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钢结构工厂考察报告范文1
Abstract：Development， technology and equipment of biogas engineering technology and biogas power generation for agricultural organic waste treatment in China and Germany were described. As a result， the technology difference between two countries was compared. By referencing the advanced engineering technology and industrialization idea from Germany， the article puts forward some suggestions on improving integrated biogas engineering capacity in China.
Keywords: agricultural organic waste；biogas engineering；biogas power generation
1工程特色与发展现状
中国和德国是世界上处理农业废弃物沼气工程（含沼气发电工程）发展最快的两个国家。
就沼气工程建设质量和工业化水平而言，德国比较突出。德国的可再生能源发展的激励政策和机制强有力地刺激了德国沼气及其发电工程产业的快速发展[1]，沼气工程数量从1996年的370座增加到了2005年的3800多座（其中处理农业废弃物沼气工程约2700座），发电装机容量约970MW（其中处理农业废弃物的沼气发电工程约650MW）。特别是2005年新建的沼气工程数量几乎是2000年以前的3倍（见图1）。
由于德国政府严格控制畜牧业与种植业的协调发展，区域性的土地资源基本能消纳所在地的沼气工程产生的沼渣、沼液。因此，处理农业废弃物的沼气及其发电工程的建设目标是以能源效益为主，工程模式比较单一，即：沼气用于发电，沼气发酵后的残留物（沼液）经储肥池贮存几十天后，直接由拖拉机罐车运输到田间进行喷灌。少数大型沼气工程的沼液也以还田为主，剩余的沼液实行固液分离，脱水后的沼渣制成有机固体肥料，清液按工艺要求部分循环回流入沼气池，部分经灭菌处理后用作畜舍的冲洗水或再经过深度处理后排放。
受法律的规范和经济利益的驱动，德国处理农业有机废弃物的沼气工程所产生的沼气98%用于发电，并实行热电联供。因此，系统工程中的资源与能源转化效率都比较高。
中国处理农业有机废弃物的沼气工程很有特色。根据不同的养殖规模、 环境容量、土地资源条件和污水排放标准等条件，处理农业有机废弃物的沼气工程按沼液的出路形成了各种适宜模式，其中最有代表性的模式有三种：
（1）综合利用型沼气工程， 即沼气工程周边配套有较大面积的作物农田、 鱼塘、植物塘等，能够就地消纳沼气发酵的残留物（沼液），沼气工程成为生态农业园区的纽带，上承养殖业，下联种植业，促进了农业种、养一体化，降低了种植和养殖业的生产成本，废弃物真正实现了零排放。由于不需要对沼液进行深度处理，系统工程比较简单，投资和运行成本均较低，是一种最为经济的工程模式。
（2）自然处理型沼气工程，即养殖场周围环境不太敏感，沼气工程周边有一定量的农田和配套有较大面积的稳定塘。因此，该模式对沼液采用部分还田或分季节还田，多余的沼液进行低能耗或无动力的自然处理（氧化沟、氧化塘、人工湿地等），达到控制污染物总量减排的目的。
（3）环保达标型沼气工程，即沼气工程周边环境无法直接消纳沼液，必须将沼液进行固液分离，分离出来的沼渣和人工干清粪制成商品固体有机肥料，分离后的清液经过好氧或物化等深度处理达到行业排放标准后直接排放。该模式是以处理畜舍冲洗污水达标为主要建设目标，工程投资和运行费用都较高。但由于采用了沼气技术，可回收一定量能源，同时又去除了污水中的大部分有机物（COD去除率90%左右），这比单纯使用好氧处理方法处理这类污水要经济得多（产能、节能）。
中国处理农业有机废弃物的沼气工程由于相对规模小，又远离城镇，产生的沼气仅有少量用于发电和集中供气（沼气发电用气量约占总产气量的2.53%，集中供气约占总产气量的1%左右），大量的沼气用于养殖场自身的生产、生活燃料。
截至2005年末（中国农业部统计数据）， 中国处理农业废弃物的沼气工程数量已达到3556座[2]（见图2），比德国同期建造的农业废弃物沼气工程高出800多座，但其工程规模及产生的效益却远不如德国。中国的农业沼气工程平均池容只有283m3/处，池容在100m3以下的小型沼气工程大约占66%；池容在100~1000m3之间的中型沼气工程大约占25%；池容在1000m3以上的大型沼气工程仅占9%左右。而德国沼气工程的平均池容约1000m3/处。另外，就沼气产量和沼气发电量而言，中国农业沼气工程的沼气年总产量只有德国的17.6%，沼气发电工程的装机容量仅为6.7MW，是德国的1%左右，年沼气发电量只有德国的0.16%。
2工程技术与装备水平
2.1 发酵原料与典型工艺
德国的农业沼气工程所处理的有机废弃物比较广泛，如：畜禽粪便、青贮饲料、过期的残粮、厨余残渣、生活有机垃圾、动物屠宰的废弃物、农副产品加工的废弃物等，或由上述几种有机废物混合构成。沼气工程的厌氧消化工艺是根据处理规模、发酵原料的性质和浓度以及发酵温度等因素选择的。发酵料液TS浓度为8%～10%，采用完全混合式中温厌氧消化工艺（CSTR）居多；TS浓度10%～20%，牛粪或有机垃圾采用塞流式中（高）温厌氧消化工艺（HCPF）；TS浓度≥30%，采用中温半干式厌氧消化工艺；全秸秆采用中温干式厌氧消化工艺。由于实施热电联用（依靠发电余热给厌氧消化装置增温、保温），即使在冬季环境气温低至-20℃，处理农业有机废弃物的沼气工程仍然运行良好，中温装置产气率1.2～1.8 m3/（m3.d），高温装置产气率2.0～3.0m3/（m3.d），经济效益显著。
中国的农业沼气工程主要是处理畜禽粪便及其冲洗污水，也有极少部分是处理农作物秸秆与畜禽粪便的混合原料。
由于中国近十年畜牧养殖发展很快，土地资源紧缺，种、养不匹配的问题日趋突出，畜禽粪便排放总量远远超过环境承载能力。中国政府希望通过沼气工程建设项目的实施，基本解决重点区域畜禽养殖场对周围环境的污染问题，改善项目实施区农业生产和人民生活的环境质量。因此，中国沼气工程要发挥多功能的作用（生产能源、综合利用及环境保护等），这使得沼气工程的工艺技术比较全面发展，几乎所有常规的和高效的厌氧消化工艺在中国都有示范工程应用，如：完全混合式厌氧反应器(CSTR)、厌氧接触反应器(AC)、厌氧序批式反应器(ASBR)、厌氧挡板反应器(ABR)、厌氧复合反应器(UBF)、上流式厌氧污泥床(UASB)、升流式固体床(USR)、内循环厌氧反应器(IC)等。为了节约水资源，并减轻后续达标处理的负荷及难度，对规模畜禽养殖场提倡先采用人工干清粪，冲洗污水进入厌氧消化系统进行沼气发酵。这样，发酵原料浓度很低（TS 1%～3%），厌氧消化过程基本没有升温（常温发酵），装置产气率也低，仅为0.1～0.5 m3/（m3.d），工程运行效果受环境温度影响很大，因此上述诸多工艺的效率在工程应用上没有显著差异。尽管有少数的畜禽场沼气工程采用TS 4%～6%的中温或近中温厌氧消化，但由于未有实施热电联用，所产生的沼气在冬季大部分用于发酵原料的增温和装置的保温，甚至有的工程出现能量入不敷出。因此，沼气工程常年运行稳定性差，经济效益低。
近些年，中国开始认真研究德国、丹麦等发达国家的沼气工程高效技术与装备。通过关键技术与设备的引进创新，开始在中国尝试高浓度、高效率的热电肥联产的沼气发电工程，如正在建设中的蒙牛澳亚示范牧场大型沼气发电综合利用工程（设计日处理10000头奶牛粪便，日沼气发电量达到18000 kWh以上），以及北京德清源农业科技股份有限公司处理鸡粪的沼气发电工程（设计日处理260万羽蛋鸡粪便，日沼气发电量为38000kWh）。
2.2 工程装备
德国、丹麦、荷兰等发达国家的沼气工程装备已达到了设计标准化、 产品系列化、生产工业化，质量得到有效控制。工程装备的组装技术也达到模块化、规范化。德国的大型厌氧消化装置（容积为2000～5000m3）为圆柱型立式罐，多为钢结构（Lipp罐居多，见图3）；中小型厌氧消化装置（容积在200～1500m3）多为圆柱型立式罐、钢结构或钢筋混凝土结构。二级厌氧消化装置（立式罐）顶部常常装有双膜储气罩，构成了发酵、储气一体化装置，既节省了单独设立储气装置的费用(比分体式降低15%左右)和占地面积，又解决了在寒冷地区冬季储气装置水封防冻的问题（图4、图5）。
配套设备，如带切割装置的高固形物的进料泵、低速混合搅拌器、 增温保温设施、生物脱硫装置等已形成专用、系列化产品，制造工业水平较高，产品性能稳定，很有实用价值和市场竞争力。
德国的低速机械搅拌器[3]（图6、图7、图8）的选型是依据发酵原料的性质、厌氧消化工艺类型、消化装置的形态和容积以及混合料液的粘度等诸多参数确定。
德国的节能型增温、保温设施（图9、图10）[3]。
另外，德国的沼气工程的机电设备操作基本实行自动控制，工程运行管理也实施远程在线监测，工程运行管理人员很少（是中国同等规模工程的1/4），工程运行效果可控性强，能保证全年稳定运行。
在中国，处理农业有机废弃物的大中型沼气工程的厌氧消化装置也是立式罐居多（钢结构或钢筋混泥土结构均有），少部分采用地埋折流式装置（钢筋混凝土结构或砖混结构）。由于中国沼气工程工艺种类较多，目前还没有达到标准化设计与制造。近些年已有部分企业（如杭州能源环保公司、山东十方圆通环保有限公司等） 引进德国的加工技术和设备，率先在中国工业化制造厌氧消化装置和污水处理装置（Lipp罐、搪瓷拼装罐），所占的比例只占已建工程的百分之几。
“十五”以前，中国比较重视厌氧消化工艺本身的研究开发， 对其配套设备研发投入很少，如：高浓度的进料泵、混合搅拌器等没有根据发酵原料性质和厌氧消化工艺类型进行针对性设计与制造，多数是沿用其它行业的设备（如城市污水处理、化工、制药等行业），因而应用中有一定的缺陷，性能不稳定，效率偏低。有些关键部件质量未过关，造成维修率高、使用寿命短；设备操作和工程运行管理以手动为主。因此，中国沼气工程的专用设备与工装水平和发达国家有比较大的差距，特别是已建的三千多个处理农业有机废弃物的沼气工程，能维持全年稳定运行的不多（特别是冬季），设备故障率和维修率也比较高。
2.3 热电联用
在德国，处理农业有机废弃物的沼气工程有98%实施热电联用。热电联用的好处在于：
（1）沼气发电工程系统能量转换率最高。沼气发电热效率33%～37%，发电余热回收率40%～45%，总热效率达到80%左右。
（2）系统能量循环利用与互补。厌氧消化工序既是产能也是用能的单元。为了实现高效率产沼气，必须给厌氧微生物营造一个适合它快速生长繁殖的环境（温度是重要因素之一）。实验室研究和工程应用结果表明，厌氧消化温度每升高10℃，厌氧消化反应速率约增加1倍。但实际应用中，在进行厌氧消化温度段选择时，不仅要考虑产气量的多少，还应考虑为保持适宜温度所消耗热能的多少。因此在欧洲，处理农业有机废弃物的沼气工程多以中温消化工艺为主（38～45℃），当发酵料液浓度TS在8%左右时，冬季发电系统余热回收量的100%用于厌氧消化系统的增温、保温；TS在10%左右时，发电系统余热回收量的60%～80%用于厌氧消化系统的增温、保温；TS在12%左右时，发电系统余热回收量的50%～60%用于厌氧消化系统的增温、保温；剩下的余热输入当地的采暖系统[3]。
（3）节能。降低了运行成本，提高了工程运行稳定性和总体效益。
在中国已建的三千多座农业沼气工程中， 具有一定规模的沼气发电工程屈指可数，发电总装机容量约6.7MW，且都是企业内部用电，无一例上网（2005年以前建造的工程）。在相当一部分沼气发电工程中（特别是农业沼气工程）， 与其产气量相适应的发电规模远大于企业内部用电总负载，也有内部用电负载短时间大于或等于装机容量，发电机组也只是间隙性地满负荷运转。对于具有一定规模的沼气发电工程而言，若所发的电不能与地方电网连接、调节，不但其经济性大打折扣， 同时也会带来运行负荷匹配和发电余热供应不稳定等诸多问题（间接影响厌氧消化工序的运行效果）。2005年以前，中国建造的农业废弃物沼气发电工程中未见有沼气发电余热利用好的工程范例报道。2006年，相继开工的日沼气发电量18000 kWh的蒙牛澳亚示范牧场牛粪处理沼气发电工程和日沼气发电量38000 kWh的北京德清源农业科技股份有限公司鸡粪处理沼气发电工程有望突破这一瓶颈。
3启示与建议
综上所述，发展沼气及其电力不单纯是建设多少个沼气工程项目的问题，而是一个综合性基础产业建设的问题[4]，这就需要从法律、政策、融资、市场、技术和装备等全方位进行研究与运作。笔者建议从三个方面着手：
一是需要进一步完善各项激励政策，使得这类工程能从多方面获利，提高它的经济生存能力。
目前，沼气工程或沼气发电工程的终极产物（沼气或电力、热能、有机肥料）还没有形成实际产品进入市场，不能完全体现出它的经济价值，投资者无法靠这些终极产品获得应有的收益。2006年出台的可再生能源发电上网的电价补贴政策，对大型沼气发电上网工程有一定的调节作用，但对中、小规模的沼气工程或沼气发电不能上网的工程是没有实际作用的（主要是中、小规模工程的沼气或其电力产品目前无法进入市政燃气供气系统和地方公共电网）。另外，沼气工程或沼气发电工程对环保的贡献（特别是对水体的保护和温室气体的减排）只有公益社会效益，没有获得相应的经济效益。因此需要政府扶持（特别是对中、小规模养殖场的沼气工程）， 主要包括允许具有一定规模的中型沼气发电工程与局网连接、利用贷款贴息、财政直接补助和产品（沼气及其电力、沼渣、沼液）的市场流通机制的建立等。为了减轻国家财政的负担，可以借鉴欧洲一些国家的做法，从消耗的矿物能源中适当加价和提取的排污费用中予以解决。
二是联合攻关，解决生产实际需求的一些关键技术问题。
通过对中、德处理农业有机废弃物沼气工程的综合比较，笔者发现，中国沼气工程的工艺技术研究比较全面深入，但一些关键装备技术如高固体料液高效传质技术及设备、沼气生物净化与提纯技术、沼气发电及其余热利用的高效转化设备、远程在线监测与自动调控技术等还有缺陷，不能从各个环节保证工艺参数的实现，造成工程运行稳定性和经济效益低下。目前，从实验室得到的能源转化效率远远高于工程应用的转化效率，应加大这方面的研发力度，努力把这种潜力转化为现实生产力。
三是要实行工程装备与设备的专业化、规模化生产，逐步形成产业链，以保证建造质量，降低工程成本。
中国处理农业有机废弃物的沼气工程建造目前仍处于低效率、高成本和非标准化阶段，严重制约着沼气工程产业化的发展。解决问题的有效途径是， 参照德国的做法，不但要认真研究沼气工程中每种专用设备和装备的制造技术，还要研发出各种设（装）备的工厂化生产技术，以及工程组装技术，并实行专业化、规模化生产。只有这样，才能推动沼气工程技术的进步，带动相关产业的发展，逐步实现沼气工程标准化建造和降低工程造价，减少项目实施企业的投资风险和不确定性，提高沼气及其发电工程的综合竞争能力，最终达到全面提升中国沼气工程整体技术水平和经济效益的目的。
参考文献
[1] 倪慎军. 政策支持 法律保障 德国沼气工程发电成气候--关于德国沼气发电技术应用的考察报告.河南农业，2005，(2). 【DOI】 cnki:ISSN:1006-950X.0.2005-02-013
[2] 农业部科教司. 农村能源统计资料，1999年～2005年.
