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瑞典、德國、意大利等國生物質能技術利用現(xiàn)狀與經驗
瑞典、德國、意大利等國生物質能技術利用現(xiàn)狀與經驗
發(fā)布日期：2020-05-31
0、引言
能源問題已經成為中國乃至世界經濟生活中關注率最高的問題，尤其石油屬于不可再生的戰(zhàn)略資源，是現(xiàn)代經濟社會賴以正常運轉的血液。隨著全球礦物能源的快速消耗，能源危機成為各國必須面對的戰(zhàn)略挑戰(zhàn)。瑞典、德國、意大利等歐洲國家在生物質能開發(fā)利用政策措施、關鍵技術研究開發(fā)和市場運行模式等方面已經走在世界前列，并取得了較大成果和成功經驗。在全面考察上述三國生物質能開發(fā)利用現(xiàn)狀的基礎上，本文重點介紹了瑞典、德國在生物質直燃發(fā)電、固體成型顆粒燃料、沼氣技術等方面的利用現(xiàn)狀與成功經驗，同創(chuàng)新能源生產銷售的秸稈顆粒機、木屑顆粒機專業(yè)壓制生物質成型顆粒燃料。
1、生物質直燃發(fā)電技術
生物質直燃發(fā)電技術是在傳統(tǒng)的內燃機發(fā)電技術上進行設備改型而實現(xiàn)的、通過直接燃燒生物質原料作為替代燃料進行發(fā)電的一種新技術。在瑞典，生物質直燃發(fā)電技術已經基本成熟并得到規(guī)?；虡I(yè)應用。其技術路線為“鍋爐+汽輪機／斯特林發(fā)動機（通常為熱電聯(lián)產，即CHP）”，其中，汽輪機發(fā)電技術為常規(guī)技術，一般應用于中型以上發(fā)電系統(tǒng)，斯特林發(fā)動機發(fā)電技術處于技術開發(fā)和產業(yè)化示范階段，是目前生物質利用方面的重點研發(fā)技術。利用斯特林發(fā)動機的熱電聯(lián)產技術已經滿足瑞典全國近一半的熱力需求。近年來，生物質與礦物燃料（主要是煤）的混合燃燒發(fā)電得到許多研究和示范應用，研究結果指出，混燃可提高生物質發(fā)電的效率，且當生物質的比重不高于20%時一般不需對現(xiàn)有設備作改動，是生物質燃燒發(fā)電的發(fā)展方向。
本文以瑞典Enkoping的一家熱電聯(lián)產廠ENAENERGI為例進行說明，該廠發(fā)電裝機容量24MW和50MW供熱能力（見圖1），能夠為城市居民區(qū)域供熱，燃料來源于伐木副產品、木材廠鋸末和造紙廠廢棄物等生物質原料。
ENA ENERGI每年需要約350
GWh的生物質燃料。其突出特點是所用燃料的10%為能源作物，全部由工廠自己種植，利用污水處理廠的廢水進行灌溉。專門的能源作物如柳之稷可以吸收氮，該工廠種植的能源作物每年能減少2
0噸的氮排放。
2、生物質固體成型燃料技術
所謂生物質固體成型燃料技術就是在一定溫度與壓力作用下，將各類原來分散的、沒有一定形狀的秸稈、樹枝等生物質，經干燥和粉碎后，壓制成具有一定形狀的、密度較大的各種成型燃料的新技術。其產品為棒狀、塊狀和顆粒狀等各種成型燃料（見圖3），密度可達0.8～1.4克／立方厘米，熱值為16720千焦／千克左右。性能優(yōu)于木材，相當于中質煙煤，可直接燃燒，燃燒特性明顯改善。同時具有黑煙少、火力旺、燃燒充分、不飛灰、干凈衛(wèi)生等優(yōu)點，NOX、SOX極微量排放，而且便于運輸和貯存，成為商品。
瑞典的森林面積廣闊，是世界聞名的“森林之國”，森林覆蓋率高達60%，高速公路的很多路段都從森林中間穿過。目前，瑞典利用林業(yè)廢棄物如樹皮、樹枝、木屑以及能源作物等生產固體成型燃料已經發(fā)展得相當成熟，形成了從原料種植、收集、到顆粒（或切片）生產再到配套應用和服務體系一個完整的產業(yè)鏈條。瑞典全國總能源消耗的30%為可再生能源，木質燃料占其中的46.7%，同創(chuàng)新能源生產銷售的秸稈顆粒機、木屑顆粒機專業(yè)壓制生物質成型燃料，生物質成型燃料主要工生物質鍋爐燃燒使用。
今后，瑞典固體成型燃料產業(yè)發(fā)展的重點領域包括：
(1)開發(fā)生物質顆粒燃料原材料基地；
(2)開發(fā)經濟性好、資源效率高的顆粒燃料生產（包括儲存）工藝；
(3)開發(fā)分級的顆粒燃料以適應不同燃燒技術需求的用戶。
其總體目標是：每年至少減少生產成本4%或2000萬克朗。
3、沼氣技術
3.1車用沼氣技術
在瑞典，利用畜禽糞便等廢棄物生產沼氣也非常成功。沼氣的年總產量約為1400GWh
(1.4×109kWh)，主要產自于200多家市政污水處理廠的污泥消化池，其產量約占沼氣總產量的60%；其余為垃圾填埋場（產量約占總產量的30%）以及工業(yè)污水處理廠和混合消化廠產生的沼氣（產量約占總產量的10%）。有機廢物轉化成沼氣時產生的消化殘余物，還可作為生物肥料。
近年來，瑞典成功地將沼氣用作汽車、火車燃料，技術已經成熟，也形成了良好的運行模式。本文重點介紹Linkoping沼氣廠及其車用沼氣供氣站。
瑞典Linkoping沼氣廠建于1992年，項目總投資900萬歐元，政府一次性投資補貼1
00萬歐元。該廠不僅處置了牲畜糞便和大量有機廢物，而且還通過混合消化產生了沼氣和生物肥料。自2001年開始，提純后的沼氣可以注入當?shù)氐奶烊粴馀錃夤?，以及專門的汽車供氣站。
目前，Linkoping沼氣廠每年處理各種有機廢物約5,5萬t，產生的沼氣量約為20—30GWh(75%CH。)，相當于當?shù)靥烊粴庀牧康?5%，每年可減少CO．排放3700t。該廠每年收集并處理牲畜糞肥2.8萬t，其他有機廢物如廚余垃圾、農產品加工廢棄物等2萬t（主要來自1
5家食品類工廠，其中包括屠宰場、海產品生產加工廠等）。原料通過進料池(
800m3)、熱交換系統(tǒng)、消毒系統(tǒng)（巴氏殺菌，1h，70），進入傳統(tǒng)攪拌消化池(2250m3，停留時間20~25d，70，含固率6%)。沼氣廠見和沼氣生產工藝流程如圖4、圖5所示。
Linkoping沼氣廠生產的沼氣通過地下管線直接提供給2km外的供熱站，并能供作汽車燃料。該廠同時還在經營車用沼氣供氣站，滿足當?shù)亟?00輛公共汽車的燃料需要。
供熱和車用沼氣出廠前需要進行提純處理。該廠的沼氣提純能力為250m3／h，提純過程分為三個階段：
(1)提純凈化：通過Sulfatrate工藝去除s利用S elex
ol去除CO2；(2)干燥；(3)壓縮（添加5%~10%的丙烷，調整沃伯指數(shù)，使之等同于天然氣）。
3.2沼氣發(fā)電技術
歐洲沼氣發(fā)電技術以德國為典型代表。目前，德國國內沼氣發(fā)電工程的數(shù)量已由1992年的139家發(fā)展到2003年底超過2000家，發(fā)電裝機總量由1999年的50MW猛增到2002年的250MW。德國沼氣工程技術的要點主要包括：
(1)發(fā)酵原料
發(fā)酵原料以畜禽糞便、玉米青貯秸稈，青貯飼草為主，另外還有餐飲旅館的廚余垃圾、農副產品加工的廢棄物，以及多余的糧食（如小麥、玉米）等。對有機垃圾有著嚴格的控制，必須在70的高溫下經過1小時的處理才可以進入沼氣池發(fā)酵，由此產生的沼渣才能作為有機肥料施用到田地去。
(2)發(fā)酵工藝
較大型的沼氣發(fā)酵裝置以地上USR工藝為主，中型牧場以地下池的完全混合式為主，發(fā)酵形狀多數(shù)為圓柱體式，生活有機垃圾和秸稈青貯料的干發(fā)酵為地上和半地下箱式發(fā)酵裝置，均采用批量式發(fā)酵工藝。發(fā)酵滯留期一般為28~45天，少數(shù)發(fā)酵達到56天。由于發(fā)酵池都采用發(fā)電余熱進行加溫，發(fā)酵池內部溫度一般都控制在40一45之間。
(3)進料及攪拌
沼氣發(fā)酵原料根據(jù)形態(tài)的不同采取兩種進料方式：一種是利用泥漿泵將液態(tài)原料輸送到發(fā)酵池，一種是將固體原料，多數(shù)為切碎后青貯的玉米秸稈或牧草通過螺旋式送料器輸送到發(fā)酵池內。為了出料方便，進出料管道直徑都大于200毫米。為提高沼氣的氣量，除干發(fā)酵裝置以外，多數(shù)沼氣發(fā)酵池內部一般都設有攪拌裝置。
(4)沼氣貯存與凈化
由于產生的沼氣很快就轉化為電力，沼氣工程一般都采用橡塑氣袋，有的為單獨設置，有的直接設計在發(fā)酵罐的上部。這一點與我國的沼氣裝置不同，主要是因為對于發(fā)電機組來說不需要單獨設立有一定壓力的儲氣裝置。沼氣凈化系統(tǒng)廣泛應用氧化定位法，少數(shù)工程采用活性碳和生物菌去除沼氣中硫化氫工藝（本文考察的Altenow大型沼氣工程發(fā)電廠采用FeC12脫硫，見圖8），有一部分未經凈化直接發(fā)電。大多數(shù)工程都未采取除水工藝。
(5)沼氣發(fā)電系統(tǒng)
大型的沼氣發(fā)電機組均采用純沼氣的內燃發(fā)動機，中小型的工程多數(shù)采用雙燃料（柴油+沼氣）的柴油發(fā)動機，少數(shù)采用純氣體內燃機發(fā)電機機型。一般沼氣發(fā)電工程的發(fā)電裝置都能滿足當?shù)厣暇W要求，少數(shù)工程使用監(jiān)控設備，檢測發(fā)電氣體含量、溫度、產量以及pH值，有的示范工程已采用了遠程自動監(jiān)控系統(tǒng)。發(fā)電產生的余熱一部分用來加溫發(fā)酵池，剩余部分用于區(qū)域供熱，實現(xiàn)熱電聯(lián)產。
(6)厭氧發(fā)酵的后處理
由于利用生物質生產的電力可優(yōu)先上網并享受優(yōu)惠價格，德國的沼氣工程生產的沼氣全部用作發(fā)電上網。發(fā)酵后的沼液經儲液池貯存后，直接由拖拉機罐車運到田間進行噴灑。少數(shù)畜牧場沼氣工程和大型沼氣工程采用固液分離，將沼渣與沼液分離，脫水后的沼渣經簡單堆放后可直接用作有機肥料，清液可再循環(huán)進入發(fā)酵池。
(7)沼氣工程的運行管理模式
德國農場主很多，農場養(yǎng)殖奶牛和豬占大多數(shù)，家禽和其它特種養(yǎng)殖的較少，一般沼氣工程都是為發(fā)電而建，大多數(shù)沼氣發(fā)電工程都由農場主自己進行管理。較大的沼氣工程獨立運營管理。
(8)沼氣工程的建設
德國農場主建設沼氣池，其工程設計報告需要得到有關行政主管部門，如環(huán)保、農業(yè)、消防等部門的審查批準，一般這些工作都是由專門的技術服務公司或服務組織來完成。有的技術及設備公司采用的是“交鑰匙工程”的方式為農場主建設沼氣發(fā)電工程。大電網的廣泛區(qū)域分布由電力公司負責完成，農場主建設沼氣工程只負責連接到電網部分的投資。
4、結論與建議
4.1結論
瑞典、德國等歐洲國家為了減少能源的對外依賴、提高能源供應安全，生物質能開發(fā)利用非常重視。瑞典、德國以及意大利等國均有明確的生物質能發(fā)展目標、政策和保障措施。對生物質能是重要的可再生能源，既可以轉化為液體燃料或沼氣等氣體燃料代替汽油和柴油，也可以通過鍋爐直接燃燒發(fā)電和供熱，特別是生物質能資源分布廣泛，品種多樣，因此，瑞典、德國和意大利等國家都把生物質能作為優(yōu)先發(fā)展的可再生能源予以高度重視。各國扶持政策到位，生物質能利用技術先進，經驗成熟，生物質能開發(fā)利用已成為重要的新型產業(yè)，對保障能源安全、增加就業(yè)機會、促進農業(yè)發(fā)展，以及確保能源與環(huán)境的協(xié)調發(fā)展等發(fā)揮著重要的作用。
4.2建議
中國生物質能開發(fā)利用工作尚處于產業(yè)化發(fā)展初期，需要借鑒歐洲各國的成功經驗和先進技術，縮短關鍵技術研發(fā)周期，加快產業(yè)化進程，著重要做好以下幾點：
(1)制定優(yōu)惠政策措施，引導生物質能產業(yè)形成
瑞典、德國生物質能迅速發(fā)展的一個重要原因，是國家制定了使生物質發(fā)電或燃料化應用有利可圖的價格，并以法律法規(guī)形式頒布，長期保持不變。中國要開發(fā)利用生物質能，首先有關部門應協(xié)調配合，制定明確的促進生物質能開發(fā)與利用的政策和措施，并保障已有法律和政策措施能夠有效實施。目前應重點在設備制造和生物質能利用市場開拓方面予以大力扶持。
(2)加大技術研發(fā)和試點示范力度，培育生物質能新型產業(yè)
國外生物質固體顆粒燃料技術、生物質直接燃燒發(fā)電技術、沼氣供熱和發(fā)電技術都是成熟的。目前，國內生物質固體顆粒成型技術尚處于起步階段，固體成型技術和燃燒生物質顆粒的爐具技術良莠不齊，還面臨市場需求問題。因此，建議加大研發(fā)力度，盡快實施試點示范，解決技術瓶頸問題，探索產業(yè)化經驗。
(3)培養(yǎng)專業(yè)人才和產業(yè)服務體系，保障生物質能產業(yè)可持續(xù)發(fā)展
從國內外能源發(fā)展的經驗來看，任何能源產業(yè)的發(fā)展必須有人才作為基礎。目前，發(fā)達國家都建立了比較完善的可再生能源技術研究開發(fā)機構，形成了比較完善的產業(yè)服務體系。如美國的可再生能源實驗室，歐盟的聯(lián)合研究中心，都是政府專門負責可再生能源研究和開發(fā)的機構。目前，我國在生物質能方面專門的研究機構較少，也缺乏生物質能專業(yè)人才，設計、咨詢等產業(yè)服務體系極不健全。因此，建議重視我國生物質能領域的人才培養(yǎng)和產業(yè)體系建設，為我國生物質能產業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供保障。
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