養殖場沼氣發電技術裝備及產業化發展現狀與評價

崔晉波，高立洪，李 萍，周 蕊，李 平

（重慶市農業科學院，重慶 401329）

隨著農業產業結構的不斷調整，養豬業以較快的速度向集約化方向發展，為農業增效、農民增收作出了重要貢獻，但隨之產生了豬場的環境保護、豬糞尿及豬場污水處理的問題，畜禽養殖產生的糞便已成為我國農村地區污染的主要來源。養殖場污水處理的最好方法是采用生物學處理，近年來，在各級政府和企業的協作下，用于處理畜禽糞便的大中型沼氣工程紛紛上馬。但是，相對于國外發達國家，我國利用沼氣的發電工程還很少，沼氣發電裝備的開發利用也處于起步階段，未能實現產業化發展。但是，目前國家和企業已經對沼氣發電加以重視，并進行了技術裝備的研究開發，促進其快速走上產業化發展的道路。

1 行業發展現狀

1.1 沼氣發電技術現狀

沼氣發電始于上世紀70年代初期，是一項系統工程，它包括沼氣生產、凈化與儲存、沼氣發電及上網等多項單元技術的優化組合。

（1）國外沼氣發電技術現狀。沼氣發電行業在國外發達國家受到了廣泛的重視和積極的推廣，如美國的能源農場、德國的可再生能源促進法的頒布、日本的陽光工程、荷蘭的綠色能源等。德國是目前世界上沼氣工程發展最為成功的國家之一，沼氣主要用于發電上網。截止至2008年，德國已建成沼氣工程3900處，總裝機容量達1400 MW。其中裝機容量在2 MW的沼氣廠有40家，最小裝機容量為50kW。美國在沼氣發電領域有許多成熟的技術和工程，處于世界領先水平，裝機容量已達7.5MW，現有61個填埋場使用內燃機發電。捷克Tedom公司生產的燃氣內燃發電機目前已遍布歐洲地區，并將發電、供熱于一體，機體內部包含了發動機、發電機、余熱回收換熱裝置及自控系統。

（2）國內沼氣發電技術現狀。沼氣燃燒發電是隨著沼氣綜合利用的不斷發展而出現的一項沼氣利用技術，是將沼氣用于發動機上，并裝有綜合發電裝置，以產生電能和熱能，它是一種有效利用沼氣的重要方式。目前，用于沼氣發電的設備主要有內燃機和汽輪機。在國內，四川省率先開展了沼氣發電的研究。1972年，中江縣開始用沼氣作燃料帶動小型汽油發電機發電；而后，德陽縣農機所、綿陽地區農機所相繼研制成功了沼氣發動機發電；此后，先后有一些科研機構在沼氣發動機的改裝和提高熱效率方面進行了研究工作。我國的沼氣發動機主要為兩類，即雙燃料式和全燒式。目前，對“沼氣—柴油”雙燃料發動機的研究開發工作較多，如中國農機研究院與四川綿陽新華內燃機廠共同研制開發的S195-1型雙燃料發動機；上海新中動力機廠研制的20/27G雙燃料機等。成都科技大學等單位還對雙燃料機的調速、供氣系統以及提高熱效率等方面進行了研究。濰坊柴油機廠研制出功率為120 kW的6160A-3型全燒式沼氣發動機，貴州柴油機廠和四川農業機械研究所共同開發出60kW的6135AD(Q)型全燒沼氣發動機發電機組；此外，還有重慶、上海、南通等一些機構進行了這方面的研究、研制工作。

2 沼氣發電工程技術模式

根據不同的養殖規模、周圍環境容量以及沼氣、沼渣、沼液處理及利用方式，形成了各種適宜模式，其中最有代表性的是“能源生態型沼氣工程”（熱電肥聯產或氣（電）肥聯產，沼液還田利用）和“能源環保型沼氣工程”（氣（電）肥聯產，沼液自然處理或工業化處理）。據不完全統計，已建的沼氣工程約有80%屬于“能源生態型沼氣工程”，20%屬于“能源環保型沼氣工程”。

2.1 熱電肥聯產-沼液還田利用模式

由沼氣生產系統 （典型工藝：CSTR、ACR、HCPF、USR等）、沼氣發電系統和沼渣沼液的儲存、輸送及施用等部分組成，工藝流程示意如圖1所示。其特點是沼氣用于發電，同時獲得余熱和較高濃度的沼液肥。沼氣發電機組滿負荷運行時，利用發電機組的余熱，即使在高寒地區的冬季，也能滿足沼氣生產系統的中溫發酵所需的熱能，其它季節，還可以將剩余的熱能用于烘干飼料或其它熱能利用。沼渣、沼液經過中溫厭氧消化后，滅菌效果較好（蛔蟲卵死亡率幾乎可達100%，大腸桿菌殘留量為10-4），還田使用比較安全。

圖1 熱電肥聯產-沼液還田利用模式工藝流程示意圖

2.2 氣（電）肥聯產-沼液自然處理模式

由沼氣生產系統（典型工藝：USR、UASB、UBF，以及隧道式推流工藝、或農村戶用沼氣池的放大等）、沼氣發電設備和沼液自然處理系統等組成，工藝流程示意如圖2所示。為了減輕后續處理系統的負荷和污水處理成本，要求養殖場必須實施清潔生產，將大部分的鮮糞人工清除（至少清除60%），沖洗污水進入厭氧消化系統，生產沼氣并發電。由于產氣量不多（年存欄10000頭豬場的沼氣工程，日產沼氣量400m3左右），發電規模小，只需設置1套沼氣發電機組，所發的電為養殖場自用。沼液部分還田利用，剩余的沼液采用自然處理方法進行處理，達標后排放。

2.3 氣（電）肥聯產-沼液工業化處理模式

該模式由污水預處理系統、沼氣生產系統（典型工藝：UASB、UBF，以及隧道式推流工藝等）、好氧生物處理系統（SBR等）、污泥處置系統等組成，工藝流程如圖3所示。產生的沼氣為養殖場自用（發電或民用），沼液全部進入好氧系統進行工業化處理后達標排放。

3 產業發展存在的問題

3.1 現有技術及裝備存在的問題

（1）沼氣發電技術方面。盡管目前國內外對畜禽養殖糞污處理都首選厭氧消化技術，但是每種處理模式都還存在一些技術問題,比如：“還田利用模式”，不同條件下土地承載力、還田帶來的衛生效果與負面影響、最佳還田技術與施用量等都沒有專項研究和科學的應用參數；“自然生態處理模式”，處理沼液的氧化塘、人工濕地等處理單元的運行負荷、去除效果以及影響因素等缺乏更多的工程應用數據；“集中工業化處理模式”，電耗和運行費用太高，企業難以承受。

（2）發電機余熱利用方面。沼氣發電機在發電的同時，產生出大量的熱量，煙氣溫度一般在550℃左右。通過利用熱回收技術，將燃氣內燃機中的潤滑油、中冷器、缸套水和尾氣排放中的熱量充分回收利用，用于冬季采暖以及生活熱水。據有關資料表明，效率較高的沼氣發電機，只能把沼氣總含能量的40%左右以余熱的形式回收，其余的能量以各種形式被損失掉，如果將這部分損失掉的能量加以充分回收利用，將為我國沼氣工程發展提供有力的技術保障。

3.2 已建成項目存在的問題

（1）工程設計不專業。非專業的設計沒有足夠的經驗，對每個工程的特點和關鍵技術把握不準，針對性不強，有些設計是照搬照套，引發工程運行效果達不到建設目標，甚至出現運轉障礙。

（2）運行管理不規范。運行管理不規范、不到位。沒有建立健全必要的規章制度和操作規程，存在安全隱患；運行管理人員缺乏基本的操作和維護技能等。

（3）發電上網存在障礙。目前國家還沒有政策支持小規模沼氣發電上網，養殖場自用電多為間斷性用電，因此不能滿負荷運行，發電效益不能充分顯現出來。目前只有1%的沼氣工程發電，上網的工程更是廖廖無幾。

3.3 技術推廣存在的障礙

（1）技術培訓與指導不足。缺少有針對性的技術培訓和指導。有些技術和裝備缺乏因地制宜的推廣應用，存在著一定的盲目性。

（2）缺乏政府鼓勵措施。政府缺乏相應的鼓勵措施。如：環保法規執行力度不夠，電價補貼偏低，缺乏融資激勵機制等。沼氣工程產生的環境和社會效益在目前的政策中沒有給與適當的補償，使得這類項目的資金回收期長。

4 建議

4.1 注重技術創新

目前，畜禽糞便沼氣工程項目實用性還不明顯，地區差異較大，季節性影響較嚴重。相關科研院所、工程單位應進行研究創新，達到實用、經濟、易維護的目標。對于養殖場來說，沼氣工程的建設需要較大費用，在技術上進行創新，才能實現節約成本和提高效率。

4.2 加大政策支持

養殖場沼氣發電工程是關系到節能減排、保護環境、可持續發展的大事，應當給予法律的規范和政策鼓勵，如：對中小型養殖場沼氣發電工程建設予以一次性補助；對大型沼氣發電上網工程實行上網電價補貼；支持已有一定規模的沼氣工程完善其發電配套工程。使大多數沼氣發電工程能盈利運行、發揮出綜合效益，吸引更多的投資商和運營商進入這個行業，促進產業發展。

4.3 完善行業標準

在全國范圍內對于畜禽沼氣發電還未有科學合理的標準，規范性的條文還不是很具體，特別是針對氣體參數、設施設備、厭氧池規格等均未有統一標準。只有完善標準才能更好地促進養殖場沼氣發電行業的發展。

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