德國沼氣工程技術考察及思考
根據對德國沼氣技術的考察情況， 分析 總結 了德國沼氣工程技術的特點、 發展 驅動力與發展趨勢，借鑒德國沼氣發展的經驗并結合 中國 沼氣工程技術發展中存在的一些 問題 ，從政策、管理和技術角度對如何發展中國的沼氣工程提出了幾條建議。
1 德國沼氣工程發展現狀與趨勢
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 農村 可再生能源綜合發展 應用 ”的資助下，作者先后兩次對德國的可再生能源發展狀況進行了考察，考察過程中，德國的沼氣工程技術給我們留下了深刻的印象，有許多地方值得中國 學習 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：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。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帶，溫度大起大落的情況很少，平穩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)之間。7月份平原來地區的平均溫度為18℃，在南方山谷地區為20℃左右。這種良好的氣候條件非常適合沼氣的發展。
近年來，沼氣工程在德國得到了快速發展，特別是在2000年其可再生能源法(Renewable Energy Act ，EEG)出臺以后。2000年之前的10年間德國沼氣工程的數量增加了不到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。而且其發展潛力很大，據估計，其原料的 理論 利用量能滿足220000個沼氣工程的需要(包括農場小型沼氣工程On-Farm AD和大型沼氣工程Centralized AD)[1]。
2 德國沼氣工程發展的特點
1)主要采用全混合發酵工藝
在德國，建設沼氣工程以獲取能源為主要目的，因此追求最大原料產氣率是這些工程最為重要的 經濟 指標。從原料產氣率角度分析，一些作物，如玉米、甜菜、甜高粱及大麥的干物質產氣率可高達600-1000m3/t，遠遠高于動物糞便的產氣率，而動物糞便與這些原料摻在一起進行混合發酵，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。此外，這些作物的單位產量也很高，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。德國每年的秸稈產量大約為4800萬t， 目前 的畜牧業養殖規模大約為牛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生的糞便所含干物質可達57500t[1]。因此，這種采用作物和糞便兩種原料進行混合發酵的沼氣工程在德國得到了快速發展[2]。
由于混合發酵原料SS含量和TS濃度都比較高，適合采用全混合厭氧反應器。從采用的反應器類型看，約90%為立式全混合反應器，少數采用臥式反應器，主要用于含沙和纖維量高的原料，而且受結構限制此類反應器的容積一般低于300m3，還有不到10%的工程采用兩種反應器聯合應用的方式。隨著材料技術的發展，一些工程采用了將發酵罐和儲氣柜一體化的設計，即在反應器的上部安裝雙層膜用以儲存沼氣，見圖2和圖3。
許多農場建的沼氣工程多采用2個發酵罐串聯發酵，其中第一個發酵罐采用連續進出料方式，其排出的料液進入第二個發酵罐儲存并在其中繼續產氣，同時該罐還兼作沼氣儲氣裝置。儲存在第二個發酵罐的料液經過一段時間后被排放出來，然后作為有機肥噴施到農田里，所以不存在廢液二次污染 問題 。
2) 沼氣主要用于發電和供熱
德國的沼氣工程所產生的沼氣主要用來發電，同時多數將發電過程中產生的廢熱用于供熱，即熱電聯產工藝。這也是“Renewable Energy Act”所鼓勵的。沼氣發電的方式主要是利用內燃機帶動發電機進行發電。所采用的內燃機以雙燃料內燃機為主，占72%，其余28%為單燃料內燃機。圖6所示為一小型沼氣發電設備。
3) 沼氣生物脫硫技術的 應用
在德國一些沼氣工程采取有控制的向沼氣反應器內充空氣的 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鍵在于氧含量的控制，控制不好就會破壞反應器的厭氧環境，導致沼氣發酵效果下降或停止產氣。 目前 較為可靠的控制方法是采用氧化還原電位OPR在線監測的方法控制料液的充氧濃度[3]。
3 德國沼氣工程 發展 的驅動力
近年來德國沼氣工程的快速發展，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展，為了促進包括沼氣在內的可再生能源的發展，制訂了“Renewable Energy Act”，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%。為實現該目標，該法制定了可再生能源發電補貼措施，其中對生物質能發電的補貼方法見表1。根據發電設備裝機容量的不同，制定了不同的上網電價補償標準。此外，對利用能源植物做原料的電廠，或者采用熱電聯產工藝的電廠在上網電價基本補償標準的基礎上再給予不同額度的獎勵。進而，如果新建的熱電聯產工廠在生物質轉換利用環節采用熱化學氣化技術、燃料電池等新技術，可以再增獲得獎勵。上述規定適用于2004年1月1日以后運行的沼氣發電工程，保持20年不變，但在2005年1月1日后建設的電站其基本補償價格每年遞減5%。電網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，如廢棄物處理和循環利用法(Recycling and Treatment of Wastes Act)，生物廢棄物條例(Biowaste Ordinance)等都對沼氣的發展起到了推動作用。
此外，在解決沼氣工程建設資金方面，政府可以為 企業 或農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能發電的補償標準
Table 1 Payments for power from biomass according to new EEG(單位：歐分/kW•h)
裝機容量 150kM 500kM 5MW >5MW
基本補償額 11.5 9.9 8.9 8.4
基本補償額1 6 6 4 -
基本補償額2 2 2 2 2
基本補償額3 2 2 2 -
*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電廠，新建熱電聯產工程，采用熱電聯產新工藝的新建工程。
2)完善的質檢控制體系保證
在德國有一套完善的沼氣工程質量控制法規和標準。如安全操作規程(Operational Safety Regulations)，農業貿易協會安全規程(Agricultural Trade Association Safety Regulations), 歐盟機械指南(EU Machinery Directive), 德國 工業 標準(DIN Standards)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Operational Safety Regulations的要求，需要對沼氣工程進行防爆監控。需要監控的系統必須滿足以下要求：
① 正式投入生產之前以及進行大的改造之后必須對系統進行檢查;
② 至少每3年重復檢查1次;
③ 制訂防爆文件;
④ 每年對員工開展培訓;
⑤ 在爆炸危險區使用的設備必須獲得許可。
而防爆文件的制定必須包含以下 內容 ：
① 易爆位置地圖;
② 設備正常情況下的操作與開關程序;
③ 非正常情況下的操作和故障處理程序;
④ 自動操作系統發生故障時手動操作程序;
⑤ 檢查和維護方法說明;
⑥ 沼氣發生泄漏和存在爆炸危險時緊急處理預案及通知;
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 事故檢查報告備案。
對在易爆地點使用的設備，必須符合防爆要求，設備是否是防爆設備，檢查時只需看該設備是否貼有Ex標志，即防爆標志。根據ATEX Gudielines要求只有通過ATEX認證的設備才允許貼Ex標志。
對機械設備，根據EU Machinery Directive要求，生產商對該設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到投入使用有一套嚴格的程序：
① 業主編制工程建設可行性 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;
④ 工程完工，試運行2個月;
⑤ 向檢測機構提出檢測申請;
⑥ 檢測機構派出人員現場檢測;
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，對于非關鍵性問題，檢測機構將向業主提出整改建議，由業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的復查，才允許運行。
由于有質量控制法規做依據，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，特別是對機械設備的檢查，只需檢查工程是否按相關標準要求選用設備，判斷的依據就是設備上的認證標志。
4 對 中國 沼氣工程發展的幾點建議
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展提出幾點建議。
1) 落實并加大對沼氣發展的政策支持力度。中國已出臺了《可再生能源法》，而且國家發展與改革委員會也制定了與該法配套的《可再生能源發電價格和費用分攤管理試行辦法》。[5]根據德國的成功經驗，為使沼氣等可再生能源發電在較短時間內在中國有一個快速發展，關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規范。我國大中型沼氣工程的發展已有20多年，一大批沼氣工程正在發揮著明顯的能源環保效益。但到目前為止，在工程設計、施工方面，尚無統一的國家標準和技術規范。這是導致目前中國沼氣工程建設質量得不到保障的主要原因。同時，由于缺乏執法依據致使對沼氣工程的建設、安裝、使用等難以實施有效的監督[6]。
(3)加大適用技術的研發與推廣。德國目前使用的厭氧反應器絕大多數為全混合厭氧反應器，而這種反應器由于被認為是一種低效率的反應器，所以中國已建成的沼氣工程基本不使用。考慮到中國同時存在養殖廢棄物污染和秸稈污染問題，應該根據國內情況研發一些效率不一定很高，但非常適用的技術。相應的前提是中國應首先出臺可再生能源電力上網實施細則，從政策角度引導企業、個人投資沼氣發電。此外，就是要對養殖場的規模進行必要的控制，以便沼氣發酵處理后的排出液能被周圍的土地消納，不會排入水體對環境造成污染。
4) 開展以秸稈為原料的沼氣發酵技術攻關。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電的促進作用，以秸稈為原料發酵產沼氣會重新受到沼氣發電企業的重視。因此，需要在借鑒國外成功經驗的基礎上，盡快開展以秸稈為原料的沼氣發酵技術攻關。建議重點從秸稈前處理技術，高效厭氧發酵微生物的篩選與培育，新型秸稈厭氧發酵工藝，秸稈厭氧發酵示范工程等幾方面開展工作。
[ 參 考 文 獻 ]
[1] M. K?ttner. Biogas in agriculture and industry potentials, present use and perspectives [J]. Waste Management World, 2002, 1: 83-90
[2] P. WEiland. Anaerobic waste digestion in Germany-Status and recent developments [J]. Biodegradation, 2000, 11: 415-421
[3] Samir Kumar Khanal, Ju-Chang Huang. OPR-based oxygenation for sulfide control in anaerobic treatment of high-sulfate wastewater [J]. Water Research, 2003, 37: 2053-2062
[4] Janssen AJH, Ma SN, Lens P, Lettinga G. Performance of a sulfide-oxidizing expanded-bed reactor supplied with dissolved oxygen [J]. Biotechnol Bioeng, 1997, 53(1):32-40
[5] 王永建. 第四代能源起飛之際-審視《可再生能源法》[J].中國電力企業管理，2005，5: 26-28
[6] 施國中. 沼氣工程規范化建設勢在必行[J]. 中國沼氣, 2004,22(3): 29-30
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