☆德国沼气技术供参习.doc

德国沼气工程技术考察及思考 杨世关（南京大学环境学院，南京210093） 张百良（河南农业大学机电工程学院，郑州 450002） 根据对德国沼气技术的考察情况，分析总结了德国沼气工程技术的特点、发展驱动力与发展趋势，借鉴德国沼气发展的经验并结合中国沼气工程技术发展中存在的一些问题，从政策、管理和技术角度对如何发展中国的沼气工程提出了几条建议。 1 德国沼气工程发展现状与趋势 在参加CIGR2006会议期间，以及2005年在中国和荷兰政府合作项目“促进中国西部农村可再生能源综合发展应用”的资助下，作者先后两次对德国的可再生能源发展状况进行了考察，考察过程中，德国的沼气工程技术给我们留下了深刻的印象，有许多地方值得中国学习和借鉴。 德国位于中欧，国土面积为35.7万平方公里，人口总数8226.4万人，人口密度230人/平方公里。在欧洲仅次于俄罗斯。德国的地形异常多样，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。从北到南划为5大地形区：北德高地，中等山脉隆起地带，西南部中等山脉梯形地带，南德阿尔卑斯山前沿地带以及南部的阿尔卑斯山区。整个地势南高北低。德国处于大西洋和东部大陆性气候之间的凉爽的西风带，温度大起大落的情况很少，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 -6℃（山区）之间。7月份平原来地区的平均温度为18℃，在南方山谷地区为20℃左右。这种良好的气候条件非常适合沼气的发展。 近年来，沼气工程在德国得到了快速发展，特别是在2000年其可再生能源法（Renewable Energy Act ，EEG）出台以后。2000年之前的10年间德国沼气工程的数量增加了不到1000处，而从2000到2004的4年间就增加了1450处。德国沼气工程总量历年的变化情况见图1。而且其发展潜力很大，据估计，其原料的理论利用量能满足220000个沼气工程的需要（包括农场小型沼气工程On-Farm AD和大型沼气工程Centralized AD）[1]。 2 德国沼气工程发展的特点 主要采用全混合发酵工艺 在德国，建设沼气工程以获取能源为主要目的，因此追求最大原料产气率是这些工程最为重要的经济指标。从原料产气率角度分析，一些作物，如玉米、甜菜、甜高粱及大麦的干物质产气率可高达600-1000m3/t，远远高于动物粪便的产气率，而动物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。此外，这些作物的单位产量也很高，比如种植1ha甜菜可以收获100t甜菜和26t甜菜叶，而1t新鲜甜菜可生产100m3沼气。同时采用这两种原料有充足的资源保证。德国每年的秸秆产量大约为4800万t，目前的畜牧业养殖规模大约为牛1600万头，猪2600万头，马400万头，家禽1.14亿只，这些家畜和家禽每天产生的粪便所含干物质可达57500t[1]。因此，这种采用作物和粪便两种原料进行混合发酵的沼气工程在德国得到了快速发展[2]。 由于混合发酵原料SS含量和TS浓度都比较高，适合采用全混合厌氧反应器。从采用的反应器类型看，约90%为立式全混合反应器，少数采用卧式反应器，主要用于含沙和纤维量高的原料，而且受结构限制此类反应器的容积一般低于300m3，还有不到10%的工程采用两种反应器联合应用的方式。随着材料技术的发展，一些工程采用了将发酵罐和储气柜一体化的设计，即在反应器的上部安装双层膜用以储存沼气，见图2和图3。 受结构的局限，这种反应器的容积最大不宜超过1200m3，如果建造更大容积的反应器，则多采用图4所示结构形式的反应器。 基于所用沼气发酵原料的特点，此类沼气工程设有固体原料进料装置，见图5。 许多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，其排出的料液进入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一段时间后被排放出来，然后作为有机肥喷施到农田里，所以不存在废液二次污染问题。 2） 沼气主要用于发电和供热 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废热用于供热，即热电联产工艺。这也是“Renewable Energy Act”所鼓励的。沼气发电的方式主要是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，占72%，其余28%为单燃料内燃机。图6所示为一小型沼气发电设备。 3） 沼气生物脱硫技术的应用 在德国一些沼气工程采取有控制的向沼气反应器内充空气的方法来脱硫。这种脱硫方法的原理是利用兼性厌氧微生物在微量氧气(＜0.1mg/L)存在的情况下，将硫化物氧化为单质硫[4]。这类细菌属于无色硫细菌，其中硫杆菌Th