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在化石能源日漸匱乏的今天,能源緊張已成為 全球重大問題。為緩解能源壓力,世界各國積極將 能源發(fā)展轉(zhuǎn)至可再生資源領(lǐng)域。沼氣作為安全穩(wěn)定的可再生能源在全球得到了快速發(fā)展。雖然沼氣工程在中國受到了極大的重視,取得了迅速的發(fā)展,但也存在著沼氣產(chǎn)品補貼力度不夠、沼氣配套技術(shù)、沼氣行業(yè)產(chǎn)業(yè)化和規(guī)范化程度低等問題。德國是當(dāng)今沼氣工程技術(shù)發(fā)展和實踐應(yīng)用最成功的國家
之一,在政策法規(guī)、發(fā)酵工藝、技術(shù)設(shè)備、管理體系上積累了豐富的經(jīng)驗4。與德國相比,我國沼氣工程在發(fā)展政策、發(fā)酵工藝、技術(shù)創(chuàng)新、管理模式、沼渣沼液利用等方面均存在明顯的差異,劉偉偉、顏麗、鄧良偉等人根據(jù)我國沼氣工程現(xiàn)狀提出了提高沼氣產(chǎn)品政策補貼、引進(jìn)先進(jìn)工藝技術(shù)、加強技術(shù)創(chuàng)新等建議 5-7)。在這些研究中,大多學(xué)者僅從政策、發(fā)展現(xiàn)狀、發(fā)展技術(shù)等某一方面對兩國進(jìn)行對比分析,并且
德國在2017年修訂了《可再生能源法》之后,對整 個沼氣產(chǎn)業(yè)產(chǎn)生了巨大的影響。因此,本文在前人 分析的基礎(chǔ)上,結(jié)合德國沼氣工程最新的政策及發(fā) 展現(xiàn)狀對中德沼氣工程在政策、沼氣發(fā)展現(xiàn)狀、沼氣 發(fā)酵原料、發(fā)酵工藝及技術(shù)設(shè)備、管理服務(wù)體系等方 面進(jìn)行了詳細(xì)對比分析并提出相應(yīng)的建議,以期為 我國沼氣工程更好地發(fā)展提供一定的借鑒。
1中德沼氣工程政策法律框架比較
1.1德國政策法律框架
德國沼氣工程發(fā)展建立在德國《可再生能源 法》(EEC)基礎(chǔ)之上,該法案從2000年至2017年共進(jìn)行了五次修訂(詳見表1)。法案在2000年頒布之初就規(guī)定了可再生能源發(fā)電上網(wǎng)的電價補貼機制——電網(wǎng)必須優(yōu)先考慮可再生能源電力,并且從表1可以看出,《可再生能源法》(EEG)囊括了整個
沼氣工程產(chǎn)業(yè),也推動了德國可再生能源的蓬勃發(fā)展,其頒布和修訂對德國沼氣產(chǎn)業(yè)發(fā)電數(shù)量、總裝機容量、能源作物種植面積及種植量、政策補貼、市場化程度等方面均產(chǎn)生了重大影響”。在2017年最新的一次修訂中,EEG-2017引入了可再生能源招標(biāo)制度,取消了能源作物獎勵,進(jìn)一步加速了可再生能源市場化進(jìn)程,促進(jìn)了德國可再生能源在技術(shù)上的提升0
根據(jù)EEG修訂情況(見表1)可以看出,德國沼氣工程政策具有靈活的變動性,會根據(jù)沼氣工程在發(fā)展過程中存在的實際問題進(jìn)行整改、修訂。同時,法案的修訂逐步削弱了政府在可再生能源發(fā)展過程中的主導(dǎo)作用,將可再生能源逐步推向市場,推動了可再生能源產(chǎn)品的市場化進(jìn)程,也使德國沼氣工程盈利方式由依賴政府對能源作物補貼、上網(wǎng)發(fā)電補貼向通過技術(shù)提升轉(zhuǎn)變。
1.2中國政策法律框架
我國沼氣工程發(fā)展起步于20世紀(jì)20年代末, 在國家的大力支持下,沼氣行業(yè)得到了迅速的發(fā)展。從表2和表3可以看出,我國沼氣產(chǎn)業(yè)政策形式多樣,國家通過法律、各部委發(fā)展規(guī)劃、產(chǎn)業(yè)政策指導(dǎo)、財稅政策、規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)等形式來鼓勵沼氣工程的發(fā)展,這些政策囊括了沼氣工程建設(shè)、原料利用、技術(shù)
開發(fā)、補貼費用等各方面。 與德國相比,雖然我國沼氣工程在政策上得到 了國家的大力支持,國家、各省市通過財政補貼來支 持沼氣工程的發(fā)展建設(shè),但政策形式較為分散,尚未 形成系統(tǒng)化的支持政策。雖然對沼氣發(fā)電上網(wǎng)和沼 氣工程建設(shè)有明確的補貼政策,但從沼氣產(chǎn)業(yè)鏈來看,國家欠缺對原料收運、沼氣發(fā)電、拓展沼氣應(yīng)用
領(lǐng)域及技術(shù)創(chuàng)新等相應(yīng)的政策補貼。國家對沼氣的發(fā)展具有明確的規(guī)劃,但是我國對沼氣工程存在的 主要問題缺少探究,在政策上缺乏靈活變動。近幾
年,雖然也開始將我國沼氣工程逐步引入市場,但是由于技術(shù)、設(shè)備和市場欠成熟,使得現(xiàn)今的沼氣產(chǎn)品市場化程度低。
2中德沼氣工程利用現(xiàn)狀
2.1德國沼氣工程利用現(xiàn)狀 德國沼氣工廠主要分布于德國西北部和南部的 巴伐利亞州、下薩克森州和巴登符騰堡州的聯(lián)邦州,是目前歐洲乃至世界沼氣工程技術(shù)最發(fā)達(dá)的國
家。從圖1可知,德國沼氣工程在過去的20年 中得到了快速發(fā)展,其中沼氣工程的數(shù)量從1990年 的850處增長到2016年的9004處,增長了10倍以 上,約占?xì)W洲的62%m;總裝機容量也從199年的 55MW增至2016年的4018MW。
德國沼氣工程產(chǎn)業(yè)普遍采用“沼氣發(fā)電、余熱生溫、中高溫發(fā)酵、氣囊儲氣、自動控制、沼渣沼液施肥”的模式。沼氣產(chǎn)品主要用于發(fā)電和熱電聯(lián)產(chǎn)發(fā)電,并開始拓展沼氣應(yīng)用領(lǐng)域,將沼氣提純后并入天然氣管網(wǎng)或作為汽車燃料12-2,制定了到2020年提純沼氣占到天然氣總用量20%的目標(biāo)2。根據(jù)德國相關(guān)統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示,2016年德國沼氣熱電聯(lián)產(chǎn)廠(包括生物甲烷熱電聯(lián)產(chǎn))共計10344個,電廠裝機容量為4538MW,沼氣發(fā)電量為33689GWh(占可再生能源總發(fā)電量近8%),其中沼氣總發(fā)電量的92%被污水處理廠消耗,其余8%輸入至公共電網(wǎng)9.23.-24
然而EEG-2017修訂后,德國將沼氣工程擴展量限制在150MV以內(nèi)(2017~2019年),預(yù)計到2025年新的沼氣廠的規(guī)模的擴大將受到限制。盡管如此,德國沼氣工程總量預(yù)計到2020年將達(dá)12000個,裝機總量將達(dá)4800MW,沼氣發(fā)電量將占全國發(fā)電總量的7.5%。到2035年德國沼氣工程的裝機容量將達(dá)到1.5GW,并且到2050年農(nóng)民收入將有1/4來自于沼氣工程2
對于德國沼氣發(fā)酵殘留物,由于其性質(zhì)不穩(wěn)定,德國政府規(guī)定,必須經(jīng)過180天(含發(fā)酵時間)保存后才能農(nóng)用,故殘留物一般需要在發(fā)酵罐經(jīng)過3~6個月存貯,然后作為有機肥噴施至周圍農(nóng)田進(jìn)行綜合利用,并且不存在二次污染的問題321。
2.2中國沼氣工程利用現(xiàn)狀
根據(jù)我國農(nóng)村可再生能源統(tǒng)計(見表4)可以看
出我國沼氣工程主要用于處理農(nóng)業(yè)廢棄物和凈化生 活污水,較少用于處理工業(yè)廢棄物。表5顯示出我 國從2000年-2016年農(nóng)村戶用沼氣池的數(shù)量上增 長了約5.5倍,并且存在新增量、報廢量、戶用沼氣 利用量和總產(chǎn)氣量均較大,年戶均產(chǎn)氣量較低的特 點。截至2015年底,中小型沼氣工程有103898處, 大型沼氣工程6737處,特大型沼氣工程34處,以秸 稈為主要原料的沼氣工程有458處,以畜禽糞污為主要原料的沼氣工程110170。至2012年底,我國沼氣工程裝機容量達(dá)165731KW,年發(fā)電量達(dá)43280.02萬KW·h
通過《可再生能源中長期發(fā)展規(guī)劃》可知,至2020年,我國沼氣年利用量將達(dá)44億m3,而且據(jù)2016年國家發(fā)布的《生物質(zhì)能發(fā)展“十三五”規(guī)劃》,預(yù)計到2020年生物質(zhì)發(fā)電總裝機容量達(dá)1500萬KW,其中沼氣發(fā)電量占50萬KW,沼氣發(fā)電利用將得到迅速發(fā)展。
在我國,大中型沼氣工程的沼渣通常進(jìn)行堆肥化處理、直接銷售或與其他化肥混合作為復(fù)合肥出售,沼液則主要提供給當(dāng)?shù)剞r(nóng)民作為肥料和灌溉用
水,但由于沼渣沼液肥效欠佳且使用不便,沒能得到 農(nóng)戶的普遍認(rèn)同和施用2-281。戶用沼氣池產(chǎn)生的 沼渣常作為優(yōu)質(zhì)的基肥,沼液則主要用于灌溉進(jìn)行 利用。
從德國沼氣工程利用現(xiàn)狀可以看出,德國的沼氣工程發(fā)展模式非常成熟。我國沼氣工程則主要為分散的戶用沼氣池,對大中型沼氣建設(shè)和應(yīng)用起步則相對較晚,還存在沼氣產(chǎn)品綜合利用率低、報廢量大、沼氣發(fā)電及利用率低值化、農(nóng)戶對沼渣沼液的施用接受度較低等問題,可見我國沼氣工程在沼氣利上還有很大的提升空間。
3中德沼氣工程技術(shù)比較
3.1沼氣發(fā)酵原料
3.1.1德國沼氣發(fā)酵原料 在德國,沼氣工程發(fā)酵原料主要為畜禽糞便、能 源作物,約占所有發(fā)酵原料的92%。青貯玉米作為 能源作物約占發(fā)酵原料總量的70%,青貯谷物等青 貯植物約占8%。生物廢棄物、工業(yè)有機廢棄 物、工農(nóng)業(yè)殘余物作為原料在沼氣工程中使用率不 高,不足3%,其中城市生物廢棄物和工業(yè)、農(nóng)業(yè)、商
業(yè)廢棄物主要用于裝機容量(>500KW)的沼氣工廠。根據(jù)沼氣工廠實際情況,大多沼氣工廠都采用混合原料進(jìn)行發(fā)酵,這有利于發(fā)酵系統(tǒng)的穩(wěn)定運行,有效提升了發(fā)酵效率。
3.1.2中國沼氣發(fā)酵原料
我國沼氣原料十分豐富,主要為畜禽糞便和農(nóng)作物秸稈,其產(chǎn)生量分別為7億噸和30億噸,而相比之下,以畜禽糞便作為發(fā)酵原料使用更為廣泛 [29,30,31 隨著技術(shù)的發(fā)展、市場需求的轉(zhuǎn)變,沼氣工業(yè)化進(jìn)程不斷加快,沼氣發(fā)酵原料也趨于多樣 化,工業(yè)有機廢水、市政污泥和生活垃圾等不同種類的廢棄物也開始用作沼氣發(fā)酵原料。
3.2發(fā)酵工藝及技術(shù)發(fā)展
3.2.1德國發(fā)酵工藝及技術(shù)發(fā)展
在德國,濕式發(fā)酵工藝占德國整個沼氣工廠的0%,固體發(fā)酵工藝約占10%。。最常采用的濕式發(fā)酵技術(shù)是中溫(38℃-43℃)發(fā)酵,通過全混合產(chǎn) 儲氣一體式反應(yīng)器(CSTR)實現(xiàn),料液濃度根據(jù)工程原料不同可分為低濃度(TS≥6%-12%)和高濃度 (TS≥30%,農(nóng)作物秸稈原料),滯留期一般為30
天
從技術(shù)發(fā)展來看,德國沼氣工程熱電聯(lián)產(chǎn)技術(shù)可提升沼氣工程綜合效益、提升能源品味和能源轉(zhuǎn)換率、提高沼氣工程產(chǎn)量和維持設(shè)備運行的穩(wěn)定性,因此德國沼氣工程98%均采取熱電聯(lián)產(chǎn)方式利用沼氣,并且德國沼氣工程使用的內(nèi)燃機發(fā)電技術(shù)世界領(lǐng)先,裝機容量在200KW以下使用雙燃料機組,發(fā)電效率為3%-37%,裝機容量在200KW以上使用點燃式沼氣發(fā)動機,發(fā)電效率約為34% 37%,現(xiàn)今也有少量沼氣工程開始使用有機朗肯循 環(huán)技術(shù)將余熱用于發(fā)電21。同時,德國沼氣工程自 動化監(jiān)控技術(shù)也非常成熟,主要采用分布式控制系 統(tǒng)(DCS)、現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)(FCS)等工業(yè)化控制 系統(tǒng),有了這些控制系統(tǒng)后,僅在物料進(jìn)出時需要人 工干涉,其余環(huán)節(jié)均能實現(xiàn)自動化運行3。
3.2.2中國發(fā)酵工藝及技術(shù)發(fā)展 與德國不同的是,我國沼氣工程對常規(guī)、高效的 厭氧發(fā)酵工藝都有所應(yīng)用。從發(fā)酵技術(shù)上來看,秸
稈高效厭氧發(fā)酵固態(tài)化學(xué)預(yù)處理技術(shù)、秸稈及畜禽 糞便干發(fā)酵技術(shù)、有機廢棄物一體化兩相發(fā)酵技術(shù)尚處于示范階段,糞便厭氧發(fā)酵除沙技術(shù)、沼氣發(fā)酵功能微生物強化技術(shù)均在實際的沼氣工程中得到了推廣應(yīng)用。表6顯示了我國典型的沼氣工程案例,可見我國沼氣工程的發(fā)酵工藝選擇主要根據(jù)發(fā)酵原料,不同的技術(shù)指標(biāo),實現(xiàn)對不同原料的資源化利用。在沼氣工程自動化控制程度上,由于研發(fā)人 員比較重視厭氧消化工藝本身的研究開發(fā),忽視了 配套設(shè)備的研制與引入,因此自動化程度較低2。 從我國近幾年沼氣熱電聯(lián)產(chǎn)相關(guān)報道可知,我 國沼氣發(fā)電機熱電聯(lián)產(chǎn)效率在20%-30%3。 國家現(xiàn)階段也開始大力發(fā)展沼氣熱電聯(lián)產(chǎn),其中國 家能源局出臺了“關(guān)于開展‘百個城鎮(zhèn)’生物質(zhì)熱電 聯(lián)產(chǎn)縣域清潔供熱示范項目建設(shè)的通知”,為探索 生物質(zhì)發(fā)電全面轉(zhuǎn)向熱電聯(lián)產(chǎn)、完善生物質(zhì)熱電聯(lián)產(chǎn)政策措施提供依據(jù)。
由上述分析可知,中德沼氣工程在發(fā)酵原料和工藝上差異不大。但從技術(shù)和設(shè)備上與德國相比,我國沼氣工程的熱電聯(lián)產(chǎn)效率、自動化程度及技術(shù)設(shè)備水平均較低,這阻礙了我國沼氣產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展。4中德沼氣工程管理模式
德國沼氣工程經(jīng)營管理引入了現(xiàn)代化的農(nóng)場經(jīng)
營模式,具有人員少、效率高、操作規(guī)范、專業(yè)技術(shù) 強、機械化程度高、運行費用低等特點。在服務(wù)體系上,德國擁有專門的沼氣產(chǎn)業(yè)協(xié)會和技術(shù)服務(wù)性企業(yè),利用健全的沼氣社會化專業(yè)技術(shù)服務(wù)體系來推動沼氣產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展。
我國農(nóng)村沼氣工程的經(jīng)營管理主體主要有政府、民間社會公益性或經(jīng)濟性團體、經(jīng)濟組織或其混
合主體,對于農(nóng)村大中型沼氣工程則常通過系統(tǒng)集 中化管理實現(xiàn)對資金、技術(shù)的保障”。
5德國沼氣工程對推進(jìn)我國沼氣產(chǎn)業(yè)發(fā)展的啟示
建議
過對德國與我國沼氣工程在政策法規(guī)、發(fā)醇 和技術(shù)設(shè)備、沼渣沼液綜合利用以及管理服務(wù)體系的對比分析,結(jié)合我國沼氣工程發(fā)展現(xiàn)狀,筆者對我國沼氣工程今后的發(fā)展提出了以下建議:
(1)完善沼氣產(chǎn)業(yè)鏈上的政策措施,特別是在沼氣發(fā)展的初期,政府需加大補貼力度;同時,政策需要隨著沼氣產(chǎn)業(yè)的發(fā)展靈活調(diào)整,讓大中小沼氣工程運營業(yè)主有利可圖,讓使用沼氣終端產(chǎn)品的用戶看到使用沼氣的便捷性、環(huán)保性,在沼氣產(chǎn)業(yè)初具規(guī)模后,再通過政策引導(dǎo),不斷提升沼氣行業(yè)的市場化程度。
(2)引進(jìn)適用于我國沼氣工程發(fā)展的技術(shù),學(xué)習(xí)德國通過多學(xué)科交叉研發(fā)創(chuàng)新技術(shù)和拓展沼氣產(chǎn)品的應(yīng)用領(lǐng)域,實現(xiàn)沼氣工程的自動化、機械化、產(chǎn)業(yè)化,提升我國沼氣行業(yè)的核心競爭力。
(3)我國政府需要重視沼氣工程的配套管理模式和后期服務(wù)體系的建設(shè),同非政府團體相互協(xié)作,引進(jìn)更多具有沼氣工程管理經(jīng)驗的人員,將沼氣建設(shè)和有效的管理服務(wù)體系運作起來,保障沼氣工程長效發(fā)展。
(4)加強我國沼氣工程在建設(shè)、運營后期管理 維護(hù)等環(huán)節(jié)的調(diào)研,針對具體的問題提出具體的對策和解決方案
摘自《中國沼氣》第4期 徐慧 韓智勇 吳進(jìn) 施國中
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