沼气发电配套技术及装备发展现状

2012-08-30赵海瑞莫恭武

江苏农机化 2012年3期

赵海瑞莫恭武高玲朱虹

（江苏省农业机械试验鉴定站）

沼气发电技术不仅解决了沼气工程中的环境问题，能消耗大量废弃物，保护环境，减少温室气体的排放，而且可变废为宝，产生大量的热能和电能，符合能源再循环利用的环保理念，是处理农作物秸秆与畜禽粪便的简单、快捷、经济、高效的途径。沼气发电是一个系统工程，它是沼气生产、沼气净化与储存、沼气发电与上网等多项单元技术的优化组合。

1 沼气发电配套技术及装备

1.1 沼气发电机组

沼气发电设备方面，德国、丹麦、奥地利、美国的纯燃沼气发电机组比较先进，气耗率≤0.5 m3/kWh（沼气热值≥25 MJ/m3），价格在300～500美元/kWh。我国在“九五”、“十五”期间研制出20～600 kW纯燃沼气发电机组系列产品，气耗率在0.6～0.8 m3/kWh（沼气热值≥21 MJ/m3）之间，价格在200～300美元/kWh之间，其性价比有较大的优势，适合我国经济发展状况。

1.2 畜禽粪便和秸秆的收集、输送、贮存

沼气发电工程需要大量的生产原料，因此畜禽粪便和农作物秸秆的供给是一个关键因素。秸秆收集打捆机、吸粪车等配套机具可用于相关原料的收集、贮存及运输工作。

1.3 畜禽粪便和秸秆的调质及预处理技术

切碎秸秆经过干发酵后，在调质池里实现畜禽粪便和秸秆按比例混合，在预处理池经过搅拌机充分搅拌均匀后，送入发酵池进行发酵、产气。

1.4 燃气净化、贮存技术

沼气发电的整个工艺流程主要分为沼气生产、沼气净化与储存、沼气燃烧发电和电力传输四个部分。沼气经过导气管从沼气池进入脱水脱硫装置，在脱水脱硫装置中除去带有腐蚀性的有害气体（如SO2，CO2等），再经过过滤压缩、稳压阻火、水气分离等处理后，进入沼气发电机组及用户家庭。这一过程的净化、输送、匹配及安全性还需深入研究。

1.5 粪便、沼液、沼渣综合利用技术

剩余粪便和秸秆发酵后的残渣可被烘干、压制成型，作为肥料使用，并且利于保存；沼液可用来养鱼、养水生植物、浇灌瓜果、蔬菜、牧草等作物，水葫芦、牧草等水生植物可用作猪等畜禽的优质青饲料，实现循环利用。

2.存在问题

2.1 沼气生产效率低

（1）规模小。我国北方有很多沼气生产设备，但是受到原料收集、输送、贮存、季节性及技术的限制，一般规模比较小，大多数还只能满足个体生产、生活的需要。沼气生产普遍存在量少、效率低、不稳定的现象。天冷时沼气产量低，不够用；天热时沼气用不了，白白浪费。

（2）发酵产气效率低。在整个沼气生气系统中，不计其数的微生物扮演了重要角色。它们在适宜的条件下，利用畜禽粪便和农作物秸秆进行发酵，所产生的气体甲烷即为沼气。微生物对有机原料的种类、比例等因素的要求比较高，底物中脂类或乙醇含量过高对微生物是非常不利的。因此，要维持微生物良好的作用环境，除了机械作用外，还需要对系统原料种类、混合比列、pH值、温度等因素进行控制。到目前为止，我国大型沼气池大都用于养殖场和工业废弃物处理，多用中低温发酵技术，产气速度不是很高，也不稳定。

2.2 沼气发电机组的工程配套存在问题

相对于小功率沼气发电机组，大功率沼气发电机组发电效率高，然而受发电规模和政策的限制，无法确保发电机组始终保持较高负荷状态运行，这不仅影响到机组发电效率，也使得发电机组余热利用效率较低。再者，由于加工制造工艺和材质等方面的差异，国产的沼气发电机组的整体质量不高，转换效率较低，工作可靠性差。由此可见，解决中小型沼气发电机组的工程配套问题显得尤为重要。

2.3 缺少高效经济的沼气净化技术

沼气发电系统的核心问题是沼气的净化处理和混合储存。沼气中SO2等腐蚀性气体对输气管道和发电机组部件产生强烈腐蚀作用，影响发电机组的正常运行和使用寿命，因此供发电机使用的沼气要经过脱水脱硫装置除去沼气中的水分和SO2。为确保沼气进入发电机组时的气压稳定，需要在沼气进气管路上安装稳压装置。为防止进气管回火引起沼气管路发生爆炸，应在沼气供应管路上安装防回火与防爆装置，还要在进气管上安装过滤除尘、除湿、除油装置。发电机组进气管道上还要加装一套沼气—空气混合器，以调节空气—沼气混合气体流量和流速。

2.4 缺乏沼气发电并网的技术规范，造成沼气发电上网难

首先，由于受到原料来源和能源输送半径的影响，沼气工程具有规模小和较分散的特点。绝大部分沼气工程的年产沼气量在十几万立方米到几十万立方米之间，所建的沼气发电站装机也就是几十千瓦到几百千瓦之间。电网公司认为小规模有限的电力上网会给电力公司带来一系列的运行、安全和负荷匹配等管理问题。此外，现在包括沼气在内的大部分可再生能源发电的成本要高于常规火力发电或水力发电成本，如果没有优惠的政策和财政补贴措施的支持，电力公司难以接受，不愿收购成本较高的可再生能源发电，导致目前沼气发电几乎无法并网。

2.5 针对沼气发电项目的鼓励政策不明确，补贴电价等政策难以落实

近年来，我国政府为推动可再生能源的开发与利用，颁布和出台了一系列的政策和法规，但是这些政策和法规缺乏具体的实施细节，可操作性不强，不少企业认为风险大，不确定因素多，不敢轻易涉足沼气生产及其发电领域，导致沼气发电产业化进展缓慢。此外，沼气生产及其发电技术在改善环境方面的贡献没能得到相应的回报，与石化能源发电相比，在价格上没有任何优势。如果国家在税收、贷款方面给予优惠政策、投资补贴，电力部门在沼气电力并网方面给予支持和帮助，制定优惠的上网电价，必将大大改善沼气发电的市场前景。

2.6 沼气发电监督和管理办法不到位

对于沼气发电工程的设计、建造及运行管理，目前还缺乏相应的技术标准和规范；在沼气发电工程的设计、建造和运行管理的资质认定及认证管理方面还存在很多空白及部门交叉管理的问题。

2.7 缺乏对小型沼气发电项目工作人员的上岗培训

由于以上技术、经济、政策、信息、人才、管理等方面存在的障碍，阻碍了沼气发电技术的商业化发展速度。

3.应对措施

3.1 解除能源输送半径对沼气发电技术的制约

应因地制宜，根据原料收集途径、种类及数量,设定能源输送半径，建设与之规模相匹配的沼气发电厂。可通过公司和农户合作的模式，即农民主要负责为公司提供沼气生产原料，如牲畜粪便，农作物秸秆等，并在公司技术及设备的支持下对这些原料进行初加工，使其适合电热系统生产的要求，送往沼气发电厂；公司主要提供技术支持，并结合其成熟的经营、管理模式，最终实现生产利益最大化的目的。

3.2 解决沼气发电机组容量匹配问题

目前成熟的国产沼气发电机组的功率规格，主要集中在24～600kW这个区段。从沼气工程的产气量来看，有不少大型沼气发电工程适宜配建500kW以上的沼气发电机组；从沼气发电机组的性价比来看，在有可以利用的动力原机的情况下，单机功率越大，越利于提高燃料发电效率，越利于降低发电机组单位功率成本，从而获得较理想的性价比。同样，从沼气工程的产气量以及从用电负荷性质来看，20 kW以下的发电机组也大有市场。例如一个万头猪场沼气工程，日产沼气80 m3，显然不适合发电上网，只适宜内部用电，一般用作驱动沼气工程污水泵和猪场通风机、照明等，因此宜配备10kW左右的发电机组。

3.3 开展高温发酵技术研究

我国北方大部分农村户用性小型沼气池均采用中温发酵，气候变化对沼气生产影响较大，尤其是冬季，普遍存在着生物质原料发酵速度慢，产气不稳定等问题。利用沼气发电过程中产生的余热，提高沼气池温度，实现高温发酵，为细菌微生物创造良好的生存环境，能有效地加快产气速度和稳定性。

3.4 开发、引进高效经济的沼气净化技术

日本新开发出组合烟囱型简易湿式脱硫装置、卧式小型脱硫装置、简易石灰石——石膏脱硫装置(可同时脱硫、除尘)。美国研制成功高效烟气脱硫洗涤器及高利用率新型吸附剂。美国ALANCO环境公司开发研制了荷电干式喷射脱硫法，ABB公司开发了近海燃煤电厂海水烟气脱硫技术。这些先进技术的引进、消化、吸收及创新，对提高沼气发电机组的使用性能和使用寿命具有重要的意义。

3.5 沼气发电并网的技术规范

由于我国缺少包括生物质能在内的新能源发电并网技术规范，大量电能白白被浪费，前期投资不能有效回收。国家能源局着手建立新能源并网技术规范以及新能源检测机制，目前已经安排了少量资金对相关工作予以支持。国家电网制定的风电场、光伏电站接入电网的技术标准对国家标准制定将起到参考作用，预计国家标准规范将很快得到完善。

3.6 制定并落实沼气发电项目的补贴电价鼓励政策

大中型沼气工程属于环保性质的项目，受益的是全社会。要在投资分摊上，坚持“谁污染谁治理，谁受益谁分摊”的原则，由政府、地方和企业共同投资。对于初始投资，国家将给予一定支持，如：制定出一系列的优惠政策，减免工程税费，减轻企业负担；广辟资金渠道，帮助建设方获得各类贷款；鼓励社会各界以各种形式投资开发沼气资源化利用项目，以优惠政策、资金支持和专业化生产吸引更多的资本投入沼气发电工程，切实调动各投资主体的积极性。