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国际:丹麦集中式沼气工程发展模式分析与启示

来源:舒曼(河南)罐体设备有限公司     浏览量:2751    日期:2020-02-14

国际:丹麦集中式沼气工程发展模式分析与启示

前言

沼气技术是处理和利用农业废弃物的有效手段,欧洲国家一直重视沼气技术和产业发展,在沼气工程发展模式方面走在世界前列。

丹麦是欧洲畜牧业强国,利用沼气技术处理畜禽粪便起步较早。20世纪70年代,农场式沼气工程因能源危机而兴起,但存在产气量低、工程运行不稳定及缺乏专业养护等问题,导致许多工程被废弃。80年代初,鉴于农场式沼气工程发展的经验教训,丹麦农业经济研究人员提出沼气建设模式向集中式沼气工程模式(CentralizedAnaerobicDigestion,CAD)发展。CAD由丹麦首次提出,核心是将分散的畜禽粪污集中进行厌氧处理,特色鲜明,对其沼气行业发展影响深远,引起其他国家的关注和兴趣。英国于90年代初开始研究引入CAD的可行性;法国在2000~2005年修建了6座集中式沼气工程,以消纳畜禽粪污和食品加工废弃物;日本也引入和修建集中式沼气工程,并对其经济性进行分析。

中国是畜牧业大国,农村沼气工程一直与畜禽养殖紧密联系,建设选址常设在养殖场,以畜禽粪便为主要原料,产生沼气供养殖场自身消耗或对外集中供气。由于沼气工程多与养殖场捆绑,原料来源较单一,受养殖业调整和市场变化影响突出,因原料供应不稳定、专业化管理不善和经济效益较差等原因导致工程被废弃的情况时有发生。当前,中国农村沼气工程建设正在向规模化和大型沼气工程发展,开始重视秸秆和餐厨垃圾等原料,农业部提出要破除沼气工程与养殖场或养殖小区、发酵原料与畜禽粪便“两个捆绑”,对优化中国农村沼气工程建设和运营模式提出新的要求。“十三五”规划时期是中国农村沼气工程建设转型升级的关键期,通过了解集中式沼气工程在丹麦发展历程及现状,分析模式特点和问题等,能够对中国沼气工程发展带来相关启示。

丹麦集中式沼气工程模式


1丹麦集中式沼气工程发展历程

1984年,丹麦北日德兰郡实施“村落能源计划”(VillageEnergyProject)项目,在VesterHjermitslev村修建丹麦第一座集中式沼气工程处理畜禽粪污并示范村庄能源可持续性自给。1985—1987年,该项目继续支持建设2座集中式沼气工程(图1)。集中式沼气工程初期发展缓慢,但这批最早建成运营的项目在工程经济性和可行性方面进行了摸索和示范,为后续沼气工程发展奠定了基础。

化石燃料价格于1985年开始下跌,丹麦否决发展核能,侧重开发风能和生物质能等可再生能源,利用天然气进行热电联产受到政府推崇。同时,农田氨氮渗透造成的水污染引发关注,丹麦环保局出台法规,要求延长畜禽粪便储存时间并限制堆肥超标施用,导致农户无处堆放过剩的粪便废料。鉴于于此,丹麦政府决心发展集中式沼气工程,1985年实施基于畜禽粪便的大型沼气工程综合效益发展和示范项目,1988年升级为“沼气行动项目”(BiogasActionProgramme),为投资沼气工程建设的业主提供高达40%的补贴和低息贷款,对所有建成沼气工程进行监测管理。沼气行动项目实施期间是集中式沼气工程发展最快的时期:其首次实施4年就支持修建了5座集中式沼气工程;1991年到期后,政府于1992—2001年数次重启实施该项目,促使工程建设以平均每年1~2座的速度推进,共支持新增集中式沼气工程11座(图1)。集中式沼气工程经济性的显著提高推动了工程数量的迅速增加,工程的规模扩大、稳定运营和原料来源的拓展使每立方米沼气生产成本逐年下降。由图2可见,沼气生产成本从1984年的21丹麦克朗(1丹麦克朗约合0.96元人民币,2016)降至1995年的2丹麦克朗,在1991年接近区域供暖公司的天然气采购价格(每立方米3.8丹麦克朗)。另一方面,集中式沼气工程行业平均利润1992—2000年逐年增加(图2)。

丹麦国会1999年通过《丹麦能源改革法》(DanishEnergyReform),计划在2003年后转变激励可再生能源发展的方式,将沼气发电上网电价由固定电价调整为随市场行情变化的浮动电价。出于对未来能源价格不确定性的担忧,沼气业主停止投资建设沼气工程。1998年最后一座工程新建后,集中式沼气工程建设陷入停滞,“沼气行动项目”也随后终止。至此,丹麦共修建20座集中式沼气工程,主要分布于畜禽养殖密度较大的西部。尽管沼气工程建设停滞,大部分集中式沼气工程仍运营良好。

根据2007年起草的欧盟可再生能源指令(Directive2009/28/EC),丹麦需将其可再生能源份额从2005年的17%提升到2020年的30%,同时出于对气候变化、碳减排和畜牧业可持续发展问题的考虑,其政府对沼气的能源政策回暖。2008年《丹麦能源政策的执政协议》(VE-Lov)规定,给予逐年上调的沼气发电上网电价和市场溢价补贴。2009年《绿色发展协议》中指出,到2020年丹麦50%的畜禽粪便必须通过厌氧技术处理,政府对修建沼气工程提供20%的补贴和60%的市政贷款,沼气供应商享有和天然气供应商同等机会。2010年制定的《2050年丹麦能源发展战略》更提到,丹麦将大力发展可再生能源,计划在2050年完全摆脱对化石能源的依赖。能源利好政策的出现使集中式沼气工程回暖,但受国际金融危机影响,2009—2012年丹麦新增的集中式沼气工程只有2座。相对于农场式沼气工程和污水处理沼气工程,集中式沼气工程数量仍较少,但其沼气产量占到总产量的45%,成为丹麦沼气产业的主要组成部分(表1)。随着丹麦持续推进“绿色国度”建设,其畜禽粪便处理要达到《绿色发展协议》的目标还需建造约20座集中式沼气工程,预计未来集中式沼气工程有更大发展。

       图1.1984—2000年丹麦集中式沼气工程累计数量变化

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    图2.1984年—1995年丹麦集中式沼气工程沼气生产成本变化

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2集中式沼气工程模式及特点

集中式沼气工程通常覆盖一个小城镇,以2000居民(农户)作为供气供热对象。工程基本模式(图3)为一座约2000m沼气装置,采用中高温发酵(目前大型沼气工程常采用52~55℃的高温发酵),以畜禽养殖粪污、污水处理厂剩余污泥等作为发酵原料。工程组织运营常采用合作社形式,由工程业主统一组织或农户自行将分散的养殖场畜禽粪便用卡车运输至沼气工程进行处理,收储半径一般为10km。丹麦对环境卫生相当重视,粪便原料需在高温发酵罐至少停留6~10小时(MinimumGuaranteedRetentionTime,MGRT)(表2),并经过至少7天(HydraulicRetentionTime,HRT)的处理。原料或沼液还必须经过卫生罐处理,在55~65℃停留5.5~1小时(MGRT)进行巴氏消毒(表2)。沼渣沼液被分离并注入沼肥池储存,待施肥季节再由罐车运送至田地施用。所产沼气主要用于热电联产:电力入网,产热供给社区用暖。

       图3.集中式沼气工程模式 

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“与农场式沼气工程相比,集中式沼气工程有着明显的优势和特点:1集中式沼气工程不依托于单一农户或养殖场,原料来源稳定,能实现常年稳定产气供气。2集中式沼气工程多采用高温发酵,附加卫生罐巴氏消毒,消毒成本低且更能有效杀灭畜禽粪便所携病原菌和杂草种子,避免病原传播风险,保障沼液质量安全,有利于提升畜牧养殖环境质量。3集中式沼气工程使用多元物料发酵,产率高,产生的沼渣沼液“量大质优”,可满足种植业大户的需求。4集中式沼气工程能够接纳国内外工业有机废弃物,进一步提高工程本身的经济性。5集中式沼气工程与区域供暖联系紧密,该分布式能源发展模式能有效利用沼气等可再生能源资源,降低供能成本和碳排放。6集中式沼气工程多采用合作社管理模式,能统筹工程运营,专业化设备维修及粪污、沼液的储存和运输等,显著降低农民处理粪污成本。

3丹麦集中式沼气工程模式发展瓶颈和问题“丹麦集中式沼气工程经历了近10年的快速发展后,于20世纪90年代中后期渐渐遇到发展瓶颈:1原料的不足限制了集中式沼气工程的发展。随着集中式沼气工程数量的增加,集中式沼气工程对畜禽粪便和有机废弃物等原料的需求也不断增加,有限的有机废弃物资源不能满足所有工程的需要,导致工程业主对优质发酵原料进行争夺。对原料的竞争抬高了原料价格,使运营成本上升,工程经济效益降低,业主建设信心受挫。2原料质量的下降减缓了集中式沼气工程的发展。随着丹麦农场养殖规模扩大,农场式沼气工程规模不断扩大,部分农民有能力储存和处理更多畜禽粪污,开始倾向将有机质浓度高的优质原料留为己用,将有机质浓度低的劣质原料供给集中式沼气工程使用。劣质原料进一步拖累集中式沼气工程经济性,抑制业主建设冲动。3政府能源政策转向削弱了集中式沼气工程的发展。1999年的《丹麦能源改革法》和《发电补贴法修正案》规定沼气发电上网电价由固定电价变为浮动电价,为沼气工程盈利前景增添了不确定因素。2001年丹麦自由党选举获胜,新任政府注重能源供给效率和经济性,取消包括“沼气行动项目”在内的沼气建设支持和研究项目资助,打击了沼气产业的发展。

丹麦集中式沼气工程模式对中国的启示

丹麦是欧洲畜禽养殖大国,其沼气工程从最初作为解决能源问题的工具,渐渐发展为综合治理农业和环境问题的手段。中国沼气发展路径与丹麦相似,在当前沼气工程转型升级和提倡循环农业的背景下,丹麦集中式沼气工程发展模式对中国沼气工程发展有宝贵的借鉴意义。

1原料来源多样充足保障沼气工程稳定高效运营

丹麦集中式沼气工程原料稳定供给是其成功的关键。集中式沼气工程与多家农场进行合作,畜禽粪便来源不依赖单一农场,规避了因个别养殖场经营不善导致原料不足使沼气工程无法运营的风险。同时,集中式沼气工程多采用多元物料发酵,除了畜禽粪便,还处理包括食品加工废弃物、屠宰场废弃物、制药厂废气物等工业有机废弃物和生活有机垃圾。相比单一原料发酵,混合原料发酵能提高微生物的发酵效率,增强发酵系统的缓冲能力和有机负荷。原料多样性进一步保证了沼气工程的稳定运营,有益于“三沼”产品质量提升。

中国沼气工程多建在养殖场旁,完全依赖单一养殖场原料,无法保障长期稳定高效运行。以猪场为例,生猪市场销售变化、产业布局调整和猪场搬迁等因素对沼气工程影响显著:生猪市场销售变化带动生猪养殖波动,进而影响沼气发酵原料的稳定供应;产业布局调整和猪场搬迁更导致与猪场捆绑的沼气工程被废弃。另外,中国农村沼气工程主要原料是养殖场畜禽粪便,工业废弃物、城市污泥和有机垃圾等原料鲜有应用。沼气工程与养殖场捆绑限制了多种混合原料发酵的应用,不仅浪费宝贵的生物质资源,还拖累了沼气工程经济性。中国西南地区有乡镇级区划数9262个,城镇村落布局分散,地势不平整。尽管该区域生猪规模化养殖发展速度较快,散户养殖数量依旧较多,且规模不断扩大,存在较大的面源污染风险。鉴于此,可借鉴丹麦集中式沼气工程模式,在该地区城乡结合部或村落之间修建大型沼气工程,收储和处理来自散户养殖的畜禽粪污和城镇的有机废弃物,生产沼气对城镇居民集中供气,沼肥适时统筹还田,有利于综合治理城乡环境,促进地域循环农业发展。

2区域能源和环境联动的典范

丹麦在热电联产与区域供热方面成绩斐然,在20世纪初就探索建立热电联产厂和区域供热网络并推广全国,早期主要使用天然气、煤炭、燃油、稻草、木球和生活垃圾等做燃料。运用热电联产方式进行区域供热可提高燃料使用效率,实现本地燃料的最大化利用。随着沼气生产成本降低(图2)和公众对环境的关注提升,越来越多的热电联产厂使用沼气等清洁能源作为燃料,尤其是在天然气资源贫乏的地区。目前,丹麦绝大部分沼气用于热电联产。集中式沼气工程能规模化生产沼气,稳定为热电联产厂提供燃料并以此作为主要盈利方式,与区域供热网络紧密结合。区域供热公益性属性强,政府对沼气供暖免税,维持供暖价格每兆瓦时50~100美元。

中国沼气工程规模普遍较小,池容在1000m以上的沼气工程仅占工程总量约5%,供能往往只能满足工程自身运行,综合效益差。中国东北地区多采用燃煤锅炉供热,对环境影响较大。实际上,该地区是中国粮仓,大量秸秆未得到有效利用;畜禽规模化养殖发展迅速,大量粪便亟待处理。东北地区与丹麦纬度相近,气候寒冷,鉴于中国沼气工程转型升级机遇,该地区可借鉴丹麦集中式沼气工程模式,在几个村镇之间修建中高温工艺的规模化沼气工程,将区域内有机废弃物集中处理并“吃干榨尽”;改造燃煤锅炉,配套建设热电联产厂和供气供暖管网,对区域内村镇居民进行公益性集中供气供暖,由政府给予补贴或税收优惠;热电联产余热供给沼气工程自身正常运行;沼渣沼液由集中式沼气工程业主储存管理,适时销售种植大户还田。相比当前东北地区沼气工程,集中式沼气工程能更好发挥能源与环境综合效益优势。

3沼液还田的启示

丹麦在沼肥利用方面有先进经验,特点是沼液直接还田。丹麦政府重视生态环境保护和卫生安全:1984年出台法案规定每公顷土地氮素最大施用量,农民必须按时按量施用沼液;1989年颁布畜牧卫生条例和安全法规对沼液动植物病原物含量进行监测并对沼液重金属、有机污染物含量做出严格限制。集中式沼气工程均配备卫生罐并规定原料最小保证停留时间(表2),现场设实验室对沼液理化性质进行检验,运输沼液的槽车需用0.2%氢氧化钠溶液清洗消毒,最大限度保障沼液质量和施用安全。集中式沼气工程多采用合作社管理模式,能有效协调沼液储存和运输,还能根据农田和作物情况为农民提供科学的沼肥施肥计划服务。

中国农村沼气工程沼液产量大,多采用生态净化或曝气好氧法处理,存在占地较多、能耗较大等问题。相比于丹麦等发达国家,中国沼液直接还田困难在于农村人均耕地少和种养殖脱节等原因。当前,中国由村集体协调参与沼气工程运营的管理模式效果较好。因此,中国耕地资源紧缺地区可借鉴集中式沼气工程发展模式,配备大型沼液储存池,由村集体和工程业主统筹安排沼液储存、运输和还田。厌氧消化是循环农业关键环节,对病原传播有一定阻断作用,尽管中国对沼液利用技术出台标准和规范,但没有上升到法律层面,约束力较弱,沼气工程多不注重“三沼”产品质量,不利于沼液质量对环境二次污染风险的控制。随着中国经济发展,消费者对农产品质量和卫生有更高要求,发展集中式沼气工程便于对沼液批量消毒,有利于沼液质量把控,保障沼液使用安全。沼气工程可加入卫生罐巴氏消毒环节,由村集体监督工程业主定期检测沼液质量,专业化公司制订还田方案,政府对按标准还田的沼液予以适当补贴。

小结及建议

集中式沼气工程模式由丹麦首创,对其畜牧业可持续发展和能源安全保障有举足轻重的地位,得到丹麦政府的重视和国际社会的关注。集中式沼气工程于20世纪80年代初兴起,在政策支持和沼气生产成本降低等因素影响下,工程模式得以在丹麦全国进行推广,工程建设全面铺开并经历十余年高速发展,到2000年共建成20座。工程基本模式是将数个养殖场的畜禽粪污集中处理,原料来源稳定、发酵物料多元化、沼渣沼液质量高、经济性及综合效益好等优点,但在发展中也遭遇优质原料竞争,原料质量下降和扶持政策波动变化等问题。目前,存量工程仍正常运营,在废弃物处理、区域供暖和沼液还田等方面发挥良好综合效益,是丹麦沼气产业主要组成部分。

中国农村沼气工程以处理畜禽粪污为主,尽管当前沼气技术较领先,工程与养殖场、发酵原料与畜禽粪便依旧捆绑,工程发展模式限制其有效发挥应有效益。为打破“两个捆绑”,更好地发挥沼气工程综合效益,中国可借鉴丹麦沼气产业发展经验,在西南和东北地区等适宜区域引入、示范和发展集中式沼气工程模式,集中处理区域内各养殖场畜禽粪污、种植业废弃物和城镇生活垃圾,沼气集中供气或热电联产与区域供热联动,沼液由村集体和工程业主协作进行质量管控、统筹储存并适时还田,政府配套相关政策进行补贴和扶持。在当前建设生态文明、构建资源节约型和环境友好型社会及沼气工程转型升级的背景下,中国发展集中式沼气工程有助于提高生物质资源的利用率和能源使用效率,改善农产品质量,提升循环农业发展,防控农村面源污染,缓解农业资源与环境压力。

来源:《世界农业》