德國是當(dāng)今世界上沼氣工程技術(shù)發(fā)展和實踐應(yīng)用最為成功的國家之一，在推進國內(nèi)能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型升級、保障國家能源安全、增加業(yè)主收入和生態(tài)安全方面發(fā)揮了重要作用。筆者近期實地考察了德國巴特黑斯費爾德的弗勞恩霍夫研究院中試沼氣廠、德累斯頓的智康公司示范沼氣工程、哥廷根市的南下薩克森州能源再生科技公司垃圾沼氣工程、萊比錫的德國生物質(zhì)研究中心中試沼氣廠等4個大型沼氣工程，，對其“混合中溫發(fā)酵、全程自動控制、沼氣熱電聯(lián)產(chǎn)”的技術(shù)模式，以及顯著的經(jīng)濟效益、社會效益、生態(tài)效益，留下了深刻印象。本文就此分析總結(jié)了德國沼氣工程建設(shè)運行、技術(shù)特點與發(fā)展趨勢，從政策、管理和技術(shù)角度對如何發(fā)展河南省的沼氣工程進行了思考，并提出些許建議。
一、德國沼氣工程建設(shè)現(xiàn)狀德國位于歐洲中部，國土面積為35.7萬km2，人口總數(shù)8211萬人。德國的地形復(fù)雜多樣，從連綿起伏的山巒、高原臺地、丘陵、山地、湖泊直至遼闊寬廣的平原，整個地勢南高北低分為北部平原、中部丘陵以及阿爾卑斯高地3個部分。德國處于大西洋和東部大陸性氣候之間的涼爽的西風(fēng)帶，溫差不太大，主要是海洋性氣候，夏季無酷暑，冬季無寒冬，平穩(wěn)溫和是德國氣候的總體特征，冬季平均溫度在1.5℃（低地）和一6℃（山區(qū)）之間。7月份平原地區(qū)平均溫度為18℃，在南方山谷地區(qū)為20℃左右，這種氣候條件非常適宜發(fā)展沼氣。
德國沼氣工程從20世紀(jì)90年代初開始建設(shè)至2011年，經(jīng)歷了不同發(fā)展階段。其主要原因來源于德國政府對可再生能源的政策導(dǎo)向，特別是對沼氣發(fā)電上網(wǎng)和能源作物的開發(fā)利用使其市場經(jīng)濟效益發(fā)生明顯變化，加上其先進的技術(shù)和設(shè)備生產(chǎn)，在全世界位居首位。近年來，特別是在2000年德國可再生能源法開始實施以后，沼氣工程得到了快速發(fā)展。在2000年之前的10年間德國沼氣工程的數(shù)量增加了1050座，而從2000年到2010年的10年間就增加了4750座，到2011年已累計建成沼氣工程7200座，遍布整個德國，分別應(yīng)用于私人農(nóng)莊、畜禽養(yǎng)殖場、垃圾處理，總裝機容量為2700MW，最大規(guī)模沼氣電站裝機容量高達(dá)55MW,而最小沼氣發(fā)電工程裝機容量僅為7kW。沼氣發(fā)電每年在200億度以上，超過我國三峽工程的年發(fā)電量，占德國年平均用電量的4.9%。
目前，可再生能源已占德國整個能源消耗的8.6%，而且發(fā)展勢頭良好，潛力巨大。用于沼氣生產(chǎn)為目的的能源作物種植面積已達(dá)80萬hm2，占德國耕地面積的6.8%。德國計劃到2020年建成12000個沼氣能源工程，發(fā)電裝機總量達(dá)4800MW，使沼氣發(fā)電占全國發(fā)電總量的7.5%；要用全國1700萬hm2農(nóng)業(yè)用地中的420萬hm2（約占農(nóng)業(yè)用地的25%，在不影響國家糧食供應(yīng)安全的情況下），用于能源作物生產(chǎn)，確保沼氣原料的供應(yīng)，到2030年在天然氣管網(wǎng)中至少含10%的沼氣。到2050年，農(nóng)民收入的1/4來自于沼氣工程。
二、德國沼氣工程建設(shè)技術(shù)特點
（一）建池材料質(zhì)地好
德國沼氣工程中的主體結(jié)構(gòu)材料采用鋼罐、搪瓷拼裝罐、鋼筋混凝土制作池體，扁平型的發(fā)酵罐多采用混凝土，瘦高型的多采用鋼罐或搪瓷拼裝罐。柔性材料作反應(yīng)器池頂?shù)募瘹獠牧�，這樣可確保池體使用壽命長，克服混凝土慢滲氣的缺點，工程建造成本和日常維護成本也大大降低。依靠罐體保溫和熱交換，地上部分的池體保溫層基礎(chǔ)為3—5cm厚的聚氨酯或巖棉。發(fā)酵罐罐體內(nèi)部側(cè)面或頂部中央安裝攪拌器，頂部一般為雙層沼氣貯氣膜結(jié)構(gòu)。
（二）發(fā)酵原料多元化
沼氣發(fā)酵原料多樣化，可利用的發(fā)酵原料有能源作物（主要是種植玉米、甜菜、青草等直接作沼氣發(fā)酵原料使用）、畜禽糞便、城市家庭垃圾、城市污水污泥、工業(yè)及食品加工廢渣和廢液等，沼氣工程普遍采用混合原料進行發(fā)酵。玉米青貯作沼氣發(fā)酵原料是德國沼氣產(chǎn)業(yè)迅猛發(fā)展的主要因素。目前，德國年產(chǎn)青貯約4800萬t，其中主要為青貯玉米。從原料產(chǎn)氣率角度來看，一些能源作物如玉米、甜菜等干物質(zhì)的產(chǎn)氣率可高達(dá)600～1000m3/t，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于畜禽糞便的產(chǎn)氣率，而畜禽糞便與這些原料摻在一起進行混合發(fā)酵，可以彌補這些原料氮源不足的問題，從而更有利于沼氣的生產(chǎn)。
（三）發(fā)酵工藝先進
沼氣工程的厭氧消化工藝是根據(jù)處理規(guī)模、發(fā)酵原料的性質(zhì)和濃度以及發(fā)酵溫度等因素選擇的。所建沼氣工程普遍采用多級高濃度CSTR濕式中溫發(fā)酵工藝，就是說一般都設(shè)有二級或三級以上反應(yīng)器，一級比一級原料濃度低，發(fā)酵溫度在38---42℃范圍內(nèi)。德國制定了熱電聯(lián)產(chǎn)激勵政策，鼓勵企業(yè)利用發(fā)電余熱給沼氣工程厭氧消化裝置增溫、保溫，即使在冬季環(huán)境氣溫低至-200C，沼氣工程依然運行良好。中溫裝置產(chǎn)氣率可達(dá)1.2～1.8 m3／(m3.d)，高溫裝置產(chǎn)氣率可達(dá)2.0—3.0m3/ (m3-d)，最高的可達(dá)5～6 m3/(m3.d)，經(jīng)濟效益顯著。
（四）沼氣高值利用
目前，德國的沼氣工程所產(chǎn)生的沼氣主要利用方式為發(fā)電并網(wǎng)，同時多數(shù)將發(fā)電過程中產(chǎn)生的廢熱用于供熱，即熱電聯(lián)產(chǎn)工藝。大型沼氣工程主要利用內(nèi)燃機帶動發(fā)電機進行發(fā)電，所采用的內(nèi)燃機以雙燃料內(nèi)燃機為主。工程平均發(fā)電效率為40%～42%．平均熱能轉(zhuǎn)換率為45%，其中約10%的沼氣發(fā)電量和45%的余熱用于工程自身運行，55%的發(fā)電余熱用于公共建筑或農(nóng)舍供暖、農(nóng)作物干燥、沼渣烘干、農(nóng)產(chǎn)品冷藏庫制冷等。除了發(fā)電，沼氣提純在德國也日益受到重視，和瑞典不同的是，德國的沼氣經(jīng)過提純后直接進入天然氣管網(wǎng)。這樣做的好處是，一方面全德國范圍的天然氣管網(wǎng)就好像一個大的儲氣裝置，可以將生產(chǎn)出的生物質(zhì)能儲存起來，待風(fēng)電和太陽能不足時作為補充能源；另一方面將農(nóng)村地區(qū)生產(chǎn)出的沼氣送到城市或工業(yè)地區(qū)發(fā)電使用，更有利于將熱能在更需要的地方得到利用。
（五）產(chǎn)業(yè)政策優(yōu)惠
德國走的是沼氣能源工廠市場化、產(chǎn)業(yè)化之路。前期工程建設(shè)國家沒有直接資金支持，銀行為企業(yè)或農(nóng)場主提供長期低息貸款，而政府不提供任何建設(shè)補貼，前期建設(shè)資金靠的是20年不變的低息貸款。國家頒布了一系列鼓勵和激勵政策，如企業(yè)稅率20年不變、低息貸款利息20年不變、產(chǎn)品定價20年不變、發(fā)展機制、配套法規(guī)、標(biāo)準(zhǔn)體系等。一系列利好政策確保了沼氣工程的穩(wěn)定受益，提高了農(nóng)場、養(yǎng)殖場等建設(shè)沼氣工程的主動性、積極性，促進了沼氣能源工廠市場化、產(chǎn)業(yè)化、規(guī)模化發(fā)展。德國沼氣工程建設(shè)方很多都是能源企業(yè)，以銷售能源為目的，其形式有沼氣發(fā)電上網(wǎng)或直接銷售經(jīng)沼氣提純后的天然氣。另外，沼氣工程還可通過處理生活垃圾等廢棄物收取處理費用，以獲得更好的企業(yè)利潤。德國從事沼氣行業(yè)的能源工廠人員少、效率高，普遍采用操作規(guī)范、專業(yè)技術(shù)強、機械化作業(yè)的運行管理模式，沼氣工程的持續(xù)運行有了保障。參觀的4處沼氣工程常年的經(jīng)營管理均為1～2人，包括沼氣工廠的日常管理和能源作物的種植管理，降低了常年運行費用。
（六）配套設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)化，工程運行自動化
德國沼氣產(chǎn)業(yè)經(jīng)過長期的實踐和發(fā)展，沼氣工程的進料設(shè)備、攪拌設(shè)備、脫硫設(shè)備、沼氣存儲設(shè)備、熱電聯(lián)產(chǎn)成套設(shè)備等，形成了標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)�；a(chǎn)，性能處于世界沼氣行業(yè)領(lǐng)先地位，沼氣發(fā)電機、固液分離機、專用泵、攪拌機等一批核心配套產(chǎn)品形成了國際品牌，為沼氣工程的正常運行提供了技術(shù)保障。沼氣工程自動化程度較高，從原料收集、分類、進料、高溫消毒、發(fā)酵、產(chǎn)氣、脫硫提純、發(fā)電上網(wǎng)、出料、沼渣沼液貯存、運輸?shù)热^程均實現(xiàn)機械化和自動化。
（七）“三沼”利用突出
德國沼氣工程均安裝燃燒火炬，沼氣用于熱電聯(lián)產(chǎn)，未利用的多余沼氣統(tǒng)統(tǒng)燃燒。目的是防止未經(jīng)凈化或未燃燒的沼氣排空造成二次污染，避免產(chǎn)生爆炸、火災(zāi)隱患、溫室氣體排放以及異味污染。德國沼氣工程都建有沼液、沼渣儲存池，沼液、沼渣儲存池均加蓋。儲存池加蓋防止沼液、沼渣中的氮素通過好氧分解而流失掉，阻止由于長期堆放產(chǎn)生的異味逸出，還能改善衛(wèi)生環(huán)境。儲存池的沼液、沼渣經(jīng)過3--6個月的存放后作為農(nóng)作物肥料利用。根據(jù)發(fā)酵原料的種類不同，沼液、沼渣還要進行消毒殺菌，沼液、沼渣中含有的各種重金屬含量也不能超出法律規(guī)定的界限。在沼肥的使用上，德國也有一系列的標(biāo)準(zhǔn)和政策，為沼肥的使用提供了保障。
三、對河南省沼氣工程的幾點建議
（一）加大對沼氣工程建設(shè)項目投資的力度
河南是全國第一養(yǎng)殖大省，規(guī)�；B(yǎng)殖在畜牧業(yè)的比重越來越大。目前，河南省建有污水、糞便處理設(shè)施的規(guī)�；B(yǎng)殖場僅占36.45%，多數(shù)規(guī)�；B(yǎng)殖場糞便隨意堆放，污水無組織排放，成為農(nóng)村最大的污染源。目前，各地要求建設(shè)大型沼氣工程的積極性日趨高漲，建議有關(guān)部門加大對大中型沼氣工程建設(shè)項目的投資力度，提高標(biāo)準(zhǔn)、強化質(zhì)量，確保建設(shè)一個、成功一個、使用一個，推進全省大中型沼氣工程建設(shè)又好又快發(fā)展。
（二）加強沼氣工程管理
河南省大中型沼氣工程的發(fā)展雖然起步晚但發(fā)展勢頭很猛，已有一大批沼氣工程正在發(fā)揮著明顯的經(jīng)濟效益、社會效益和環(huán)保效益。但目前由于沒有以法律條文正式出臺工程管理方面的規(guī)定和辦法，監(jiān)管缺乏執(zhí)法依據(jù)，對沼氣工程的建設(shè)、安裝、使用等難以實施有效的監(jiān)督，工程建設(shè)質(zhì)量得不到充分保障。建議盡快出臺沼氣工程管理辦法。
（三）廣泛開展合作，積極引進先進技術(shù)和資金
大力開展走出去戰(zhàn)略，拓寬合作領(lǐng)域，選擇引進德國沼氣生物凈化與提純、沼氣發(fā)電及其余熱利用、遠(yuǎn)程在線監(jiān)測與自動化控制系統(tǒng)等先進的技術(shù)和關(guān)鍵設(shè)備，消化、吸收先進的沼氣工程技術(shù)、建設(shè)、運營及管理經(jīng)驗，創(chuàng)造條件吸引國際機構(gòu)、社會團體、企業(yè)家和個人投資建設(shè)沼氣工程。
（四）細(xì)化完善各種激勵政策
當(dāng)前由于沼氣工程或沼氣發(fā)電工程尚不能獲得相應(yīng)的經(jīng)濟效益，故需要政府扶持，減少項目實施企業(yè)的投資風(fēng)險和不確定性，特別是中、小規(guī)模養(yǎng)殖場的沼氣工程建設(shè)。政策扶持主要包括工程建設(shè)補貼或貼息貸款、沼氣用氣補貼、用肥補貼；以及沼氣發(fā)電并網(wǎng)和掛網(wǎng)方面的優(yōu)惠，提高經(jīng)濟效益，確保可持續(xù)運營。
（五）積極推進秸稈青貯沼氣工程建設(shè)力度
所考察的4個沼氣工程能源公司，有3個都是以玉米青貯為主要發(fā)酵原料的沼氣工程。河南省作為農(nóng)業(yè)大省、產(chǎn)糧大省，農(nóng)作物秸稈資源量大、分布面廣，開發(fā)潛力巨大，應(yīng)加大以秸稈為主要料源的沼氣工程建設(shè)，混合人畜糞便和城鄉(xiāng)廚余垃圾及其他有機廢棄物作為料源發(fā)展沼氣，工作重點是秸稈前處理技術(shù)、新型秸稈厭氧發(fā)酵工藝、秸稈厭氧發(fā)酵示范工程等。
（六）推進沼氣工程產(chǎn)業(yè)化
沼氣工程要取得又好又快的發(fā)展，必須走產(chǎn)業(yè)化之路，產(chǎn)業(yè)化提供成熟的技術(shù)和產(chǎn)品，才能促進沼氣建設(shè)上擋次、上水平、上規(guī)模。建議省相關(guān)部門加大科技投入，重視科研成果的轉(zhuǎn)化，在投資、價格和稅收等方面要有計劃、有步驟地支持一批沼氣工程骨干企業(yè)的發(fā)展，鼓勵企業(yè)打破部門、地區(qū)界限，實行橫向聯(lián)合，加快國產(chǎn)化步伐，盡快推出標(biāo)淮化、系列化的產(chǎn)品，把沼氣工程技術(shù)上基本成熟的產(chǎn)品盡快定型，組織專業(yè)化生產(chǎn)，提高沼氣產(chǎn)業(yè)化水平。并通過實施CDM機制對沼氣工程予以補貼，為沼氣工程建設(shè)爭取更多的優(yōu)惠和經(jīng)濟效益。
