沼氣發(fā)電配套技術(shù)及裝備發(fā)展現(xiàn)狀

趙海瑞 莫恭武 高 玲 朱 虹

（江蘇省農(nóng)業(yè)機械試驗鑒定站）

沼氣發(fā)電技術(shù)不僅解決了沼氣工程中的環(huán)境問題，能消耗大量廢棄物，保護環(huán)境，減少溫室氣體的排放，而且可變廢為寶，產(chǎn)生大量的熱能和電能，符合能源再循環(huán)利用的環(huán)保理念，是處理農(nóng)作物秸稈與畜禽糞便的簡單、快捷、經(jīng)濟、高效的途徑。沼氣發(fā)電是一個系統(tǒng)工程，它是沼氣生產(chǎn)、沼氣凈化與儲存、沼氣發(fā)電與上網(wǎng)等多項單元技術(shù)的優(yōu)化組合。

1 沼氣發(fā)電配套技術(shù)及裝備

1.1 沼氣發(fā)電機組

沼氣發(fā)電設(shè)備方面，德國、丹麥、奧地利、美國的純?nèi)颊託獍l(fā)電機組比較先進，氣耗率≤0.5 m3/kWh（沼氣熱值≥25 MJ/m3），價格在300～500美元/kWh。我國在“九五”、“十五”期間研制出20～600 kW純?nèi)颊託獍l(fā)電機組系列產(chǎn)品，氣耗率在0.6～0.8 m3/kWh（沼氣熱值≥21 MJ/m3）之間，價格在200～300美元/kWh之間，其性價比有較大的優(yōu)勢，適合我國經(jīng)濟發(fā)展狀況。

1.2 畜禽糞便和秸稈的收集、輸送、貯存

沼氣發(fā)電工程需要大量的生產(chǎn)原料，因此畜禽糞便和農(nóng)作物秸稈的供給是一個關(guān)鍵因素。秸稈收集打捆機、吸糞車等配套機具可用于相關(guān)原料的收集、貯存及運輸工作。

1.3 畜禽糞便和秸稈的調(diào)質(zhì)及預處理技術(shù)

切碎秸稈經(jīng)過干發(fā)酵后，在調(diào)質(zhì)池里實現(xiàn)畜禽糞便和秸稈按比例混合，在預處理池經(jīng)過攪拌機充分攪拌均勻后，送入發(fā)酵池進行發(fā)酵、產(chǎn)氣。

1.4 燃氣凈化、貯存技術(shù)

沼氣發(fā)電的整個工藝流程主要分為沼氣生產(chǎn)、沼氣凈化與儲存、沼氣燃燒發(fā)電和電力傳輸四個部分。沼氣經(jīng)過導氣管從沼氣池進入脫水脫硫裝置，在脫水脫硫裝置中除去帶有腐蝕性的有害氣體（如SO2，CO2等），再經(jīng)過過濾壓縮、穩(wěn)壓阻火、水氣分離等處理后，進入沼氣發(fā)電機組及用戶家庭。這一過程的凈化、輸送、匹配及安全性還需深入研究。

1.5 糞便、沼液、沼渣綜合利用技術(shù)

剩余糞便和秸稈發(fā)酵后的殘渣可被烘干、壓制成型，作為肥料使用，并且利于保存；沼液可用來養(yǎng)魚、養(yǎng)水生植物、澆灌瓜果、蔬菜、牧草等作物，水葫蘆、牧草等水生植物可用作豬等畜禽的優(yōu)質(zhì)青飼料，實現(xiàn)循環(huán)利用。

2.存在問題

2.1 沼氣生產(chǎn)效率低

（1）規(guī)模小。我國北方有很多沼氣生產(chǎn)設(shè)備，但是受到原料收集、輸送、貯存、季節(jié)性及技術(shù)的限制，一般規(guī)模比較小，大多數(shù)還只能滿足個體生產(chǎn)、生活的需要。沼氣生產(chǎn)普遍存在量少、效率低、不穩(wěn)定的現(xiàn)象。天冷時沼氣產(chǎn)量低，不夠用；天熱時沼氣用不了，白白浪費。

（2）發(fā)酵產(chǎn)氣效率低。在整個沼氣生氣系統(tǒng)中，不計其數(shù)的微生物扮演了重要角色。它們在適宜的條件下，利用畜禽糞便和農(nóng)作物秸稈進行發(fā)酵，所產(chǎn)生的氣體甲烷即為沼氣。微生物對有機原料的種類、比例等因素的要求比較高，底物中脂類或乙醇含量過高對微生物是非常不利的。因此，要維持微生物良好的作用環(huán)境，除了機械作用外，還需要對系統(tǒng)原料種類、混合比列、pH值、溫度等因素進行控制。到目前為止，我國大型沼氣池大都用于養(yǎng)殖場和工業(yè)廢棄物處理，多用中低溫發(fā)酵技術(shù)，產(chǎn)氣速度不是很高，也不穩(wěn)定。

2.2 沼氣發(fā)電機組的工程配套存在問題

相對于小功率沼氣發(fā)電機組，大功率沼氣發(fā)電機組發(fā)電效率高，然而受發(fā)電規(guī)模和政策的限制，無法確保發(fā)電機組始終保持較高負荷狀態(tài)運行，這不僅影響到機組發(fā)電效率，也使得發(fā)電機組余熱利用效率較低。再者，由于加工制造工藝和材質(zhì)等方面的差異，國產(chǎn)的沼氣發(fā)電機組的整體質(zhì)量不高，轉(zhuǎn)換效率較低，工作可靠性差。由此可見，解決中小型沼氣發(fā)電機組的工程配套問題顯得尤為重要。

2.3 缺少高效經(jīng)濟的沼氣凈化技術(shù)

沼氣發(fā)電系統(tǒng)的核心問題是沼氣的凈化處理和混合儲存。沼氣中SO2等腐蝕性氣體對輸氣管道和發(fā)電機組部件產(chǎn)生強烈腐蝕作用，影響發(fā)電機組的正常運行和使用壽命，因此供發(fā)電機使用的沼氣要經(jīng)過脫水脫硫裝置除去沼氣中的水分和SO2。為確保沼氣進入發(fā)電機組時的氣壓穩(wěn)定，需要在沼氣進氣管路上安裝穩(wěn)壓裝置。為防止進氣管回火引起沼氣管路發(fā)生爆炸，應(yīng)在沼氣供應(yīng)管路上安裝防回火與防爆裝置，還要在進氣管上安裝過濾除塵、除濕、除油裝置。發(fā)電機組進氣管道上還要加裝一套沼氣—空氣混合器，以調(diào)節(jié)空氣—沼氣混合氣體流量和流速。

2.4 缺乏沼氣發(fā)電并網(wǎng)的技術(shù)規(guī)范，造成沼氣發(fā)電上網(wǎng)難

首先，由于受到原料來源和能源輸送半徑的影響，沼氣工程具有規(guī)模小和較分散的特點。絕大部分沼氣工程的年產(chǎn)沼氣量在十幾萬立方米到幾十萬立方米之間，所建的沼氣發(fā)電站裝機也就是幾十千瓦到幾百千瓦之間。電網(wǎng)公司認為小規(guī)模有限的電力上網(wǎng)會給電力公司帶來一系列的運行、安全和負荷匹配等管理問題。此外，現(xiàn)在包括沼氣在內(nèi)的大部分可再生能源發(fā)電的成本要高于常規(guī)火力發(fā)電或水力發(fā)電成本，如果沒有優(yōu)惠的政策和財政補貼措施的支持，電力公司難以接受，不愿收購成本較高的可再生能源發(fā)電，導致目前沼氣發(fā)電幾乎無法并網(wǎng)。

2.5 針對沼氣發(fā)電項目的鼓勵政策不明確，補貼電價等政策難以落實

近年來，我國政府為推動可再生能源的開發(fā)與利用，頒布和出臺了一系列的政策和法規(guī)，但是這些政策和法規(guī)缺乏具體的實施細節(jié)，可操作性不強，不少企業(yè)認為風險大，不確定因素多，不敢輕易涉足沼氣生產(chǎn)及其發(fā)電領(lǐng)域，導致沼氣發(fā)電產(chǎn)業(yè)化進展緩慢。此外，沼氣生產(chǎn)及其發(fā)電技術(shù)在改善環(huán)境方面的貢獻沒能得到相應(yīng)的回報，與石化能源發(fā)電相比，在價格上沒有任何優(yōu)勢。如果國家在稅收、貸款方面給予優(yōu)惠政策、投資補貼，電力部門在沼氣電力并網(wǎng)方面給予支持和幫助，制定優(yōu)惠的上網(wǎng)電價，必將大大改善沼氣發(fā)電的市場前景。

2.6 沼氣發(fā)電監(jiān)督和管理辦法不到位

對于沼氣發(fā)電工程的設(shè)計、建造及運行管理，目前還缺乏相應(yīng)的技術(shù)標準和規(guī)范；在沼氣發(fā)電工程的設(shè)計、建造和運行管理的資質(zhì)認定及認證管理方面還存在很多空白及部門交叉管理的問題。

2.7 缺乏對小型沼氣發(fā)電項目工作人員的上崗培訓

由于以上技術(shù)、經(jīng)濟、政策、信息、人才、管理等方面存在的障礙，阻礙了沼氣發(fā)電技術(shù)的商業(yè)化發(fā)展速度。

3.應(yīng)對措施

3.1 解除能源輸送半徑對沼氣發(fā)電技術(shù)的制約

應(yīng)因地制宜，根據(jù)原料收集途徑、種類及數(shù)量,設(shè)定能源輸送半徑，建設(shè)與之規(guī)模相匹配的沼氣發(fā)電廠?？赏ㄟ^公司和農(nóng)戶合作的模式，即農(nóng)民主要負責為公司提供沼氣生產(chǎn)原料，如牲畜糞便，農(nóng)作物秸稈等，并在公司技術(shù)及設(shè)備的支持下對這些原料進行初加工，使其適合電熱系統(tǒng)生產(chǎn)的要求，送往沼氣發(fā)電廠；公司主要提供技術(shù)支持，并結(jié)合其成熟的經(jīng)營、管理模式，最終實現(xiàn)生產(chǎn)利益最大化的目的。

3.2 解決沼氣發(fā)電機組容量匹配問題

目前成熟的國產(chǎn)沼氣發(fā)電機組的功率規(guī)格，主要集中在24～600kW這個區(qū)段。從沼氣工程的產(chǎn)氣量來看，有不少大型沼氣發(fā)電工程適宜配建500kW以上的沼氣發(fā)電機組；從沼氣發(fā)電機組的性價比來看，在有可以利用的動力原機的情況下，單機功率越大，越利于提高燃料發(fā)電效率，越利于降低發(fā)電機組單位功率成本，從而獲得較理想的性價比。同樣，從沼氣工程的產(chǎn)氣量以及從用電負荷性質(zhì)來看，20 kW以下的發(fā)電機組也大有市場。例如一個萬頭豬場沼氣工程，日產(chǎn)沼氣80 m3，顯然不適合發(fā)電上網(wǎng)，只適宜內(nèi)部用電，一般用作驅(qū)動沼氣工程污水泵和豬場通風機、照明等，因此宜配備10kW左右的發(fā)電機組。

3.3 開展高溫發(fā)酵技術(shù)研究

我國北方大部分農(nóng)村戶用性小型沼氣池均采用中溫發(fā)酵，氣候變化對沼氣生產(chǎn)影響較大，尤其是冬季，普遍存在著生物質(zhì)原料發(fā)酵速度慢，產(chǎn)氣不穩(wěn)定等問題。利用沼氣發(fā)電過程中產(chǎn)生的余熱，提高沼氣池溫度，實現(xiàn)高溫發(fā)酵，為細菌微生物創(chuàng)造良好的生存環(huán)境，能有效地加快產(chǎn)氣速度和穩(wěn)定性。

3.4 開發(fā)、引進高效經(jīng)濟的沼氣凈化技術(shù)

日本新開發(fā)出組合煙囪型簡易濕式脫硫裝置、臥式小型脫硫裝置、簡易石灰石——石膏脫硫裝置(可同時脫硫、除塵)。美國研制成功高效煙氣脫硫洗滌器及高利用率新型吸附劑。美國ALANCO環(huán)境公司開發(fā)研制了荷電干式噴射脫硫法，ABB公司開發(fā)了近海燃煤電廠海水煙氣脫硫技術(shù)。這些先進技術(shù)的引進、消化、吸收及創(chuàng)新，對提高沼氣發(fā)電機組的使用性能和使用壽命具有重要的意義。

3.5 沼氣發(fā)電并網(wǎng)的技術(shù)規(guī)范

由于我國缺少包括生物質(zhì)能在內(nèi)的新能源發(fā)電并網(wǎng)技術(shù)規(guī)范，大量電能白白被浪費，前期投資不能有效回收。國家能源局著手建立新能源并網(wǎng)技術(shù)規(guī)范以及新能源檢測機制，目前已經(jīng)安排了少量資金對相關(guān)工作予以支持。國家電網(wǎng)制定的風電場、光伏電站接入電網(wǎng)的技術(shù)標準對國家標準制定將起到參考作用，預計國家標準規(guī)范將很快得到完善。

3.6 制定并落實沼氣發(fā)電項目的補貼電價鼓勵政策

大中型沼氣工程屬于環(huán)保性質(zhì)的項目，受益的是全社會。要在投資分攤上，堅持“誰污染誰治理，誰受益誰分攤”的原則，由政府、地方和企業(yè)共同投資。對于初始投資，國家將給予一定支持，如：制定出一系列的優(yōu)惠政策，減免工程稅費，減輕企業(yè)負擔；廣辟資金渠道，幫助建設(shè)方獲得各類貸款；鼓勵社會各界以各種形式投資開發(fā)沼氣資源化利用項目，以優(yōu)惠政策、資金支持和專業(yè)化生產(chǎn)吸引更多的資本投入沼氣發(fā)電工程，切實調(diào)動各投資主體的積極性。

3.7 加強沼氣發(fā)電系統(tǒng)工程的監(jiān)督管理和技術(shù)指導

以國家、地方和企業(yè)共同投資的方式，重點扶持一些專用設(shè)備生產(chǎn)企業(yè)，對其進行必要的技術(shù)改造，擴大其生產(chǎn)規(guī)模，提高產(chǎn)品種類和產(chǎn)品質(zhì)量，建立質(zhì)量保障體系和物業(yè)化管理模式。