蔬菜类沼气厌氧发酵工艺条件及经济分析研究.docx

蔬菜类沼气厌氧发酵工艺条件及经济分析研究摘 要随着能源紧张和环境污染问题的日益突出，本世纪全球直接面临着能源资源的匮乏导致的全球能源危机和一次能源消耗增长带来的日益严重的环境危机。我国正处于经济高速发展时期，能源消费的增长速度接近甚至超过了国民经济的发展速度，部分能源紧缺的趋势必将随着我国经济的快速增长日益加剧。同时，随着全球气候变暖和大气环境质量的急剧恶化，我国的环境污染问题也日益凸显。这些都必将制约我国未来的能源、经济、社会的发展。因此，如何寻求未来能源发展契机，缓解能源供需矛盾和有效控制环境污染是我国乃至全世界都在面临的两大难题。沼气是一种可再生无污染的优质燃料，代替秸秆和煤，不仅可以减少一次能源的消耗，还有助于减少CO2、SO2等有害气体的排放。沼气技术用于处理畜禽粪便、工业有机废水、生活污水、城市有机垃圾等生物质废弃物可以得到最完全最彻底的利用，是我国目前大力发展的四大重点可再生能源项目之一。因此，合理利用生物质资源，发展沼气产业是缓解我国能源供需缺口、减少环境污染的有效途径，也是我国实现可持续发展的重要内容之一，具有重要的现实意义。本文采用实验与理论分析相结合的方法,研究了可供农作物黄瓜藤发酵制备沼气的工艺参数确定和破碎能耗经济性计算的有效方法。本文的主要研究成果及结论如下:(1) 介绍了农作物的主要破碎方式,对不同厂家生产的农作物秸杆破碎能耗进行了分析,在相同破碎出 力条件下,破碎粒度越小,能耗越高。工程实际中可根据不同粒径的需求,尽量降低破碎能耗。(2) 以常见农作物黄瓜藤叶为原料，通过中温条件，连续投料的方式，研究了不同因素对黄瓜藤叶产气特性的影响。其中包括黄瓜藤的青枯比和活性污泥的投配率等因素，实验结果显示，黄瓜藤的新鲜度能有效影响厌氧发酵的产气总量和产甲烷气体量，同时也影响产气速率。(3) 通过添加不同投配率的活性污泥在中温条件下进行厌氧消化反应研究，投加污泥的方式是每天投加，通过分析反应过程中的产气总量、产甲烷气体量、pH等指标对投配率为5%，7%和10%的影响，用来探究厌氧发酵产气特性和稳定性能。关键词：厌氧发酵 沼气制取 能耗分析 Vegetables biogas anaerobic fermentation process conditions and economic analysisABSTRACT With the increasingly prominent problems of energy shortages and environmental pollution, the whole world in this century has immediately experienced global energy crises cause by insufficient energy resources and an increasingly serious environmental crisis brought about by the growth of energy consumption. Our country is in the period of rapid economic development. Chinese growth rate of energy consumption is close to even higher than the speed of development in national economy. The trend of shortages in some types of energy will become increasingly serious with the fast increase in Chinese economy. Meanwhile, with global warming and sharply deteriorated quality of atmospheric environment, Chinese problems on environmental pollution are increasingly prominent. All these problems will undoubtedly restrict Chinese future developments on energy, economy and society. Therefore, China and even the world are faced with two big problems which are how to find the opportunities to develop future energy, and the relief for the contradiction between supply and demand of energy and effective control of the environment pollution. Biogas which can take the place of straw and coal is a type of renewable pollution-free premium fuel. It can not only reduce the consumption of primary energy, but also contribute to decrease the emissions of harmful gas such as CO2, SO2 and so on. Biogas technology is used to deal with and make full use of biomass waste such as livestock and poultry waste, industrial organic wastewater, sewage, urban organic waste and so forth. It is at present one of the four key programs in China greatly developed in renewable energy. Hence, reasonable use of biomass resources and the development on biogas industry which are of great practical significance are effective ways to ease the shortage between energy supply and its demand and to reduce the pollution to the environment, and are also improtant contents of achieving sustainable development in our country. This article adopts the method of combining experiment and theory, research for crop straw preparation of biogas fermentation biogas projects for process selection, process parameters and effective method of efficiency calculation. In this paper, the main research results and conclusions are as follows：（1） introduces the main way broken crops, for different manufacturers crop straw breaking energy were analyzed under the same conditions crushing output, crushing smaller the particle size, the higher the energy consumption. Engineering practice according to the needs of different size, to minimize energy consumption broken.（2） in common crops - cucumber vine leaves as raw materials, through the temperature conditions, continuous feeding of the way, the effects of different factors on cucumber vine leaves gas properties. Including cucumber vines of Ralstonia ratio and activated sludge dosing rate and other factors, the experimental results show that the freshness of cucumber vines can effectively influence the total gas production and the amount of methane gas produced by anaerobic fermentation, but also affect gas production rate.（3） By adding active sludge different dosing rates in the temperature anaerobic digestion reaction conditions studied dosing sludge way daily dosing, the total gas production by analyzing the reaction process, the amount of methane gas, pH, etc. indicators of dosing rate of 5%, 7% and 10% of the impact, to explore the anaerobic fermentation gas properties and stability. KEW WORDS: Anaerobic fermentation Biogas Preparation Analysis of Energy Consumption38第一章 绪论1.1 课题背景1.1.1 我国一次能源消费状况 中国的能源状况与政策(2012)一书指出,我国化石燃料的人均拥有量较低，煤炭、石油和天然气的人均占有量分别为世界平均水平的67%、5.4%和7.5%。随着我国经济的快速发展,我国一次能源的消费量逐年增长。根据国家统计局统计公报的有关数据,通过分析,可得出我国能源消费总量的变化情况,如图1.1所示1。从图1.1可以看出,我国2011年的能源总产量为31.8亿吨标准煤,同比增长7.1%。煤炭是我国主要的一次能源，占能源总量的70%以上,石油、天然气、水电、核电、风电等不同种类的一次能源在我国一次能源结构中的比例如图1.2中所示。为了改善我国的一次能源结构,实现经济与能源的可持续健康发展,我国十分重视新能源与可再生能源的发展,在政策导向、经济补偿和技术研发等方面加大了新能源与可再生能源的支持和投资的力度。2005年,全国人大颁布了中华人民共和国可再生能源法，2007年国家发改委公布了可再生能源中长期发展总体规划。在可再生能源中长期发展总体规划中，规划指出到2020年可再生能源在我国的一次能源消费中所占的比例将达到15%。 图1.1 能源生产总量（万吨标准煤） 图1.2 各能源占能源生产总量的比重（%）1.1.2 国内外新能源与可再生能源发展状况化石燃料的大规模应用推动了第一次工业化革命,促进了人类经济规模的快速增长和生活水平的大幅度提高。在过去100多年里，大规模利用化石燃料的过程中,化石燃料能源化利用排放的温室气体（CO2）、酸性气体(硫化气体)和粉尘,造成全球性的环境污染和生态破坏。同时,化石燃料的资源量也在快速地减少。为了实现经济、能源和环境的和谐发展,在20世纪出现能源危机以来,各国逐渐认识到改变能源消费结构的重要性,加大了新能源与可再生能源的研发力度,投入了大量的人力和物力,使新能源与可再生能源在全球一次能源消费结构中所占的比例逐年上升。世界一次能源消费结构的预测结果和中国一次能源消费结构的预测结果,如图1.3。 图1.3 世界及中国一次能源消费结构预测图从图1.3可以看出,不论是在亚洲,还是在全球,可再生能源在一次能源消费结构中所占的比例都逐年增加。由于各国都十分重视可再生能源的健康发展,可再生能源实际的增长速度,超过图1.3中的所预测的结果。在世界范围内,各国都十分重视新能源与可再生能源的发展和利用,认为占领新能源和可再生能源的技术制高点,是本国经济与环境可持续发展的重要保证。2009 年 1 月 26 日,国际上成立了 The International Renewable Energy Agency(IRENA)2,旨在促进新能源与可再生能源的研发和推广应用。该组织的签字国家达到75个,包括非洲一些经济落后的国家。虽然美国、中国、俄罗斯、印度、日本、中国等国家均未参加该组织,但这些国家也都十分重视新能源与可再生能源在本国能源消费中所占的比例。2009年,美国政府提出到2012年,新能源与可再生能源的发电量占总发电量的比例为10%;到2025年,新能源与可再生能源的发电量占总发电量的比例为25%;到2050年,温室气体排放量,在2009年温室气体排放量的基础上减少80%3。欧共体规划4: 2020年可再生能源占能源消耗的20%,可再生能源发电量占总发电量的30%。德国规划5:到2020年,可再生能源在一次能源消费中的比例将达到18%,其中可再生能源的发电量占总发电量的比例为30%,可再生能源的供热量占总供热量的14%。英国、法国、丹麦、荷兰、日本、加拿大、俄罗斯、巴西、印度等国家也都提出了相应的发展新能源与可再生能源的规划,以促进本国可再生能源的快速发展和推广应用。近年来,我国新能源与可再生能源的发展速度处于世界领先水平,在太阳能热利用和光伏发电方面6,太阳能热利用处于世界领先水平;太阳能光伏发电装机容量到2012年底己达到600MW,位居世界第一。到2020年,中国太阳能光伏发电总装机容量将达到20000MW。在风能方面,到2012年底,我国风力发电的总装机容量己超过63000MW,居世界第一。在我国可再生能源法中规定了生物质能资源的范围,我国的生物质能资源包括:自然界的植物、粪便和城乡有机物。上述生物质转化的能量称为生物质能。常见的生物质的能源化和资源化包括生物质能源化利用和资源化利用这两大类。生物质能源化利用和资源化利用的目的是不相同的,但有一个共同的目标,就是提高生物质的利用价值和利用率,减少化石燃料的用量,改善能源结构,实现能源与环境的可持续发展。常见的生物质能源化与资源化的利用方式如图1.4所示。图1.4 生物质能源化与资源化的利用方式 根据我国可再生能源中长期发展规划7,到2020年,我国在生物质能利用领域的目标为:生物质发电总装机容量达到30000MW,生物质固体成型燃料的年利用量达到5000万吨,沼气年利用量达到440亿立方米,生物质乙醇年利用量达到1000万吨,生物柴油年利用量达到200万吨。如前所述,2012年底,我国在太阳能和风能两个领域的装机容量已居于世界第一。我国在生物质能利用领域的发展并没有像预期的那样顺利。为了加快我国生物质能的开发和利用,国家在生物质发电方面给予了重点扶植,生物质发电的标杆电价统一规定为0.75元/千瓦时,以促进生物质发电技术的推广应用。1.2 农作物的能源化利用和资源化利用的特点1.2.1 农作物能源化利用农作物的能源化与资源化利用目的是不同的,农作物的能源化利用的目的是通过化学、物理或生物的方式,将农作物所含的生物质能进行能源化利用,包括发电、供热和热电联产。如图1.4所示,常见的农作物能源化技术分高温转化、物理化学转化和生物化学转化等三种。其中,高温转化包括:碳化、热解、气化,将产生的固体燃料、液体燃料和气体燃料进行燃烧,实现能源化利用；物理化学转化主要指先将农作物压缩成型固体燃料,然后再进行燃烧进行能源化利用或将其制成液体燃料；生物化学转化包括:发酵制备成乙醇、厌氧制备沼气或好氧堆肥,乙醇和沼气作为燃料进行燃烧,实现能源化利用,好氧堆肥产生的热量进行供热8。 现就农作物的能源化利用技术进行简要的介绍:(1) 直接燃烧技术 农作物通过燃烧的方式进行能源化利用,是农作物能源化利用的主要方式之一。从农作物作为炊事的薪柴,到农作物釆用大容量锅炉进行燃烧,实现发电、供热和热电联产。农作物的能源化利用可以减少化石燃料的应用,减少污染排放。在农作物的生长过程中,农作物的光合作用是吸收C02,释放出02;而在农作物的能源化利用过程中,如果采用燃烧方式实现农作物的能源化利用,则燃烧过程消耗02,产生C02,从而实现农作物替代化石燃料,减少C02的排放。 21世纪初,国内外都把农作物采用大容量锅炉进行燃烧发电、供热和热电联产,作为农作物能源化利用的主要应用技术加以研究和推广应用,但在推广应用的过程中发现,由于不同种类的农作物含有不同种类和数量的碱金属,使农作物在燃烧过程中造成灰熔点的温度降低。如果不降低锅炉的燃烧温度,就会使农作物燃烧产生的灰渣处于熔融状态,引起锅炉受热面的沾污和腐烛,影响锅炉的日常安全运行，加重维护成本。如果降低农作物燃烧的温度,使农作物燃烧产生的灰渣处于固态,则使锅炉的炉膛烟温要降到800°C以下,这不仅降低了锅炉的热效率,也使炉膛内的燃烧工况不断恶化,造成不稳定燃烧。为了解决农作物燃烧过程中所存在的问题,国内外对不同种类农作物在不同燃烧条件下碱金属对灰溶点的影响规律和锅炉安全运行的条件进行了大量的研究,得出了不同碱金属对灰溶点的影响规律,也找到了一些使锅炉安全运行的技术措施9。但是到目前为止,尚没有从根本上解决农作物中碱金属对锅炉受热面的沾污和腐烛的问题,从而制约了农作物采用锅炉燃烧进行能源化利用的推广。近年来,我国先后建立了将近100座以农作物为燃料的生物质发电厂,但大多数都在运行1年左右后出现严重的受热面沾污和腐烛的现象,严重影响了这些生物质电厂的安全运行和经济效益,有三分之一以上的生物质发电厂处于停产和半停产状态,这些原因使我国调整了农作物能源化利用的方向。 (2) 农作物的碳化技术 农作物的碳化技术是将预处理成型后的农作物进行加热,使其水分挥发或蒸发掉,得到木炭产品10。木炭作为固体燃料进行燃烧,可作为家庭日常炊事用燃料,也可用于冶金、化工等领域。因此,农作物碳化技术既是一种农作物秸秆的能源利用技术,也是农作物的资源化利用技术。但是，总体来说,国内外农作物碳化技术的规模化应用不多。(3) 农作物的热解技术 农作物燃烧是在过量空气系数大于1的情况下进行的热化学反应,而农作物热解则是在过量空气系数为零,即没有空气存在的情况下进行加热,进行热化学反应,农作物经过水分蒸发、干馏、气体产出等不同阶段,得到气体燃料,同时产生焦油和固定碳。热解过程根据温度范围可分为低温热解(热解温度<500°C)、中温热解(热解温度为500800°C)和高温热解(热解温度>800°C) 11。对于农作物的低温热解,木炭是其主要产品,热解产生的焦油和可燃气体是副产品;但对于农作物的中温热解和高温热解来说，主要产品是热解过程产生的气体燃料,而热解过程产生的焦油和焦炭是副产品。国内外对农作物秸秆的热解过程也进行了大量的理论探索和实验研究，为农作物的热解技术商业化应用奠定了较为扎实的理论方面和技术方面的基础。农作物热解技术在国内外都得了商业化推广应用。我国也有多套农作物热解装置进行了商业化运行。但在农作物热解的商业化运行过程中,作为副产品的焦油,一直是热解气体净化过程中较难以解决的技术难题，这会造成热解工艺的二次污染,影响了热解装置运行的安全性和经济性，同时也制约农作物热解的大规模商业化应用。因此，农作物热解技术，目前在国内外都不是农作物能源化利用的主流技术方向。(4)农作物的气化技术农作物气化是在过量空气系数小于1的情况下进行的热化学反应。农作物气化以氧气(空气、富氧或纯氧)、水蒸气或氢气作为气化介质,在高温条件下通过热化学反应将农作物中的高分子有机物转化成可燃气体性燃料,气化过程产生的焦油和少量的固定碳则是气化过程的副产品12。我国目前有300套以上农作物气化装置投入了商业化运行15,包括为农村提供了炊事用气体燃料。但在农作物气化的商业化运行过程中,作为副产品的焦油,同样造成了气化装置中的管道堵塞和设备腐烛等问题，给后期装置的运行维护带来了不利条件。在脱除焦油的过程中,也会产生二次污染,影响了农作物气化装置运行的安全性和经济性。(5) 农作物制备液体燃料 农作物制备液体燃料分为制备生物油和乙醇两种形式。用农作物制备生物油的直接液化技术,是将农作物在高温、高压和溶剂存在的条件下,进行热化学反应,从而制备成生物油。农作物制备乙醇则是采用发酵的方法，将农作物进行降解，制备成乙醇。生物油和乙醇都可作为液体燃料,乙醇还可以作为在化工领域广泛使用的原料。因此,农作物制备液体燃料可视为农作物能源化利用和资源化两者利用相结合的技术。国内外对农作物制备液体燃料的理论基础、工艺流程等也进行了大量的研究探索，为农作物工业化制备生物油和乙醇奠定了理论和技术基础。在农作物制备生物油方面，虽然技术上是成熟和可行的,但由于制备的生物油成本比较高,如果没有政府以财政形式进行补贴的话,在价格上难以与石油炼成的燃料油进行直接竞争,从而制约了农作物制备生物油的规模化推广应用。对于农作物制备乙醇,国内外都有大规模工业化装置在运行。 世界上利用农作物制备乙醇产量最多的国家是南美洲的巴西,该国利用甘蔗澄制备的乙醇,可以满足本国汽油添加20%乙醇的要求,2013年乙醇产量将达到1.5亿升16。由于农作物制备乙醇的生产率比较低,农作物制备乙醇的技术在我国并没有大规划商业化应用。(6) 农作物制备沼气农作物制备招气是将农作物破碎后与水混合成液体发酵原料,在厌氧条件下,经历水解、酸化、醋酸化和甲烷化等四个阶段,将农作物中可降解的有机物降解为CH4、C02、H2、H2S等气体,这些气体的混合物称为沼气。农作物秸秆制备沼气的主产品是沼气,副产品是沼液和沼渔。沼气可以作为燃料直接进行能源化利用。通过纯化提高甲烷浓度后并入天然气管网，以作为燃料进行资源化利用。沼液和沼渣是理想的有机肥料，因此，农作物制备沼气的技术是典型的农作物能源化和资源化的利用技术,且具有污染排放低、能源化与资源化利用率和转换率高、易实现模块化等优势，是国内外近年来广泛受青睐的农作物能源化与资源化利用技术。近年来,国内外对农作物制备沼气的基础理论、工艺流程、污染排放、经济与环保效益等方面的内容进行了广泛和深入细致的研究,取得了丰富的成果,为农作物制备沼气的大规模商业化推广应用奠定了技术实用基础,促进了农作物制备沼气技术的推广与应用。许多国家都把农作物制备沼气技术作为本国农作物能源化与资源化利用的主导技术之一。1.2.2 农作物的资源化利用 农作物资源化利用是对农作物进行合理利用的主要途径之一,常见的农作物资源化利用技术主要包括如下几个方面:(1) 农作物的堆肥技术农作物堆肥分为好氧堆肥和厌氧堆肥这两类。好氧堆肥是将预处理后的农作物通入氧气,经历升温阶段、高温阶段、降温阶段和腐熟阶段这四个主要步骤,将农作物制成有机肥，同时伴有NH3、C02等气体的产生,气体经过净化后排入大气中，当然这其中对大气是有污染的。好氧堆肥过程中产生的热量用以加热堆肥原料或对外供热，实现热能回收利用。从好氧堆肥的目的来看,主要目的是获得有机肥料。因此,农作物的好氧堆肥视为农作物的资源化利用更为合适些。农作物的厌氧堆肥,是将农作物破碎预处理后,在厌氧的条件下经历水解、酸化、醋酸化和甲烷化等四个阶段制备成有机肥沼渣沼液,同时产生沼气。与农作物制备沼气不同,农作物厌氧堆肥产生的有机肥是主产品,沼气是副产品,沼气大多数情况下通过净化后排入大气,并不进行能源化利用。因此,农作物厌氧堆肥是属于农作物的资源化利用技术。在农作物好氧堆肥和厌氧堆肥的实际应用过程中,大规模的堆肥厂好氧堆肥占主导地位，小型或家用农作物堆肥,则是以厌氧堆肥为主。国内外对农作物好氧堆肥和厌氧堆肥的机理和工艺流程、堆肥过程的温度和通风控制方法、肥料的有效成分、堆肥的生态与环境效益等方面进行了广泛和深入的研究,为农作物堆肥技术的规模化应用奠定了理论基础。在发达国家，农作物的工业化堆肥产品的价格较高,堆肥厂可以获得较好的经济效益和社会效益。而在我国,大型堆肥厂的堆肥产品售价定得太低,无法与化肥进行市场竞争,即便有政府的财政补贴,也难以获得较好的经济效益。因此我国已建成的数家大型农作物堆肥厂,都处于半停产或关闭的状态。如上所述,农作物堆肥技术可分为好氧堆肥和厌氧堆肥两类,虽然好氧堆肥过程中有热能利用的情况，但农作物的好氧堆肥和厌氧堆肥都作为农作物的资源化利用更为合适。(2) 农作物成型燃料技术 农作物经过压缩、成型等处理方式，将其制备成成型燃料,这能提高了燃料的密度,由于成型过程中脱除了大量得水分,使其单位质量的成型燃料的热值比原农作物的热值得到显著提升，农作物，比如秸秆成型燃料的密度为:1.21.4g/em3,干基高热值为1420MJ/kg,使农作物秸秆成型燃料比原农作物更易于进行燃烧和储存15。国内外对农作物的破碎原理、成型设备、成型能耗、成型燃料的燃烧过程等方面进行了大量的研究,发出几十种不同类型的农作物成型燃料成型机。我国也有数十家农作物成型机制造厂家，国产农作物成型机的最大额定出力为2t/h。农作物,尤其秸秆类的农作物，成型燃料可作为农村炊事用燃料,也可以用于燃煤电厂或水泥厂与煤进行混烧,不仅节省了化石燃料的消耗量,而且也可以降低燃煤电厂或水泥厂的气体污染物排放。因此,农作物成型燃料技术是农作物能源化利用技术主要方向之一,是国内外感兴趣的农作物能源化和资源化利用的方向。而农作物成型燃料成型过程的高能耗,成为该项技术大规模推广应用的主要障碍。 如上所述,农作物成型燃料技术可视为农作物的能源化利用技术或资源化利用技术。但农作物成型燃料主要作为燃料进行燃烧,农作物成型燃料热值较高,且含硫量低,灰分小,具有输运方便、工艺简单等优点。因此,农作物成型燃料技术视为农作物的能源化利用技术更为合适。随着化石燃料价格的不断攀升和农作物成型燃料成型过程能耗的不断下降,有理由相信,农作物成型燃料的应用规模将得到迅速扩大。 (3)农作物制备建筑材料、包装材料等以农作物，尤其是秸秆类为原料,不仅可以制备成建筑材料如保温材料,农作物还是造纸业的主要供料之一,农作物还可加工成各种轻质板材,用作家具的辅助型材料。此外，农作物还可以用作编织材料，制作箱包等等。由此可见,农作物的资源化利用途径是多种多样的,但上述农作物的资源化利用途径的规模都不是很大,很难实现农作物的规模化资源利用。1.3 我国沼气产业发展存在的主要问题从总体发展水平来看，我国沼气产业的整体水平与发达国家相比还有较大差距，还没有实现“产业化”。德国和中国是目前世界上处理农业废弃物沼气工程数量最多、发展最快的国家。但我国沼气工程的整体技术水平和运行效率与德国还相差甚远。本论文将通过对比我国和德国沼气产业的发展现状，详细分析我国沼气产业发展存在的主要问题。（1） 大规模工业化生产比例小，整体运行效率低 目前，我国沼气建设主要还是以农村户用沼气为主，池容通常只有 610m3，产生的沼气主要用于农户炊事。处理农业废弃物的沼气工程也主要是建在规模化畜禽养殖场，由于受养殖场数量、规模和地域等条件限制，其数量有限，规模也以中小型为主。而且，这些农村户用沼气及农业废弃物沼气工程的建设大都是在国家扶持的情况下建设并推广的，否则推广起来是非常困难的。因此，我国沼气产业尽管发展势头良好，数量很大，但规模小、平均装置容积小、产气率低、技术水平上升缓慢、沼气的利用更多是采用“自产自消”型的模式，无论是现在还是将来，都无法形成规模化和形成产业化。表1.3.1为2007年我国各种沼气工程数量及产气情况17。类型户（或处）产气量（亿m3/方）所占比例（%）工业沼气工程7001.411.39%户用沼气池2174000010.1985.79%农业小型沼气工程1811970.0560.47%农业大中型沼气工程85760.2321.95%表1.3.1 2007年我国各类沼气工程数量及产气情况名称中国德国运行数量（处）33562680平均每处容积（m3/处）2831000年产气量（万m3）2298.5130280平均每处日产气量（m3）1771322容积产气率（m3/m3·d）0.20.51.01.5沼气发电装机容量（MW）6.696.50沼气发电量（GWh）8.7355.64发电沼气占总沼气产量的比例（%）2.598.5表1.3.2 2010中国与德国大中型沼气工程运行情况对比 由表1.3.2可以看出，我国处理农业废弃物的大中型沼气工程数量是德国的1.33 倍，但平均每处日产气量却只有德国的13.39%，沼气年总产量只有德国的17.6%。这主要是由于我国处理农业废弃物的沼气工程平均装置容积只有 283m3/处，其容积产气率0.20.5m3/m3·d，仅为德国沼气工程平均装置容积的 28.3%，容积产气率的 20%33%。因此，要实现沼气产业化，大规模工业化生产是前提，产业化就意味着先必须实现工业化生产。只有实现工业化生产，配套的发酵工艺、发酵装置、输配气设备以及沼气的燃烧设备等技术水平才能得到整体提升，其工程整体运行效率也才能得到整体提高，也才有利于实现沼气集中供气、沼气发电并网、沼气汽车燃料等产业化运作模式。（2） 产业配套法规、政策不完善，市场机制不健全 我国沼气工程建设主要是以政府补贴拉动及环保要求引导建设，市场流程并没有完全打通。长期以来，沼气产业发展没有明确的市场信号，虽然国家政府对其发展给予了一定的支持，但由于没有建立起强制性的市场保障政策，无法形成稳定的市场需求，沼气产业的发展缺乏持续的市场拉动。国家引导的沼气发电上网也因入网困难而难以大面积推广，致使很多沼气工程建成之日也是项目停产之日，导致国家及政府大量的资金和资源浪费，更谈不上经济效益和社会、生态效益，与原有意愿相差甚远。更有甚者，一些部门及企业借上沼气工程之名套取国家补贴，粗制滥造设备赚钱，严重扰乱了产业市场的发展。 相比之下，德国沼气补贴政策全面，不仅对原料有补贴，对产品如发电和管道输运天然气都有补贴，而且对采用新的厌氧发酵技术和净化、纯化技术也有相应补贴。以公平、全面的原则对整个沼气产业进行审视，关注到每个发展节点，并大力推动项目的进行。整套法规和政策全面而且是闭合的，国家政府对沼气的补贴资金最终来源于终端用户，由国家立法，要求用户必须消费一定比例的可再生能源，使政府的法律政策可执行可持续。 由此，我国已经规划在“十二五”期间，重点探索对沼气工程发电上网、热能回收、提纯灌装、沼肥利用等开展补贴，引入清洁发展机制，统筹沼气工程环境治理、能源利用、肥料生产等多重目标，实现沼气产业的可持续发展。（3）产业关键技术和装备水平相对较低 德国沼气产业关键艺术和装备的领先是其沼气产业快速发展的一个重要因素。德国沼气工程的产气率和设备利用率均较高。例如发酵罐搅拌电机，同等规模的沼气工程德国只需8KWh，而我国的设计高达100KWh，运行能耗差距悬殊。再如换热设备，德国瑞士厂家能将18的余热回收到16，只有2的温差，而我国的设计一般要达到 50的温差，设备制造和设计理念差距悬殊。此外，沼气净化纯化生产天然气工艺，德国可将净化纯化的压缩机余热回收用于发酵罐的加热，而我国目前还难以达到该水平，一般是另设加热源加热。德国的净化纯化技术已经形成水洗、PSA（Pressure Swing Adsorption）和胺洗等三个系列成套技术，技术先进成熟，而我国才刚刚起步。且由于我国沼气工程规模偏小，即使引进国外的水洗、PSA 和胺洗也会遇到问题，难以达到德国本地的技术指标，需要进一步的引进消化吸收以及改进。 综上所述，我国沼气产业的发展，必须要从现在的主要局限于农村户用，逐步向工业化生产和工业化应用的方向转变。通过相关扶持政策，探索适合我国沼气产业发展的产业链，走市场化的道路，按照市场规律运作，使沼气的综合效益得以利润体现，才能开辟出新的沼气产业化途径。1.4 实验研究目的，技术路线 我国目前的农作物发酵制沼气技术与发达国家相比,起步较晚,大型项目的运行经验相对较少。由于我国幅员辽阔,不同地域的农作物资源种类不同,其物理和化学性质也有较大的差别,加之我国不同地区年平均气温差别较大,使我国农作物厌氧发酵制备沼气的大型项目难有统一的设计参数标准。对于不同的大型沼气项目,必须结合项目实际的农作物种类和物性、气候条件、供热条件、沼液和沼渔的消纳和后续处理工艺、农作物的价格和最大运输半径、原料的储存和供料方式、发电机组的选型等因素进行综合考虑,才能使项目实施后获得最佳的经济和社会效益。 根据我国农作物制备沼气技术的应用现状,结合本文研究的农作物制备沼气项目实际案例,本文的研究目的为:;研究发酵原料的物理化学性质和产气率,提出合理估算农作物（主要是黄瓜藤）和粒径的方法,为项目实例提供工艺选择、系统设计和经济性计算提供可靠依据。 为了实现上述目的,本文研究内容主要集中如下几个方面:（1）研究农作物破碎预处理的特点,为合理计算破碎预处理能耗提供计算方法。（2）研究了黄瓜藤的鲜活度对发酵产气量和产气速率等因素的影响。（3）不同投配率对发酵产气量和产气速率等因素的影响；为了厌氧发酵反应的持续反应，同时还研究不同投配率对于pH值的影响。1.5 论文章节安排本论文共包括六章内容。第一章介绍课题的研究背景，国内能源消费和可再生能源利用现状，以及课题的主要研究内容和意义。第二章厌氧发酵反应制备沼气的基本原理和影响参数。第三章阐述农作物的破碎原理，从中说明粒度与能耗间的关系，并且从能耗的角度分析不同粒度的颗粒的耗能情况。第四章针对需要采用实验方法对各个因素进行研究，确定实验的数据测量