肖國(guó)良,李國(guó)梁,卜樂(lè)平,高揚(yáng),張衛(wèi)東,高陽(yáng),甘啟民,王科,德雪紅
(內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,內(nèi)蒙古呼和浩特 010018)
隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,我國(guó)的能源需求急劇增長(zhǎng)[1]。在我國(guó)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的同時(shí),能源消耗需求和環(huán)境污染的壓力也迅速增加[2]。目前,我國(guó)農(nóng)村能源消費(fèi)主要以秸稈和薪柴為主,這不僅導(dǎo)致生物質(zhì)能低效率消耗,而且燃燒過(guò)程中排放的大量CO2和煙塵嚴(yán)重影響了生態(tài)環(huán)境和生活環(huán)境[3]。沼氣作為我國(guó)農(nóng)村地區(qū)清潔能源的主要組成部分,作為連接養(yǎng)殖和種植業(yè)的資源循環(huán)鏈條,多年來(lái)一直受到各級(jí)政府的重視和老百姓的歡迎[4]。
沼氣是可再生能源,可以替代薪柴低熱效率的能源使用,這樣既能緩解目前我國(guó)農(nóng)村生物質(zhì)能源短缺問(wèn)題,又能減少溫室氣體排放,同時(shí)還能限制林木薪柴的砍伐,增加碳匯,一舉多得[3]。在我國(guó)廣大農(nóng)村地區(qū)發(fā)展沼氣,既能夠解決農(nóng)戶生活所需能源,又能鞏固以退耕還林為重點(diǎn)的生態(tài)建設(shè)成果,并減少人畜糞便和生活污水造成的農(nóng)業(yè)面源污染[5]。沼氣是一種資源豐富而又價(jià)廉的生物質(zhì)能源,利用沼氣發(fā)電不但能解決邊遠(yuǎn)山區(qū)人民用電難的問(wèn)題,而且也為緩解商品電能供應(yīng)不足的緊張局面提供了一條有效的途徑[6]。
我國(guó)利用和發(fā)展沼氣的歷史可分為3個(gè)時(shí)期的3次推廣過(guò)程:民間自發(fā)的沼氣利用和推廣活動(dòng)時(shí)期(1929~1942年),這也是沼氣的第一次推廣,解放后,“沼氣化”運(yùn)動(dòng)時(shí)期(1957~1961、1967~1979年)和整頓時(shí)期(1980年至今),它包括沼氣的第二次(1957~1961年)和第三次推廣(1967年至今)[7]。近些年來(lái),我國(guó)對(duì)于沼氣的研究有了較大的進(jìn)展和突破,并形成了以南方“豬-沼-果”、北方“四位一體”和西北“五配套”為代表的沼氣發(fā)展模式,沼氣的利用也呈現(xiàn)了多元化。
1.1 沼氣的直接利用 戶用沼氣池的直接能源產(chǎn)出是沼氣,沼氣主要用于農(nóng)戶的炊事用能,沒(méi)有市場(chǎng)價(jià)格。但是農(nóng)戶使用沼氣后,可以替代傳統(tǒng)生物質(zhì)能或商品能源,按照等量有效熱替代的方法,計(jì)算所產(chǎn)沼氣分別替代秸稈、薪柴、煤炭和液化氣燃料的量[8]。若以國(guó)家效益分析,一個(gè)池容為10 m3的沼氣池每年節(jié)省液化氣產(chǎn)生的效益為360元,由減排帶來(lái)的環(huán)境效益為180.6元,則每年共產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益540.6元[9]。
此外,沼氣還可以用作沼氣燈為蔬菜大棚增溫,提供氣肥CO2。項(xiàng)安民通過(guò)試驗(yàn)在番茄溫室大棚內(nèi)利用沼氣燈進(jìn)行增溫,試驗(yàn)結(jié)果表明,沼氣燈有效提高了CO2的濃度并且有效提高了溫室溫度,如遇遇極端天氣,溫室內(nèi)使用沼氣燈可有效減少凍害發(fā)生造成的損失[10]。另有研究表明,沼氣燈的波長(zhǎng)為300~1 000 nm,許多害蟲(chóng)對(duì)330~400 nm的紫外線有較大的趨光性[11],因此利用沼氣燈可以誘殺害蟲(chóng)。方剛等通過(guò)試驗(yàn)得出,在水稻大田生長(zhǎng)期安裝沼氣燈能夠有效誘殺多種害蟲(chóng),降低各階段蟲(chóng)口密度,減少害蟲(chóng)危害[12]。
1.2 沼氣發(fā)酵殘留物的利用 沼氣發(fā)酵過(guò)后的殘留物不僅沒(méi)變成廢物垃圾反而成為了寶貝,沼氣發(fā)酵殘留物可作為肥料、飼料、生物農(nóng)藥、培養(yǎng)料液。若將四方面聯(lián)合起來(lái)利用,對(duì)于增加國(guó)民經(jīng)濟(jì)收入具有很好的效益[13]。沼渣作為優(yōu)質(zhì)固體肥料,營(yíng)養(yǎng)成分較豐富,養(yǎng)分含量較為全面,其中有機(jī)質(zhì)36% ~49%,腐殖酸10.1% ~24.6%,粗蛋白5% ~9%,氮0.4% ~0.6%,鉀0.6% ~1.2%,還含有一些礦物質(zhì)養(yǎng)分[14]。沼液不僅含有豐富的氮、磷、鉀等大量營(yíng)養(yǎng)元素和鋅等微量營(yíng)養(yǎng)元素,而且含有17種氨基酸、活性酶。這些營(yíng)養(yǎng)元素基本上是以速效養(yǎng)分形式存在的。因此,沼液的速效營(yíng)養(yǎng)能力強(qiáng),養(yǎng)分可利用率高,是多元的速效復(fù)合肥料,能迅速被動(dòng)物和農(nóng)作物吸收利用[15]。
張翠麗等通過(guò)試驗(yàn)分析認(rèn)為,沼液沼渣除對(duì)鹽堿土總鹽分的影響不顯著外,對(duì)土壤容重、pH、有機(jī)質(zhì)和有效氮均有明顯改善[16]。張久東等通過(guò)沼液與化肥配方葉面肥在油白菜上噴施試驗(yàn)表明,噴施沼液葉面肥可增加油白菜的產(chǎn)量[17]。錢(qián)伯祈等通過(guò)試驗(yàn)分析認(rèn)為,用沼液(渣)代替有機(jī)肥料培肥水質(zhì),對(duì)養(yǎng)殖成魚(yú)和培育魚(yú)種都具有明顯的促進(jìn)魚(yú)生長(zhǎng),提高產(chǎn)量,增加經(jīng)濟(jì)收益的效果[18]。張倫德等的試驗(yàn)結(jié)果表明,沼液對(duì)防治柑橘紅蜘蛛、蚜蟲(chóng)的效果優(yōu)于農(nóng)藥防治效果[19]。
1.3 沼氣發(fā)電 沼氣燃燒發(fā)電是隨著沼氣綜合利用的不斷發(fā)展而出現(xiàn)的一項(xiàng)沼氣利用技術(shù),是將沼氣用于發(fā)動(dòng)機(jī)上,并裝有綜合發(fā)電裝置,以產(chǎn)生電能和熱能,它是一種有效利用沼氣的重要方式[6]。德國(guó)是目前世界上沼氣工程發(fā)展最為成功的國(guó)家之一[20]。我國(guó)在沼氣發(fā)電技術(shù)方面的研發(fā)已有30多年的歷史,但主要集中在大中型沼氣發(fā)電項(xiàng)目上,而且多是引進(jìn)國(guó)外技術(shù)[21]。90年代中期以后,隨著一些大型沼氣工程垃圾填埋場(chǎng)的建成,沼氣發(fā)電已具有穩(wěn)定的充足的氣源,促成了沼氣發(fā)電技術(shù)研究的逐步深入,使沼氣發(fā)動(dòng)機(jī)的性能得到較大改善,發(fā)電機(jī)組的單機(jī)功率也有所增大[22]。
盡管當(dāng)前沼氣產(chǎn)業(yè)正處在一個(gè)高速發(fā)展的階段,受到了各級(jí)政府和人民群眾的歡迎,但是在其發(fā)展過(guò)程中也面臨著不少問(wèn)題和障礙[23]。有研究結(jié)果表明,并不是所有已建沼氣池都在投入使用,投入使用的沼氣池占76.5%。另外,從使用時(shí)間來(lái)看,沼氣池的總體使用效率僅為64.8%[2]。我國(guó)不少省市都在農(nóng)村推廣過(guò)沼氣池的建設(shè),甚至掀起了沼氣建設(shè)的高潮,但是由于技術(shù)不成熟,沒(méi)有專業(yè)施工隊(duì)伍,多數(shù)沼氣池質(zhì)量問(wèn)題突出,只能使用1~3年,出現(xiàn)了邊建設(shè)邊報(bào)廢的情況[24]。這樣沼氣在農(nóng)村的推廣受到了限制,打擊了農(nóng)民建設(shè)沼氣池的積極性。其原因歸結(jié)為以下幾點(diǎn)。
2.1 農(nóng)村沼氣池成本 近年來(lái),建筑材料價(jià)格和人工工資大幅度上漲。經(jīng)測(cè)算,目前建設(shè)一口10 m3的沼氣池需要投資3 500元左右,配套進(jìn)行“一池三改”需要投資3 500元左右,合計(jì)總投資需要7 000元左右,而每口沼氣池中央預(yù)算內(nèi)投資補(bǔ)貼僅1 600~2 000元,使得農(nóng)戶建設(shè)沼氣池形成較大的資金缺口,影響了農(nóng)戶建設(shè)沼氣池的積極性[25]。
2.2 農(nóng)村沼氣池發(fā)酵過(guò)程存在的問(wèn)題 農(nóng)村在沼氣發(fā)酵過(guò)程中出現(xiàn)的突出問(wèn)題就是不能保證正常的發(fā)酵溫度、池中不同深度發(fā)酵不均的問(wèn)題造成頻繁增加更換發(fā)酵原料。
2.2.1 溫度難以長(zhǎng)期恒定并控制。由于厭氧發(fā)酵大多以中溫發(fā)酵為主,所以該項(xiàng)技術(shù)在我國(guó)南方地區(qū)得到廣泛的應(yīng)用。而我國(guó)北方的年平均氣溫為1.3℃,冬季漫長(zhǎng)嚴(yán)寒,最冷月份氣溫可達(dá)-15~-30℃,極大地限制了中溫厭氧發(fā)酵技術(shù)的應(yīng)用[26]。在北方地區(qū),由于受冬季氣候的影響,沼氣池在冬季產(chǎn)氣量通常低于0.1 m3/(m3·d),無(wú)法滿足農(nóng)戶需求,農(nóng)戶不得不燒柴灶或使用其他燃料爐灶,直接影響了沼氣池在農(nóng)村中的推廣[27]。
2.2.2 發(fā)酵不均勻。目前,通過(guò)攪拌混合以達(dá)到提高有機(jī)物的有效轉(zhuǎn)化率的重要性已經(jīng)被大多數(shù)學(xué)者所認(rèn)同[28]。歐洲規(guī)?;r(nóng)場(chǎng)沼氣工程的成功經(jīng)驗(yàn)表明,高濃度物料沼氣發(fā)酵是規(guī)模化沼氣工程正常運(yùn)行的技術(shù)關(guān)鍵[29]。然而在農(nóng)村,沼氣池普遍沒(méi)有攪拌這一工序,因而造成沼氣池中發(fā)酵原料發(fā)酵不均勻,所以糞便等發(fā)酵原料得不到充分的處理和利用。
2.2.3 原料配比不合理。一般而言,發(fā)酵原料碳氮比為25∶1左右時(shí),微生物活性較高,沼氣產(chǎn)量較大[30]。由于農(nóng)村缺乏相關(guān)專業(yè)知識(shí),原料配比單一,因此單一秸稈或者家禽糞生產(chǎn)沼氣均不能取得高產(chǎn)。
2.3 廢料難以清理 沼氣池三分建設(shè)七分管。在沼氣池的管理中,沼氣池的定期清池?fù)Q料是最令農(nóng)戶頭痛一件事,一定程度上影響了沼氣技術(shù)的快速推廣,但同時(shí)也帶來(lái)了沼氣池出料方法的不斷改進(jìn)和提高[31]。目前沼氣池廢料的處理主要靠手動(dòng)出料和機(jī)械設(shè)備出料。手動(dòng)出料耗時(shí)耗力,而且出料效果也不好。機(jī)械設(shè)備出料雖然方便省力,但是出料設(shè)備對(duì)于農(nóng)戶來(lái)說(shuō)也是一筆額外的支出,在經(jīng)濟(jì)上不合算。
2.4 技術(shù)、管理問(wèn)題 在技術(shù)方面,由于各級(jí)財(cái)政投入不足,缺乏培訓(xùn)經(jīng)費(fèi),各地農(nóng)村沼氣建設(shè)推廣技術(shù)人員培訓(xùn)嚴(yán)重滯后于沼氣建設(shè)的發(fā)展,基層服務(wù)組織力量薄弱[32]。在管理方面,由于服務(wù)網(wǎng)絡(luò)不健全,后繼服務(wù)跟不上,造成了部分沼氣池用壞了就被迫停用、報(bào)廢[33]。
2.5 占地面積大 確定發(fā)酵池容積,首先要考慮家庭用氣人數(shù)。在實(shí)際應(yīng)用中,容積確定一般以人數(shù)的兩倍 為佳。據(jù)統(tǒng)計(jì),目前農(nóng)村戶均人數(shù)一般為3~5人,因此,發(fā)酵池的設(shè)計(jì)容積以6~10 m3居多[34]。那么加上沼氣池配套措施,其所占面積不止10 m3,在一定程度上造成了土地資源的浪費(fèi),從而限制了沼氣在農(nóng)村的推廣。
2.6 地域氣候條件限制 區(qū)域差異是我國(guó)農(nóng)村沼氣發(fā)展的重要特征[35]。陳豫等經(jīng)過(guò)調(diào)查研究認(rèn)為,沼氣發(fā)展水平和空間分布格局受到多種因素的共同影響,根據(jù)發(fā)酵溫度,將我國(guó)農(nóng)村戶用沼氣地區(qū)劃分為沼氣發(fā)酵溫度最適宜區(qū)、適宜區(qū)、次適宜區(qū)和非適宜區(qū)[36]。在北方一些次適宜區(qū)和非適宜區(qū)域,由于氣候的原因極大限制了沼氣發(fā)展的進(jìn)程。
沼氣產(chǎn)業(yè)是一項(xiàng)利國(guó)利民的工程,不僅可以解決能源、環(huán)境等一系列問(wèn)題,還可以給社會(huì)帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)效益,沼氣工程必然受到人們的重視。事實(shí)上,我國(guó)歷來(lái)對(duì)沼氣都相當(dāng)重視,從“七五”的幾百萬(wàn)到“十二五”的幾十個(gè)億的財(cái)政投入,我國(guó)不論是在大中型沼氣工程還是農(nóng)村沼氣的發(fā)展都取得了一定的成效,沼氣發(fā)酵的理論和工藝技術(shù)都取得了很大的進(jìn)步。但是不可否認(rèn)我國(guó)大中型沼氣工程仍處于起步階段,農(nóng)村沼氣建設(shè)覆蓋率很低。究其原因還是沼氣發(fā)酵工藝達(dá)不到理想要求,沼氣池或者一些固定式沼氣罐在保溫、加熱、攪拌等的問(wèn)題上沒(méi)有得到很好的解決。
筆者認(rèn)為,若將攪拌這一工序加入到農(nóng)村沼氣發(fā)酵措施當(dāng)中,那么在很大程度上會(huì)解決微生物與物料接觸不充分的問(wèn)題,相應(yīng)地也解決了物料不同深度發(fā)酵溫度不同導(dǎo)致發(fā)酵不充分的問(wèn)題,也解決了發(fā)酵物料表層易結(jié)殼導(dǎo)致沼氣不能溢出的問(wèn)題。若將加熱和沼氣發(fā)酵有效地配合起來(lái),那么對(duì)沼氣的產(chǎn)氣量和產(chǎn)氣率也是一個(gè)很大的提高。通過(guò)筆者的調(diào)查發(fā)現(xiàn),若利用太陽(yáng)能為沼氣發(fā)酵提供所需的發(fā)酵溫度,那么對(duì)沼氣產(chǎn)氣率的提高是毋庸置疑的,而太陽(yáng)能又是一種可再生的清潔能源,為沼氣發(fā)酵提供熱量沒(méi)有其他額外成本消耗的問(wèn)題。
目前有大量在保溫、加熱、攪拌方面的研究,但是這些措施不是存在效果不明顯的情況就是存在效果好但自消耗大的問(wèn)題。筆者通過(guò)分析認(rèn)為,如果將太陽(yáng)能加熱裝置與裝有攪拌裝置的固定沼氣罐結(jié)合起來(lái),再改變沼氣發(fā)酵罐不可移動(dòng)的思維,設(shè)計(jì)一種新型發(fā)生器定能取得不錯(cuò)的效果。那么這種新型沼氣發(fā)生器便可作為一種可移動(dòng)式小型能源站,為我國(guó)農(nóng)村,尤其是北高寒旱等區(qū)域,提供可靠的能源供應(yīng)。
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