国内外大中型沼气工程主要工艺技术介绍--赵立欣

赵立欣ZhaoLixinBeijing14/12/2009国内外大中型沼气工程主要工艺技术介绍提纲飞•引言•沼气发展历程与现状•国内外大中型沼气工程主要工艺介绍•结语及展望一、引言沼气是一种清洁能源，从发现、发展到开发利用，经历了比较漫长的过程。同时沼气是一种取之不尽、用之不竭的可再生能源，具有资源量丰富、燃烧热效率高、使用清洁卫生等特点，在解决能源危机、缓解环境压力以及推动社会可持续发展方面将发挥重要作用。近几年来，随着能源和环境问题的日益突出，大中型沼气工程技术作为一种既可以处理废弃物，又能回收能源的工程技术，在世界上越来越受到广泛关注。——发展历程沼气的发展历程大致可分成以下三个阶段，即：1.萌芽阶段(18世纪末一19世纪初)2.起步阶段(19世纪50一70年代)3.发展阶段(1973年至今)在开始两个阶段中，沼气只是作为一种新兴事物出现在，国外（主要是欧洲）的学者对此做了很多尝试和实验，沼气真正作为一个产业出现还是上世纪源于六七十年代。二、沼气发展历程与现状二、沼气发展历程与现状——发展现状整体而言，经过几十年的发展，世界各国的沼气事业都取得了长足进步，但由于发展年限和方式不同，各国的发展呈现不同态势。1、国外沼气工程发展现状据世界银行统计数据显示：截止2007年年底，欧洲沼气产量达到590万吨油当量（相当于70亿Nm3天燃气）。其中德国为191万吨油当量/年，英国为170万吨油当量/年。德国、瑞典、英国、美国等欧美发达国家在沼气工程发展现状也代表了国际沼气工程产业的现状。二、沼气发展历程与现状（1）德国在欧洲国家中，德国是发展中小型农场沼气工程的典型代表，主要动力来自于一些优惠鼓励政策的出台。1990年实施的《电力并网法》规定：电力运营商有义务有偿接纳在其供电范围内生产出来的可再生能源电力。对于地理位臵不在电网运营商供电范围的可再生能源发电厂，距离该发电厂最近的电网运营商有接纳的义务，电网运营商由此产生的额外成本按照该法的规定在账目结算中分摊。二、沼气发展历程与现状（1）德国2000年德国政府公布的《可再生能源优先法》等国家鼓励沼气发电上网的一系列优惠政策的出台，为广大农场主建设沼气工程并通过发电上网增加收入创造了极好的法律环境。2004年，德国国会对该法案进行了重新修订，使小型农场的沼气发电上网更有吸引力，“发电盈利”成为许多农场主纷纷建沼气工程的主要动力。二、沼气发展历程与现状（1）德国据统计：1992年德国沼气发电工程的数量为139家，2000年1050家，2003年底迅速发展到3000家，到2006年，基本上每个月新建50座沼气工程，2006年底沼气工程的数量达到3500座。沼气发电的装机总量由1999年的50兆瓦猛增到2002年的250兆瓦、2008年的1300兆瓦。德国沼气协会估计,到2020年,总装机将达到9500MW。二、沼气发展历程与现状（2）瑞典瑞典是使用沼气作汽车燃料最先进的国家。1996年，瑞典开始把沼气提纯至甲烷含量95%以上，作为汽车燃料使用，并制定了相关标准。目前，有779辆沼气燃料公共汽车，4500辆汽油、沼气与天然气混合燃料的小汽车。2004年开始，也有火车以这种方式运行。在瑞典，交通工具所使用的气体燃料中，沼气占54%，其余是天然气。二、沼气发展历程与现状（2）瑞典2004年开始，哥德堡（Gothenborg）等城市把沼气与天然气管网连接，输送到用户。沼气厂的选址一般都建设在天然气管网旁，以便将沼气净化后输入天然气管网系统，用沼气替代天然气。斯德哥尔摩市居民使用的燃气，就是厌氧消化处理有机废弃物后得到并净化后的沼气。瑞典沼气协会估算，若以10%农地和林业废弃物生产沼气，沼气生产能力将达到853万吨油当量/年，而目前的瑞典全国能耗仅为768万吨油当量，到2020年瑞典成为世界上第一个不依赖石油的国家。二、沼气发展历程与现状（3）英国2002年英国开始实行绿色证书系统—《可再生能源义务证书系统》，该系统要求电力供应商每年增加可再生能源发电的份额，2005~2006年度为5.7%，2015年将达到15.4%。该系统中，沼气是最具代表性的可再生能源，沼气份额的增加主要是填埋气发电市场的增加，填埋气是绿色证书系统的受益者。2004～2005年度，沼气占可再生能源发电的35.9%（填埋气占33.6%，污水处理沼气占2.3%）。二、沼气发展历程与现状（4）美国美国在沼气方面主要集中在基础研究上，如产甲烷菌的基因排序、厌氧消化的生化过程、厌氧消化微生物菌群结构及沼渣沼液中的特殊生物酶，而应用技术研究相对较少。美国把沼气作为能源开发利用主要是垃圾填埋气，目前，垃圾场是美国沼气生产的主要来源，占总数的34％。2007年，美国垃圾管理公司已在北美运行281个垃圾场，其中100个已经具有某些沼气转换能源的能力。美国更注重新技术研发，已开始试验沼气燃料电池替代传统的内燃机发电。二、沼气发展历程与现状八十年代以来，规模化养殖场的逐年增加，畜禽粪便污染日趋严重；与此同时，我国农村用能短缺，大中型沼气工程迎来了第一个快速发展期。同时，中央投资不断增加，2003—2008年，中央累计投资国债资金105亿元，2008年底和2009年初，国家又紧急下拨拉动内需资金30亿元和50亿元，大大加快了沼气工程的建设步伐。中央不但在资金给予大力支持，在政策也给予了大力倾斜。2、国内沼气工程发展现状二、沼气发展历程与现状与欧美国家相比，中国的农村沼气起步较晚，但由于政策和资金的倾斜使其发展速度较快。据农业部统计数据显示：截至2008年年底，我国畜禽养殖场沼气工程达39510处，总池容451.476万立方米，年产沼气约5.2亿立方米。其中：大型沼气工程2761处，年产沼气约2.7亿立方米；中型沼气工程12864处，年产沼气约1.8亿立方米；小型沼气工程23885处，年产沼气7096万立方米。2、国内沼气工程发展现状二、沼气发展历程与现状作为我国农村沼气管理部门，农业部在我国沼气工程的发展中起了关键作用。近些年以来，配套党中央和国务院的各项政策，农业部制定和出台了大量的政策法规，并发布了《畜禽养殖场沼气工程设计规范》等多项标准和规范。这些政策法规为沼气工程搭建了的政策框架，为我国沼气工程的全面发展起到了保驾护航的作用。2、国内沼气工程发展现状是一种结构简单、应用广泛的工艺类型。该消化器无搅拌装臵，原料在消化器内呈自然沉淀状态。一般分为4层，从上到下依次为浮渣层、上清液层、活性层和沉渣层，其中厌氧消化活动旺盛的场所只限于活性层内，因而效率较低。多于常温条件下运行。我国农村最常用的水压式沼气池属常规消化器。三、国内外大中型沼气工程主要工艺介绍1、常规厌氧反应器进料出水沼气排泥全混式反应器是在常规消化器内安装了搅拌装臵，使发酵原料和微生物处于完全混合状态，与常规消化器相比，活性区遍布整个消化器，其效率比常规消化器有明显提高。三、国内外大中型沼气工程主要工艺介绍2、全混式反应器（CSTR）该消化器常采用恒温连续投料或半连续投料运行，适用于高浓度及含有大量悬浮固体原料的处理，例如污水处理厂好氧活性污泥的厌氧消化过去多采用该工艺。在该消化器内，新进入的原料由于搅拌作用很快与发酵器内的全部发酵液混合，使发酵底物浓度始终保持相对较低状态。而其排出的料液又与发酵液的底物浓度相等，并且在出料时微生物也一起被排出，所以，出料浓度一般较高。该消化器是典型的HRT、SRT和MRT完全相等的消化器，为了使生长缓慢的产甲烷菌的增殖和冲出速度保持平衡，要求HRT较长，一般要10～15天或更长的时间。中温发酵时负荷为3～4kgCOD/（m3·d），高温发酵为5～6kgCOD/（m3·d）。三、国内外大中型沼气工程主要工艺介绍•优点：①可以进入高悬浮固体含量的原料；②消化器内物料均匀分布，避免了分层状态，增加了底物和微生物接触的机会；③消化器内温度分布均匀；④进入消化器的抑制物质能够迅速分散，保持较低浓度水平；⑤避免了浮渣、结壳、堵塞、气体逸出不畅和短流现象。•缺点：①由于该消化器无法做到使SRT和MRT在大于HRT的情况下运行，所以需要消化器体积较大；②要有足够的搅拌，所以能量消耗较高；③生产用大型消化器难以做到完全混合；④底物流出该系统时未完全消化，微生物随出料而流失。三、国内外大中型沼气工程主要工艺介绍塞流式也称推流式消化器，是一种长方形的非完全混合消化器。高浓度悬浮固体原料从一端进入，从另一端流出，原料在消化器的流动呈活塞式推移状态。在进料端呈现较强的水解酸化作用，甲烷的产生随着向出料方向的流动而增强。由于进料端缺乏接种物，所以要进行污泥回流。在消化器内应设臵挡板，有利于运行的稳定。三、国内外大中型沼气工程主要工艺介绍3、塞流式反应器（PFR）•优点：①不需搅拌装臵，结构简单，能耗低；②适用于高SS废物的处理外，尤其适用于牛粪的消化；③运转方便，故障少，稳定性高。•缺点：①固体物可能沉淀于底部，影响消化器的有效体积，使HRT和SRT降低；②需要固体和微生物的回流作为接种物；③因该消化器面积/体积比值较大，难以保持一致的温度，效率较低；④易产生结壳。三、国内外大中型沼气工程主要工艺介绍UASB是目前发展最快的消化器，其特征是自下而上流动的污水流过膨胀的颗粒状的污泥床。消化器分为三个区，即污泥床、污泥层和三项分离器，分离器将气体分流并阻止固体漂浮和冲出，使MRT比HRT大大增长，产甲烷效率明显提高。污泥床区平均只占消化器体积的30%，但80～90%的有机物在这里被降解。该工艺将污泥的沉降和回流臵于一个装臵内，降低了造价。在国内外已被大量用于低SS废水的处理，如废酒醪滤液、啤酒废水、豆制品废水等。三、国内外大中型沼气工程主要工艺介绍4、升流式厌氧污泥床反应器（UASB）三、国内外大中型沼气工程主要工艺介绍4、升流式厌氧污泥床（UASB）•该工艺的优点：①除三项分离器外消化器结构简单，没搅拌装臵及填料；②长的SRT及MRT使其实现了很高负荷率；③颗粒污泥的形成使微生物天然固定化，增加了工艺的稳定性；④出水SS含量低。•该工艺的缺点：①需要安装三项分离器；②需要有效的布水器，使进料能均布于消化器底部；③进水要求低SS含量；④在高水力负荷或高SS负荷时易流失固体和微生物，运行技术要求较高。三、国内外大中型沼气工程主要工艺介绍4、升流式厌氧污泥床（UASB）USR是一种结构简单、适用于高悬浮固体原料的反应器。原料从底部进入消化器内，与消化器里的活性污泥接触，使原料得到快速消化。未消化的固体颗粒和沼气发酵微生物靠自然沉降滞留于消化器内，上清液从消化器上部溢出，这样可以得到比HRT高的SRT和MRT，从而提高了固体有机物的分解率和消化器的效率。三、国内外大中型沼气工程主要工艺介绍5、升流式固体反应器（USR）三、国内外大中型沼气工程主要工艺介绍美国人R.F.Fannion等曾用于海藻的中温厌氧消化。其TS浓度平均为12%负荷为1.6～1.9%Kgvs/m3.d，甲烷产率为0.6～3.2m3.d。首都师范大学周孟津等用于鸡粪废水的中温厌氧消化，负荷达10.5KgCOD/m3.d，产气率达4.9Kgm3/m3.d，在HRT为5天的情况下SRT可达24.5天。该反应器适用于高SS原料，应用前景广阔。我国已经用来处理酒精废液、畜禽粪便等，并取得较好效果。1986年由荷兰派克公司研究成功并用于生产内循环厌氧反应器，是目前世界上效能最高的厌氧反应器。该反应器是集UASB反应器和流化床反应器的优点于一身，利用反应器内所产沼气的提升力实现发酵料液内循环的一种新型反应器。三、国内外大中型沼气工程主要工艺介绍6、内循环厌氧反应器（IC）1进水；2第一反应室集气罩；3沼气提升管；4气液分离器；5沼气导管；6回流管；7第二反应室集气罩；8集气管；9沉淀区；10出水管；11气封；IC厌氧反应器的基本构造如同把两个UASB反应器叠加在一起，反应器高度可达16～25m，高径比可达4～8。在其内部增设了沼气提升管和回流管，上部增加了气液分离器。该反应器启动时，投加了大量颗粒污泥。运行过程中，用