養(yǎng)殖場(chǎng)沼氣發(fā)電技術(shù)裝備及產(chǎn)業(yè)化發(fā)展現(xiàn)狀與評(píng)價(jià)

崔晉波，高立洪，李 萍，周 蕊，李 平

（重慶市農(nóng)業(yè)科學(xué)院，重慶 401329）

隨著農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的不斷調(diào)整，養(yǎng)豬業(yè)以較快的速度向集約化方向發(fā)展，為農(nóng)業(yè)增效、農(nóng)民增收作出了重要貢獻(xiàn)，但隨之產(chǎn)生了豬場(chǎng)的環(huán)境保護(hù)、豬糞尿及豬場(chǎng)污水處理的問(wèn)題，畜禽養(yǎng)殖產(chǎn)生的糞便已成為我國(guó)農(nóng)村地區(qū)污染的主要來(lái)源。養(yǎng)殖場(chǎng)污水處理的最好方法是采用生物學(xué)處理，近年來(lái)，在各級(jí)政府和企業(yè)的協(xié)作下，用于處理畜禽糞便的大中型沼氣工程紛紛上馬。但是，相對(duì)于國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家，我國(guó)利用沼氣的發(fā)電工程還很少，沼氣發(fā)電裝備的開(kāi)發(fā)利用也處于起步階段，未能實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。但是，目前國(guó)家和企業(yè)已經(jīng)對(duì)沼氣發(fā)電加以重視，并進(jìn)行了技術(shù)裝備的研究開(kāi)發(fā)，促進(jìn)其快速走上產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的道路。

1 行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 沼氣發(fā)電技術(shù)現(xiàn)狀

沼氣發(fā)電始于上世紀(jì)70年代初期，是一項(xiàng)系統(tǒng)工程，它包括沼氣生產(chǎn)、凈化與儲(chǔ)存、沼氣發(fā)電及上網(wǎng)等多項(xiàng)單元技術(shù)的優(yōu)化組合。

（1）國(guó)外沼氣發(fā)電技術(shù)現(xiàn)狀。沼氣發(fā)電行業(yè)在國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家受到了廣泛的重視和積極的推廣，如美國(guó)的能源農(nóng)場(chǎng)、德國(guó)的可再生能源促進(jìn)法的頒布、日本的陽(yáng)光工程、荷蘭的綠色能源等。德國(guó)是目前世界上沼氣工程發(fā)展最為成功的國(guó)家之一，沼氣主要用于發(fā)電上網(wǎng)。截止至2008年，德國(guó)已建成沼氣工程3900處，總裝機(jī)容量達(dá)1400 MW。其中裝機(jī)容量在2 MW的沼氣廠有40家，最小裝機(jī)容量為50kW。美國(guó)在沼氣發(fā)電領(lǐng)域有許多成熟的技術(shù)和工程，處于世界領(lǐng)先水平，裝機(jī)容量已達(dá)7.5MW，現(xiàn)有61個(gè)填埋場(chǎng)使用內(nèi)燃機(jī)發(fā)電。捷克Tedom公司生產(chǎn)的燃?xì)鈨?nèi)燃發(fā)電機(jī)目前已遍布?xì)W洲地區(qū)，并將發(fā)電、供熱于一體，機(jī)體內(nèi)部包含了發(fā)動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)、余熱回收換熱裝置及自控系統(tǒng)。

（2）國(guó)內(nèi)沼氣發(fā)電技術(shù)現(xiàn)狀。沼氣燃燒發(fā)電是隨著沼氣綜合利用的不斷發(fā)展而出現(xiàn)的一項(xiàng)沼氣利用技術(shù)，是將沼氣用于發(fā)動(dòng)機(jī)上，并裝有綜合發(fā)電裝置，以產(chǎn)生電能和熱能，它是一種有效利用沼氣的重要方式。目前，用于沼氣發(fā)電的設(shè)備主要有內(nèi)燃機(jī)和汽輪機(jī)。在國(guó)內(nèi)，四川省率先開(kāi)展了沼氣發(fā)電的研究。1972年，中江縣開(kāi)始用沼氣作燃料帶動(dòng)小型汽油發(fā)電機(jī)發(fā)電；而后，德陽(yáng)縣農(nóng)機(jī)所、綿陽(yáng)地區(qū)農(nóng)機(jī)所相繼研制成功了沼氣發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)電；此后，先后有一些科研機(jī)構(gòu)在沼氣發(fā)動(dòng)機(jī)的改裝和提高熱效率方面進(jìn)行了研究工作。我國(guó)的沼氣發(fā)動(dòng)機(jī)主要為兩類(lèi)，即雙燃料式和全燒式。目前，對(duì)“沼氣—柴油”雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的研究開(kāi)發(fā)工作較多，如中國(guó)農(nóng)機(jī)研究院與四川綿陽(yáng)新華內(nèi)燃機(jī)廠共同研制開(kāi)發(fā)的S195-1型雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)；上海新中動(dòng)力機(jī)廠研制的20/27G雙燃料機(jī)等。成都科技大學(xué)等單位還對(duì)雙燃料機(jī)的調(diào)速、供氣系統(tǒng)以及提高熱效率等方面進(jìn)行了研究。濰坊柴油機(jī)廠研制出功率為120 kW的6160A-3型全燒式沼氣發(fā)動(dòng)機(jī)，貴州柴油機(jī)廠和四川農(nóng)業(yè)機(jī)械研究所共同開(kāi)發(fā)出60kW的6135AD(Q)型全燒沼氣發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)電機(jī)組；此外，還有重慶、上海、南通等一些機(jī)構(gòu)進(jìn)行了這方面的研究、研制工作。

2 沼氣發(fā)電工程技術(shù)模式

根據(jù)不同的養(yǎng)殖規(guī)模、周?chē)h(huán)境容量以及沼氣、沼渣、沼液處理及利用方式，形成了各種適宜模式，其中最有代表性的是“能源生態(tài)型沼氣工程”（熱電肥聯(lián)產(chǎn)或氣（電）肥聯(lián)產(chǎn)，沼液還田利用）和“能源環(huán)保型沼氣工程”（氣（電）肥聯(lián)產(chǎn)，沼液自然處理或工業(yè)化處理）。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，已建的沼氣工程約有80%屬于“能源生態(tài)型沼氣工程”，20%屬于“能源環(huán)保型沼氣工程”。

2.1 熱電肥聯(lián)產(chǎn)-沼液還田利用模式

由沼氣生產(chǎn)系統(tǒng) （典型工藝：CSTR、ACR、HCPF、USR等）、沼氣發(fā)電系統(tǒng)和沼渣沼液的儲(chǔ)存、輸送及施用等部分組成，工藝流程示意如圖1所示。其特點(diǎn)是沼氣用于發(fā)電，同時(shí)獲得余熱和較高濃度的沼液肥。沼氣發(fā)電機(jī)組滿(mǎn)負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，利用發(fā)電機(jī)組的余熱，即使在高寒地區(qū)的冬季，也能滿(mǎn)足沼氣生產(chǎn)系統(tǒng)的中溫發(fā)酵所需的熱能，其它季節(jié)，還可以將剩余的熱能用于烘干飼料或其它熱能利用。沼渣、沼液經(jīng)過(guò)中溫厭氧消化后，滅菌效果較好（蛔蟲(chóng)卵死亡率幾乎可達(dá)100%，大腸桿菌殘留量為10-4），還田使用比較安全。

圖1 熱電肥聯(lián)產(chǎn)-沼液還田利用模式工藝流程示意圖

2.2 氣（電）肥聯(lián)產(chǎn)-沼液自然處理模式

由沼氣生產(chǎn)系統(tǒng)（典型工藝：USR、UASB、UBF，以及隧道式推流工藝、或農(nóng)村戶(hù)用沼氣池的放大等）、沼氣發(fā)電設(shè)備和沼液自然處理系統(tǒng)等組成，工藝流程示意如圖2所示。為了減輕后續(xù)處理系統(tǒng)的負(fù)荷和污水處理成本，要求養(yǎng)殖場(chǎng)必須實(shí)施清潔生產(chǎn)，將大部分的鮮糞人工清除（至少清除60%），沖洗污水進(jìn)入?yún)捬跸到y(tǒng)，生產(chǎn)沼氣并發(fā)電。由于產(chǎn)氣量不多（年存欄10000頭豬場(chǎng)的沼氣工程，日產(chǎn)沼氣量400m3左右），發(fā)電規(guī)模小，只需設(shè)置1套沼氣發(fā)電機(jī)組，所發(fā)的電為養(yǎng)殖場(chǎng)自用。沼液部分還田利用，剩余的沼液采用自然處理方法進(jìn)行處理，達(dá)標(biāo)后排放。

2.3 氣（電）肥聯(lián)產(chǎn)-沼液工業(yè)化處理模式

該模式由污水預(yù)處理系統(tǒng)、沼氣生產(chǎn)系統(tǒng)（典型工藝：UASB、UBF，以及隧道式推流工藝等）、好氧生物處理系統(tǒng)（SBR等）、污泥處置系統(tǒng)等組成，工藝流程如圖3所示。產(chǎn)生的沼氣為養(yǎng)殖場(chǎng)自用（發(fā)電或民用），沼液全部進(jìn)入好氧系統(tǒng)進(jìn)行工業(yè)化處理后達(dá)標(biāo)排放。

3 產(chǎn)業(yè)發(fā)展存在的問(wèn)題

3.1 現(xiàn)有技術(shù)及裝備存在的問(wèn)題

（1）沼氣發(fā)電技術(shù)方面。盡管目前國(guó)內(nèi)外對(duì)畜禽養(yǎng)殖糞污處理都首選厭氧消化技術(shù)，但是每種處理模式都還存在一些技術(shù)問(wèn)題,比如：“還田利用模式”，不同條件下土地承載力、還田帶來(lái)的衛(wèi)生效果與負(fù)面影響、最佳還田技術(shù)與施用量等都沒(méi)有專(zhuān)項(xiàng)研究和科學(xué)的應(yīng)用參數(shù)；“自然生態(tài)處理模式”，處理沼液的氧化塘、人工濕地等處理單元的運(yùn)行負(fù)荷、去除效果以及影響因素等缺乏更多的工程應(yīng)用數(shù)據(jù)；“集中工業(yè)化處理模式”，電耗和運(yùn)行費(fèi)用太高，企業(yè)難以承受。

（2）發(fā)電機(jī)余熱利用方面。沼氣發(fā)電機(jī)在發(fā)電的同時(shí)，產(chǎn)生出大量的熱量，煙氣溫度一般在550℃左右。通過(guò)利用熱回收技術(shù)，將燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)中的潤(rùn)滑油、中冷器、缸套水和尾氣排放中的熱量充分回收利用，用于冬季采暖以及生活熱水。據(jù)有關(guān)資料表明，效率較高的沼氣發(fā)電機(jī)，只能把沼氣總含能量的40%左右以余熱的形式回收，其余的能量以各種形式被損失掉，如果將這部分損失掉的能量加以充分回收利用，將為我國(guó)沼氣工程發(fā)展提供有力的技術(shù)保障。

3.2 已建成項(xiàng)目存在的問(wèn)題

（1）工程設(shè)計(jì)不專(zhuān)業(yè)。非專(zhuān)業(yè)的設(shè)計(jì)沒(méi)有足夠的經(jīng)驗(yàn)，對(duì)每個(gè)工程的特點(diǎn)和關(guān)鍵技術(shù)把握不準(zhǔn)，針對(duì)性不強(qiáng)，有些設(shè)計(jì)是照搬照套，引發(fā)工程運(yùn)行效果達(dá)不到建設(shè)目標(biāo)，甚至出現(xiàn)運(yùn)轉(zhuǎn)障礙。

（2）運(yùn)行管理不規(guī)范。運(yùn)行管理不規(guī)范、不到位。沒(méi)有建立健全必要的規(guī)章制度和操作規(guī)程，存在安全隱患；運(yùn)行管理人員缺乏基本的操作和維護(hù)技能等。

（3）發(fā)電上網(wǎng)存在障礙。目前國(guó)家還沒(méi)有政策支持小規(guī)模沼氣發(fā)電上網(wǎng)，養(yǎng)殖場(chǎng)自用電多為間斷性用電，因此不能滿(mǎn)負(fù)荷運(yùn)行，發(fā)電效益不能充分顯現(xiàn)出來(lái)。目前只有1%的沼氣工程發(fā)電，上網(wǎng)的工程更是廖廖無(wú)幾。

3.3 技術(shù)推廣存在的障礙

（1）技術(shù)培訓(xùn)與指導(dǎo)不足。缺少有針對(duì)性的技術(shù)培訓(xùn)和指導(dǎo)。有些技術(shù)和裝備缺乏因地制宜的推廣應(yīng)用，存在著一定的盲目性。

（2）缺乏政府鼓勵(lì)措施。政府缺乏相應(yīng)的鼓勵(lì)措施。如：環(huán)保法規(guī)執(zhí)行力度不夠，電價(jià)補(bǔ)貼偏低，缺乏融資激勵(lì)機(jī)制等。沼氣工程產(chǎn)生的環(huán)境和社會(huì)效益在目前的政策中沒(méi)有給與適當(dāng)?shù)难a(bǔ)償，使得這類(lèi)項(xiàng)目的資金回收期長(zhǎng)。

4 建議

4.1 注重技術(shù)創(chuàng)新

目前，畜禽糞便沼氣工程項(xiàng)目實(shí)用性還不明顯，地區(qū)差異較大，季節(jié)性影響較嚴(yán)重。相關(guān)科研院所、工程單位應(yīng)進(jìn)行研究創(chuàng)新，達(dá)到實(shí)用、經(jīng)濟(jì)、易維護(hù)的目標(biāo)。對(duì)于養(yǎng)殖場(chǎng)來(lái)說(shuō)，沼氣工程的建設(shè)需要較大費(fèi)用，在技術(shù)上進(jìn)行創(chuàng)新，才能實(shí)現(xiàn)節(jié)約成本和提高效率。

4.2 加大政策支持

養(yǎng)殖場(chǎng)沼氣發(fā)電工程是關(guān)系到節(jié)能減排、保護(hù)環(huán)境、可持續(xù)發(fā)展的大事，應(yīng)當(dāng)給予法律的規(guī)范和政策鼓勵(lì)，如：對(duì)中小型養(yǎng)殖場(chǎng)沼氣發(fā)電工程建設(shè)予以一次性補(bǔ)助；對(duì)大型沼氣發(fā)電上網(wǎng)工程實(shí)行上網(wǎng)電價(jià)補(bǔ)貼；支持已有一定規(guī)模的沼氣工程完善其發(fā)電配套工程。使大多數(shù)沼氣發(fā)電工程能盈利運(yùn)行、發(fā)揮出綜合效益，吸引更多的投資商和運(yùn)營(yíng)商進(jìn)入這個(gè)行業(yè)，促進(jìn)產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

4.3 完善行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)

在全國(guó)范圍內(nèi)對(duì)于畜禽沼氣發(fā)電還未有科學(xué)合理的標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)范性的條文還不是很具體，特別是針對(duì)氣體參數(shù)、設(shè)施設(shè)備、厭氧池規(guī)格等均未有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。只有完善標(biāo)準(zhǔn)才能更好地促進(jìn)養(yǎng)殖場(chǎng)沼氣發(fā)電行業(yè)的發(fā)展。

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