产气、贮气一体化沼气装置

蔡卓宁　蔡　磊　蔡昌达

摘要：产气、贮气一体化沼气装置是目前德国规模化沼气工

程的主流池型，具有造价低、用地省、工期短、冬季也能正常运行等优势，适合我国的规模化沼气工程。杭州能源环境工程有限公司已经开展该项新技术的引进消化和国产化研发，并在工程中示范应用。

关键词：产气、贮气一体化，规模化沼气工程

引言

根据我国可再生能源中长期发展规划、“十一五”发展规划以及国务院十项扩大内需促进发展措施，我国规模化沼气工程建设面临着巨大的发展机遇。同时，我国规模化沼气工程的工艺技术以及设备尚存在技术瓶颈。针对这一现状，本文将介绍一种规模化沼气工程的新池型棗产气、贮气一体化沼气装置。

1. 我国沼气工程技术发展形势

国务院于2008年11月5日出台十项扩大内需促进增长的措施，将加快规模化沼气工程建设列入加快农村基础设施建设举措之中，并将投入大量资金发展规模化沼气工程。

根据我国可再生能源中长期发展规划和“十一五”发展目标，到2010年要建成规模化畜禽场大中型沼气工程4700座，工业有机废水沼气工程1600座，大中型沼气工程年产沼气40亿立方米，沼气发电装机容量100万千瓦；到2020年计划建成畜禽场大型沼气工程10000座，工业沼气工程6000座，年产沼气140亿立方米，发电装机容量300万千瓦，每年可节省煤炭800万吨，相当于每年减排温室气体1亿吨二氧化碳当量。

为此，国家出台了生物质能源发电上网电价补贴、税收优惠以及鼓励碳减排指标交易等激励政策支持，为沼气工程的发展营造了良好的市场环境。

目前，我国规模化沼气工程在工艺技术，池型结构和关键设备方面与欧洲发达国家还有较大差距，存在装备落后、可靠性差、产气率低、冬季不能稳定运行等问题，一些关键设备的生产制造尚为空白，需要从国外进口，增加了工程建设成本。以上问题已经成为我国规模化沼气工程发展的瓶颈。沼气工程的稳步快速发展，迫切需要引进欧洲发达国家的先进技术、关键设备和科技创新的支撑，通过引进消化和自主创新，实现规模化沼气技术设备的国产化、产业化和技术升级，突破发展瓶颈，提升我国沼气工程领域的自主创新能力和核心竞争力。

2. 德国沼气工程技术发展现状

德国是世界上农业沼气工程数量最多、技术先进、发展最快的国家。德国于2000年通过了《可再生能源法》，并于2004年对该法进行了修订，提高并加强了对可再生能源开发利用的鼓励和扶持。这一系列的法律和政策直接促成了德国沼气发电工程在短时间内的快速发展，沼气发电工程数量从1997年的450个快速发展到2007年的4500个，十年间增长了10倍；沼气发电装机容量从2000年的100兆瓦发展到2007年的1700兆瓦， 7年间增长了17倍。（图1）

3. 德国沼气工程的主流技术

德国沼气发电工程的快速发展，除了政策法规的鼓励推动外，沼气工程本身的科技创新和技术进步也是主要原因。热电肥联产模式、高浓度全混合中温发酵工艺和产气、贮气一体化装置近几年来发展成为德国农业沼气工程的主流模式、工艺和池型。

在德国可再生能源协会2001年对农业沼气发电工程的抽样调查统计中，产气、贮气一体化装置已占工程总数的58%，近年新建的沼气工程中一体化沼气发酵装置占工程总量的90%以上。产气、贮气一体化装置由于其可靠性、安全性、低成本和适应寒冷地区冬季运行方面的优势，近年来得到快速发展和普及，其推广程度已经大大超过其他结构形式沼气发酵装置。

4. 产气、贮气一体化装置结构特点

产气、贮气一体化装置将厌氧罐与沼气贮气柜合二为一，与传统的产气、贮气分体式模式相比，减少了厌氧罐顶盖以及贮气柜。（图2）

一体化装置下方为厌氧罐部分，罐体可采用钢结构或钢筋混凝土结构，容积一般为500-3000m3，可采用组合装配方式建造。罐体常用直径为12米，14米，16米，18米，20米、22米和24米，常用高度为6-8米，常用径高比为2:1-3:1。

一体化装置上方为沼气贮气膜柜部分，采用双膜式贮气柜，常用形式为圆锥形或球冠形。贮气膜柜通过调整内外膜之间夹层的空气压力，以外膜保护并维持贮气柜的形态和结构，并将内膜内的沼气送入输气管道。

厌氧罐内安装搅拌装置。罐壁上安装增温管，其中钢结构罐体的增温管安装在罐壁外侧，混凝土结构罐体的增温罐安装在罐壁内侧。一体化装置可采用生物脱硫技术去除沼气中的硫化氢。

5. 产气、贮气一体化装置主要优势

一体化装置结构紧凑，各部分设备功能结合紧密，具有以下优势:

5.1 适用于高浓度中温发酵，TS 8%-10%，发酵温度35-38oC，可常年稳定运行；

5.2 配置高效节能搅拌器，解决了含固率高、物料不均、传质差、死区大、易酸化和易结壳的问题；

5.3 采用生物脱硫技术，沼气中H2S去除率达90%以上，脱硫成本是化学脱硫的1/4，并且无二次污染;

5.4 减少了分体式气柜以及厌氧罐硬顶盖，可降低工程投资15%;

5.5 减小装置规模，节省占地面积30%;

5.6 减少稀释水量，节省增温能耗;

5.7 降低消耗，减少沼肥运输量;

5.8 缩短工期，建设周期缩短50%以上。

6. 产气、贮气一体化反应器配套设备

6.1 发酵罐罐体: 可采用钢结构或钢筋混凝土结构;

6.2 搅拌装置: 可采用侧式搅拌器、斜搅拌器（低速节能搅拌技术）或二者结合使用;（图3）

6.3 增温保温装置：钢结构罐体的增温管一般安装在罐壁外侧; 钢筋混凝土罐体的增温管一般安装在罐壁内侧的下部；（图4）

6.4 贮气膜: 由内膜、外膜组成，膜材采用特殊加工的聚酯材料作基层，双面均覆聚氯乙烯涂层，外膜具有良好的抗紫外、耐老化的性能，起到保护内膜、保持结构的作用;内膜具有良好的抗甲烷渗透性能，防火、耐磨、耐褶并且耐硫化氢腐蚀。

6.5 支撑网架: 厌氧罐中心设一混凝土、不锈钢或木质立柱，在立柱顶部和檐口间安装伞骨状支架，一般采用柔性织带，以保证内膜在沼气负压时不会直接与发酵液接触。支撑网架同时还起到为生物脱硫菌提供生长附着物的作用。 （图5）

6.6 支撑鼓风机: 用于向内外膜的夹层内充气，使夹层内维持设计压力，从而确保外膜始终处于充盈状态，能够承载设计范围内的风，雨，雪荷载。

6.7 沼气压力保护器: 设定一定的贮气压力值，当沼气压力超出设定压力范围时，压力保护器会自动释放沼气或抽入空气，以维持沼气压力在一定的范围内，确保贮气柜和厌氧罐不受损坏。（图6）

6.8 充盈程度检测装置: 用于检测贮气柜内的沼气充盈程度。

6.9 生物脱硫装置: 用于一体化沼气发酵装置内的生物脱硫。

6.10 自动控制装置

6.11 秸秆进料输送装置（图7）

引进创新和自主研发示范工程

近年来杭能已开始引进德国、丹麦等欧洲发达国家热电肥联产的高效沼气工程技术和关键设备，进行引进创新和自主创新，并在规模化沼气工程中示范。其中产气、贮气一体化装置已在工程中得到示范应用。（图8、图9）

7. 展望

通过对德国以及丹麦等欧洲先进国家的热电肥联产、高浓度发酵和产气、贮气一体化沼气工程技术和关键设备的引进消化和集成创新，实现成套设备的国产化和产业化，解决好规模化沼气工程技术和关键设备的技术升级，提升我国规模化沼气工程领域的自主创新能力和核心竞争力，向社会提供高效、稳定、经济、实用的工程技术和关键设备。

中国的规模化沼气工程必定能够快速、健康地发展！