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關(guān)于德國典型沼氣發(fā)電技術(shù)及其借鑒
論文關(guān)鍵詞：沼氣發(fā)電工程 沼氣發(fā)電技術(shù) 德國 借鑒
論文摘要：以5處沼氣發(fā)電工程為例，介紹了德國典型的沼氣發(fā)電技術(shù)，其普遍采用“混合厭氧發(fā)酵、沼氣發(fā)電上網(wǎng)、余熱回收利用、沼渣沼液施肥、全程自動化控制”的技術(shù)模式，通過該模式的實施，最終實現(xiàn)發(fā)酵原料的全方位綜合利用；并通過電、熱以及沼渣沼液的外售給工程運行帶來收益，最終實現(xiàn)化運行。通過對此次考察相關(guān)情況的介紹與，以期為我國大中型沼氣工程的發(fā)展提供一些借鑒。
0引言
德國是目前世界上沼氣工程發(fā)展最為成功的國家之一，在該國《可再生能源法》等相關(guān)、法規(guī)的引導(dǎo)和刺激下，沼氣主要用于發(fā)電上網(wǎng)。截止至2008年，德國已建成沼氣工程3900處，總裝機容量達1400MW，其中裝機容量在2MW的沼氣廠有40家，最小裝機容量為50kWt”。為了學(xué)習(xí)借鑒德國先進的沼氣技術(shù)以及運行方式，在由可再生能源及能源效率伙伴關(guān)系計劃(REEEP)資助的“大中型沼氣工程市場化運營管理模式研究”項目支持下，北京能環(huán)公司等一行5人于2009年10月11～20日期間對德國相關(guān)沼氣發(fā)電工程進行了參觀考察。本文以5處沼氣發(fā)電工程為例，介紹了德國典型的沼氣發(fā)電技術(shù)，以期為我國大中型沼氣工程的發(fā)展和應(yīng)用提供一些借鑒。
1德國典型沼氣發(fā)電工程
1．1 KleinSehweehlen沼氣發(fā)電工程
KleinSchwechten沼氣發(fā)電工程位于德國柏林郊區(qū)一農(nóng)場，由農(nóng)場主建設(shè)，于2006年建成并運行。該工程采用兩步濕發(fā)酵工藝，發(fā)酵原料為玉米青儲、谷物、干草、牛糞，實現(xiàn)熱電聯(lián)產(chǎn)．發(fā)電裝機容量為350kW。主要工藝流程如圖1所示。
固體原料經(jīng)進料機器攪拌均勻后進入水解酸化池，液體原料由泵泵入水解酸化池，池中設(shè)有潛水?dāng)嚢杵鲗⒃蠑嚢杈鶆�，并有加熱系統(tǒng)，使得池中料液溫度保持25℃，水力停留時間(HRT)為2～3d．同時添加化學(xué)脫硫劑進行原位脫硫；水解酸化后料液經(jīng)切割泵進入體化CSTR反應(yīng)器進行厭氧發(fā)酵。發(fā)酵周期為30d，池內(nèi)料液TS為6％，池內(nèi)設(shè)有加熱系統(tǒng)，使得料液溫度保持40，產(chǎn)生的沼氣經(jīng)反應(yīng)器頂部儲氣膜暫存后進入發(fā)電機組發(fā)電。其中發(fā)電量的6％～7％由農(nóng)場自用．其余并入電網(wǎng)，多余的沼氣通過火炬燃燒；產(chǎn)生的沼渣、沼液流入儲存池，一定時期后外運作為肥料施用于附近農(nóng)田。
1．2 Farm W iesenau沼氣發(fā)電工程
Farm Wiesenau沼氣發(fā)電工程位于德國柏林郊區(qū)一農(nóng)場，由農(nóng)場主投資建設(shè)，分為兩期工程，其中一期工程2006年建成，發(fā)電裝機容量為500kW．二期工程2007年建成，發(fā)電裝機容量為1MW。兩期工程均采用一步法濕發(fā)酵工藝，發(fā)酵原料包括玉米青儲、谷物、草、牛糞。主要工藝流程如圖2所示
固體原料經(jīng)進料機器攪拌均勻后直接進入CSTR反應(yīng)器，液體部分經(jīng)儲液池被泵人CSTR反應(yīng)器．同時向儲液池中添加化學(xué)脫硫劑進行原位脫硫；反應(yīng)器中料液不斷被泵入外部熱交換器中進行熱交換，使得反應(yīng)器中的料液溫度維持在40cI=；料液在CSTR反應(yīng)器中厭氧發(fā)酵21d、發(fā)酵后料液進入一體化二次發(fā)酵反應(yīng)器進行30～40d二次發(fā)酵，產(chǎn)生的沼氣與CSTR反應(yīng)器中產(chǎn)生的沼氣在反應(yīng)器頂部經(jīng)生物脫硫后于儲氣膜中暫存，用于發(fā)電上網(wǎng)，產(chǎn)生的沼渣沼液進入沼渣沼液池儲存，一定時間后外運作為肥料施用于附近田地。
1．3 Friedersdorf沼氣發(fā)電工程
Friedersdorf沼氣發(fā)電工程位于德國柏林郊區(qū)一農(nóng)場，于2005年實現(xiàn)正常運轉(zhuǎn)。該工程采用干發(fā)酵工藝，發(fā)酵原料為玉米青儲、苜蓿、牛糞等，實現(xiàn)了熱電聯(lián)產(chǎn)，發(fā)電總裝機容量500kW。主要工藝流程如圖3所示
玉米青儲與苜蓿堆放9d后與牛糞按比例混合．并調(diào)節(jié)TS至33％，之后用鏟車將混合后的原料運送至干發(fā)酵倉進行厭氧發(fā)酵，發(fā)酵周期為24d，共有8個干發(fā)酵倉，交替式發(fā)酵，每隔3d對其中1個干發(fā)酵倉進行進出料；發(fā)酵時產(chǎn)生的滲濾液由發(fā)酵倉底流入地下水罐，水罐中的加熱系統(tǒng)，使罐中液體保持43℃；水罐中的液體由干發(fā)酵倉頂部的噴頭噴人倉內(nèi)。保持發(fā)酵原料適宜的濕度，同時也可以維持干發(fā)酵倉內(nèi)40℃左右的溫度；發(fā)酵產(chǎn)生的沼氣進入膜儲氣柜中儲存，加壓后用于發(fā)電上網(wǎng)：發(fā)酵殘渣可堆肥，腐熟后的肥料施用于附近農(nóng)田：發(fā)電產(chǎn)生的余熱除用于水罐中液體的加熱外．還用于農(nóng)場附近學(xué)校等設(shè)施的取暖。
1．4 Schtillnitz沼氣發(fā)電工程
Sch5llnitz沼氣發(fā)電工程建成于2007年，是德國一家能源公司專利工藝的示范工程，該工藝將沼氣發(fā)酵中的水解酸化階段和產(chǎn)甲烷階段分離開。從而實現(xiàn)高原料產(chǎn)氣率及沼氣中高甲烷含量。采用的發(fā)酵原料為玉米青儲、草、牛糞，實現(xiàn)了熱電聯(lián)產(chǎn)，發(fā)電總裝機量250kW。工藝流程如圖4。
混合后的發(fā)酵原料(TS為12％～14％)由鏟車運送至發(fā)酵倉水解酸化，水解酸化過程中產(chǎn)生的氣體經(jīng)氣體過濾器過濾，去除有害氣體后外排．發(fā)酵殘渣堆肥后用作農(nóng)肥，水解液由發(fā)酵倉底部小洞流人水解緩沖罐，經(jīng)外部熱交換器加熱后少部分水解液回流至發(fā)酵倉以保持原料濕度及倉內(nèi)發(fā)酵溫度，其余泵人產(chǎn)甲烷反應(yīng)器厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣，生成的沼氣進入膜儲氣柜儲存．加壓后用于發(fā)電：最終產(chǎn)甲烷反應(yīng)器出水作為肥料施用于農(nóng)田。
1．5 Radeburg垃圾及廢水處理工程
Radeburg垃圾及廢水處理工程于1999年建成，已經(jīng)成功運行10年．該工程用于處理Rade．burg市10萬居民的生活垃圾及生活污水，發(fā)電總裝機容量1MW，實現(xiàn)了廢物的減量化、資源化和能源化利用．其中生活垃圾采用厭氧濕發(fā)酵處理，生活污水采用好氧處理。該工程的生活垃圾處理單元主要工藝流程如圖5所示。
對Radeburg市經(jīng)分類的生活垃圾依次粉碎、滅菌后進人預(yù)處理倉處理．預(yù)處理時產(chǎn)生的廢氣經(jīng)過填料濾池過濾后排放：預(yù)處理后垃圾在CSTR反應(yīng)器中進行混合發(fā)酵．產(chǎn)生的沼氣進入膜式儲氣柜儲存．一部分回流用于CSTR反應(yīng)器中料液攪拌，其余沼氣用于發(fā)電上網(wǎng)；發(fā)酵后料液進入緩沖罐暫存，之后進行固液分離，得到的沼渣進一步堆肥處理后作為農(nóng)用肥，沼液與生活污水一同經(jīng)好氧處理后達標排放。
2德國沼氣發(fā)電技術(shù)特點
經(jīng)過此次對德國沼氣發(fā)電工程的參觀考察，我們以下德國典型沼氣發(fā)電技術(shù)的特點。
(1)德國沼氣工程普遍采用“混合厭氧發(fā)酵、沼氣發(fā)電上網(wǎng)、余熱回收利用、沼渣沼液施肥、全程自動化控制”的技術(shù)模式，通過該模式的實施．實現(xiàn)發(fā)酵原料全方位綜合利用，并通過電、熱以及沼渣沼液外售給工程運行帶來收益。
(2)沼氣發(fā)酵原料多樣化，多以玉米青儲為主，同時生活垃圾的厭氧發(fā)酵處理也較普遍；沼氣發(fā)酵通常采用CSTR濕發(fā)酵工藝。選用各種攪拌方式(如攪拌、沼氣攪拌、料液回流攪拌等)對發(fā)酵料液進行攪拌，提高原料的產(chǎn)氣率。干發(fā)酵工藝的應(yīng)用亦趨于成熟，節(jié)約工程占地．降低運行能耗；所參觀的每處沼氣工程均根據(jù)發(fā)酵原料的不同對發(fā)酵工藝加以靈活改進。沼渣沼液最終作為有機肥被完全消納利用；一方面能促進農(nóng)作物優(yōu)質(zhì)生長；另一方面是避免沼渣沼液的二次污染。沼氣脫硫普遍采用生物脫硫方法，降低脫硫；有些工程將化學(xué)原位脫硫與生物脫硫相結(jié)合，更有效地去除沼氣中硫化氫成分．在實際運行中有些工程產(chǎn)生的沼氣中硫化氫含量低于50。
(3)沼氣工程配套設(shè)備與技術(shù)裝備先進，如進料設(shè)備、攪拌設(shè)備、脫硫設(shè)備、沼氣存儲設(shè)備、熱電聯(lián)產(chǎn)成套設(shè)備等優(yōu)良性均處于世界沼氣行業(yè)的領(lǐng)先地位．并且沼氣工程自動化程度高．此次考察的所有沼氣工程無論規(guī)模大小全部只需一人即可穩(wěn)定運行，節(jié)省資源，降低運行成本。
3借鑒之處
結(jié)合我國沼氣工程發(fā)展現(xiàn)狀．筆者提出幾點借鑒之處供同行參考。
(1)適當(dāng)引進德國先進的沼氣技術(shù)，同時推崇國內(nèi)技術(shù)創(chuàng)新，縮短新技術(shù)的工程應(yīng)用時間．因地制宜，靈活運用各種發(fā)酵工藝，最終形成適合我國國情的高效沼氣技術(shù)。
(2)加強沼氣工程配套設(shè)備的研發(fā)，引進國外先進設(shè)備或?qū)鴥?nèi)其他行業(yè)的先進設(shè)備引入到沼氣行業(yè)中。使得沼氣工程最優(yōu)化運行，最終實現(xiàn)我國沼氣行業(yè)的規(guī)范化、先進化發(fā)展。
(3)建議國家加快對沼氣發(fā)電上網(wǎng)補貼價格的實施，制定具有可操作性的沼氣發(fā)電配額細則；加快沼氣其他形式的高品位利用，提高沼氣工程收益，如發(fā)展沼氣車用燃料、沼氣電池、沼氣制取二甲醚等：努力將沼氣工程項目發(fā)展成CDM項目，盡快完善沼氣工程化運行機制，降低工程運行成本。
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