秸秆沼气工程技术探索与研究

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摘要：本文通过河北省青县新能源系统研发纯秸秆制取沼气技术历程的总结，重点阐述了利用纯秸秆采取中高温高浓度发酵工艺制取沼气工艺技术的发源、发展，通过实例对该工艺技术应用于实体工程中的运行情况进行了详细的介绍，分析了秸秆沼气工程的运行成本、经济、社会和生态环境效益。同时对秸秆气化、户用沼气、天然气、煤炭与秸秆沼气等能源利用进行了对比分析，给出了发展秸秆沼气工程的优势，指出了发展秸秆沼气的重大意义，同时提出了建设运行过程中存在问题和改进建议。这一研发应用实践和新技术对我国发展秸秆沼气工程建设具有很强的指导意义。

关键词：新能源；纯秸秆；中高温高浓度；沼气

2009年9月，主席在联合国气候变化峰会上提出我国将“争取2020年非化石能源占一次能源消费的比重达到15％左右”的目标；总理在哥本哈根气候变化会议上也承诺“到2020年，单位国内生产总值二氧化碳排放比2005年下降40％至45％”。“十二五”规划提出：深入贯彻节约资源和保护环境基本国策，节约能源，降低温室气体排放强度，发展循环经济，推广低碳技术，积极应对全球气候变化，促进经济社会发展与人口资源环境相协调，走可持续发展之路。因此，开发利用风能、太阳能、潮汐能、生物质能等是必由之路。

生物质是自然界中有生命的可以生长的各种有机物质，它是多种复杂的高分子有机化合物组成的复合体，其化学组成主要有纤维素、半纤维素和木质素和提取物等。生物质能是指直接或间接的通过各种绿色植物的光和作用，把太阳能转化为化学能后固定和储存在生物质内的能量。作为研究对象的生物质，通常是指农业和林业废弃物。因此说，植物生物质是一个巨大的太阳能仓库，开发利用生物质能源就是开发利用太阳能，取之不尽，用之不竭!地球每年经光合作用产生的干物质有1730亿t，能量相当于全世界总消耗量的10倍以上，目前只利用了1％～3％。

我国是一个能源短缺的国家，随着经济的发展能源紧缺更是成为经济发展的瓶颈因素。然而我国也是生物质资源大国。据农业部科技教育司最新统计，我国农作物秸秆理论资源量为8.2亿t(风干，含水量为15％)。我国秸秆可收集资源量为6.87亿t，我国秸秆未利用资源量为2.15亿。农作物秸秆是一种重要的富含有机质(80％～90％)的生物质能源。因此，利用现代技术将作物秸秆转化为高效、洁净、方便的高品位能源——沼气。对缓解我国常规能源紧张状况，促进社会经济的可持续发展和生态环境的改善都具有重要意义。秸秆中含有大量的纤维素、木质素，这是导致发酵速率低的主要因素。若将秸秆直接入沼气池进行发酵产气慢、产气量少、不经济、无法大面积推广应用。沼气技术是近些年国家确立的重点研究和推广项目之一，经过多年来全国各地新能源战线技术人员的研究，户用小型沼气、养殖场沼气工程、污水处理沼气工程技术已日臻完善，并在全国大部分省、市得到了推广和应用，但是利用纯秸秆制取沼气技术仍处于开发研究阶段。经过多年的努力研究，河北青县攻克了纯秸秆制取沼气的技术难题，实现了沼气工程供气。

自上个世纪七八十年代以来，研究人员就采取各种各样的方法研究秸秆前处理、预处理、发酵菌剂、发酵温度、C／N比、PH等在秸秆制取沼气中发挥的重要作用。但是利用纯秸秆不添加氮素很难制取沼气，并且很容易酸化造成发酵失败，因而一直没有实体纯秸秆沼气工程应用于实际中，河北省青县沼气技术人员在各级各部门的支持下，经过几十年的研究、试验和实践，克服了种种困难攻克了纯秸秆很难制取沼气技术难题，成功建成大型秸秆沼气工程投入实际运行，并申请了“回流发纯秸秆连续发酵沼气新工艺”专利。2007年7月15日到8月31日农业部沼气科学研究所对青县钢板焊接的400m3秸秆沼气工程运行情况进行了为期33天的工程运行现场监测。并于9月3日，农业部沼气科学研究所组成了以颜丽研究员为组长、李景明处长为副组长、梅自力研究员、符征鸽研究员、赵跃新副研究员为成员的专家组，专家组给出了：“该工程的运行数据详实可靠，池容产气率达到1.1m3／m3·d，每投入1公斤秸秆可以产生沼气0.5m3左右，该工程技术达到实际运行水平，可以推广使用”的评审意见。

为加快纯秸秆沼气技术推广，河北省青县成立了河北耿忠生物质能源开发有限公司，下大力度推广秸秆沼气工程技术，该公司就纯秸秆沼气工程进行了各种建设模式探索。2010年1月农业部沼气产品及设备质量监督检验测试中心对青县耿官屯秸秆沼气工程进行了检测，日平均产气在1200m3以上，给出结论是池容产气率达到1.2m3／m3·d的报告。

1　大型秸秆沼气工程发展概况

自上个世纪七八十年代开始，青县就着手研究利用纯秸秆制取沼气的技术研究。经过二十多年的研究，在纯秸秆制取沼气技术上取得了实质性进展。2005年东姚庄村成功建成全地上砖混结构400m3大型秸秆沼气工程一处，并为青县明发食品厂供气。虽然实现了纯秸秆制取沼气，且产气率很高，但工程设计上存在不足和问题。在青县县委县政府的支持下，2006年开始建设第二处400m3大型钢板焊接的纯秸秆沼气工程。于2006年12月底满足了马厂镇明发食品厂生产用气以及食品厂周围20余户农民用气，2007年满足了全村600多户村民生活用气。自2007年成功供气以来，全村村民一直使用沼气做饭。在借鉴东姚庄村秸秆沼气工程建设经验的基础上，清州镇耿官屯村2008年建成650m3大型秸秆沼气工程一处，满足995户居民用气。在东姚庄村、耿官屯村的带动下，青县按照现代工业化理念，企业化管理，市场化运作，规模化经营的发展思路，实现“集中建站，联村供气”。2009年青县共有五个村开始建设大型秸秆沼气工程，5个村大型秸秆沼气工程发酵罐总容积达到7200m3，可满足8000户居民用气。

2　纯秸秆沼气工艺技术

2.1工艺技术发展

秸秆中温高浓度发酵工艺制取沼气工程技术在其他工程建设过程中又不断改进和提高。随着2005年砖混结构纯秸秆沼气工程的停用，在总结经验的基础上2006～2007年建成沼气工程并投入使用。目前，该工艺技术已经成熟，并具备大范围推广的实力。

2.2工艺技术路线

秸秆中高温高浓度发酵工艺技术路线是：

应用仿生学原理，即生物有口、胃和排泄器官，秸秆沼气工程有进料口、发酵罐和出料口，以搅拌机、泵为动力，将秸秆同其它辅料按照一定比例混合均匀加一定量的热水，搅拌后，经过进料口靠泵体动力将发酵混合原料打入沼气发酵罐，在30℃～55℃和pH6.8～7.5的环境下进行发酵产气。其过程如下：

秸秆－粉碎或铡切－(青贮)－(加土、加添加剂)－加菌种－加入50℃～60℃热水－搅拌－打入发酵罐－产气－脱水－脱硫－入储气罐－(将CO2和CH4分离后提纯为天然气)－调压输配系统－供企业和农户使用

2.3核心技术特点

钢板焊接的高强度沼气发酵罐体；良好的防腐、防渗漏性能和保温性能；秸秆不需要复杂的预处理即可产生沼气技术；pH值要在6.8～7.5范围内；C／N比例在20～30：1以外也能正常产气；添加剂的开发研究；秸秆降解率、能源转化率高。

2.4创新点

纯秸秆中高温高浓度发酵工艺制取沼气；鲜体秸秆、干体秸秆均能产生沼气；秸秆加工精度研究；两种上料方式；池体采用聚氨脂发泡保温，保温效果好、运营成本低；运行管理模式创新；全地上式秸秆沼气发酵装置，多点进料，多点出料，采用顶部进料底部出料。

2.5青县秸秆沼气工程十大特点

2.5.1采用纯秸秆制取沼气。采用纯秸秆中高温高浓度发酵工艺技术制取沼气。

2.5.2秸秆能源转化率高、降解率高。每2kg干体秸秆或5.5～7.5kg鲜体秸秆可产出1m3沼气，绝大多数植物秸秆均可使用，原材料取之不尽用之不竭。

2.5.3池容产气率高。经农业部沼气产品及设备质量监督检验测试中心冬季低温环境下检测，池容产气率达到1.2m3／m3·d以上，CH453％以上。

2.5.4进、出料方式创新。采用上进料，下出料方式，同时多点进料、多点出料以及两种上料方式，在实现循环接种以及搅拌料液的同时，有效的解决了料液结壳、挂壁以及料液排出不畅等问题。

2.5.5不需要搅拌装置。发酵罐内无搅拌装置，既节省了设备投资，还降低了运行费用，减少了工程安全隐患。

2.5.6原料不需要复杂预处理。秸秆粉碎或铡短后，直接使用(鲜体秸秆也可以先青贮)，不需要复杂的生物、化学处理。

2.5.7以钢板焊接工艺制造发酵罐、储气罐等主体工程，采取新型防腐技术，优于砖混、混凝土及其他材料建设。该工艺施工快、强度高、耐高压、耐腐蚀、密封性好、使用寿命长、容易维修和改造等，即使若干年以后工程报废，废旧钢材易回收、无污染、价值远高于混凝土或其他材料制作的工程，实现物质的良性循环。

2.5.8加热创新。以太阳能加热增温为主，冬季辅助以沼气锅炉加热，多能开发，节约能源，高效运转。

2.5.9现代化监测与控制。发酵罐内多处安装温度检测仪，实时检测罐体内不同部位的温度；雷达测位仪，监测料液位置；采用CH4、CO2、pH值等分析仪，随时检测相关数据；为工程运行管理提供必要的数据；实现站区内自动化控制，并通过因特网实现各个站区的远程监控。同时采用调压式干式储气罐，配以先进的输配增、减压输配系统，同时采用防超压、负压系统，使得储气、用气更加安全稳定。

2.5.10发酵剩余物为沼渣，基本无沼液排出。沼渣无异味，直接用于大田、果树、蔬菜、花卉底肥或追肥，也可以经过深加工后成为附加值更高的无公害有机肥或育苗基质等。

2.6应用和成果情况

近年来，青县结合新农村、新民居建设，大力发展秸秆沼气工程，积极探索大中型秸秆沼气工程的建设和使用，推进农村小城镇化建设。截止2009年，河北耿忠生物质能源开发有限公司经过先后六代的完善和改进形成了钢板焊接沼气工程。到2010年，该公司已经为青县东姚庄村、耿官屯村、王胜武屯村、范官屯村及陈缺屯村、黄骅市西排村、白庄村先后建成了300m3～2000m3大型秸秆沼气工程7处。目前，青县秸秆沼气工程供气能力达到8000多户，沧州范围供气能力12000户。由该公司采用第七代技术承建的总供气能力为3000户的秸秆沼气工程正在建设中，拟建的有河北承德双桥区，辽宁沈阳、吉林白城、黑龙江852农场等多处。

通过近几年的试验、示范，秸秆沼气集中供气系统工程初见成效，取得了一定的经济、社会和生态效益。

3　后期运行管理模式

3.1人员及管理

东姚庄沼气站管理人员6人，满足了600多户村民、两个食品厂的生活生产用气；耿官屯沼气站4个人，满足了近1700户居民、喜庆大厅、河北耿忠生物质能源开发有限公司用气。一般情况下，800户左右的沼气站管理人员2～3人即可；1000户以上的工人沼气站由3～6个人即可满足管理要求。

3.2沼气站日常管理

沼气站日常管理包括：秸秆集中收购、加工及青贮管理；发酵原料上料管理；发酵罐排料管理；输气管理；料液控制管理；温度控制管理；pH值检测管理；安全消防管理；相关数据记录管理；24小时轮流值班制度；突发事件应急预案制度等。

4　建设内容及投资成本

根据多年的建设经验，按照不同的标准1000户以上的秸秆沼气工程户均投资在3500～6000元左右。以建设较高标准1000m3沼气工程为例，估算投资595万元，建设内容包括：土建工程110万元；输配管网110万元；发酵罐、储气罐、站内输配系统、净化系统、消防系统、加热系统、自控系统等300万元；沼气灶具、计量表、漏气报警器55万元；勘察、设计、预算、监理20万元。(不包括科研、初步设计、不可预见等费用)。

5　运行成本与效益分析

以1000m3沼气工程为例分析运行成本与效益。

5.1运行成本

保守估算，年消耗鲜体玉米秸秆2737t，年产沼气36.5万m3，产沼渣1200m3。秸秆、人工、水、电、冬季取暖、柴油及维修费等成本约1.2元／m3。

年消耗原料2737t，按100元／t计算，计27.37万元。

秸秆收集、加工、水、取暖、柴油、电费，按0.2元／m3，计7.3万元，操作工人工资每人每月1200元，计5×1200×12=7.2万元

设备维修及维护费2万元

年生产成本为：27.37+7.3+7.2+2=43.87万元

每立方米沼气平均成本为：43.87／36.5=1.2元

此处，沼渣没有计算价值，因此，1000m3沼气站盈亏平衡点为1.2元／m3。

5.2各种燃料对比及效益分析

5.2.1秸秆沼气与液化石油气对比。1m3的沼气和0.5kg液化气的热值相当，目前青县液化气市场价格是9元／kg。沼气站1m3沼气可盈利：4.5-1.2=3.3元，年盈利：36.5×3.3=120.45万元。

5.2.2秸秆沼气与煤的对比。1m3的沼气和1kg原煤热值相当。由于沼气灶具的热效率约是煤炉灶热效率的3倍，因此每立方米沼气相当于3.3kg原煤。据调查，青县农户使用蜂窝煤用于日常生活用能的已经不多，一般每户每天用蜂窝煤5块，每块约1kg即5kg，蜂窝煤价格在450元／t，每天约2.25元，因此煤与沼气相比没有优势。

5.2.3秸秆沼气与天然气的对比。根据2011年11月28日中国新闻网《中土签天然气进口大单多元战略倒逼气价改革》中国与土库曼斯坦近日签署协议，土库曼斯坦通过中亚天然气管道输往中国的天然气每年将增加250亿m3，年总量达到650亿m3。加上已经与哈萨克斯坦、乌兹别克斯坦签署的协议，我国通过天然气管道从中亚三国进口的天然气每年将达到800亿m3。

根据我国与中亚三国签署的天然气供应协议，管道气的到岸完税价在2.6元／m3左右，而目前按照政府规定，国内管道气出厂价仅为1.15元／m3，比进口气的价格低了不止一倍。这意味着，我国从中亚每进口1m3的天然气，就至少要承受1元多的损失，每年进口800亿m3的天然气需要承受的损失就会达到约1000亿元。

据调查青县、任丘、沧州天然气入户初装费2500～2600元每户，居民还要自己安装灶具、报警器等。目前收费价格在2.2～2.75元／m3，天然气公司保本或微利。按照秸秆沼气每2m3可以提纯为1m3天然气计算，只有天然气价格高于2.4／m3用秸秆沼气才能有利润。一是做秸秆沼气的一般农户筹资都在1000元以下，甚至有的村村民不用筹资，所有费用均由村集体补贴比天天然气入网费低；二是从长远看天然气价格是不断上涨的，这样看秸秆沼气优越于天然气。

5.2.4秸秆沼气与电对比

一般家庭做饭、烧水每天用电大约3度左右，我县居民用电0.52元，大约1.56元，和使用秸秆沼气差不多。

5.2.5秸秆沼气工程总效益：一般供应农户沼气优惠售价是1.6元／m3，沼气站盈利0.4元／m3。

沼气年盈利：36.5×0.4=14.6万元；

沼渣售价20元／m3，年收入：1200m3×20元／m3=2.4万元；

当前青县液化气市场价格是9元／kg，农民每使用1m3沼气(相当于0.5kg液化气)可节省2.9元，农民每年节支：36.5×2.9=105.85万元。

0.067hm2(1亩)地收鲜体玉米秸秆1700kg左右，收购价0.1元／kg，因此0.067hm2(1亩)地农民可增收170元左右。农民将秸秆卖给沼气站可增加收入：2737t×100元／t=27.37万元；

秸秆沼气工程年促进节支增收：14.6+2.4+105.85+27.37=150.22万元；

按照市场价格沼气工程收益：150.22-27.37=122.85万元。

根据此方案该沼气站大约5年左右便可收回成本。

如果将沼气进行分离提纯后，成为天然气和二氧化碳，天然气用于汽车加气或工业使用，二氧化碳用于工业及棚室蔬菜施肥，使其用途更为广泛，效益更高。将沼液、沼渣进行深加工后，成为绿色有机肥料，每m3沼渣可增加附加值350元以上。

5.3社会效益

秸秆沼气工程的建设可以极大的促进新农村、新民居建设。推广秸秆沼气后，农作物秸秆不再入村，街道、庭院干净卫生，改善了农村脏乱差的环境面貌；改变了农民传统的生活方式，厨房干净卫生，做饭不再是烟熏火燎；用沼气做饭时间也缩短了，每户每天可节约1小时，节约的时间可用于打工增加收入，也可用于读书、看报、娱乐等。

5.4生态效益

1000m3的秸秆沼气工程可以满足1000户以上居民使用，通过使用沼气，因2公斤干体秸秆可以产生1m3沼气，一般每户每天可减少燃烧秸秆5公斤，1000户居民每年减少直接燃烧秸秆1825t；可以节约标煤260t；减排CO2676t；减排SO22.21t；减排氮氧化物1.92t；减排粉尘0.31t减少大气污染，减少了水土流失，有效的保护了生态环境。

采用秸秆沼气工程技术，0.067hm2(1亩)地的玉米秸秆保守估计能产生200m3的沼气，也就是相当于生产出100kg液化石油气，如果用沼气代替煤炭等其他能源用于工业生产就会更绿色环保，更符合国家的产业政策。其价值可想而知，该工程技术的推广实现了“开发绿色能源，不与人争粮，不与粮争地”的目标，在能源紧缺的当今时代，符合发展低碳经济、循环经济的要求，能促进节能减排，实现资源的循环利用。如果将全国废弃及焚烧的2.15亿t秸秆用该工艺技术全部转化成沼气，大约产生1075亿m3沼气，相当于产出了7676万t标煤，从而可以极大的保护生态环境。