沼氣站集中供氣工程應用研究

龔貴金 石志鑫 劉進法 鄒翔

摘要 沼氣作為一種生物質能源已經成為農村發(fā)展清潔能源的重要途徑，國內養(yǎng)殖業(yè)的規(guī)模化、集中化的快速發(fā)展，為沼氣工程的規(guī)模化建設提供了良好的基礎。介紹了江西省正合環(huán)保工程有限公司在新余市羅坊鎮(zhèn)建立的大型沼氣站，是通過引進歐洲先進的混合原料發(fā)酵技術，并與我國實際情況相結合，提高了沼氣產量；同時，將厭氧發(fā)酵過程中產生的沼渣沼液進行進一步加工成生態(tài)有機肥出售，不僅最大程度地降低了項目的運行成本，還拓展了運營的產品及銷售渠道，經濟效益得到顯著提高。新余市羅坊沼氣站實現(xiàn)了大型沼氣工程技術與燃氣輸配體系技術、安全運營網絡遠程監(jiān)控及預警體系等多項技術集成，可為沼氣集中供氣技術推廣提供參考。

關鍵詞 農業(yè)廢棄物；沼氣集中供氣；運營管理；羅坊沼氣站

中圖分類號 S216.4 文獻標識碼 A 文章編號 0517-6611（2015）34-360-03

隨著經濟的快速發(fā)展，我國的能源需求急劇增長。2013年我國能源消費總量37.50億t標準煤，同比增長3.70%。經濟的發(fā)展也促使我國農村對優(yōu)質商品能源的需求持續(xù)增加[1]，農村地區(qū)能源供需矛盾更加突出。能源消耗的持續(xù)增加不僅導致石化能源的枯竭，也帶來了嚴重的環(huán)境問題。一方面，石化能源的使用產生了大量溫室氣體，導致日益嚴峻的全球氣候變化[2]；另一方面，我國農村仍以柴草等為主要燃料[3]，過度砍伐山林柴草，嚴重地破壞了生態(tài)環(huán)境[4]。在能源嚴重匱乏的同時，我國每年產生大量的秸稈、畜禽糞便以及有機廢水，由于無法得到有效利用而對環(huán)境產生巨大污染。據(jù)統(tǒng)計，2014年我國糧食總產量約為6.07億t，其中谷稻生產總量為1.72億t，附帶谷稻秸稈產量約為2.58億t。除此之外，還有39.26×108 t畜禽糞便以及482.40×108 t有機廢水[5]。沼氣作為一種方便、清潔、高品位的能源，是秸稈、糞便、生活污水等有機物質在一定水分、溫度和厭氧條件下，經微生物發(fā)酵產生的可燃氣體。由于其原料豐富、技術簡單、造價低廉、環(huán)境友好的特點而受到國家的高度重視。集中供氣工程的推廣應用不僅可以緩解能源壓力，而且對增加農民收入、改善人居環(huán)境、保護林草植被、維持生態(tài)平衡具有重要意義[6]。筆者對新余市羅坊沼氣站的建設運營情況進行介紹，以期為沼氣集中供氣技術推廣提供參考和借鑒。

1 工程概況

為了推進農村清潔生產、發(fā)展循環(huán)經濟、解決區(qū)域有機廢棄物面源污染問題，江西正合環(huán)保工程有限公司在新余市政府的大力支持下，在新余市羅坊鎮(zhèn)院前村建設了江西首個大型沼氣集中供氣項目，該項目利用畜禽糞便、農業(yè)秸稈等有機廢棄物進行多原料混合發(fā)酵產沼氣，所產沼氣主要用于羅坊鎮(zhèn)居民生活所用。項目位于新余市羅坊鎮(zhèn)，地處新余、樟樹、新干、峽江交界處。羅坊鎮(zhèn)及其周圍畜牧養(yǎng)殖業(yè)發(fā)達，有大量的畜禽糞便，同時又是農業(yè)重鎮(zhèn)，所生產的水稻、蜜橘全國有名。養(yǎng)殖業(yè)產生的畜禽糞便和農業(yè)生產的秸稈等為沼氣發(fā)酵提供了很好的原料基礎，發(fā)達的農業(yè)又為沼渣沼液加工成有機肥提供了市場。項目主要建設內容包括：一級CSTR厭氧發(fā)酵罐2座，總容積3 100 m3；二級一體化CSTR厭氧發(fā)酵罐1座，總容積1 250 m3，儲氣膜容積500 m3；高壓儲氣柜3座，儲氣總容積1 920 m3；混合原料預處理系統(tǒng)1套，主要為農業(yè)秸稈水解酸化系統(tǒng)、糞污勻漿加熱系統(tǒng)后處理系統(tǒng)一套，包括固液分離系統(tǒng)1套，出料池，沼液儲存池，配套固肥加工生產線一條；沼氣供戶管網系統(tǒng)等其他附屬設施。該項目已于2014年12月正式投產，設計供氣3 000戶，日產沼氣能力4 100 m3，目前生產運營正常，居民用氣穩(wěn)定、安全，無事故發(fā)生。

2 工藝流程

羅坊沼氣站屬于混合原料發(fā)酵，主要原料為畜禽糞便、農業(yè)秸稈，其處理系統(tǒng)主要包括原料預處理→兩級CSTR厭氧發(fā)酵→沼氣凈化→高壓儲氣中壓輸氣系統(tǒng)等，具體工藝流程如圖1所示。由于原料各自具有不同的特點，因此進料前需要分別進行預處理，秸稈需先經過破碎，然后進入水解酸化池，通過纖維水解技術，采用專屬的復合纖維素水解酶進行催化水解，實現(xiàn)纖維素由大分子多糖向小分子轉變的過程；而糞污進入勻漿池除去雜質，并進行攪拌預加熱過程。經過預處理后的物料統(tǒng)一通過螺桿泵輸送至一級CSTR反應器；反應器內使用立式攪拌器進行攪拌，保證物料濃度和溫度的恒定；一級CSTR出料溢流至二級CSTR發(fā)酵罐進行二次發(fā)酵，以延長停留時間增加沼氣產量；厭氧發(fā)酵后的發(fā)酵液經固液分離后，沼渣用于制作固態(tài)有機肥；分離后的沼液部分回流用做預處理的稀釋水，剩余部分排出做液態(tài)有機肥原料，供給羅坊鎮(zhèn)及其周邊的傳統(tǒng)種植業(yè)及設施農業(yè)使用。厭氧發(fā)酵產生的沼氣暫存在二級發(fā)酵罐頂部的儲氣膜內，通過沼氣壓縮機，在抽送過程中經過脫水脫硫系統(tǒng)裝置后沼氣儲存在高壓儲氣柜中，大部分供給羅坊集鎮(zhèn)3 000戶居民做生活用氣，剩余部分供給沼氣站進行沼氣發(fā)電，做為生產用能。居民用氣主要通過沼氣供戶管網，沼氣在中壓條件下輸送至居民樓，在進行進一步降壓之后，居民就能穩(wěn)定用氣，因為沼氣已經過脫水脫硫處理，在使用過程中不會有異味產生，保障了居民安全、穩(wěn)定、高效的使用沼氣。

3 管理運營

3.1 運營模式

公司采用市場化運營模式，通過收集養(yǎng)殖糞污、農業(yè)秸稈，所產生的沼氣有償供給城鎮(zhèn)居民使用，沼渣、沼液分別制作成固態(tài)有機肥和液態(tài)有機肥有償供應羅坊鎮(zhèn)及其周邊的傳統(tǒng)種植業(yè)及設施農業(yè)使用，形成了一條清晰的循環(huán)經濟產業(yè)鏈。

3.2 管理監(jiān)控

羅坊沼氣站采用基于GPRS+PLC的沼氣遠程監(jiān)控系統(tǒng)，以綜合管理軟件為核心，結合嵌入式視頻服務器，實現(xiàn)了基于網絡的點對點、點對多點、多點對多點的遠程實時現(xiàn)場監(jiān)視、遠程遙控攝像機以及錄像、報警處理等，通過兼容模擬視頻設備實現(xiàn)模擬視頻系統(tǒng)與數(shù)字視頻系統(tǒng)的數(shù)字化統(tǒng)一管理。系統(tǒng)對設備的正常運行和事故狀態(tài)下的生產過程進行實時監(jiān)控，操作員可以在室內進行集中管理，可實現(xiàn)車間無人值守。另外，服務器將采集來的數(shù)據(jù)進行各種處理，建立相應的實時數(shù)據(jù)庫和歷史數(shù)據(jù)庫，經網絡相應各工作站的各種服務要求，接收和響應操作員的各類操作指令。系統(tǒng)具有可靠性高、抗干擾性強、易學易用、維修方便、能耗低等優(yōu)點。

3.3 管理模式

在管理模式上，江西正合環(huán)保工程有限公司按照“集中供氣、用氣收費、專人管理”的管理模式，對沼氣站覆蓋的3 000戶沼氣用戶進行集中供氣，用氣按照流量計費，在沼氣供氣站建立沼氣服務網點，安排專業(yè)技術人員負責管理。在羅坊沼氣站建立沼氣服務網點，實現(xiàn)商業(yè)化運行管理模式。服務網點對每位沼氣農戶建立檔案，設立信息登記制度，為用戶提供開卡充值、維修等業(yè)務。在后勤服務上，羅坊沼氣站對用戶進行一年4次免費上門巡查服務，發(fā)現(xiàn)問題及時排除，平時在接到沼氣用戶的報修電話后，將會安排工作人員在2～3日內上門解決，每次服務必須在沼氣維修服務卡上記錄。在工程管理上，安排專人負責沼氣工程的運行，每天觀察產氣、用氣情況，做好沼氣凈化設備、輸氣管道等的維護工作。

為了方便管理，公司為用戶統(tǒng)一安裝了沼氣流量計量表。這種智能表，只要存夠一定金額，使用時把卡插到燃氣表上，表就會自動讀數(shù)，扣除相應費用。購買的氣量用完后，就會自動斷氣，只要到沼氣供應站設置的村級服務網點繳費，就可以繼續(xù)使用，這樣省去了上門抄表和催繳費用的麻煩。為了鼓勵用戶使用新能源沼氣，公司還免費上門為用戶提供和安裝沼氣用具，免去他們的后顧之憂。

4 效益分析

4.1 社會效益

羅坊沼氣站正式運營后，不僅提高了該區(qū)域農業(yè)有機廢棄物的綜合利用，有效遏制由于農業(yè)廢棄物的亂堆亂放而造成的面源污染，而且有利于凈化環(huán)境，減少疾病的發(fā)生，提高廣大公眾保護生態(tài)環(huán)境意識；同時促進了農業(yè)循環(huán)經濟的發(fā)展，引導人民使用清潔能源，建設資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會，對促進資源綜合利用和農村經濟社會可持續(xù)發(fā)展也具有積極作用。

4.2 環(huán)境效益

羅坊沼氣站通過厭氧發(fā)酵技術處理農業(yè)有機廢棄物，僅養(yǎng)殖糞污治理這項，每年就可以減少COD排放量4 775.27 t，NH3N排放量292.65 t，而產生的沼氣還可替代煤碳和液化氣等。另外，以沼渣沼液為原料加工的生態(tài)有機肥，在施用過程中不僅可以增強農產品質量，還促進農業(yè)生態(tài)循環(huán)恢復，減輕土壤重金屬污染。

4.3 經濟效益

該工程建成后，可年產沼氣約131.40萬m3，可保障羅坊鎮(zhèn)3 000戶居民穩(wěn)定安全供氣，運行中沼氣按2.20元/m3收費，與傳統(tǒng)液化氣相比，價格相對便宜，使用沼氣比使用液化氣每月每戶可節(jié)約25.00元，給老百姓帶來了經濟實惠。該站產生的沼渣、沼液加工成固態(tài)、液態(tài)有機肥分別為0.22萬、3.30萬t，可減少化肥量0.20萬t，不斷改善土壤質量，輻射帶動周邊0.67萬hm2水稻田、蔬菜園、果園實現(xiàn)生態(tài)有機種植，具有良好的經濟效益。

5 結論與展望

由江西正合環(huán)保工程有限公司投資建設并運營的羅坊沼氣站，開創(chuàng)了江西省沼氣商業(yè)化、產業(yè)化發(fā)展的先河。沼氣服務覆蓋范圍多達3 000戶居民，它在為農村提供穩(wěn)定安全的清潔能源的同時，也可治理農業(yè)污染，將農業(yè)廢棄物變廢為寶、達到節(jié)能減排的效果，推進了農業(yè)可持續(xù)發(fā)展，在能源緊缺的當今時代，符合發(fā)展清潔生產、循環(huán)經濟的要求，這對進一步帶動周邊農業(yè)環(huán)境治理，推進農業(yè)產業(yè)結構調整，提高農產品的競爭能力，創(chuàng)造良好的生態(tài)環(huán)境具有十分重要的意義。

目前，我國的沼氣集中供氣工程投資和運營成本高，產品收入低，造成沼氣工程自負盈虧能力差[7]。王紅彥等對河南、山東和江蘇3個省份的6個秸稈沼氣集中供氣工程進行分析，認為在同時考慮折舊和運行費用的情況下，秸稈沼氣集中供氣工程皆虧損運行，投資回收期一般在20年以上，工程嚴重缺乏經濟性[8]。但是，江西正合環(huán)保工程有限公司通過引進歐洲先進的混合原料發(fā)酵技術，把歐洲先進的生物質能技術與我國實際情況相結合，提高了沼氣產量，采取農業(yè)秸稈原料換氣的方法及養(yǎng)殖業(yè)包干治理糞污等方式，既提高了原料的利用率，降低了原料收購成本，又減免了用戶的使用費，同時，將厭氧發(fā)酵過程中產生的沼渣沼液進行進一步加工成生態(tài)有機肥出售，不僅最大程度地降低了項目的運行成本，還拓展了運營的產品及銷售渠道，經濟效益得到顯著提高。

在項目運營的過程中，人們也要注意到加強沼氣站的安全管理運營，提高管理人員和操作人員的技術水平。另外，要實現(xiàn)沼氣產業(yè)化發(fā)展，就要大力發(fā)展沼氣相關產業(yè)。發(fā)展以沼氣發(fā)酵為依托的產業(yè)鏈，進行多產業(yè)的組合，在規(guī)模化的基礎上充分發(fā)揮多個產業(yè)間的優(yōu)勢互補，實現(xiàn)沼氣工程的效益最大化。

參考文獻

[1] ZHANG L X，YANG Z F，CHEN B，et al.Rural energy in China：Pattern and policy[J].Renewable energy，2009，34（12）：2813-2823.

[2] 黃季焜，仇煥廣.中國生物燃料乙醇發(fā)展的社會經濟影響及發(fā)展戰(zhàn)略與對策研究[M].北京：科學出版社，2010.

[3] 農業(yè)部科技教育司，農業(yè)部能源環(huán)保技術開發(fā)中心.2009年度全國農村可再生能源統(tǒng)計匯總表[Z].2009.

[4] Technology and Education Department of China Ministry of Agriculture，Development Center of Environmental Protection Technique of Energy of MOA.Renewable Energy Statistic in Rural China 2009[Z].2009.

[5] 羅知頌，王修志，朱全濤，等.生態(tài)扶貧開發(fā)與城鄉(xiāng)一體化發(fā)展：廣西恭城模式及其演變研究[M].北京：經濟科學出版社，2010.

[6] SHEN L，LIU L T，YAO Z J，et al.Development potentials and policy options of biomass in China[J].Environmental management，2010，46（4）：539-554.

[7] 吳楠，孔垂雪，劉景濤，等.農作物秸稈產沼氣技術研究進展[J].中國沼氣，2012，30（4）：14-20.

[8] 王紅彥，畢于運，王道龍，等.秸稈沼氣集中供氣工程經濟可行性實證與模擬分析[J].中國沼氣，2014，32（1）：75-78，42.