中德沼气发电工程实例分析

宋 龙 李仁刚 刘 轶

（国能龙源环保南京有限公司，江苏 南京 210012）

中国沼气行业具有相当长的历史，特别是21世纪初在全国范围内组织实施的农村沼气国债项目和2015年开始连续实施3年的沼气转型升级试点项目，极大地促进了中国沼气事业和相关产业的快速发展。据统计，截至2018年，中国的沼气工程总量约为10.8万座，其中大型沼气7966座，中型沼气工程10332座。据中国农村能源行业协会的统计数据显示，我国沼气产业企业数量为1298 个。中国的沼气行业也成功实现了由户用沼气发展到各种类型沼气工程的转型升级。具体表现在中国的沼气技术实现了突破，从工艺设计水平到产品设备制造能力，在引进、消化、吸收的基础上，基本形成了一整套自主知识产权和较健全的标准化体系；中国的沼气事业在推动畜禽粪污资源化利用和农业绿色循环发展方面发挥了重要作用，也为国家的能源安全和生态文明建设做出了重要贡献。

该文在前人分析的基础上，通过中德两国的沼气工程实例对中德沼气工程在原材料、沼气工艺、发电效率、运行收益等方面进行了详细对比分析并提出相应的建议，以期为我国更好地发展沼气工程提供一定借鉴。

1 中德沼气工程介绍

该文选取4座沼气工程进行比较，德国三座分别编号1#、2#、3#，中国一座编号4#。

1#位于德国勃兰登堡的一座农场，养猪2750头，附属农田1866公顷，其中的110公顷种植能源作物种，用于发酵原料。1#于2004年12月投产运行。1#的厌氧发酵罐有效容积903m³，脱硫储气一体，2个敞口氧化塘用于储存发酵沼液（每个2070m³），1台DEUZ 发电机组，180kW。

2#位于德国巴伐利亚州的中弗兰肯，养猪800头，农田133公顷，其中能源作物种植面积53公顷。2#于2005年5月投产运行。2#为两级发酵装置，第一级有效容积950m³，第二级有效容积1400m³。2台曼海姆发电机组，分别为100kW和190kW。

3#位于德国巴登符腾堡州，养牛120头，农田80公顷，用于种植能源作物。3#于2005年1月投产运行。3#为两级发酵装置，两级的发酵有效容积都是1200m³，氧化塘容积5000m³，顶部覆膜，2台电机组，DEUZ 265kW，Scania 265kW。

4#位于中国山东省德州市禹城伦镇，农田200公顷，用于种植苜蓿和冬小麦，合作的牛场养殖9000头奶牛。4#于2019年10月投产运行，投资、建设、运行公司为国能龙源环保南京有限公司。4#为一级发酵装置，4个发酵罐，总有效容积23700m³，氧化塘覆膜总容积100000m³，2台电机组，DEUZ 1200kW。

2 原材料分析

对比表1可以明显发现，1#、2#、3#原料的数量为10000吨/年级别，平均进料量在20吨/天~40吨/天；4#依托万头奶牛场，进料量1200吨/天，年进料量在400000吨/年。中德的原料量明显不在一个级别，德国的牧场规模普遍比较小，牛的数量在数百头，猪的数量在数千头；中国的规模奶牛场达到上万头，养殖数量是德国的10倍以上。

表1 德国与中国沼气工程原料分析比较

德国沼气工程中使用大量的青储作物，青储往往占到总原料的50%以上，2#达到52.6%；4#使用纯牛粪作为原料，稻壳并非刻意使用，而是作牛垫床，随着牛的运动，散落混合在粪污中。

由于在原料中掺入大量的青储作物，1#，2#，3#工程的进料干物质含量都比较高，达到20%左右。随着进料干物质含量的提高，相应的进料COD也比较高，1#在240kg/t左右；4#的进料干物质含量偏低，约7.5%，进料COD 51.5kg/t。由于单纯使用牛粪污作原料，导致进料干物质含量低。

进料的干物质含量是非常重要的参数，也是中德沼气工程一个非常明显的区别。进料浓度高，在同等发酵条件下（温度，搅拌，停留时间等），沼气产量会提高，进而增加发电量；或者提高进料浓度，降低每日进料量，在停留时间不变的情况下，可以节省发酵罐容积，减少一次性投资，影响投资回报率。同时，进料浓度高，意味着含水量低，用于罐体加热的热量利用效率得到提高。

纵观中德沼气工程，德国沼气工程由于养殖规模小、粪污量少、有青储秸秆的添加，进料的干物质含量普遍较高，20%的干物质进料量是很平常的数值，每日的进料量少，有效发酵容积小，一次性投资低；反观中国沼气工程，大部分都采用纯的粪污作为原料，导致进料的干物质含量普遍偏低，也为后续的厌氧发酵容积、停留时间等带来隐患。

3 沼气工艺参数比较

德国90%的沼气工程采用湿式发酵，该文中的4座沼气工程皆采用湿式发酵，其中2#、3#采用二级发酵方式；1#、4#为单级发酵。

4#工程中使用4个厌氧发酵罐，单体直径20m，高度20m~22m，高径比约1：1，单体容积超过6000，1#、2#、3# 采用德国传统“矮胖型”结构，高径比0.3~0.4∶1。

从表2中可以发现，中德沼气工程关于厌氧发酵的核心参数有明显的不同：1）每吨原料产气量。由于1#，2#，3#原料中掺入大量的青储玉米、谷物、小麦废料等有机物，使原料的产气量大幅提高。2#达到157Nm/吨，3#达到了142Nm/吨。由于4#使用的是纯牛粪污，原料的沼气产量仅有17Nm/吨，建议4#掺入合适的有机废弃物，以提高单位原料产气量。2）停留时间。1#，2#，3#的累计停留时间分别为46天，110天，54天，4#停留时间为19.7天。1#，2#，3#的原料中含有大量的青储，青储作物的降解周期要长于牛粪；4#的停留时间略显不够，不到20天，应该适当延长至22天~25天。3）温度。在案例中只有2#的第一级发酵采用高温发酵（52.9℃），其余采用中温发酵方式（38℃~42℃），4#工程有4个发酵罐，温度在38℃~39.5℃。根据范特霍夫规则，温度每上升10℃，反应速率提高1倍以上。高温发酵的生物反应速度更快，但是工艺过程相对更难控制，中德绝大部分的沼气工程采用中温发酵方式（38℃~42℃）。4）有机干物质降解率。有机干物质的降解率是非常重要的参数，降解率高，意味着有机物反应彻底，当然，过度追求降解率，会导致发酵容积增大，基础投资增加。德国的沼气工程有机干物质的降解率比较高，普遍在70%以上。例如2#的降解率最高为81%，1#的降解率为76%。而4#的平均降解率为48%，这个数据偏低，主要原因与停留时间有关，当然也与发酵的温度、搅拌、菌种等因素相关。5）沼气产率（容积产气率）。沼气产率意味着单位有效发酵容积每天的产气量。沼气产率高，可以节省一次性投资，进而提高收益。德国沼气工程一般沼气产率在2.0NmBG/mAV d~3.5NmBG/mAV d。3#的第一级发酵产气率最高，达到3.54 NmBG/mAV d，对比4#的产气率为0.86 NmBG/mAV d，说明4#厌氧发酵罐的利用效率不够充分。沼气产率与进料干物质的浓度密切相关，由于德国的沼气工程含有大量的青储作物，沼气产率明显相对高一些。6）发电量。发电量是一个重要的经济指标。就发电总量来说，4#优势明显，年发电量超过1400万kW·h，不过按照平均负荷和年工作小时量来比较，4#低于1#，2#，3#。主要原因在于4#的产气总量不足，机组达不到满负荷运行状态。

表2 中德沼气工艺参数比较

从以上分析可以看出，德国与中国的沼气工程路线存在差别。德国的原料保持高浓度有机物，在养殖规模不大的情况下，尽可能添加青储、谷物，追求单位容积的产气率最大化；延长停留时间，增加有机物降解率；中国沼气工程的养殖规模大，粪污总量多，单位体积的有机物浓度低，要想获得理想的停留时间，必须增加厌氧发酵的容积，进而增加投资。

4 经济效益分析

判断沼气工程运行是否成功最重要的因素是投资回报率，从表3中可以看出，3#投资回报率最高，达到24.05%，1#投资回报率最低，是负值，-0.049%，4#投资回报率6.49%。接下来分析沼气工程运行盈亏的关键因素：1）单位kW投资金额。单位kW的投资金额是重要的分析指标。由于中德货币汇率存在变化，为了便于分析，该文欧元与人民币的汇率确定在7.5。表3可以看到，3#的单位kW投资金额最低，为1.88万元，4#最高，2.70万元。为了确保良好的投资汇报率，单位kW的投资金额最好控制在2万元以内。2）总收入与各项收入分析。由于中德之间的发电价格存在明显差异，单纯比较发电收入意义不大。1#、2#、3#的发电收入分别占其总收入的86.6%、92.9%、94.7%；粪污处理费用在德国沼气工程中具有不可忽视的作用，1#、2#、3#的粪污处理费用分别占其总收入的11.2%、5.3%、5.3%。4#的收入分成两部分，发电收入和沼渣垫床收入，分别占其总收入的72.7%和27.3%。3）总支出及各项支出分析。德国的沼气工程由于使用大量的青储作物，原材料的支出占据很大比例。1#、2#、3#的原材料支出费用分别占其总支出费用的56.3%、61.2%、52.2%；4#没有使用青储作物，牛粪污通过管道运送，成本极低，可以忽略不计。1#到4#的设备、建筑物折旧维修费用相对稳定，基本占总投资金额的10%左右。值得注意的是，德国运行人员数量很少，运行支出占比不大，一般占总支出的15%~17%。4#工程规模比较大，运行人员13人，而且生产沼渣垫床消耗的电量大，所以运行支出占总支出比例高，达到52.5%。

表3 经济效益分析

通过分析可知，3#运行最成功，主要体现在单位kW的投资低，仅为1.88万元；按照发电功率比例核算，3#的年总支出最低，尤其是原材料的支出占比最低。1#运行亏损，主要原因是原材料和运行支出过高，导致年总支出高。4#的沼渣垫床收入非常突出，占总收入的27.3%，导致利润还算可观，投资回报率达到6.49%。4#接下来应减少运行支出，同时争取获得一部分粪污处理费用，在这种情况下，4#的投资回报率有望达到10%以上。

5 结论

从发酵原料、沼气工程运行参数、经济效益等方面对中德沼气工程进行比较。通过分析得到如下结论：1）德国沼气工程普遍使用大量的青储作物作为发酵原料，这与德国的政策有关，事实上，德国的政策在不断调整，2017年德国《可再生能源法》（EEG）明确规定：引入可再生能源发电招标制度，结束基于固定上网电价的政府定价机制； 取消能源作物和新工厂沼气升级奖励。中国沼气工程一般使用纯的粪污，粪污的特点是体积大，TS浓度低，为了保证合适的停留时间，不得不增加厌氧发酵容积，导致一次性投资金额增加，进而影响投资回报率。2）在沼气工程建设方面，中国的水平基本与德国持平，而且建设成本上有优势；在沼气工艺参数上，中国沼气工程需要提高有机物降解率和沼气产率。4#的有机物降解率约为48%，1#~3#的有机物降解率在70%~80%；4#的沼气产率为0.86NmBG/mAVd；1#~3#的沼气产率在2.23NmBG/mAVd~3.54 NmBG/mAVd。只有不断提高有机物降解率，提高产气效率，才能不断减少一次性投资，提高投资回报率。3）在经济效益方面，3#运营最成功，投资回报率达到24.05%，运行成功的主要原因为单位kW投资金额低，运行支出及原材料支出低；1#运营亏损，原因在于运行支出及原材料支出比例高，导致年总支出高于年总收入。4#投资回报率为6.49%，沼渣垫床的收入起了非常关键的作用。如果4#在原料浓缩、运行工艺、粪污处理费用、缩减人员成本方面进行优化改善，相信会有更乐观的收益。

经过20余年的发展，中国的沼气工程确实进步显著，4#沼气工程不仅具有较好的经济效益，而且处理粪污污染，改善生态环境，具有良好的社会和生态效益。