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国外沼气工程应用技术以及我国沼气工程出现的存在的问题与展望

来源: http://www.huiguo.net.cn/    发表日期:2015-09-07    浏览:4655

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近年来,能源短缺和环境恶化已成为危及人类生存与发展的全球化问题,以煤炭、石油等不可再生能源为主导的能源利用模式不符合可持续发展的要求,并导致了严重的环境污染。由于工业生产、机动车尾气排放和冬季燃煤等因素的影响,2013年我国遭遇史上最严重的雾霾天气,严重危害人体健康。改善能源结构,开发可再生的清洁能源成为我国当前的首要任务。

沼气是由有机废物、废水经过厌氧发酵后产生的,其主要成分为甲烷,与天然气性质相似,属于清洁、可再生资源。大力发展沼气事业可实现资源循环利用,改善能源结构,有效减少环境污染。中国属于农业大国,农业废弃物年产量高达40多亿t,其中畜禽粪便排放量26.1亿t,农作物秸秆7.0亿t,具备得天独厚的沼气发展条件。我国生产和应用沼气已有近一个世纪的历史,以往的生产模式大多以户用沼气池为主,沼气用于做饭和照明,在国家替代能源中发挥的作用不大。近20年来,随着社会主义新农村建设步伐的加快,农村沼气逐渐转型,大中型沼气工程因能量利用率、产品多样性比户用沼气池更具竞争力的特点而得到大力推广,我国沼气脱离“自产自销”型的低值利用,向规模化和产业化方向发展。

我国大中型沼气工程发展迅速,沼气产量已十分可观,但多数沼气用于企业内部供热发电,沼气的深加工水平较差,在有效、合理利用方面与发达国家仍存在较大差距。本文在调研和文献检索基础上,总结了我国沼气应用中存在的问题,对发达国家的沼气应用技术、管理体系及政策进行了分析,为我国沼气应用的发展提供借鉴。

1 我国沼气应用现状

沼气的应用领域十分广泛,与天然气的应用方式相似,可用于产热、发电、车用燃料、化学品制造等,其应用推广与国家政策、应用技术和管理模式等密切相关。

我国内蒙古地区的大中型沼气工程建设始于2003年,在政府的大力支持下发展迅速,2013年该地区已得到政府批复投资补助的大中型沼气工程81座,已建成40余座。但由于建设初期为了节省投资而忽略了工程质量的重要性,多数沼气工程完全或部分失效,难以修复和重建。

该地区的多数沼气工程采用“养殖企业”管理模式,由畜牧养殖企业投资并负责沼气工程的建设和运行管理,工程主要出发点是养殖场的污染治理。由于缺乏统一的技术指导和完善的运行与管理体系,工人缺乏售后服务及系统综合指导与培训,导致沼气产量不稳定且质量较差。沼气应用以热电联产为主,但由于该地区沼气工程多建在远离城镇的农村,发电上网受到距离、规模及市场价格的影响,多数沼气工程所产电量仅供内部使用,几乎不会上传至国家电网。因此,该地区的沼气并未在地区性能源结构中发挥应有的作用。

内蒙古地区沼气工程应用情况并不是个案,一定程度上反映了我国政府积极推动沼气发展的政策和管理水平,以及目前我国沼气应用技术存在的问题。

1.1 利用生物质资源生产的燃气和热力等有望入网——政策现状

政府出台系列政策推动沼气应用。“十二五” 期间,我国探索对沼气工程发电上网、热能回收、沼肥利用等开展补贴;在投资结构方面,以集中供气为重点,完善运行机制。近年来,政府出台了鼓励沼气并入燃气管网的法律措施,2005年2月第十届全国人民代表大会常务委员会第十四次会议通过的《中华人民共和国可再生能源法》第十六条规定:利用生物质资源生产的燃气和热力,符合城市燃气管网、热力管网技术标准的,经营燃气管网、热力管网的企业应当接收其入网。

1.2 由"村委会"和"企业"型转向托管运营模式——管理现状

我国沼气工程传统管理模式主要为“村委会” 和“企业”型,前者的管理主体为村委会,主要依靠国家财政支持,资金利用率差,同时缺乏具有专业知识的管理人员和完善的管理制度;后者的管理主体和投资主体为企业,管理水平较高,制度也较完善,但受沼气发电上网难的影响,产品收入保障低。近年来,在现有运行管理模式的基础上开始向市场化运行管理方向探索,并提出大中型沼气工程托管运营模式,由托管运营公司为沼气站提供运营管护服务,确保沼气站长期稳定运行和效益最大化。

1.3 沼气应用技术开始向多样化方向发展——技术现状

我国大中型沼气工程多采用热电联产技术, 已建成多座规模超过1MW的沼气发电厂,并研制出不同型号的沼气发动机,但工作过程方面的基础研究相对滞后。我国在车用沼气方面的研究才刚刚起步,完善的基础设施网络、成熟的产销市场、配套的激励政策尚未形成,但在汽车市场迅速发展及燃油价格不断飙升双重因素的促进下,以提纯沼气替代燃油和天然气作为车用燃料将会有十分广阔的发展前景。2006年我国首次提出了 “产业沼气”概念,2010年国内首例沼气并入燃气管网工程在郑州施行,近年来相关科研院所开展了沼气与天然气的互换性问题研究,然而由于我国沼气净化处理技术起步较晚,该项技术目前仍处于发展阶段。沼气用作燃料电池的技术也开始在我国应用,在日本通产省新能源产业技术综合开发机构的技术支持下,已建成200kW的沼气燃料电池装置项目,然而我国燃料电池技术在装机容量、应用范围、核心技术等领域与西方国家还存在较大差距,如何降低投资成本、提高系统经济性、改善制造工艺及性能、加强基础设施建设、积极扩展市场都是亟待解决的问题。

2 国外先进沼气应用经验

欧洲发达国家的沼气应用发展早、规模大,已形成较为完善的产业化体系,在沼气应用技术、相关政策和管理体系等方面走在世界前列。各国沼气应用方式不同,但其核心技术、政策及管理体系均各有特色,以下按沼气主要应用方式对具有代表性的发达国家的沼气应用进行详述。

2.1 德国的热电联产

沼气用于热电联产(CHP)可提高沼气工程的综合效益,生产的电能提高了能源品味和能源转换率,并且便于输送;热能可有效解决沼气发生器的增温、保温及系统其他热能耗,提高沼气工程产量和运行稳定性。沼气CHP应用发展领先的国家是德国,沼气厂生产的沼气98%是通过CHP来利用。截止到2013年,德国沼气发电量约20.5亿kWh,相当于总发电量的3.4%。德国沼气发电领域取得的成就一方面源于先进的技术设备和管理体系,另一方面源于国家政策的大力支持。

2.1.1 技术与标准

沼气用于热电联产首先需进行预处理,避免沼气中杂质气体对发动机产生不良影响。德国在质检控制体系方面拥有一套完整的质量控制法规和标准,标准要求沼气生产厂提供沼气预处理的数据清单。

德国的沼气基本用于发电,所产电量可输送至公共电网。200kW以下的机组主要为双燃料机组,附加8%〜15%的柴油机燃料用于点火,发电效率可达33%〜37%,适于甲烷含量低时使用;200 kW以上机组多选用点燃式沼气发动机,发电效率为34%〜37%,无需辅助燃料。德国热电联产平均发电效率为45%,其中约10%的发电量和45%的余热用于沼气发生器的保温、增温,扣除沼气工程自身热能需求,还可有54%的发电余热被外部有效利用,目前德国有为数不 多的沼气工程采用有机朗肯循环技术(0RC)将余热继续用于发电。另外,德国十分重视沼气相关技术的研究开发,充分考虑沼气应用涉及到的居民供暖、用电需求,沼气工程数据分析、系统研究和交叉学科成果共享,建立了完善的研发体系。

2.1.2 管理模式

德国沼气工程走的是市场化、产业化之路。 前期工程建设依靠20年不变的银行低息贷款,沼气应用与产品销售依赖于政策保障下的沼气市场发展机制。德国具备健全的沼气社会化专业技术服务体系,相关企业近百家,为沼气产业化发展奠定了基础。德国将农场的经营模式引入沼气工厂,形成了人员少、效率高、操作规范、专业技术强、机械化作业的运行管理模式,使得沼气工程管理有保障且运行费用低。

2.1.3 政策

沼气在德国的应用受到德国联邦政府的促进政策及各州扶持政策的大力支持。政策基本可分为3个方面:1)基本补助政策,依据原料、规模和使用技术对沼气工程给予相应额度的补助,其电价补贴高达21.5欧分/kWh,对装机低于70kW的沼气工程可获得15000欧元的补助金及低息贷款;2)可再生能源作物补助;3)热电联产优惠政策,采用固定电价制,提供长期电价优惠,建立全国共同分担机制,沼气热电联产电量可被附近电力运营商义务有偿接纳,由此产生的收购成本由全国所有的电网运营商共同分担,最终转嫁给电力消费者。

2.2 瑞典的车用燃料

沼气经净化提纯后可替代燃油和天然气作车用燃料。瑞典是使用沼气作车用燃料最先进的国家,沼气被广泛用于大、中、小型汽车,甚至火车的驱动。1995年瑞典首都斯德哥尔摩出现了第一辆沼气汽车,2005年6月世界上第一辆沼气火车在瑞典东海岸的Linkoping和Vastenvik之间成功运行。

瑞典先进的沼气纯化技术、车辆燃气技术,以及完善的加气设备、商业供应有效推动了沼气车用燃料的发展。瑞典应汽车制造商的要求颁布了沼气作为车用燃料的国家标准,要求甲烷含量不低于97%,水含量不超过32mg/m3,总硫含量不超过2mg/m3。沼气汽车可由常规燃料汽车 改装而来,将沼气加压至200〜250bar储存到汽 车后备箱内的沼气罐中,发动机通常为双燃料型,当沼气燃尽时自动转换为燃油。纯化后的沼气和天然气性质相似,在-162 °C低温下可变为液态,液化沼气密度是压缩沼气的3倍,运输成本降低。2012年8月瑞典在Linkoping投产一新型沼气厂,专为中型车生产液化沼气。瑞典的加气站按气源接入方式可分为两种类型:一种是通过低压管道接入,另一种是通过移动储气装置运送。瑞典的公共汽车使用慢充装系统,燃气喷嘴可直接和公共汽车相连为其补给燃料,该充气方式降低了燃气储存容量和对燃气压缩机容量的要求。

瑞典沼气车用燃料的成功应用是政府一系列激励政策的直接结果。瑞典对建设沼气工程企业给予工程投资30%的补贴,并减征企业增值税;对使用纯化沼气替代常规燃料者免征化石燃油使用税,减征车辆拥堵税,免征能源消费税、H2S排放税、C02排放税,所有生物天然气汽车在大中城市免收拥堵税和停车费;对生物天然气车辆生产企业给予补贴,购买生物天然气汽车的车主一次性可获补贴1万克朗(约合人民币9368元),中央地方政府80%〜100%的公务用车燃料使用中含有生物天然气;2004年瑞典政府通过一项法案,规定所有大型燃料供应站必须提供一种生物替代能源,自2009年起所有小型加气站及每年销售量超过1000m3的加气站也要提供。

2.3 荷兰的沼气并网

沼气经过净化和提纯后达到管道天然气的质量标准(目前无国际统一标准)即可注入燃气管网,这大幅提升了沼气的应用价值及当地天然气管道供应的可靠性。沼气并网是否会传播疾病一度引起广泛关注,瑞典农业科技大学和疾病控制协会对此展开研究,得到的结论是沼气纯化后进入燃气管网或用于车用燃料时传播疾病的概率极低。欧美等国家已具备了实现沼气提纯并网的各项条件,其中荷兰最具代表性,其天然气管网敷设覆盖范围广,每1000个居民平均占据9km的燃气管网,成功地将沼气纯化后作为天然气的替代能源。

荷兰沼气并网在技术上主要分为沼气净化、提纯和沼气并网混合。在科研领域,荷兰的Shell-Paques脱硫工艺是目前最有代表性的生物脱硫技术,相关学者在原位提纯技术上取得了重要成果,并对沼气内微生物对燃气管网完整性、人体健康和环境的影响展开研究;工程应用中,荷兰使用特殊高效微粒空气过滤器HEPA阻止微量元素进入燃气管网。沼气并网混合前管网运营商需依据前一年的管网运行数据对用气负荷进行预测,以保证安全供气,只有供需平衡时沼气才可并入管网,沼气注入量和管网压力被实时监测以免管网压力超限,沼气接入口处设置阀门来控制和切断沼气混入量。

沼气生产商负责将沼气净化提纯直至满足燃气法规规定的净化标准,相关法规由能源管理办公室和荷兰竞争局一同制定和调整。沼气被注入管网前由管网运营商检测沼气重要成分的浓度, 监测系统的信号传送至中央管网控制中心,当沼气不满足质量要求时,阀门自动关闭,沼气被返回至净化提纯设备,燃气分输站提供备用天然气以保证下游用户用气稳定。

荷兰政府出台系列政策支持沼气并网,法律规定燃气管网运营商应尽可能支持沼气并网, 荷兰可再生能源激励政策(SDE,Stimulering Duurzame Energieproductie)支持沼气生产和应用。

2.4 美国的燃料电池

沼气燃料电池是一种效率高、清洁、噪音低的发电装置,其应用范围逐渐拓展,用于可移动电源、发电站、分布式发电、热电联产和热电氢联产等领域。沼气既可通过高温燃料电池直接发电,也可经过重整后转换为氢气作为燃料电池的传统燃料。由于不受卡诺循环的限制,燃料电池的能量转换综合效率可达60%〜80%,与沼气发电机组相比具有很大发展优势。尽管在融资、技术和相关政策法规上面临巨大挑战,沼气燃料电池在一些发达国家已得到较好发展。

沼气燃料电池在美国一些对环境污染和能源供给格外重视的地区得以推广应用。圣地亚哥市将污水处理厂生产的沼气净化提纯后作为燃料电池的原材料,发电量达2.4MW,预计10年内可节省78万美元的电力成本;怀俄明州的夏延市干溪谷污水处理厂建设了沼气燃料电池项目,该项目配置独立电网,从而在断电时可为微软公司数据中心持续供电(微软公司向该项目投资了500万美元)。

美国十分重视沼气燃料电池技术的研发与创新,马里兰大学能源研究中心研发了一种突破性的固体氧化物燃料电池技术(SOFC),Redox公司在此技术基础上研发了PowerSERG2-80型燃料电池,可直接与天然气管道连接将甲烷转化为电力;密歇根州立大学的研究人员在美国国家科学基金会的支持下,研究如何有效降低SOFC性能提升和寿命延长时的运行温度和成本。

沼气燃料电池在美国得以迅速发展与政策支持密切相关。2013年5月,加利福尼亚能源 委员会对2013〜2014投资计划进行了修正以支持绿色汽车和替代能源的发展,并于7月批准了1800万美元用于氢燃料站建设;2013年2月,康乃狄克州发布了其综合能源策略,将含燃料电池在内的1级能源容量增加到3GW,且推动税收股权融资为本州燃料电池企业融资;新泽西州经济开发署和公共事业委员会对发电容量高于1MW的燃料电池项目给予300万美元的补助。

3 存在的问题与展望

通过国内外沼气应用的对比可看出,我国沼气的应用相对落后,与国外差距还很大,主要表现在以下几方面。

3.1 配套扶持政策不完善、力度不够

我国支持沼气应用的政策力度逐年增长,然而尚未形成系统化的政策支持,对发电并网有补贴,对原料收运、沼气终端用户等没有相应的政策支持。而发展领先的德国对农作物种植企业、 沼气生产企业及沼气发电均有配套政策与补贴;瑞典对沼气燃料使用者给予减税或免税,对生物天然气汽车企业及用户给予一次性补贴;美国各州依据自身发展情况制定其相应扶持政策和发展战略。我国沼气政策制定多从宏观角度出发,导致政策实施起来与实际需求不配套。

3.2 应用形式单一、利用率低

目前我国沼气应用仍以分散的户用沼气池为主,大中型沼气工程建设起步晚,应用方式以发电为主,产品利用处于低值化阶段。而欧美发达国家应用途径较广、因地制宜,尤其注重对沼气的多方位高值利用,如沼气发电居于世界领先水平的德国也在不断探索沼气车用燃料及并网的推广使用;美国沼气应用形式以传统热电联产为主,对于注重环境保护的地区大力推广燃料电池。

3.3 技术成熟度差别大

德国的沼气应用涉及的发电设备、自动控制系统和余热利用等已进入专业化设计和制造阶段,且建立了完善的研发体系;瑞典已掌握先进的沼气提纯净化技术、车辆燃气技术;而我国由于大中型沼气工程建设起步晚、研发投入少、缺乏自主创新的核心技术,部分沼气工程需引进国外技术,一定程度上阻碍了沼气的高值利用。

总之,我国沼气应用处于大有可为的重要战略机遇期,在前进的道路上面临许多挑战,应立足于我国沼气发展现状,借鉴国外先进经验,展望未来能源需求,制定符合我国基本国情的沼气发展战略与政策,实现资源的充分合理利用,使沼气在我国能源可持续发展的进程中发挥应有的作用。

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