养殖场沼气发电技术装备及产业化发展现状与评价

崔晋波，高立洪，李 萍，周 蕊，李 平

（重庆市农业科学院，重庆 401329）

随着农业产业结构的不断调整，养猪业以较快的速度向集约化方向发展，为农业增效、农民增收作出了重要贡献，但随之产生了猪场的环境保护、猪粪尿及猪场污水处理的问题，畜禽养殖产生的粪便已成为我国农村地区污染的主要来源。养殖场污水处理的最好方法是采用生物学处理，近年来，在各级政府和企业的协作下，用于处理畜禽粪便的大中型沼气工程纷纷上马。但是，相对于国外发达国家，我国利用沼气的发电工程还很少，沼气发电装备的开发利用也处于起步阶段，未能实现产业化发展。但是，目前国家和企业已经对沼气发电加以重视，并进行了技术装备的研究开发，促进其快速走上产业化发展的道路。

1 行业发展现状

1.1 沼气发电技术现状

沼气发电始于上世纪70年代初期，是一项系统工程，它包括沼气生产、净化与储存、沼气发电及上网等多项单元技术的优化组合。

（1）国外沼气发电技术现状。沼气发电行业在国外发达国家受到了广泛的重视和积极的推广，如美国的能源农场、德国的可再生能源促进法的颁布、日本的阳光工程、荷兰的绿色能源等。德国是目前世界上沼气工程发展最为成功的国家之一，沼气主要用于发电上网。截止至2008年，德国已建成沼气工程3900处，总装机容量达1400 MW。其中装机容量在2 MW的沼气厂有40家，最小装机容量为50kW。美国在沼气发电领域有许多成熟的技术和工程，处于世界领先水平，装机容量已达7.5MW，现有61个填埋场使用内燃机发电。捷克Tedom公司生产的燃气内燃发电机目前已遍布欧洲地区，并将发电、供热于一体，机体内部包含了发动机、发电机、余热回收换热装置及自控系统。

（2）国内沼气发电技术现状。沼气燃烧发电是随着沼气综合利用的不断发展而出现的一项沼气利用技术，是将沼气用于发动机上，并装有综合发电装置，以产生电能和热能，它是一种有效利用沼气的重要方式。目前，用于沼气发电的设备主要有内燃机和汽轮机。在国内，四川省率先开展了沼气发电的研究。1972年，中江县开始用沼气作燃料带动小型汽油发电机发电；而后，德阳县农机所、绵阳地区农机所相继研制成功了沼气发动机发电；此后，先后有一些科研机构在沼气发动机的改装和提高热效率方面进行了研究工作。我国的沼气发动机主要为两类，即双燃料式和全烧式。目前，对“沼气—柴油”双燃料发动机的研究开发工作较多，如中国农机研究院与四川绵阳新华内燃机厂共同研制开发的S195-1型双燃料发动机；上海新中动力机厂研制的20/27G双燃料机等。成都科技大学等单位还对双燃料机的调速、供气系统以及提高热效率等方面进行了研究。潍坊柴油机厂研制出功率为120 kW的6160A-3型全烧式沼气发动机，贵州柴油机厂和四川农业机械研究所共同开发出60kW的6135AD(Q)型全烧沼气发动机发电机组；此外，还有重庆、上海、南通等一些机构进行了这方面的研究、研制工作。

2 沼气发电工程技术模式

根据不同的养殖规模、周围环境容量以及沼气、沼渣、沼液处理及利用方式，形成了各种适宜模式，其中最有代表性的是“能源生态型沼气工程”（热电肥联产或气（电）肥联产，沼液还田利用）和“能源环保型沼气工程”（气（电）肥联产，沼液自然处理或工业化处理）。据不完全统计，已建的沼气工程约有80%属于“能源生态型沼气工程”，20%属于“能源环保型沼气工程”。

2.1 热电肥联产-沼液还田利用模式

由沼气生产系统 （典型工艺：CSTR、ACR、HCPF、USR等）、沼气发电系统和沼渣沼液的储存、输送及施用等部分组成，工艺流程示意如图1所示。其特点是沼气用于发电，同时获得余热和较高浓度的沼液肥。沼气发电机组满负荷运行时，利用发电机组的余热，即使在高寒地区的冬季，也能满足沼气生产系统的中温发酵所需的热能，其它季节，还可以将剩余的热能用于烘干饲料或其它热能利用。沼渣、沼液经过中温厌氧消化后，灭菌效果较好（蛔虫卵死亡率几乎可达100%，大肠杆菌残留量为10-4），还田使用比较安全。

图1 热电肥联产-沼液还田利用模式工艺流程示意图

2.2 气（电）肥联产-沼液自然处理模式

由沼气生产系统（典型工艺：USR、UASB、UBF，以及隧道式推流工艺、或农村户用沼气池的放大等）、沼气发电设备和沼液自然处理系统等组成，工艺流程示意如图2所示。为了减轻后续处理系统的负荷和污水处理成本，要求养殖场必须实施清洁生产，将大部分的鲜粪人工清除（至少清除60%），冲洗污水进入厌氧消化系统，生产沼气并发电。由于产气量不多（年存栏10000头猪场的沼气工程，日产沼气量400m3左右），发电规模小，只需设置1套沼气发电机组，所发的电为养殖场自用。沼液部分还田利用，剩余的沼液采用自然处理方法进行处理，达标后排放。

2.3 气（电）肥联产-沼液工业化处理模式

该模式由污水预处理系统、沼气生产系统（典型工艺：UASB、UBF，以及隧道式推流工艺等）、好氧生物处理系统（SBR等）、污泥处置系统等组成，工艺流程如图3所示。产生的沼气为养殖场自用（发电或民用），沼液全部进入好氧系统进行工业化处理后达标排放。

3 产业发展存在的问题

3.1 现有技术及装备存在的问题

（1）沼气发电技术方面。尽管目前国内外对畜禽养殖粪污处理都首选厌氧消化技术，但是每种处理模式都还存在一些技术问题,比如：“还田利用模式”，不同条件下土地承载力、还田带来的卫生效果与负面影响、最佳还田技术与施用量等都没有专项研究和科学的应用参数；“自然生态处理模式”，处理沼液的氧化塘、人工湿地等处理单元的运行负荷、去除效果以及影响因素等缺乏更多的工程应用数据；“集中工业化处理模式”，电耗和运行费用太高，企业难以承受。

（2）发电机余热利用方面。沼气发电机在发电的同时，产生出大量的热量，烟气温度一般在550℃左右。通过利用热回收技术，将燃气内燃机中的润滑油、中冷器、缸套水和尾气排放中的热量充分回收利用，用于冬季采暖以及生活热水。据有关资料表明，效率较高的沼气发电机，只能把沼气总含能量的40%左右以余热的形式回收，其余的能量以各种形式被损失掉，如果将这部分损失掉的能量加以充分回收利用，将为我国沼气工程发展提供有力的技术保障。

3.2 已建成项目存在的问题

（1）工程设计不专业。非专业的设计没有足够的经验，对每个工程的特点和关键技术把握不准，针对性不强，有些设计是照搬照套，引发工程运行效果达不到建设目标，甚至出现运转障碍。

（2）运行管理不规范。运行管理不规范、不到位。没有建立健全必要的规章制度和操作规程，存在安全隐患；运行管理人员缺乏基本的操作和维护技能等。

（3）发电上网存在障碍。目前国家还没有政策支持小规模沼气发电上网，养殖场自用电多为间断性用电，因此不能满负荷运行，发电效益不能充分显现出来。目前只有1%的沼气工程发电，上网的工程更是廖廖无几。

3.3 技术推广存在的障碍

（1）技术培训与指导不足。缺少有针对性的技术培训和指导。有些技术和装备缺乏因地制宜的推广应用，存在着一定的盲目性。

（2）缺乏政府鼓励措施。政府缺乏相应的鼓励措施。如：环保法规执行力度不够，电价补贴偏低，缺乏融资激励机制等。沼气工程产生的环境和社会效益在目前的政策中没有给与适当的补偿，使得这类项目的资金回收期长。

4 建议

4.1 注重技术创新

目前，畜禽粪便沼气工程项目实用性还不明显，地区差异较大，季节性影响较严重。相关科研院所、工程单位应进行研究创新，达到实用、经济、易维护的目标。对于养殖场来说，沼气工程的建设需要较大费用，在技术上进行创新，才能实现节约成本和提高效率。

4.2 加大政策支持

养殖场沼气发电工程是关系到节能减排、保护环境、可持续发展的大事，应当给予法律的规范和政策鼓励，如：对中小型养殖场沼气发电工程建设予以一次性补助；对大型沼气发电上网工程实行上网电价补贴；支持已有一定规模的沼气工程完善其发电配套工程。使大多数沼气发电工程能盈利运行、发挥出综合效益，吸引更多的投资商和运营商进入这个行业，促进产业发展。

4.3 完善行业标准

在全国范围内对于畜禽沼气发电还未有科学合理的标准，规范性的条文还不是很具体，特别是针对气体参数、设施设备、厌氧池规格等均未有统一标准。只有完善标准才能更好地促进养殖场沼气发电行业的发展。

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