【文章內容簡介】 我國沼氣產業(yè)發(fā)展存在的主要問題從總體發(fā)展水平來看，我國沼氣產業(yè)的整體水平與發(fā)達國家相比還有較大差距，還沒有實現(xiàn)“產業(yè)化”。德國和中國是目前世界上處理農業(yè)廢棄物沼氣工程數(shù)量最多、發(fā)展最快的國家。但我國沼氣工程的整體技術水平和運行效率與德國還相差甚遠。本論文將通過對比我國和德國沼氣產業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀，詳細分析我國沼氣產業(yè)發(fā)展存在的主要問題。（1） 大規(guī)模工業(yè)化生產比例小，整體運行效率低 目前，我國沼氣建設主要還是以農村戶用沼氣為主，池容通常只有 6~10m3，產生的沼氣主要用于農戶炊事。處理農業(yè)廢棄物的沼氣工程也主要是建在規(guī)?；笄蒺B(yǎng)殖場，由于受養(yǎng)殖場數(shù)量、規(guī)模和地域等條件限制，其數(shù)量有限，規(guī)模也以中小型為主。而且，這些農村戶用沼氣及農業(yè)廢棄物沼氣工程的建設大都是在國家扶持的情況下建設并推廣的，否則推廣起來是非常困難的。因此，我國沼氣產業(yè)盡管發(fā)展勢頭良好，數(shù)量很大，但規(guī)模小、平均裝置容積小、產氣率低、技術水平上升緩慢、沼氣的利用更多是采用“自產自消”型的模式，無論是現(xiàn)在還是將來，都無法形成規(guī)?；托纬僧a業(yè)化。[17]。類型戶（或處）產氣量（億m3/方）所占比例（%）工業(yè)沼氣工程700%戶用沼氣池21740000%農業(yè)小型沼氣工程181197%農業(yè)大中型沼氣工程8576% 2007年我國各類沼氣工程數(shù)量及產氣情況名稱中國德國運行數(shù)量（處）33562680平均每處容積（m3/處）2831000年產氣量（萬m3）130280平均每處日產氣量（m3）1771322容積產氣率（m3/m3d）~~沼氣發(fā)電裝機容量（MW）沼氣發(fā)電量（GWh）發(fā)電沼氣占總沼氣產量的比例（%） 2010中國與德國大中型沼氣工程運行情況對比 ， 倍，%，%。這主要是由于我國處理農業(yè)廢棄物的沼氣工程平均裝置容積只有 283m3/處，~d，僅為德國沼氣工程平均裝置容積的 %，容積產氣率的 20%~33%。因此，要實現(xiàn)沼氣產業(yè)化，大規(guī)模工業(yè)化生產是前提，產業(yè)化就意味著先必須實現(xiàn)工業(yè)化生產。只有實現(xiàn)工業(yè)化生產，配套的發(fā)酵工藝、發(fā)酵裝置、輸配氣設備以及沼氣的燃燒設備等技術水平才能得到整體提升，其工程整體運行效率也才能得到整體提高，也才有利于實現(xiàn)沼氣集中供氣、沼氣發(fā)電并網(wǎng)、沼氣汽車燃料等產業(yè)化運作模式。（2） 產業(yè)配套法規(guī)、政策不完善，市場機制不健全 我國沼氣工程建設主要是以政府補貼拉動及環(huán)保要求引導建設，市場流程并沒有完全打通。長期以來，沼氣產業(yè)發(fā)展沒有明確的市場信號，雖然國家政府對其發(fā)展給予了一定的支持，但由于沒有建立起強制性的市場保障政策，無法形成穩(wěn)定的市場需求，沼氣產業(yè)的發(fā)展缺乏持續(xù)的市場拉動。國家引導的沼氣發(fā)電上網(wǎng)也因入網(wǎng)困難而難以大面積推廣，致使很多沼氣工程建成之日也是項目停產之日，導致國家及政府大量的資金和資源浪費，更談不上經(jīng)濟效益和社會、生態(tài)效益，與原有意愿相差甚遠。更有甚者，一些部門及企業(yè)借上沼氣工程之名套取國家補貼，粗制濫造設備賺錢，嚴重擾亂了產業(yè)市場的發(fā)展。 相比之下，德國沼氣補貼政策全面，不僅對原料有補貼，對產品如發(fā)電和管道輸運天然氣都有補貼，而且對采用新的厭氧發(fā)酵技術和凈化、純化技術也有相應補貼。以公平、全面的原則對整個沼氣產業(yè)進行審視，關注到每個發(fā)展節(jié)點，并大力推動項目的進行。整套法規(guī)和政策全面而且是閉合的，國家政府對沼氣的補貼資金最終來源于終端用戶，由國家立法，要求用戶必須消費一定比例的可再生能源，使政府的法律政策可執(zhí)行可持續(xù)。 由此，我國已經(jīng)規(guī)劃在“十二五”期間，重點探索對沼氣工程發(fā)電上網(wǎng)、熱能回收、提純灌裝、沼肥利用等開展補貼，引入清潔發(fā)展機制，統(tǒng)籌沼氣工程環(huán)境治理、能源利用、肥料生產等多重目標，實現(xiàn)沼氣產業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。（3）產業(yè)關鍵技術和裝備水平相對較低 德國沼氣產業(yè)關鍵藝術和裝備的領先是其沼氣產業(yè)快速發(fā)展的一個重要因素。德國沼氣工程的產氣率和設備利用率均較高。例如發(fā)酵罐攪拌電機，同等規(guī)模的沼氣工程德國只需8KWh，而我國的設計高達100KWh，運行能耗差距懸殊。再如換熱設備，德國瑞士廠家能將18℃的余熱回收到16℃，只有2℃的溫差，而我國的設計一般要達到 50℃的溫差，設備制造和設計理念差距懸殊。此外，沼氣凈化純化生產天然氣工藝，德國可將凈化純化的壓縮機余熱回收用于發(fā)酵罐的加熱，而我國目前還難以達到該水平，一般是另設加熱源加熱。德國的凈化純化技術已經(jīng)形成水洗、PSA（Pressure Swing Adsorption）和胺洗等三個系列成套技術，技術先進成熟，而我國才剛剛起步。且由于我國沼氣工程規(guī)模偏小，即使引進國外的水洗、PSA 和胺洗也會遇到問題，難以達到德國本地的技術指標，需要進一步的引進消化吸收以及改進。 綜上所述，我國沼氣產業(yè)的發(fā)展，必須要從現(xiàn)在的主要局限于農村戶用，逐步向工業(yè)化生產和工業(yè)化應用的方向轉變。通過相關扶持政策，探索適合我國沼氣產業(yè)發(fā)展的產業(yè)鏈，走市場化的道路，按照市場規(guī)律運作，使沼氣的綜合效益得以利潤體現(xiàn)，才能開辟出新的沼氣產業(yè)化途徑。 實驗研究目的，技術路線 我國目前的農作物發(fā)酵制沼氣技術與發(fā)達國家相比,起步較晚,大型項目的運行經(jīng)驗相對較少。由于我國幅員遼闊,不同地域的農作物資源種類不同,其物理和化學性質也有較大的差別,加之我國不同地區(qū)年平均氣溫差別較大,使我國農作物厭氧發(fā)酵制備沼氣的大型項目難有統(tǒng)一的設計參數(shù)標準。對于不同的大型沼氣項目,必須結合項目實際的農作物種類和物性、氣候條件、供熱條件、沼液和沼漁的消納和后續(xù)處理工藝、農作物的價格和最大運輸半徑、原料的儲存和供料方式、發(fā)電機組的選型等因素進行綜合考慮,才能使項目實施后獲得最佳的經(jīng)濟和社會效益。 根據(jù)我國農作物制備沼氣技術的應用現(xiàn)狀,結合本文研究的農作物制備沼氣項目實際案例,本文的研究目的為:。研究發(fā)酵原料的物理化學性質和產氣率,提出合理估算農作物（主要是黃瓜藤）和粒徑的方法,為項目實例提供工藝選擇、系統(tǒng)設計和經(jīng)濟性計算提供可靠依據(jù)。 為了實現(xiàn)上述目的,本文研究內容主要集中如下幾個方面:（1）研究農作物破碎預處理的特點,為合理計算破碎預處理能耗提供計算方法。（2）研究了黃瓜藤的鮮活度對發(fā)酵產氣量和產氣速率等因素的影響。（3）不同投配率對發(fā)酵產氣量和產氣速率等因素的影響；為了厭氧發(fā)酵反應的持續(xù)反應，同時還研究不同投配率對于pH值的影響。 論文章節(jié)安排本論文共包括六章內容。第一章介紹課題的研究背景，國內能源消費和可再生能源利用現(xiàn)狀，以及課題的主要研究內容和意義。第二章厭氧發(fā)酵反應制備沼氣的基本原理和影響參數(shù)。第三章闡述農作物的破碎原理，從中說明粒度與能耗間的關系，并且從能耗的角度分析不同粒度的顆粒的耗能情況。第四章針對需要采用實驗方法對各個因素進行研究，確定實驗的數(shù)據(jù)測量的方法以及實驗進行過程中需要的注意事項，防止實驗失敗。第五章實驗采用定制CSTR厭氧反應器對黃瓜藤在中溫條件下進行厭氧消化反應實驗，研究系統(tǒng)的穩(wěn)定性能和產氣性能。第六章作出對課題的總結和展望，總結本課題的研究成果，并提出不足之處和以后還需進一步研究的方向。第2章 厭氧發(fā)酵原理及其工藝 農作物作為發(fā)酵原料，用來制備沼氣是生物質厭氧發(fā)酵的一種。如本文第一章所述,生物質發(fā)酵根據(jù)發(fā)酵過程中是否存在氧氣,可分為好氧發(fā)酵和厭氧發(fā)酵。好氧發(fā)酵的主產品是有機肥,厭氧發(fā)酵的主產品可以是有機肥或沼氣。如果生物質厭氧發(fā)酵的主產品是沼氣,則稱為生物質發(fā)酵制備沼氣。 有機物厭氧降解基本過程 厭氧處理過程是由多種微生物共同作用完成的,微生物將有機大分子化合物通過轉化成了CHC0H2O、H2S和氨等物質。在厭氧發(fā)酵過程中,微生物相互間影響、相互間約束，微生物之間共同組成一個生態(tài)系統(tǒng)。從上世紀70年代中起,研究者們就對厭氧消化技術進行了廣泛的研宄并取得了很多成果。厭氧生物降解基本過程如圖21所示[18]。 ；；； ； 圖21 大分子有機物的厭氧降解過程 一、水解階段 水解階段是非溶性的大分子化合物被轉化為簡單的小分子化合物或單體的過程。大分子有機化合物相對分子質量都比較大,不能被微生物直接吸收利用。這些大分子的有機化合物首先在被轉化為小分子化合物,這些小分子化合物就很容易被微生物利用。通常水解反應過程可用下式表示。RX + H2O—ROH + X+H+式中:R有機物分子的碳鏈主體 X分子中的極性基團 發(fā)酵階段 在發(fā)酵過程中,發(fā)酵微生物首先將小分子化合物轉化為簡單的物質,分泌到細胞外。因此，這一過程也稱為酸化階段。這一階段的最終產物主要有揮發(fā)性脂肪酸（VFA）、二氧化碳、氧氣、氨、硫化氫等氣體物質。同時,厭氧發(fā)酵過程中，微生物也會合成新細胞進行自身的增殖,所以系統(tǒng)會產生剩余污泥。一般的底物在進行酸化反應時,部分氨基酸的分解是通過所謂的史提克蘭德反應進行的,該反應需要兩種氨基酸的參與,或者說它需要和其他分子同時進行反應,其中一個氨基酸分子進行氧化脫氮,同時產生H+使另外一種氨基酸的兩個分子還原,兩個過程都有脫氧基的作用。以丙氨酸和甘氨酸的降解為例來說明它們就需要這種偶聯(lián)反應。CH3CHNH2C00H+2H20—CH3COOH+CO2+NH3+4H+2CH2NH2COOH+4H+—2CH3COOH+2NH4即為: CH3CHNH2COOH+2CH2NH2COOH+2H2O—3CH3COOH+3NH4+CO2這里丙氨酸作為電子的供體,甘氨酸作為電子的受體。而丙氨酸和甘氨酸都是有機物,卻一個作為電子供體,另一個作為電子受體。這一特點說明,酸化反應過程是一個不穩(wěn)定并且沒有進行到底的過程。 產乙酸階段 發(fā)酵階段的最終產物在產乙酸菌的作用下被進一步轉化為CH3COOH、H碳酸和新的細胞物質。這些微生物能把各種VFA降解為乙酸和氫氣。其反應如下[16]:CH3CH2OH+H2O—CH3COOH+2H2CH3CH2COOH+2H20—CH3COOH+3H2+C02CH3CH2COOH+2H2O—2CH3COOH+2H2四、產甲烷階段 在這一階段過程中,產甲烷微生物將CH3COOH、H碳酸、甲酸和甲醇等轉化為甲烷、二氧化碳和新的細胞物質。有些細菌能夠直接利用乙酸產生甲烷,在一般的厭氧反應器中,由乙酸分解產生的甲烷和由氫氣分解產生的甲烷的比例為7:3。利用乙酸: CH3COOH4—CH4+CO2利用 H2 和 C02 : H2+C02—CH4+H20上述4個階段還包含以下過程:(a)蛋白質、碳水化合物的和脂類發(fā)生變化是在水解階段發(fā)生的。(b)氨基酸和糖類的氧化、高級脂肪酸和醇類的氧化發(fā)生在厭氧發(fā)酵階段。(C)產乙酸階段包含從中間產物中形成CH3COOH和H2,由H2和C02形成CH3COOH。 (d)產甲烷階段包括由CH3COOH形成甲烷和從H2和C02形成甲烷。 厭氧發(fā)酵過程的特點(1) 厭氧生物處理能夠減少環(huán)境污染。能夠大幅度降低廢水中的COD、BOD的含量,減少水體富營養(yǎng)化；厭氧消化可以殺滅病原菌、微生物蟲卵；減少蚊繩的繁殖效率,避免了疾病的傳播。(2) 厭氧生物處理產生的污泥量較少、剩余污泥脫水性能好、濃縮時可以不使用脫水劑等優(yōu)點,因此,厭氧生物處理工藝受到廣泛應用。(3) 厭氧處理工藝可產生無污染的能源沼氣作為燃料使用。沼氣燃燒后的產物是水,因此對環(huán)境無污染。(4)厭氧生物處理可以把難被微生物吸收的有機氮轉化成氨或確酸鹽,從而提高營養(yǎng)成分的利用率。(5)厭氧生物處理后的沼澄、沼液施用到土壤中可以改良土壤、增加農作物的產量。(6)高濃度的有機廢水也可以用厭氧生物技術來處理。且不需要大量水稀釋。(7)厭氧生物處理可以節(jié)省費用。(1) 厭氧生物處理啟動周期較長。厭氧微生物的世代期長,微生物增長速率低,污泥增長緩慢,一般厭氧啟動期需要幾個月甚至更長的時間。如果增加接種污泥量來達到快速啟動,就會增加經(jīng)濟投入。(2)管理較復雜。由于微生物種類、性質各不相同,對運行管理較為嚴格。(3)厭氧生物處理后的廢水不能達到排放標準。厭氧生物處理對氮和 等營養(yǎng)元素的去除率不高,厭氧消化只是把含氧和磷的有機物轉化為氧氮和磷酸鹽,微生物合成新細胞用到的氮和磷也較少,因此,厭氧消化系統(tǒng)除水中氮和磷的含量一般達不到排放標準。氮和磷等營養(yǎng)物質排入水體可引起湖泊發(fā)生富營養(yǎng)化,由于該法的利用存在局限性,當被處理的廢水對氮和 的含量要求較高時,就應當采用厭氧和好氧相結合的處理工藝。(4)厭氧生物技術在處理廢水時可能會造成二次污染。由于廢水中硫酸鹽的存在,在厭氧條件下硫酸鹽被氧化而放出H2S等惡臭氣體。(5)厭氧微生物對有毒物質非常敏感,因此,要嚴格控制有毒物質進入?yún)捬跸到y(tǒng)中。 微生物降解動力學是指目標化合物的微生物降解速率。厭氧消化過程中的動力學主要有兩個方面的內容:即厭氧微生物生長動力學和有機物降解動力學。莫諾德(Monod)動力學方程可表示為:式中,為基質利用速率[mg/()]。為最大比基質利用速率[gCOD/(gVSSd) ]。 C為生長限制基質濃度(與生物體接觸的濃度,m