生物质能 德国沼气发电特点及典型工程

1 德国沼气发电特点

德国沼气工程普遍采用 “混合厌氧发酵、沼气发电上网、余热回收利用、沼渣沼液施肥、全程自动化控制”的技术模式，通过该模式的实施，实现发酵原料全方位综合利用，并通过电、热以及沼渣沼液外售给工程运行带来收益。

沼气发酵原料多样化，多以玉米青储 为主，同时生活垃圾的厌氧发酵处理也较普遍；沼气发酵通常采用 CSTR 湿发酵工艺， 选用各种搅拌方式（如机械搅拌、沼气搅拌、料液回流搅拌等）对发酵料液进行搅拌，提高原料的产气率。

干发酵工艺的应用亦趋于成熟，节约工程占地，降低运行能耗； 每处沼气工程均根据发酵原料的不同对发酵工艺加以灵活改进。

沼渣沼液最终作为有机肥被完全消纳利用； 一方面能促进农作物优质生长；另一方面是避免沼渣沼液的二次污染。

沼气脱硫普遍采用生物脱硫方法，降低脱硫成本；有些工程将化学原位脱硫与生物脱硫相结合， 更有效地去除沼气中硫化氢成分， 在实际运行中有些工程产生的沼气中硫化氢含量低于 50×10^-6。

沼气工程配套设备与技术装备先进，如进料设备、搅拌设备、脱硫设备、沼气存储设备、热电联产成套设备等优良性均处于世界沼气行业的领先地位，并且沼气工程自动化程度高，此次考察的所有沼气工程无论规模大小全部只需一人管理即可稳定运行，节省人力资源，降低运行成本。

2 德国沼气发电典型工程

1）Klein Schwechten 沼气发电工程

Klein Schwechten 沼气发电工程位于德国柏林郊区一农场，由农场主投资建设，于 2006 年建成并运行。


该工程采用两步湿发酵工艺，发酵原料为玉米青储、谷物、干草、牛粪，实现热电联产，发电装机容量为 350 kW。


主要工艺流程如图。


固体原料经进料机器搅拌均匀后进入水解酸化池，液体原料由泵泵入水解酸化池，池中设有潜水搅拌器将原料搅拌均匀，并有加热系统，使得池中料液温度保持 25 ℃， 水力停留时间 （HRT）为2～3 d，同时添加化学脱硫剂进行原位脱硫；水解酸化后料液经切割泵进入一体化 CSTR 反应器进行厌氧发酵， 发酵周期为 30 d， 池内料液 TS 为6%， 池内设有加热系统， 使得料液温度保持 40℃， 产生的沼气经反应器顶部储气膜暂存后进入发电机组发电， 其中发电量的 6%～7%由农场自用，其余并入电网，多余的沼气通过火炬燃烧；产生的沼渣、沼液流入储存池，一定时期后外运作为肥料施用于附近农田。

2）Farm Wiesenau 沼气发电工程


Farm Wiesenau 沼气发电工程位于德国柏林郊区一农场，由农场主投资建设，分为两期工程，其中一期工程 2006 年建成，发电装机容量为 500kW， 二期工程 2007 年建成， 发电装机容量为 1MW。


两期工程均采用一步法湿发酵工艺，发酵原料包括玉米青储、谷物、草、牛粪。


主要工艺流程如图。


固体原料经进料机器搅拌均匀后直接进入CSTR 反应器， 液体部分经储液池被泵入 CSTR反应器，同时向储液池中添加化学脱硫剂进行原位脱硫；反应器中料液不断被泵入外部热交换器中进行热交换，使得反应器中的料液温度维持在40 ℃；料液在 CSTR 反应器中厌氧发酵 21 d，发酵后料液进入一体化二次发酵反应器进行 30～40 d 二次发酵，产生的沼气与 CSTR 反应器中产生的沼气在反应器顶部经生物脱硫后于储气膜中暂存，用于发电上网，产生的沼渣沼液进入沼渣沼液池储存，一定时间后外运作为肥料施用于附近田地。

3） Friedersdorf 沼气发电工程


Friedersdorf 沼气发电工程位于德国柏林郊区一农场，于 2005 年实现正常运转。


该工程采用干发酵工艺，发酵原料为玉米青储、苜蓿、牛粪等，实现了热电联产，发电总装机容量 500 kW。


主要工艺流程如图。


玉米青储与苜蓿堆放 9 d 后与牛粪按比例混合，并调节 TS 至 33%，之后用铲车将混合后的原料运送至干发酵仓进行厌氧发酵，发酵周期为 24d，共有 8 个干发酵仓，交替式发酵，每隔 3 d 对其中 1 个干发酵仓进行进出料；
发酵时产生的渗滤液由发酵仓底流入地下水罐，水罐中的加热系统，使罐中液体保持 43 ℃；
水罐中的液体由干发酵仓顶部的喷头喷入仓内，保持发酵原料适宜的湿度，同时也可以维持干发酵仓内 40 ℃左右的温度；
发酵产生的沼气进入膜储气柜中储存， 加压后用于发电上网；
发酵残渣可堆肥，腐熟后的肥料施用于附近农田；
发电产生的余热除用于水罐中液体的加热外，还用于农场附近学校等公共设施的取暖。

4）  Schollnitz  沼气发电工程


Schollnitz 沼气发电工程建成于 2007 年，是德国一家能源公司专利工艺的示范工程， 该工艺将沼气发酵中的水解酸化阶段和产甲烷阶段分离开，从而实现高原料产气率及沼气中高甲烷含量。


采用的发酵原料为玉米青储、草、牛粪，实现了热电联产，发电总装机量 250 kW。


工艺流程如图。


混合后的发酵原料（TS 为 12%～14%）由铲车运送至发酵仓水解酸化， 水解酸化过程中产生的气体经气体过滤器过滤，去除有害气体后外排，发酵残渣堆肥后用作农肥， 水解液由发酵仓底部小洞流入水解缓冲罐， 经外部热交换器加热后少部分水解液回流至发酵仓以保持原料湿度及仓内发酵温度，其余泵入产甲烷反应器厌氧发酵产沼气，生成的沼气进入膜储气柜储存，加压后用于发电；最终产甲烷反应器出水作为肥料施用于农田。

1.5 Radeburg 垃圾及废水处理工程

Radeburg 垃圾及废水处理工程于 1999 年建成，已经成功运行 10 年，该工程用于处理 Radeburg 市 10 万居民的生活垃圾及生活污水， 发电总装机容量 1 MW，实现了废物的减量化、资源化和能源化利用， 其中生活垃圾采用厌氧湿发酵处理，生活污水采用好氧处理。


该工程的生活垃圾处理单元主要工艺流程如图所示。



对 Radeburg 市经分类的生活 垃圾依次粉碎、灭菌后进入预处理仓处理，预处理时产生的废气经过填料滤池过滤后排放；


预处理后垃圾在CSTR 反应器中进行混合发酵， 产生的沼气进入膜式储气柜储存，一部分回流用于 CSTR 反应器中料液搅拌，其余沼气用于发电上网；


发酵后料液进入缓冲罐暂存，之后进行固液分离，得到的沼渣进一步堆肥处理后作为农用肥，沼液与生活污水一同经好氧处理后达标排放。