中德沼氣發(fā)電工程實例分析

宋 龍 李仁剛 劉 軼

（國能龍源環(huán)保南京有限公司，江蘇 南京 210012）

中國沼氣行業(yè)具有相當(dāng)長的歷史，特別是21世紀(jì)初在全國范圍內(nèi)組織實施的農(nóng)村沼氣國債項目和2015年開始連續(xù)實施3年的沼氣轉(zhuǎn)型升級試點項目，極大地促進(jìn)了中國沼氣事業(yè)和相關(guān)產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展。據(jù)統(tǒng)計，截至2018年，中國的沼氣工程總量約為10.8萬座，其中大型沼氣7966座，中型沼氣工程10332座。據(jù)中國農(nóng)村能源行業(yè)協(xié)會的統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，我國沼氣產(chǎn)業(yè)企業(yè)數(shù)量為1298 個。中國的沼氣行業(yè)也成功實現(xiàn)了由戶用沼氣發(fā)展到各種類型沼氣工程的轉(zhuǎn)型升級。具體表現(xiàn)在中國的沼氣技術(shù)實現(xiàn)了突破，從工藝設(shè)計水平到產(chǎn)品設(shè)備制造能力，在引進(jìn)、消化、吸收的基礎(chǔ)上，基本形成了一整套自主知識產(chǎn)權(quán)和較健全的標(biāo)準(zhǔn)化體系；中國的沼氣事業(yè)在推動畜禽糞污資源化利用和農(nóng)業(yè)綠色循環(huán)發(fā)展方面發(fā)揮了重要作用，也為國家的能源安全和生態(tài)文明建設(shè)做出了重要貢獻(xiàn)。

該文在前人分析的基礎(chǔ)上，通過中德兩國的沼氣工程實例對中德沼氣工程在原材料、沼氣工藝、發(fā)電效率、運行收益等方面進(jìn)行了詳細(xì)對比分析并提出相應(yīng)的建議，以期為我國更好地發(fā)展沼氣工程提供一定借鑒。

1 中德沼氣工程介紹

該文選取4座沼氣工程進(jìn)行比較，德國三座分別編號1#、2#、3#，中國一座編號4#。

1#位于德國勃蘭登堡的一座農(nóng)場，養(yǎng)豬2750頭，附屬農(nóng)田1866公頃，其中的110公頃種植能源作物種，用于發(fā)酵原料。1#于2004年12月投產(chǎn)運行。1#的厭氧發(fā)酵罐有效容積903m3，脫硫儲氣一體，2個敞口氧化塘用于儲存發(fā)酵沼液（每個2070m3），1臺DEUZ 發(fā)電機組，180kW。

2#位于德國巴伐利亞州的中弗蘭肯，養(yǎng)豬800頭，農(nóng)田133公頃，其中能源作物種植面積53公頃。2#于2005年5月投產(chǎn)運行。2#為兩級發(fā)酵裝置，第一級有效容積950m3，第二級有效容積1400m3。2臺曼海姆發(fā)電機組，分別為100kW和190kW。

3#位于德國巴登符騰堡州，養(yǎng)牛120頭，農(nóng)田80公頃，用于種植能源作物。3#于2005年1月投產(chǎn)運行。3#為兩級發(fā)酵裝置，兩級的發(fā)酵有效容積都是1200m3，氧化塘容積5000m3，頂部覆膜，2臺電機組，DEUZ 265kW，Scania 265kW。

4#位于中國山東省德州市禹城倫鎮(zhèn)，農(nóng)田200公頃，用于種植苜蓿和冬小麥，合作的牛場養(yǎng)殖9000頭奶牛。4#于2019年10月投產(chǎn)運行，投資、建設(shè)、運行公司為國能龍源環(huán)保南京有限公司。4#為一級發(fā)酵裝置，4個發(fā)酵罐，總有效容積23700m3，氧化塘覆膜總?cè)莘e100000m3，2臺電機組，DEUZ 1200kW。

2 原材料分析

對比表1可以明顯發(fā)現(xiàn)，1#、2#、3#原料的數(shù)量為10000噸/年級別，平均進(jìn)料量在20噸/天~40噸/天；4#依托萬頭奶牛場，進(jìn)料量1200噸/天，年進(jìn)料量在400000噸/年。中德的原料量明顯不在一個級別，德國的牧場規(guī)模普遍比較小，牛的數(shù)量在數(shù)百頭，豬的數(shù)量在數(shù)千頭；中國的規(guī)模奶牛場達(dá)到上萬頭，養(yǎng)殖數(shù)量是德國的10倍以上。

表1 德國與中國沼氣工程原料分析比較

德國沼氣工程中使用大量的青儲作物，青儲往往占到總原料的50%以上，2#達(dá)到52.6%；4#使用純牛糞作為原料，稻殼并非刻意使用，而是作牛墊床，隨著牛的運動，散落混合在糞污中。

由于在原料中摻入大量的青儲作物，1#，2#，3#工程的進(jìn)料干物質(zhì)含量都比較高，達(dá)到20%左右。隨著進(jìn)料干物質(zhì)含量的提高，相應(yīng)的進(jìn)料COD也比較高，1#在240kg/t左右；4#的進(jìn)料干物質(zhì)含量偏低，約7.5%，進(jìn)料COD 51.5kg/t。由于單純使用牛糞污作原料，導(dǎo)致進(jìn)料干物質(zhì)含量低。

進(jìn)料的干物質(zhì)含量是非常重要的參數(shù)，也是中德沼氣工程一個非常明顯的區(qū)別。進(jìn)料濃度高，在同等發(fā)酵條件下（溫度，攪拌，停留時間等），沼氣產(chǎn)量會提高，進(jìn)而增加發(fā)電量；或者提高進(jìn)料濃度，降低每日進(jìn)料量，在停留時間不變的情況下，可以節(jié)省發(fā)酵罐容積，減少一次性投資，影響投資回報率。同時，進(jìn)料濃度高，意味著含水量低，用于罐體加熱的熱量利用效率得到提高。

縱觀中德沼氣工程，德國沼氣工程由于養(yǎng)殖規(guī)模小、糞污量少、有青儲秸稈的添加，進(jìn)料的干物質(zhì)含量普遍較高，20%的干物質(zhì)進(jìn)料量是很平常的數(shù)值，每日的進(jìn)料量少，有效發(fā)酵容積小，一次性投資低；反觀中國沼氣工程，大部分都采用純的糞污作為原料，導(dǎo)致進(jìn)料的干物質(zhì)含量普遍偏低，也為后續(xù)的厭氧發(fā)酵容積、停留時間等帶來隱患。

3 沼氣工藝參數(shù)比較

德國90%的沼氣工程采用濕式發(fā)酵，該文中的4座沼氣工程皆采用濕式發(fā)酵，其中2#、3#采用二級發(fā)酵方式；1#、4#為單級發(fā)酵。

4#工程中使用4個厭氧發(fā)酵罐，單體直徑20m，高度20m~22m，高徑比約1：1，單體容積超過6000，1#、2#、3# 采用德國傳統(tǒng)“矮胖型”結(jié)構(gòu)，高徑比0.3~0.4∶1。

從表2中可以發(fā)現(xiàn)，中德沼氣工程關(guān)于厭氧發(fā)酵的核心參數(shù)有明顯的不同：1）每噸原料產(chǎn)氣量。由于1#，2#，3#原料中摻入大量的青儲玉米、谷物、小麥廢料等有機物，使原料的產(chǎn)氣量大幅提高。2#達(dá)到157Nm/噸，3#達(dá)到了142Nm/噸。由于4#使用的是純牛糞污，原料的沼氣產(chǎn)量僅有17Nm/噸，建議4#摻入合適的有機廢棄物，以提高單位原料產(chǎn)氣量。2）停留時間。1#，2#，3#的累計停留時間分別為46天，110天，54天，4#停留時間為19.7天。1#，2#，3#的原料中含有大量的青儲，青儲作物的降解周期要長于牛糞；4#的停留時間略顯不夠，不到20天，應(yīng)該適當(dāng)延長至22天~25天。3）溫度。在案例中只有2#的第一級發(fā)酵采用高溫發(fā)酵（52.9℃），其余采用中溫發(fā)酵方式（38℃~42℃），4#工程有4個發(fā)酵罐，溫度在38℃~39.5℃。根據(jù)范特霍夫規(guī)則，溫度每上升10℃，反應(yīng)速率提高1倍以上。高溫發(fā)酵的生物反應(yīng)速度更快，但是工藝過程相對更難控制，中德絕大部分的沼氣工程采用中溫發(fā)酵方式（38℃~42℃）。4）有機干物質(zhì)降解率。有機干物質(zhì)的降解率是非常重要的參數(shù)，降解率高，意味著有機物反應(yīng)徹底，當(dāng)然，過度追求降解率，會導(dǎo)致發(fā)酵容積增大，基礎(chǔ)投資增加。德國的沼氣工程有機干物質(zhì)的降解率比較高，普遍在70%以上。例如2#的降解率最高為81%，1#的降解率為76%。而4#的平均降解率為48%，這個數(shù)據(jù)偏低，主要原因與停留時間有關(guān)，當(dāng)然也與發(fā)酵的溫度、攪拌、菌種等因素相關(guān)。5）沼氣產(chǎn)率（容積產(chǎn)氣率）。沼氣產(chǎn)率意味著單位有效發(fā)酵容積每天的產(chǎn)氣量。沼氣產(chǎn)率高，可以節(jié)省一次性投資，進(jìn)而提高收益。德國沼氣工程一般沼氣產(chǎn)率在2.0NmBG/mAV d~3.5NmBG/mAV d。3#的第一級發(fā)酵產(chǎn)氣率最高，達(dá)到3.54 NmBG/mAV d，對比4#的產(chǎn)氣率為0.86 NmBG/mAV d，說明4#厭氧發(fā)酵罐的利用效率不夠充分。沼氣產(chǎn)率與進(jìn)料干物質(zhì)的濃度密切相關(guān)，由于德國的沼氣工程含有大量的青儲作物，沼氣產(chǎn)率明顯相對高一些。6）發(fā)電量。發(fā)電量是一個重要的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。就發(fā)電總量來說，4#優(yōu)勢明顯，年發(fā)電量超過1400萬kW·h，不過按照平均負(fù)荷和年工作小時量來比較，4#低于1#，2#，3#。主要原因在于4#的產(chǎn)氣總量不足，機組達(dá)不到滿負(fù)荷運行狀態(tài)。

表2 中德沼氣工藝參數(shù)比較

從以上分析可以看出，德國與中國的沼氣工程路線存在差別。德國的原料保持高濃度有機物，在養(yǎng)殖規(guī)模不大的情況下，盡可能添加青儲、谷物，追求單位容積的產(chǎn)氣率最大化；延長停留時間，增加有機物降解率；中國沼氣工程的養(yǎng)殖規(guī)模大，糞污總量多，單位體積的有機物濃度低，要想獲得理想的停留時間，必須增加厭氧發(fā)酵的容積，進(jìn)而增加投資。

4 經(jīng)濟(jì)效益分析

判斷沼氣工程運行是否成功最重要的因素是投資回報率，從表3中可以看出，3#投資回報率最高，達(dá)到24.05%，1#投資回報率最低，是負(fù)值，-0.049%，4#投資回報率6.49%。接下來分析沼氣工程運行盈虧的關(guān)鍵因素：1）單位kW投資金額。單位kW的投資金額是重要的分析指標(biāo)。由于中德貨幣匯率存在變化，為了便于分析，該文歐元與人民幣的匯率確定在7.5。表3可以看到，3#的單位kW投資金額最低，為1.88萬元，4#最高，2.70萬元。為了確保良好的投資匯報率，單位kW的投資金額最好控制在2萬元以內(nèi)。2）總收入與各項收入分析。由于中德之間的發(fā)電價格存在明顯差異，單純比較發(fā)電收入意義不大。1#、2#、3#的發(fā)電收入分別占其總收入的86.6%、92.9%、94.7%；糞污處理費用在德國沼氣工程中具有不可忽視的作用，1#、2#、3#的糞污處理費用分別占其總收入的11.2%、5.3%、5.3%。4#的收入分成兩部分，發(fā)電收入和沼渣墊床收入，分別占其總收入的72.7%和27.3%。3）總支出及各項支出分析。德國的沼氣工程由于使用大量的青儲作物，原材料的支出占據(jù)很大比例。1#、2#、3#的原材料支出費用分別占其總支出費用的56.3%、61.2%、52.2%；4#沒有使用青儲作物，牛糞污通過管道運送，成本極低，可以忽略不計。1#到4#的設(shè)備、建筑物折舊維修費用相對穩(wěn)定，基本占總投資金額的10%左右。值得注意的是，德國運行人員數(shù)量很少，運行支出占比不大，一般占總支出的15%~17%。4#工程規(guī)模比較大，運行人員13人，而且生產(chǎn)沼渣墊床消耗的電量大，所以運行支出占總支出比例高，達(dá)到52.5%。

表3 經(jīng)濟(jì)效益分析

通過分析可知，3#運行最成功，主要體現(xiàn)在單位kW的投資低，僅為1.88萬元；按照發(fā)電功率比例核算，3#的年總支出最低，尤其是原材料的支出占比最低。1#運行虧損，主要原因是原材料和運行支出過高，導(dǎo)致年總支出高。4#的沼渣墊床收入非常突出，占總收入的27.3%，導(dǎo)致利潤還算可觀，投資回報率達(dá)到6.49%。4#接下來應(yīng)減少運行支出，同時爭取獲得一部分糞污處理費用，在這種情況下，4#的投資回報率有望達(dá)到10%以上。

5 結(jié)論

從發(fā)酵原料、沼氣工程運行參數(shù)、經(jīng)濟(jì)效益等方面對中德沼氣工程進(jìn)行比較。通過分析得到如下結(jié)論：1）德國沼氣工程普遍使用大量的青儲作物作為發(fā)酵原料，這與德國的政策有關(guān)，事實上，德國的政策在不斷調(diào)整，2017年德國《可再生能源法》（EEG）明確規(guī)定：引入可再生能源發(fā)電招標(biāo)制度，結(jié)束基于固定上網(wǎng)電價的政府定價機制； 取消能源作物和新工廠沼氣升級獎勵。中國沼氣工程一般使用純的糞污，糞污的特點是體積大，TS濃度低，為了保證合適的停留時間，不得不增加厭氧發(fā)酵容積，導(dǎo)致一次性投資金額增加，進(jìn)而影響投資回報率。2）在沼氣工程建設(shè)方面，中國的水平基本與德國持平，而且建設(shè)成本上有優(yōu)勢；在沼氣工藝參數(shù)上，中國沼氣工程需要提高有機物降解率和沼氣產(chǎn)率。4#的有機物降解率約為48%，1#~3#的有機物降解率在70%~80%；4#的沼氣產(chǎn)率為0.86NmBG/mAVd；1#~3#的沼氣產(chǎn)率在2.23NmBG/mAVd~3.54 NmBG/mAVd。只有不斷提高有機物降解率，提高產(chǎn)氣效率，才能不斷減少一次性投資，提高投資回報率。3）在經(jīng)濟(jì)效益方面，3#運營最成功，投資回報率達(dá)到24.05%，運行成功的主要原因為單位kW投資金額低，運行支出及原材料支出低；1#運營虧損，原因在于運行支出及原材料支出比例高，導(dǎo)致年總支出高于年總收入。4#投資回報率為6.49%，沼渣墊床的收入起了非常關(guān)鍵的作用。如果4#在原料濃縮、運行工藝、糞污處理費用、縮減人員成本方面進(jìn)行優(yōu)化改善，相信會有更樂觀的收益。

經(jīng)過20余年的發(fā)展，中國的沼氣工程確實進(jìn)步顯著，4#沼氣工程不僅具有較好的經(jīng)濟(jì)效益，而且處理糞污污染，改善生態(tài)環(huán)境，具有良好的社會和生態(tài)效益。