德国大中型沼气工程建设与发展——赴德国下萨克森州考察报告 安徽省政府发展研究中心课题组
应德国汉诺威中国中心邀请，并受安徽省农业委员会委派，我们于2011年1月22日至26日赴德国下萨克森州考察交流学习大中型沼气工程工艺、建设技术、运行管理、沼气能源化利用、沼气发酵残留物的开发利用、沼气相关政策等。在汉诺威中国中心的安排下，考察团先后与德国下萨克森州农业部及有关大学、职业技术培训机构、融资机构（银行）和沼气生产企业代表进行了交流，并实地考察了德国KWS种子股份有限公司（能源作物种子的研发）、Hardegsen以秸秆为主要发酵原料的大型沼气工程。德国在沼气工程建设方面的许多成果和经验，印象深刻，值得学习和借鉴。
一、下萨克森州沼气工程及关联农业发展现状
下萨克森州位于德国西北部，西部与荷兰接壤，是德国面积第二大州。该州分为4个区，下设9市39县。南北和东西的公路和铁路线在此交叉而过，埃姆斯河与易北河之间的内河运河在此与莱茵河、易北河和奥得河相连，形成了西欧和东欧的内河航道。农业资源十分丰富。下萨克森州三分之二的土地用于农业，主要种植粮食、甜菜、饲料玉米和马铃薯，北海沿岸是重要的产鱼区，被誉为是德国的“鱼米”之乡。全州总人口800万，其中农业人口占80%，纯农业人口占54%，全州面积18%为草地，42%为耕地，耕地面积约160万公顷，森林覆盖率22%。全州共有各类农场约5万家，农场从业人员100万以上，2007年全州农业生产总值90亿欧元。
德国非常重视可再生能源的开发和利用，仅沼气项目，2010年德国已有400万户居民使用沼气发电所产生的电能，总发电装机容量达到2300MW，相当于2—3个核电站。作为德国重要的农业大州，沼气工程是下萨克森州重点发展的可再生能源技术之一（另外为风力发电、太阳能光伏发电等），绝大部分养殖场均建有沼气工程，同时建有一批利用能源植物（主要为能源玉米）为原料生产沼气的大型工程。沼气工程95%以上由农场主或企业联系银行（一般为北德州银行）享受低息贷款建设，项目建设成功运行后，政府给予约总投资30%左右的资金补贴（拨付给银行抵消相应贷款），根据工程不同投资规模，补贴额度设定一个上限。一般工程正常运行5—8年即可收回投资。沼气工程建设多采取招投标制由专业化施工公司设计建造；国家没有专门的沼气技术标准，所以施工建造采用企业自己标准。沼气工程运行管理人员技术培训主要来自两方面，一是政府认可的农业技术培训学校，二是工程设计、施工企业。工程的建后维修事宜多为谁承建谁负责，合同规定明确，企业诚信度较高。目前，德国沼气工艺多采用全混合产储气一体式反应器（CSTR）、中温（38—43℃）发酵，料液浓度根据工程原料不同有低浓度（TS≥6—12%，粪污原料）或高浓度（TS≥30%，农作物秸秆原料），料液发酵滞留期一般较长（30—60天），沼气发酵残留物以直接喷洒至农田综合利用为主，且根据德国政府规定，沼气发酵残留物必须经过180天（含发酵时间）保存后才能至农田使用。发酵所产沼气2008年之前主要进行发电上网，2008年后得益于低压吸附提纯沼气技术的推广应用，许多工程开始采用并入天然气管网供气的模式。据统计，2010年下萨克森州可再生能源消费比例已占总能源消费的15%，并计划到2020年达到20—25%。目前，下萨克森州自用电力的6.5%来自于沼气发电。2000年德国制定可再生能源法促进了沼气工程等可再生能源发展，2004年又实行对沼气发电进行0.2欧元/kwh的价格补贴政策，有力促进了下萨克森州沼气工程的发展。现在德国5%的沼气发电都在下萨克森州，2009年该州建有发电站的沼气工程875家，预计2011年将达到1300家，发电量由2009年460MW将提高至2011年650MW；全州沼气工程年投入资金20亿欧元，年产值10亿欧元，总体利润约1亿欧元。下萨克森州现有26万公顷耕地用于能源植物种植，占该州总耕地面积的13.6%，其中用于沼气工程原料的能源植物种植面积占75%。沼气工程建设，涉及该州的多个领域，如：能源作物育种、能源作物种植、工程建设、运输物流、能源投资、设备产销、技术培训等，通过沼气工程实施有力带动了整个产业发展。
据介绍，目前，下萨克森州不同规模装机容量沼气发电工程所占比例为：260MW以下占25%，261—500MW占52%，501—1000MW占22%，1001MW以上占5%。2011年该州计划进一步调整和优化用于沼气原料能源作物的种植面积、通过立法从政策方面解决沼气工程发电或提纯供气并网等市场推广问题、进一步加大沼气技术研发与技术培训等。
二、KWS种子股份有限公司考察情况
KWS成立于1856年，是一家具有150多年历史的大型作物育种企业，在德国上市，在全球业内位列前五，已在70多个国家和地区开展业务，并设立了55家子公司和联营公司。2009年末公司全球营业额达7亿欧元。KWS一直视自己为“农民的种子专家”，每年将营业额的15%投入在研发活动中，并将“团队精神、亲切诚信、独立前瞻”作为企业的核心价值。KWS公司自30多年前进入中国，一直致力于提高中国甜菜品种的生产能力，中国主要糖区的单位面积产糖量在过去的30年里增加了近一倍。近年来KWS的玉米品种在国内某些抗性方面表现出明显优势，且密植性能优异。
2009年11月KWS公司通过其旗下的欧洲杂交谷物育种责任有限公司先期投资200万美元，在合肥市高新区设立其中国研发中心——科沃施农业科技研发（安徽）有限公司，从事农作物生物技术、生物质能源技术研究及开发。目前KWS玉米品种已占中国北方玉米种植面积33%。
据介绍，KWS公司在欧洲约15%的年收益来自于能源作物。生物质能源在德国的应用形式主要是通过沼气作为能源载体，能源作物的用途决定其育种目标相对其他食用、饲用作物较简单，这些目标概括起来说，就是干物质产量的最大化，提高每千克有机干物质的沼气产量，改善剩余作物的可消化性，产量稳定，熟期有保障。
三、德国沼气工程建设特点
据德国应用科学和艺术大学的Loewen教授等介绍，近十年来，在德国，建设沼气工程多以获取生物能源为主要目的，因此追求最大原料产气率是这些工程最为重要的技术指标。从原料产气率角度分析，一些农作物，如玉米、甜高粱、甜菜、马铃薯及大麦的干物质产气率可高达600—1000m3/t，远远高于畜禽粪便的产气率，而畜禽粪便与这些原料掺在一起进行混合发酵，可以弥补这些原料氮源不足的问题，从而更有利于沼气的生产。此外，这些作物的单位产量也很高，比如种植1公顷甜菜可以收获100吨甜菜和26吨甜菜叶，而1吨新鲜甜菜可生产100m3沼气。同时采用这些发酵原料有充足的资源保证。德国每年的秸秆产量大约为5000万吨左右，目前的畜牧业养殖规模也有较大发展，每天产生的粪便所含干物质约可达60000吨左右。因此，采用农作物和畜禽粪便两种原料进行发酵（全混合发酵工艺）的沼气工程在德国占主导地位。由于全混合发酵原料SS含量和TS浓度都比较高，适合采用全混合厌氧反应器。德国目前约85%左右为立式全混合反应器，约5%采用卧式反应器，还有10%左右的沼气工程采用两种反应器联用的方式。近年来，随着新材料、新技术的发展，现在新建沼气工程有80%采用了将发酵罐和储气柜一体化的设计建造模式，即在反应器的上部安装双层膜用以储存沼气，既节省工程建设用地，又节省建材和投资；传统型钢制湿式储气柜逐渐被淘汰。在农村，许多畜禽养殖场、农场建的沼气工程多采用2个发酵罐串联发酵，其中第一个发酵罐采用连续进出料方式，其排出的料液进入第二个发酵罐储存并在其中继续产气，同时该罐还兼作沼气储气装置。储存在第二个发酵罐的料液经过120天左右时间储存后才能排放出来作为有机肥喷施到农田里，绝对不存在沼液二次污染问题。
德国的沼气工程所产生的沼气主要用来发电，同时多数将发电过程中产生的余热用于发酵罐供热，即热电联产工艺。沼气发电的方式主要是利用内燃机带动发电机进行发电上网。随着沼气净化提纯技术的进步，目前，已有部分企业把生产的沼气经提纯后输入国家天然气管网。
我们实地参观了Hardegsen的大型沼气工程。该沼气工程设计使用多级发酵工艺技术，原料在厌氧发酵罐中经过大约60天的完全发酵后，其有机物的分解率达到90% 以上，真正做到将资源完全、充分开发利用的目的。该套沼气工程装置完全利用的是德国先进的多级混和物质发酵技术，所有生物发酵过程和沼气提纯工程的运营采用高度自动化的监控技术，如：从供应秸秆原料的农场主运料地点（GPS卫星定位监视）到沼气站过地磅记录开始至向发酵罐加料及运行监测、故障报警等全过程，完全实现自动化。该工程从设计、建设、施工以及环境保护，包括噪音和排放都严格按照欧盟相关标准执行。
该工程设计工艺规模及有关技术参数：该工程的设计规模为每小时产气1200立方米, 采用沼气锅炉给发酵罐增温，每小时锅炉消耗沼气约150立方米，自动维持厌氧发酵罐和次级厌氧发酵罐内40℃恒温。设计全年运营时间为8200 小时，平均每天运营时间为22.5 小时。设计全年沼气产气总量为984万立方米。沼气锅炉消耗气体量为123万立方米，剩余气体通过低压吸附工艺提纯达到天然气品质（甲烷含量达97%以上），输入德国国家天然气网，供给天然气用户，设计年输送国家天然气网的沼气总量为470.44万立方米。该沼气工程采用混合原料的干法发酵方法，即主要原料来自已签约的附近50个农场主供应的玉米青储秸秆，麦秸秆等；此外还有少量的人畜粪便及高浓度有机污水做补充发酵原料，主要来自附近农场的禽畜粪便和冲洗污水等；粪污液体原料通过收集后用粪罐车运输到沼气站输入发酵原料预处理池，并通过预处理后泵入发酵罐与秸秆原料充分混合。
该沼气工程为平均每天处理粪便污水约50立方米。沼气发生装置前处理由一个350立方米预处理池（主要用于处理畜禽粪便污水），两个一级钢筋混凝土结构的产、储气一体化发酵罐，体积为3435立方米和两个体积为3435立方米的二级产、储气一体化发酵罐以及三个体积为3633立方米的产、储气一体化发酵残余物储存罐组成。（德国法律规定，用于农田喷洒的沼气发酵残余物必须在储存180天（加上厌氧发酵时间）后，才能用于喷洒农田。初级发酵罐和次级发酵罐的罐体内设有增温装置，常年罐内保持恒定温度约为40℃。该沼气工程储气采用各独立的双膜储气装置通过气体管道相互连通的方式；
一、二级厌氧发酵罐储气装置设计容积为1921立方米，发酵料液残物储存罐的储气装置设计容积为2123立方米，储气装置设计总容积为14053立方米。
该沼气工程投资建造和运营：该沼气工程由两部分构成，沼气生产部分由德国C4能源股份公司投资兴建；沼气提纯入网部分由德国能源巨头E·ON公司投资建造。在该项目中，德国C4能源股份公司负责沼气工程的运营以及沼气的高效生产，生产的沼气直接销售给E·ON公司，E·ON公司负责气体提纯工程的运营，提纯后的沼气输入国家天然气网。整个工程（包括提纯沼气部分）总投资1100万欧元。沼气站目前仅有两人管理操作，自动化程度和运营效率非常高。
