中德沼氣工程發(fā)展過程比較分析

徐 慧 ,韓智勇, 吳 進(jìn), 施國(guó)中

(1.成都理工大學(xué) 地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 成都 610059； 2.成都理工大學(xué) 國(guó)家環(huán)境保護(hù)水土污染協(xié)同控制與聯(lián)合修復(fù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 成都 610059； 3.成都理工大學(xué) 環(huán)境學(xué)院， 成都 610059； 4.農(nóng)業(yè)部沼氣科學(xué)研究所， 成都 610041)

在化石能源日漸匱乏的今天，能源緊張已成為全球重大問題。為緩解能源壓力，世界各國(guó)積極將能源發(fā)展轉(zhuǎn)至可再生資源領(lǐng)域。沼氣作為安全、穩(wěn)定的可再生能源在全球得到了快速發(fā)展。雖然沼氣工程在中國(guó)受到了極大的重視，取得了迅速的發(fā)展，但也存在著沼氣產(chǎn)品補(bǔ)貼力度不夠、沼氣配套技術(shù)、沼氣行業(yè)產(chǎn)業(yè)化和規(guī)范化程度低等問題[1-3]。德國(guó)是當(dāng)今沼氣工程技術(shù)發(fā)展和實(shí)踐應(yīng)用最成功的國(guó)家之一，在政策法規(guī)、發(fā)酵工藝、技術(shù)設(shè)備、管理體系上積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)[4]。與德國(guó)相比，我國(guó)沼氣工程在發(fā)展政策、發(fā)酵工藝、技術(shù)創(chuàng)新、管理模式、沼渣沼液利用等方面均存在明顯的差異，劉偉偉、顏麗、鄧良偉等人根據(jù)我國(guó)沼氣工程現(xiàn)狀提出了提高沼氣產(chǎn)品政策補(bǔ)貼、引進(jìn)先進(jìn)工藝技術(shù)、加強(qiáng)技術(shù)創(chuàng)新等建議[5-7]。在這些研究中，大多學(xué)者僅從政策、發(fā)展現(xiàn)狀、發(fā)展技術(shù)等某一方面對(duì)兩國(guó)進(jìn)行對(duì)比分析，并且德國(guó)在2017年修訂了《可再生能源法》之后，對(duì)整個(gè)沼氣產(chǎn)業(yè)產(chǎn)生了巨大的影響。因此，本文在前人分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合德國(guó)沼氣工程最新的政策及發(fā)展現(xiàn)狀對(duì)中德沼氣工程在政策、沼氣發(fā)展現(xiàn)狀、沼氣發(fā)酵原料、發(fā)酵工藝及技術(shù)設(shè)備、管理服務(wù)體系等方面進(jìn)行了詳細(xì)對(duì)比分析并提出相應(yīng)的建議，以期為我國(guó)沼氣工程更好地發(fā)展提供一定的借鑒。

1 中德沼氣工程政策法律框架比較

1.1 德國(guó)政策法律框架

德國(guó)沼氣工程發(fā)展建立在德國(guó)《可再生能源法》(EEG)基礎(chǔ)之上，該法案從2000年至2017年共進(jìn)行了五次修訂(詳見表1)。法案在2000年頒布之初就規(guī)定了可再生能源發(fā)電上網(wǎng)的電價(jià)補(bǔ)貼機(jī)制——電網(wǎng)必須優(yōu)先考慮可再生能源電力，并且從表1可以看出，《可再生能源法》(EEG)囊括了整個(gè)沼氣工程產(chǎn)業(yè)，也推動(dòng)了德國(guó)可再生能源的蓬勃發(fā)展，其頒布和修訂對(duì)德國(guó)沼氣產(chǎn)業(yè)發(fā)電數(shù)量、總裝機(jī)容量、能源作物種植面積及種植量、政策補(bǔ)貼、市場(chǎng)化程度等方面均產(chǎn)生了重大影響[8,9]。在2017年最新的一次修訂中，EEG-2017引入了可再生能源招標(biāo)制度，取消了能源作物獎(jiǎng)勵(lì)，進(jìn)一步加速了可再生能源市場(chǎng)化進(jìn)程，促進(jìn)了德國(guó)可再生能源在技術(shù)上的提升[10]。

根據(jù)EEG修訂情況(見表1)可以看出，德國(guó)沼氣工程政策具有靈活的變動(dòng)性，會(huì)根據(jù)沼氣工程在發(fā)展過程中存在的實(shí)際問題進(jìn)行整改、修訂。同時(shí)，法案的修訂逐步削弱了政府在可再生能源發(fā)展過程中的主導(dǎo)作用，將可再生能源逐步推向市場(chǎng)，推動(dòng)了可再生能源產(chǎn)品的市場(chǎng)化進(jìn)程，也使德國(guó)沼氣工程盈利方式由依賴政府對(duì)能源作物補(bǔ)貼、上網(wǎng)發(fā)電補(bǔ)貼向通過技術(shù)提升轉(zhuǎn)變。

表1 德國(guó)《可再生能源法》(EEG)修訂歷程

1.2 中國(guó)政策法律框架

我國(guó)沼氣工程發(fā)展起步于20世紀(jì)20年代末，在國(guó)家的大力支持下，沼氣行業(yè)得到了迅速的發(fā)展。從表2和表3可以看出，我國(guó)沼氣產(chǎn)業(yè)政策形式多樣，國(guó)家通過法律、各部委發(fā)展規(guī)劃、產(chǎn)業(yè)政策指導(dǎo)、財(cái)稅政策、規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)等形式來鼓勵(lì)沼氣工程的發(fā)展，這些政策囊括了沼氣工程建設(shè)、原料利用、技術(shù)開發(fā)、補(bǔ)貼費(fèi)用等各方面[1]。

與德國(guó)相比，雖然我國(guó)沼氣工程在政策上得到了國(guó)家的大力支持，國(guó)家、各省市通過財(cái)政補(bǔ)貼來支持沼氣工程的發(fā)展建設(shè)，但政策形式較為分散，尚未形成系統(tǒng)化的支持政策。雖然對(duì)沼氣發(fā)電上網(wǎng)和沼氣工程建設(shè)有明確的補(bǔ)貼政策，但從沼氣產(chǎn)業(yè)鏈來看，國(guó)家欠缺對(duì)原料收運(yùn)、沼氣發(fā)電、拓展沼氣應(yīng)用領(lǐng)域及技術(shù)創(chuàng)新等相應(yīng)的政策補(bǔ)貼。國(guó)家對(duì)沼氣的發(fā)展具有明確的規(guī)劃，但是我國(guó)對(duì)沼氣工程存在的主要問題缺少探究，在政策上缺乏靈活變動(dòng)。近幾年，雖然也開始將我國(guó)沼氣工程逐步引入市場(chǎng)，但是由于技術(shù)、設(shè)備和市場(chǎng)欠成熟，使得現(xiàn)今的沼氣產(chǎn)品市場(chǎng)化程度低。

表2 我國(guó)沼氣相關(guān)的法律、發(fā)展規(guī)劃及產(chǎn)業(yè)指導(dǎo)等政策

表3 我國(guó)對(duì)沼氣工程產(chǎn)業(yè)鏈各環(huán)節(jié)的具體補(bǔ)貼政策

2 中德沼氣工程利用現(xiàn)狀

2.1 德國(guó)沼氣工程利用現(xiàn)狀

德國(guó)沼氣工廠主要分布于德國(guó)西北部和南部的巴伐利亞州、下薩克森州和巴登-符騰堡州的聯(lián)邦州，是目前歐洲乃至世界沼氣工程技術(shù)最發(fā)達(dá)的國(guó)家[18]。從圖1可知，德國(guó)沼氣工程在過去的20年中得到了快速發(fā)展，其中沼氣工程的數(shù)量從1999年的850處增長(zhǎng)到2016年的9004處，增長(zhǎng)了10倍以上，約占?xì)W洲的62%[20]；總裝機(jī)容量也從1999年的55 MW增至2016年的4018 MW。

圖1 1999年～2016年德國(guó)沼氣工程數(shù)量增長(zhǎng)情況

德國(guó)沼氣工程產(chǎn)業(yè)普遍采用“沼氣發(fā)電、余熱生溫、中高溫發(fā)酵、氣囊儲(chǔ)氣、自動(dòng)控制、沼渣沼液施肥”的模式[20]。沼氣產(chǎn)品主要用于發(fā)電和熱電聯(lián)產(chǎn)發(fā)電，并開始拓展沼氣應(yīng)用領(lǐng)域，將沼氣提純后并入天然氣管網(wǎng)或作為汽車燃料[11,21-22]，制定了到2020年提純沼氣占到天然氣總用量20%的目標(biāo)[23]。根據(jù)德國(guó)相關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，2016年德國(guó)沼氣-熱電聯(lián)產(chǎn)廠(包括生物甲烷-熱電聯(lián)產(chǎn))共計(jì)10344個(gè)，電廠裝機(jī)容量為4538MW，沼氣發(fā)電量為333689 GWh (占可再生能源總發(fā)電量近8%)，其中沼氣總發(fā)電量的92%被污水處理廠消耗，其余8%輸入至公共電網(wǎng)[19,23,-24]。

然而EEG-2017修訂后，德國(guó)將沼氣工程擴(kuò)展量限制在150 MV以內(nèi)(2017～2019年)，預(yù)計(jì)到2025年新的沼氣廠的規(guī)模的擴(kuò)大將受到限制[25]。盡管如此，德國(guó)沼氣工程總量預(yù)計(jì)到2020年將達(dá)12000個(gè)，裝機(jī)總量將達(dá)4800 MW，沼氣發(fā)電量將占全國(guó)發(fā)電總量的7.5%。到2035年德國(guó)沼氣工程的裝機(jī)容量將達(dá)到1.5 GW，并且到2050年農(nóng)民收入將有1/4來自于沼氣工程[24]。

對(duì)于德國(guó)沼氣發(fā)酵殘留物，由于其性質(zhì)不穩(wěn)定，德國(guó)政府規(guī)定，必須經(jīng)過180天(含發(fā)酵時(shí)間)保存后才能農(nóng)用，故殘留物一般需要在發(fā)酵罐經(jīng)過3～6個(gè)月存貯，然后作為有機(jī)肥噴施至周圍農(nóng)田進(jìn)行綜合利用，并且不存在二次污染的問題[5,21]。

2.2 中國(guó)沼氣工程利用現(xiàn)狀

根據(jù)我國(guó)農(nóng)村可再生能源統(tǒng)計(jì)(見表4)可以看出我國(guó)沼氣工程主要用于處理農(nóng)業(yè)廢棄物和凈化生活污水，較少用于處理工業(yè)廢棄物。表5顯示出我國(guó)從2000年～2016年農(nóng)村戶用沼氣池的數(shù)量上增長(zhǎng)了約5.5倍，并且存在新增量、報(bào)廢量、戶用沼氣利用量和總產(chǎn)氣量均較大，年戶均產(chǎn)氣量較低的特點(diǎn)。截至2015年底，中小型沼氣工程有103898處，大型沼氣工程6737處，特大型沼氣工程34處，以秸稈為主要原料的沼氣工程有458處，以畜禽糞污為主要原料的沼氣工程110517處[26]。至2012年底，我國(guó)沼氣工程裝機(jī)容量達(dá)165731 KW，年發(fā)電量達(dá)43280.02萬(wàn)KW·h。

通過《可再生能源中長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃》可知，至2020年，我國(guó)沼氣年利用量將達(dá)44億m3，而且據(jù)2016年國(guó)家發(fā)布的《生物質(zhì)能發(fā)展“十三五”規(guī)劃》，預(yù)計(jì)到2020年生物質(zhì)發(fā)電總裝機(jī)容量達(dá)1500萬(wàn)KW，其中沼氣發(fā)電量占50萬(wàn)KW，沼氣發(fā)電利用將得到迅速發(fā)展。

在我國(guó)，大中型沼氣工程的沼渣通常進(jìn)行堆肥化處理、直接銷售或與其他化肥混合作為復(fù)合肥出售，沼液則主要提供給當(dāng)?shù)剞r(nóng)民作為肥料和灌溉用水，但由于沼渣沼液肥效欠佳且使用不便，沒能得到農(nóng)戶的普遍認(rèn)同和施用[27-28]。戶用沼氣池產(chǎn)生的沼渣常作為優(yōu)質(zhì)的基肥，沼液則主要用于灌溉進(jìn)行利用。

表4 2015年我國(guó)沼氣工程利用情況

表5 我國(guó)農(nóng)村戶用沼氣池情況(2000年～2016年)

從德國(guó)沼氣工程利用現(xiàn)狀可以看出，德國(guó)的沼氣工程發(fā)展模式非常成熟。我國(guó)沼氣工程則主要為分散的戶用沼氣池，對(duì)大中型沼氣建設(shè)和應(yīng)用起步則相對(duì)較晚，還存在沼氣產(chǎn)品綜合利用率低、報(bào)廢量大、沼氣發(fā)電及利用率低值化、農(nóng)戶對(duì)沼渣沼液的施用接受度較低等問題，可見我國(guó)沼氣工程在沼氣利上還有很大的提升空間。

3 中德沼氣工程技術(shù)比較

3.1 沼氣發(fā)酵原料

3.1.1 德國(guó)沼氣發(fā)酵原料

在德國(guó)，沼氣工程發(fā)酵原料主要為畜禽糞便、能源作物，約占所有發(fā)酵原料的92%。青貯玉米作為能源作物約占發(fā)酵原料總量的70%，青貯谷物等青貯植物約占8%[19]。生物廢棄物、工業(yè)有機(jī)廢棄物、工農(nóng)業(yè)殘余物作為原料在沼氣工程中使用率不高，不足3%，其中城市生物廢棄物和工業(yè)、農(nóng)業(yè)、商業(yè)廢棄物主要用于裝機(jī)容量(>500 KW)的沼氣工廠[19]。根據(jù)沼氣工廠實(shí)際情況，大多沼氣工廠都采用混合原料進(jìn)行發(fā)酵，這有利于發(fā)酵系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，有效提升了發(fā)酵效率。

3.1.2 中國(guó)沼氣發(fā)酵原料

我國(guó)沼氣原料十分豐富，主要為畜禽糞便和農(nóng)作物秸稈，其產(chǎn)生量分別為7億噸和30億噸，而相比之下，以畜禽糞便作為發(fā)酵原料使用更為廣泛[29,30,31]。隨著技術(shù)的發(fā)展、市場(chǎng)需求的轉(zhuǎn)變，沼氣工業(yè)化進(jìn)程不斷加快，沼氣發(fā)酵原料也趨于多樣化，工業(yè)有機(jī)廢水、市政污泥和生活垃圾等不同種類的廢棄物也開始用作沼氣發(fā)酵原料。

3.2 發(fā)酵工藝及技術(shù)發(fā)展

3.2.1 德國(guó)發(fā)酵工藝及技術(shù)發(fā)展

在德國(guó)，濕式發(fā)酵工藝占德國(guó)整個(gè)沼氣工廠的90%，固體發(fā)酵工藝約占10%[9]。最常采用的濕式發(fā)酵技術(shù)是中溫(38℃～43℃)發(fā)酵，通過全混合產(chǎn)儲(chǔ)氣一體式反應(yīng)器(CSTR)實(shí)現(xiàn)，料液濃度根據(jù)工程原料不同可分為低濃度(TS≥6%～12%)和高濃度(TS≥30%，農(nóng)作物秸稈原料)，滯留期一般為30～60天[5,7,32]。

從技術(shù)發(fā)展來看，德國(guó)沼氣工程熱電聯(lián)產(chǎn)技術(shù)可提升沼氣工程綜合效益、提升能源品味和能源轉(zhuǎn)換率、提高沼氣工程產(chǎn)量和維持設(shè)備運(yùn)行的穩(wěn)定性，因此德國(guó)沼氣工程98%均采取熱電聯(lián)產(chǎn)方式利用沼氣，并且德國(guó)沼氣工程使用的內(nèi)燃機(jī)發(fā)電技術(shù)世界領(lǐng)先，裝機(jī)容量在200 KW以下使用雙燃料機(jī)組，發(fā)電效率為33%～37%，裝機(jī)容量在200 KW以上使用點(diǎn)燃式沼氣發(fā)動(dòng)機(jī)，發(fā)電效率約為34%～37%，現(xiàn)今也有少量沼氣工程開始使用有機(jī)朗肯循環(huán)技術(shù)將余熱用于發(fā)電[21]。同時(shí)，德國(guó)沼氣工程自動(dòng)化監(jiān)控技術(shù)也非常成熟，主要采用分布式控制系統(tǒng)(DCS)、現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)(FCS)等工業(yè)化控制系統(tǒng)，有了這些控制系統(tǒng)后，僅在物料進(jìn)出時(shí)需要人工干涉，其余環(huán)節(jié)均能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化運(yùn)行[3]。

3.2.2 中國(guó)發(fā)酵工藝及技術(shù)發(fā)展

與德國(guó)不同的是，我國(guó)沼氣工程對(duì)常規(guī)、高效的厭氧發(fā)酵工藝都有所應(yīng)用。從發(fā)酵技術(shù)上來看，秸稈高效厭氧發(fā)酵固態(tài)化學(xué)預(yù)處理技術(shù)、秸稈及畜禽糞便干發(fā)酵技術(shù)、有機(jī)廢棄物一體化兩相發(fā)酵技術(shù)尚處于示范階段，糞便厭氧發(fā)酵除沙技術(shù)、沼氣發(fā)酵功能微生物強(qiáng)化技術(shù)均在實(shí)際的沼氣工程中得到了推廣應(yīng)用[29]。表6顯示了我國(guó)典型的沼氣工程案例，可見我國(guó)沼氣工程的發(fā)酵工藝選擇主要根據(jù)發(fā)酵原料，不同的技術(shù)指標(biāo)，實(shí)現(xiàn)對(duì)不同原料的資源化利用。在沼氣工程自動(dòng)化控制程度上，由于研發(fā)人員比較重視厭氧消化工藝本身的研究開發(fā)，忽視了配套設(shè)備的研制與引入，因此自動(dòng)化程度較低[22]。

從我國(guó)近幾年沼氣熱電聯(lián)產(chǎn)相關(guān)報(bào)道可知，我國(guó)沼氣發(fā)電機(jī)熱電聯(lián)產(chǎn)效率在20%～30%[33,34]。國(guó)家現(xiàn)階段也開始大力發(fā)展沼氣熱電聯(lián)產(chǎn)，其中國(guó)家能源局出臺(tái)了“關(guān)于開展‘百個(gè)城鎮(zhèn)’生物質(zhì)熱電聯(lián)產(chǎn)縣域清潔供熱示范項(xiàng)目建設(shè)的通知”，為探索生物質(zhì)發(fā)電全面轉(zhuǎn)向熱電聯(lián)產(chǎn)、完善生物質(zhì)熱電聯(lián)產(chǎn)政策措施提供依據(jù)。

表6 我國(guó)典型沼氣工程案例[29]

由上述分析可知，中德沼氣工程在發(fā)酵原料和工藝上差異不大。但從技術(shù)和設(shè)備上與德國(guó)相比，我國(guó)沼氣工程的熱電聯(lián)產(chǎn)效率、自動(dòng)化程度及技術(shù)設(shè)備水平均較低，這阻礙了我國(guó)沼氣產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展。

4 中德沼氣工程管理模式

德國(guó)沼氣工程經(jīng)營(yíng)管理引入了現(xiàn)代化的農(nóng)場(chǎng)經(jīng)營(yíng)模式，具有人員少、效率高、操作規(guī)范、專業(yè)技術(shù)強(qiáng)、機(jī)械化程度高、運(yùn)行費(fèi)用低等特點(diǎn)[35]。在服務(wù)體系上，德國(guó)擁有專門的沼氣產(chǎn)業(yè)協(xié)會(huì)和技術(shù)服務(wù)性企業(yè)，利用健全的沼氣社會(huì)化專業(yè)技術(shù)服務(wù)體系來推動(dòng)沼氣產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展[36]。

我國(guó)農(nóng)村沼氣工程的經(jīng)營(yíng)管理主體主要有政府、民間社會(huì)公益性或經(jīng)濟(jì)性團(tuán)體、經(jīng)濟(jì)組織或其混合主體，對(duì)于農(nóng)村大中型沼氣工程則常通過系統(tǒng)集中化管理實(shí)現(xiàn)對(duì)資金、技術(shù)的保障[37-38]。

5 德國(guó)沼氣工程對(duì)推進(jìn)我國(guó)沼氣產(chǎn)業(yè)發(fā)展的啟示及建議

通過對(duì)德國(guó)與我國(guó)沼氣工程在政策法規(guī)、發(fā)酵工藝和技術(shù)設(shè)備、沼渣沼液綜合利用以及管理服務(wù)體系的對(duì)比分析，結(jié)合我國(guó)沼氣工程發(fā)展現(xiàn)狀，筆者對(duì)我國(guó)沼氣工程今后的發(fā)展提出了以下建議：

(1)完善沼氣產(chǎn)業(yè)鏈上的政策措施，特別是在沼氣發(fā)展的初期，政府需加大補(bǔ)貼力度；同時(shí)，政策需要隨著沼氣產(chǎn)業(yè)的發(fā)展靈活調(diào)整，讓大中小沼氣工程運(yùn)營(yíng)業(yè)主有利可圖，讓使用沼氣終端產(chǎn)品的用戶看到使用沼氣的便捷性、環(huán)保性，在沼氣產(chǎn)業(yè)初具規(guī)模后，再通過政策引導(dǎo)，不斷提升沼氣行業(yè)的市場(chǎng)化程度。

(2)引進(jìn)適用于我國(guó)沼氣工程發(fā)展的技術(shù)，學(xué)習(xí)德國(guó)通過多學(xué)科交叉研發(fā)創(chuàng)新技術(shù)和拓展沼氣產(chǎn)品的應(yīng)用領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)沼氣工程的自動(dòng)化、機(jī)械化、產(chǎn)業(yè)化，提升我國(guó)沼氣行業(yè)的核心競(jìng)爭(zhēng)力。

(3)我國(guó)政府需要重視沼氣工程的配套管理模式和后期服務(wù)體系的建設(shè)，同非政府團(tuán)體相互協(xié)作，引進(jìn)更多具有沼氣工程管理經(jīng)驗(yàn)的人員，將沼氣建設(shè)和有效的管理服務(wù)體系運(yùn)作起來，保障沼氣工程長(zhǎng)效發(fā)展。

(4)加強(qiáng)我國(guó)沼氣工程在建設(shè)、運(yùn)營(yíng)、后期管理維護(hù)等環(huán)節(jié)的調(diào)研，針對(duì)具體的問題提出具體的對(duì)策和解決方案。