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李硯飛
青縣新能源辦公室
摘要：本文重點探討利用純秸稈采取中高溫高濃度發酵工藝制取沼氣技術的發展，對工程技術進行了詳細的說明，通過青縣秸稈沼氣工程的運行模式及管理經驗分析了秸稈沼氣工程的運行成本、經濟、社會、生態和環境效益。同時對秸稈氣化、戶用沼氣以及秸稈沼氣進行了對比分析，進一步給出了發展秸稈沼氣工程的優勢所在，同時給出了存在問題和改進意見。這一結論對在全國發展秸稈沼氣工程建設具有一定的指導意義。
植物生物質能是一個巨大的太陽能倉庫，開發利用生物質能源就是開發利用太陽能，且取之不盡，用之不竭！地球每年經光合作用產生的干物質有1730億噸，能量相當于全世界總消耗量的10倍以上。目前只利用了1％～3％。
我國是一個能源短缺的國家，也是生物質資源大國。據統計，中國每年年產農作物秸稈總量約7億噸，除去用于造紙、飼料或飼料原料以及還田外，還有約3.7億噸秸稈可作為能源物質加以利用。農作物秸稈是一種重要的富含有機質(80％～90％)的生物質能源。因此，利用現代技術將作物秸稈轉化為高效、潔凈、方便的高品位能源——沼氣，對緩解我國常規能源緊張狀況，促進社會經濟的可持續發展和生態環境的改善都具有重要意義。秸稈中含有大量的纖維索、木質素，這是導致發酵速率低的主要因素。若將秸稈直接入沼氣池進行發酵產氣慢、產氣量少、不經濟、無法大面積推廣應用。
自上個世紀七八十年代以來，專家教授們就采取各種各樣的方法研究秸稈前處理、發酵菌劑、C/N比、PH等，在秸稈制取沼氣中發揮的重要作用。如何才能順利產生沼氣，利用純秸稈不添加氮素卻很難制取沼氣，河北省青縣農民沼氣技術員姚旭華在縣委縣政府的支持下，經過幾十年的研究、試驗和實踐，克服了種種困難攻克了純秸稈制取沼氣技術難題，并成功建成大型稈稈沼氣工程，并投入實際運行。2006年2月，“回流發純秸稈連續發酵沼氣新工藝”獲得國家專利證書。有專家考察過姚旭華的第二處沼氣罐后認為，這項科研成果在純秸稈發酵工藝上填補了國內的空白，能源轉化全部用農作物下腳料，符合目前國家的新能源規劃。2007年7月15日到8月31日農業部沼氣科學研究所對青縣第二處鋼板焊接的400m3秸稈沼氣工程運行情況進行了為期33天的工程運行現場監測。
9月3日，農業部沼氣科學研究所組成了以顏麗研究員為組長，李景明處長為副組長的專家組給出了評審意見：池容產氣率達到1.1m3/m3·d，每投入1公斤秸稈可以產生0.5m3左右的意見。2010年1月農業部沼氣科學研究所對青縣耿官屯秸稈沼氣工程監測后，梅自力研究員給出了平均產氣率在1.2m3/m3·d的報告。為加快純秸稈沼氣技術推廣，促進循環經濟發展和節能減排的實現，河北省青縣耿忠生物質能源開發有限公司，就純秸稈沼氣工程進行了各種建設模式探索，大力推廣秸稈沼氣工程，鋼板焊接的純秸稈沼氣工程模式被河北省新能源辦公室王香雪主任確定為鋼板焊接的青縣模式。
1、工程發展概況
1999年，馬廠鎮東姚莊村建成1000m3全地下磚混結構沼氣工程～處，計劃利用純秸稈制取沼氣，但因當時技術還不十分成熟，未投入運行。隨后的幾年，通過實驗，純秸稈制取沼氣技術基本成熟，姚旭華自籌資金，2005年在東姚莊村成功建成全地上磚混結構400m3大型秸稈沼氣工程一處，并為青縣明發食品廠供氣和36戶村民供氣，這在全國尚屬首例，因該工程為農民技術員姚旭華自行設計建設，雖然實現了純秸稈制取沼氣，但是工程設計上還存在不足和問題，在青縣縣委縣政府等相關部門的支持下，2006～2007年建成第二處400m3大型鋼板焊接的秸稈沼氣工程，滿足了全村600多戶村民、馬廠鎮明發食品廠和馬廠鎮政府食堂生產生活用氣。同時，第一處磚混結構400m3大型秸稈沼氣工程停用，改用新建的工程供氣，自2007年成功供氣以來，全村村民一直使用沼氣做飯。在借鑒東姚莊村秸稈沼氣工程建設經驗的基礎上，清州鎮耿官屯村2008年建成650m3大型秸稈沼氣工程一處，滿足995戶居民用氣。
在東姚莊村、耿官屯村的帶動下，青縣按照省能源辦提出的用現代工業化理念，企業化管理，市場化運作，規模化經營的發展思路，實現“集中建站，聯村供氣”。
2009年青縣共有五個村開始建設大型秸稈沼氣工程。其中，東姚莊村建成一處1500m3大型秸稈沼氣工程，可滿足1500戶以上居民生活用氣；耿官屯村建成兩處1000m3大型秸稈沼氣工程；王勝武屯村、陳缺屯村、范官屯村3個村大型秸稈沼氣工程正在建設中。預計所有在建沼氣工程完成后，可滿足7000戶以上居民用氣。青縣真正實現了沼氣的企業化生產，規模化供氣，商業化運營。
大型秸稈沼氣工程的建成和使用真正實現了工廠化制取沼氣，管道化供應沼氣，實現了“兩人造氣，全村用氣”，“幾人造氣，聯村供氣”，實現了在農村“不見炊煙起，但聞飯菜香”的情景。在農村實現集體建站，集中供氣，農民用上了過去只有城里人才能使用的管道燃氣，杜絕了秸稈焚燒，秸稈入村，有效地解決了村容村貌治理的難題，使農民告別煙熏火燎的炊事環境，過上和“城里人”一樣的生活。為推進秸稈沼氣工程可持續建設，2009年縣委縣政府下發了《加快推進農村城鎮化發展的指導意見》，全縣規劃中心村59個，至2020年各中心村建設1處大型秸稈沼氣工程。
2、純秸稈沼氣工藝技術
2.1工藝技術發展
秸稈中高溫高濃度發酵沼氣工程發源于東姚莊，由河北耿忠生物質能源開發有限公司規范、完善于耿官屯。該公司對秸稈中高溫高濃度發酵工藝及鋼板焊接沼氣工程技術進行了卓有成效的探索和實踐，并積累了豐富的施工經驗。規范并完善了沼氣防爆、脫水、凈化、輸配、計量、防負壓等配套設施，申報秸稈沼氣工程相關國家專N6項，已獲得新型沼氣發酵裝置、沼氣生產裝置的多功能負壓安全保護報警儀器、沼氣生產用雙罐互動攪拌裝置、多功能沼氣上料裝置4項。目前。該工藝技術已經基本成熟，并具備大范圍推廣的實力。
2.2工藝技術路線
秸稈中高溫高濃度發酵工藝技術路線是：
沼氣工程有進料口、發酵罐和出料口，以攪拌機、泵為動力，將秸稈同其它輔料按照一定比例混合均勻加一定量的熱水，攪拌后，經過進料口靠泵體動力將發酵混合原料打入沼氣發酵罐，在30～55℃和PH6.8～7.5的環境下進行發酵產氣。其過程如下：
秸稈——粉碎——(青貯)——加土——加添加劑——加菌種——加入50～60℃熱水——攪拌——打入發酵罐——產氣——脫水——脫硫——入儲氣罐——(將CO2和CH4分離后提純為天然氣)——輸配系統——供企業和農戶使用
2.3核心技術特點
高強度沼氣發酵罐體，必須有良好的防腐、防滲漏性能和保溫性能；秸稈不需要預處理即可產生沼氣技術；PH值要在6.8～7.5范圍內；C/N比例在20～30：1以外也能正常產氣；添加劑的開發研究；秸稈降解率在95％以上。
2.4創新點
純秸稈中高溫高濃度發酵工藝制取沼氣；鮮體秸稈，干體秸稈均能產生沼氣；秸稈加工精度研究；兩種上料方式；池體采用聚氨脂發泡保溫，保溫效果好、運營成本低；運行管理模式創新；全地上式秸稈沼氣發酵裝置，多點進料。多點出料，采用頂部進料底部出料。
2.5青縣秸稈沼氣工程特點
一是以鋼板焊接工藝建設發酵罐、儲氣罐等主體工程，并進行必要的防腐處理；
二是采用純秸稈中高溫高濃度發酵技術，每2kg干體秸稈或5.5～7.5kg鮮體秸稈可產出1m3沼氣；
三是發酵罐內無攪拌裝置。上進料，下出料，同時多點進料、多點出料以及兩種上料方式；
四是加熱方式，采用“太陽能、玉米芯(或稱作棒子瓤子)、沼氣”多能開發；
五是在發酵罐內多處安裝溫度檢測儀，實時檢測罐體內不同部位的溫度；
六是通過CH4、CO2、PH值分析儀，隨時檢測相關數據，為工程運行管理提供必要的數據：
七是應用防爆、脫水、脫硫技術確保沼氣達到入戶技術指標；
八是采用調壓式干式儲氣罐；
九是先進的輸配增、減壓輸配系統，同時采用防超壓、負壓系統，使得用戶用氣更加安全穩定。
2.6應用和成果
幾年來，青縣結合新農村、新民居建設，大力發展秸稈沼氣工程，積極探索大中型秸稈沼氣工程的建設和使用，推進農村小城鎮化建設。截止2009年，河北耿忠生物質能源開發公司經過先后六代的完善和改進形成了鋼板焊接沼氣工程模式。目前，為青縣東姚莊村、耿官屯村、黃驊市西排村、白莊村先后建成了300m3、350m3、400m3、500m3、650m3、750m3、1000m3、1500m3、2000m3大型鋼板焊接發酵罐及儲氣罐15個，4處，供氣能力達~5500戶，正在建設的第六代大型秸稈沼氣工程3處，全部建成后青縣秸稈沼氣工程供氣能力可達到7000多戶。其中，由該公司建設的東姚莊村、耿官屯村兩處大型秸稈沼氣集中供氣系統工程投入使用。滿負荷運轉后。供氣能力達4500戶。已經為2200戶農戶、青縣明發食品廠、青縣康佳食品廠、馬廠鎮政府食堂(100人同時就餐)、耿官屯喜慶大廳(800人同時就餐)、河北耿忠生物質能源開發有限公司辦公樓供暖(1100m2)同時供氣。河北黃驊西市排村沼氣工程，已經滿足了300多戶村民做飯。
2010年1月成都沼科所對耿官屯秸稈沼氣工程進行了檢測，對1000m3發酵罐檢測，平均產氣在1200m3/d以上，給出結論是池容產氣率達到1.2m3/m3·d以上。
經過近幾年的試驗、示范，秸稈沼氣集中供氣系統工程初見成效，取得了一定的經濟、社會和生態效益，在當今世界發展循環經濟，促進節能減排，開展CDM機制的大背景下，純秸稈沼氣工程技術具有良好的發展前景。
3、建設內容及投資成本
根據多年的建設經驗，2008年以前，500戶以上的工程，戶平均投資在3500元左右。2009年開始，因設計標準提高，1000戶以上的秸稈沼氣工程戶均投資在5500元左右。以1000m3沼氣工程為例，估算投資531萬元。建設內容包括：土建工程110萬元；輸配管網110萬元；發酵罐、儲氣罐、站內輸配系統、凈化系統、消防系統、加熱系統、自控系統等280萬元；沼氣灶具13萬元；勘察、設計、預算、監理18萬元。(不包括科研、初步設計、不可預見等費用)
4、后期運行管理模式
4.1人員及管理
東姚莊沼氣站管理人員6人，滿足了600多戶村民、兩個食品廠生活生產用氣；耿官屯沼氣站5個人，滿足了1555戶居民、喜慶大廳、河北耿忠生物質能源開發有限公司用氣。一般情況下，800戶左右的沼氣站管理人員2～3人即可；1500戶以上的工人沼氣站由3～6個人即可滿足管理要求。
4.2沼氣站日常管理
沼氣站日常管理包括：秸稈集中收購、加工及青貯管理；發酵原料上料管理；發酵罐排料管理；輸氣管理；料液控制管理；溫度控制管理；pH值管理；安全消防管理；相關數據記錄管理；24小時輪流值班等。
5、運行成本與效益
以1000m3沼氣工程為例分析運行成本與效益。
5.1運行成本
年消耗原料730噸：，按300元/噸計算，計21.9萬元，
秸稈收集、添加劑及加工電費，按0.1元/m3，計3.65萬元，
操作工人工資每人每月800元，計3.84萬元
設備維修及維護費2萬元
年生產成本為：31.39萬元
每立方米沼氣平均成本為：0.86元
因此，秸稈、人工、水、電、添加劑及維修約0.9元/m3。
5.2經濟效益
一般供應農戶沼氣售價是1.6元/m3，沼氣站盈利0.7元/m3，年盈利：25.55萬元
5.2.1秸稈沼氣與液化石油氣的對比。1m3的沼氣和0.5kg液化氣的熱值相當，目前青縣液化氣是7元/kg。因此，每立方米沼氣和相同熱值的液化氣相比，可節省19元。每天每戶用沼氣約1m3，和使用液化氣相比可節省1.9元，全年居民節省燃氣費為：69.35萬元
沼渣售價為30元/m3，年收入75萬元
沼氣站年可增收節支102.4萬元。
如果將每立方米沼氣進行分離提純后，可增加附加值2元左右，將沼液、沼渣進行深加工后，每立方米可增加附加值500元以上。
5.2.2秸稈沼氣與煤的對比。1m3的沼氣和1kg原煤熱值相當。由于沼氣灶具的熱效率約是煤爐灶熱效率的3倍，因此每立方米沼氣相當于3.3千克原煤。據調查，青縣農戶使用蜂窩煤用于日常生活用能的已經不多，一般每戶每天用蜂窩煤3～4塊，每塊約1kg即3～4kg，蜂窩煤價格在400～500元/噸，因此，每天約1.6元。每天需要專人管理煤爐，晚上不封火的話，費煤，滅火的話，第二天還要生爐子很麻煩，因此煤與沼氣相比沒有優勢。
5.2.3秸稈沼氣與天然氣的對比。我縣天然氣入戶初裝費2800元每戶，目前收費價格在3.2～37元/m3，按照秸稈沼氣每2m3可以提純為1m3計算，只要天然氣價格不低于3.2/m3就是用秸稈氣省錢。如果刨除安裝費用外，做秸稈沼氣的一般村戶籌資都在1000元以下，甚至有的村民不用籌資，所有費用均由村集體補貼，秸稈沼氣更優越于天然氣。
5.3社會效益
農作物秸稈不再入村，街道、庭院干凈衛生了，從而徹底改善了農村臟亂差的環境面貌；用上沼氣以后改變了農民傳統的生活方式，廚房衛生干凈了，做飯不再是煙熏火燎；用沼氣做飯時間也縮短了，每戶每天可節約1小時，節約的時間可用于打工增加收入，也可用于讀書、看報、娛樂等。
我縣秸稈沼氣集中供氣工程為國內首創，已經帶動了全省乃至全國秸稈沼氣集中供氣工程建設發展。它的推廣為秸稈利用開辟了新的途徑，也是新能源開發利用的一項新的突破，如果將沼氣進一步提純成為天然氣，可替代煤和液化氣用于工業農業生產，對于緩解能源危機有著極其深遠的歷史意義。
5.4生態效益
1000m3的秸稈沼氣工程年消耗秸稈約730噸，年產沼氣36.5萬m3，產沼渣1500m3。通過使用沼氣，一般每戶每天可減少燃燒秸稈10公斤，1000戶居民每年減少直接燃燒秸稈3650噸；可以節約標煤260噸：；減排CO2676噸；減排SO22.21噸；減排氮氧化物1.921噸；減排粉塵0.31噸減少大氣污染，減少了水土流失，有效的保護了生態環境。如果更多的農民全都用上秸稈沼氣，甚至將沼氣替代煤、石油、天然氣用于工業，將會極大的改善全國各地的生態環境。
6、純秸稈沼氣工程優越于戶用沼氣、秸稈氣化工程
在我們地區，大型秸稈沼氣工程與戶用沼氣、秸稈氣化相比具有一定的發展優勢。
6.1戶用沼氣池的不足
就戶用沼氣而言，戶用沼氣技術已經十分成熟，不存在技術缺陷，但是存在一些發展瓶頸因素。一是戶用沼氣物業服務體系滯后。在全國上下大力發展戶用沼氣池的同時。我縣戶用沼氣建設也得到了一定的發展，但因沼氣物業服務體系相對滯后，影響到戶用沼氣池的使用效果，從而影響到農戶建設沼氣的積極性。二是農村庭院較小。青縣地處平原地區，地勢平坦，村莊集中，村內戶挨戶房連房，除個別農村宅基地較寬松外，多數村戶院落較小，不適宜戶用沼氣建設的發展。三是發酵原料不足。青縣實行了畜牧養殖外遷，戶用沼氣池原料不足，村內不太適宜建設戶沼氣池。四是經濟發達地區不適宜發展戶用沼氣池。
因一家一戶建沼氣池后，每天都需要有人管護，不然就影響到使用效果。而經濟相對發達的地區，農民因打工或做生意，幾乎沒有時間進行管護，而且管護也非常麻煩，相對成本較高，與其建沼氣池，不如買液化氣或是用電了。而在經濟欠發達地區或是山區還是比較適宜發展戶用沼氣。
6.2秸稈氣化的缺陷
秸稈氣化發展多年來，技術已經十分成熟，但是秸稈氣化存在本質的缺陷，因此制約了進一步發展空間。青縣耿官屯秸稈沼氣站2005年到2008年正常運行三年。通過三年的運行看，秸稈氣化仍然存在缺陷。一是秸稈氣化中除焦油技術。目前除焦油技術多數是通過增加輸氣管網的直徑來達到增加使用壽命的目的，不僅增加了成本，而且除焦技術仍然效果不理想。二是安全系數低。秸稈氣主要成分是CO，有毒性，其實每年冬季采暖爐中煤氣的農民，就是CO中毒。一旦滲漏后果不堪設想。三是熱值低。因熱值低，從三年使用效果看秸稈氣炒菜效果不佳，適宜熬粥、燉肉等不需要爆火的烹調。四是基本不能實現循環經濟。秸稈經過不完全燃燒后，產生了秸稈氣，剩余物為少量的灰分，而灰分中除了含有少量的鉀肥外，沒有其他養分。五是生產成本較高。據調查，多年來秸稈氣化工程多數為福利工程，不能靠自身進行自負盈虧自我發展。
6.3秸稈沼氣工程的優點
一是原料易得。青縣農作物秸稈年產量達60萬噸，如果全部通過秸稈沼氣工程轉化成沼氣，年可產沼氣3億m3。
二是實現了工廠化生產。建造了大型沼氣工程，幾個人管理，就可生產出全村使用的沼氣，實現了集中供氣，并且一年四季都能用。避免了每家每戶都要有人管理戶用沼氣才能正常使用的情況，極大地解放了農村婦女勞動力，讓家庭主婦告別了煙熏火燎。三是生產成本低，效益高。利用秸稈采取中高溫高濃度發酵工藝技術生產沼氣，是多年來新能源行業的一個科研課題，生產成本在0.9元/m3左右，能產生經濟效益。四是實現了循環經濟和節能減排。秸稈發酵產生沼氣后，剩余產物是沼液和沼渣，沼液、沼渣是無公害有機肥，用于農業生產中，生產出無公害有機食品，同時又生產出植物秸稈。而秸稈又用于生產沼氣，實現物質和能量的良性循環，真正實現了循環經濟和節能減排，同時也是CDM的好項目。
經過以上分析，對于秸稈沼氣工程的運行管理，可以采取商業化運作模式運行，由公司或個人負責沼氣工程的整體運營。其經濟、社會、生態效益相當顯著，前景非常廣闊。
7、存在問題與建議
7.1純秸稈沼氣工程工藝技術尚不十分成熟，還需要進一步改進和完善。在沼氣工程建設、自動化、沼氣添加劑、脫水脫硫工藝等方面還需要進一步研發。
7.2沼氣分離和提純工藝不成熟。將沼氣提純后，即可以得到天然氣。可以拓寬沼氣的利用途徑。目前，分離提純技術尚不成熟。
7.3沼液、沼渣利用情況不佳。僅僅是簡單的應用，還沒有進行開發深加工。
7.4工程采用鋼板焊接的工藝，優于磚混、混凝土及其他材料建設模式。該工藝施工快、強度高、密封性好、容易改造等。
7.5集中建站，聯村(中心村)供氣。原則上不能低于1000戶，否則戶均相對成本較高。可以3～5個村甚至更多的村集中建設一處沼氣工程，通過鋪設管網給各村供氣。
7.6沼氣工程要獨立運營，自負盈虧。
7.7適宜經濟較發達且戶數500戶以上的大村。否則，平均投資大，且用氣量不穩定。
7.8開發新用途。凡是用液化氣、秸稈氣、水煤氣的地方都能用沼氣來替代。因此，建設集中供氣工程用于工業效益更大。
7.9因工程標準提高，投資相對較高，建議國家補貼投資標準能夠提高。 |
