不需要檢測儀器，特別是對機械設(shè)備的檢查，只需檢查工程是否按相關(guān)標準要求選用設(shè)備，判斷的依據(jù)就是設(shè)備上的認證標志。
4對中國沼氣工程發(fā)展的幾點建議
通過對德國沼氣工程的考察，作者得到一些啟示，并籍此對我國沼氣工程的發(fā)展提出幾點建議。
1）落實并加大對沼氣發(fā)展的政策支持力度。中國已出臺了《可再生能源法》，而且國家發(fā)展與改革委員會也制定了與該法配套的《可再生能源發(fā)電價格和費用分攤管理試行辦法》。[5]根據(jù)德國的成功經(jīng)驗，為使沼氣等可再生能源發(fā)電在較短時間內(nèi)在中國有一個快速發(fā)展，關(guān)鍵在于如何有效的使這些政策得以落實。
2）加快制訂大中型沼氣工程技術(shù)規(guī)范。我國大中型沼氣工程的發(fā)展已有20多年，一大批沼氣工程正在發(fā)揮著明顯的能源環(huán)保效益。但到目前為止，在工程設(shè)計、施工方面，尚無統(tǒng)一的國家標準和技術(shù)規(guī)范。這是導(dǎo)致目前中國沼氣工程建設(shè)質(zhì)量得不到保障的主要原因。同時，由于缺乏執(zhí)法依據(jù)致使對沼氣工程的建設(shè)、安裝、使用等難以實施有效的監(jiān)督[6]。
（3）加大適用技術(shù)的研發(fā)與推廣。德國目前使用的厭氧反應(yīng)器絕大多數(shù)為全混合厭氧反應(yīng)器，而這種反應(yīng)器由于被認為是一種低效率的反應(yīng)器，所以中國已建成的沼氣工程基本不使用?？紤]到中國同時存在養(yǎng)殖廢棄物污染和秸稈污染問題，應(yīng)該根據(jù)國內(nèi)情況研發(fā)一些效率不一定很高，但非常適用的技術(shù)。相應(yīng)的前提是中國應(yīng)首先出臺可再生能源電力上網(wǎng)實施細則，從政策角度引導(dǎo)企業(yè)、個人投資沼氣發(fā)電。此外，就是要對養(yǎng)殖場的規(guī)模進行必要的控制，以便沼氣發(fā)酵處理后的排出液能被周圍的土地消納，不會排入水體對環(huán)境造成污染。
4）開展以秸稈為原料的沼氣發(fā)酵技術(shù)攻關(guān)。考慮到我國有大量的秸稈資源，以及《可再生能源法》實施對可再生能源發(fā)電的促進作用，以秸稈為原料發(fā)酵產(chǎn)沼氣會重新受到沼氣發(fā)電企業(yè)的重視。因此，需要在借鑒國外成功經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，盡快開展以秸稈為原料的沼氣發(fā)酵技術(shù)攻關(guān)。建議重點從秸稈前處理技術(shù)，高效厭氧發(fā)酵微生物的篩選與培育，新型秸稈厭氧發(fā)酵工藝，秸稈厭氧發(fā)酵示范工程等幾方面開展工作。
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熱電聯(lián)產(chǎn)專題：http://www.ytebara.com.cn/rdlc/index.htm/
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