从中欧对比看中国沼气工程的发展与挑战

1、COMPARISON OF AGRICULTURAL BIOGAS INDUSTRY BETWEEN CHINA AND GERMANY 从中欧对比看中国沼气工程的发展与挑战从中欧对比看中国沼气工程的发展与挑战 目录目录 CONTENT 2021-7-17 国际原油价格国际原油价格波动波动 沼气工程：环保优先？沼气工程：环保优先？ 能源与环保是社会发展的基础能源与环保是社会发展的基础 沼气工程面临的挑战沼气工程面临的挑战 城镇化城镇化-沼气工程发展的新机遇沼气工程发展的新机遇 沼气工程研究和推广：合作沼气工程研究和推广：合作 UNCERTAINTY OF INTERNATIONAL PETRO

2、PRICE BIOGAS PLANTS: ENVIRONMENTAL PROTECTION 1? ENERGY/ENVIR. FOR DEVELOPMENT CHALLENGES FOR BIOGAS PLANTS URBANIZATION: NEW OPPORTUNITY FOR BP COOPERATION FOR BIOGAS RESEARCH AND EXTENSION .tw/oil102/oil1022010/A03/A0304/A030401.asp 国际原油价格国际原油价格波动波动 PETROLEUM PRICE UNCERTAINTY

3、 布伦特原油价格布伦特原油价格 国际原油价格与德国沼气工程国际原油价格与德国沼气工程 PETROPRICE AND BPS 2021-7-17 沼气工程发电补贴沼气工程发电补贴 EEG-2000 沼气工程发电补贴沼气工程发电补贴 补贴力度增加补贴力度增加 能源作物补贴能源作物补贴 增加小型工程补贴增加小型工程补贴 增大能源作物补贴增大能源作物补贴 沼气工程发电补贴沼气工程发电补贴 增大禽畜粪便补贴增大禽畜粪便补贴 增加小型工程补贴增加小型工程补贴 沼气工程发电补贴沼气工程发电补贴 EEG-2004EEG-2009EEG-2012EEG-2014 沼气工程政策的巨大影响沼气工程政策的巨大影响 P

4、OLICY IMPACTS ON BPS DEVELOPMENT 2021-7-17 Nadjia Rensberg, Jaqueline Daniel-Gromke. Biogas Progress II, 2014, Stuttgart, Germany 沼气工程作用是什么沼气工程作用是什么（德国）（德国） ？ CONTRIBUTION OF BPS IN GERMANY 2021-7-17 根据路线图的调研，美国现有2000多 个沼气工程，如果按照路线图的规划 发展，将来还会再建超过11000个沼气 工程。到2030年，将能为300万个美国 家庭提供清洁燃气，减排温室气体 5400万m3

5、。 美国沼气工程发展方向 沼气工程用于处理废物； 提升沼气利用水平，降低沼 气利用的成本； 全面系统的分析沼气工程在 运行效率上存在的问题，提 出优化方法； 完善市场机制和商业模式， 从政策和途径上使沼气工程 能够盈利； 1. 成立国家层面的专家组，形 成智囊机构。 沼气工程作用是什么（美国）？沼气工程作用是什么（美国）？ WHAT BIOGAS PLANTS FOR (US)? 2021-7-17 欧洲沼气工程现状欧洲沼气工程现状 BIOGAS INDUSTRY IN EUROPE 2021-7-178 德国沼气工程数量和装机容量的发展德国沼气工程数量和装机容量的发展 （截至（截至2014年

6、年12月月31日）日） 欧洲各国的沼气工程数量（截至欧洲各国的沼气工程数量（截至2014年年12月月31日）日） Source： European Biogas Association 沼气工程沼气工程的的作用作用 THE ROLE OF BIOGAS PLANTS 2021-7-17 环保价值 不可或缺 能源价值 或隐或现 改善民生核心理念 沼气工程：环保优先？沼气工程：环保优先？ BIOGAS PLANTS: ENVPROTECT 1？ 2021-7-17 2010年全国畜禽养殖COD、NH3排放分别达1184万吨、65万吨，占全国排 放总量的45%、25%，占农业源排放量的95%、79%

7、。农村城镇化人口聚集导 致生活垃圾快速堆积和生活污水的大量排放，是农村环境另一主要污染源。 国家高度重视农业有机废弃物的处理工作，到2020年我国农业基本实现 畜禽粪污资源化利用，病死畜禽全部实现无害化处理；基本实现农作物秸秆 资源化利用，秸秆露天焚烧现象得到有效控制。 类别 Waste数量,亿吨/年, Amount (108 tons/a) 1畜禽粪便 Livestock manure31.6湿基, wet 2农作物秸秆 Crops residue6.89湿基, wet 3工业源生物质废物 Industry waste2.0湿基, wet 4家庭厨余垃圾, Household food wa

8、ste0.9湿基, wet 5城市粪便, Municipal nightsoil0.25湿基, wet 6城市污泥. Municipal sludge0.26湿基, wet 7餐饮业餐厨垃圾, Restaurant waste0.15湿基, wet 8集市果蔬垃圾, Vegetable waste0.12湿基, wet 合计 Total42.17湿基, wet 城市生物质燃气联盟统计数据,2009 Statistical Data from the Alliance on Technological Innovation of Urban Biomass Gas Industry,2009 能

9、源效益能源效益 ENERGY VALUE 2021-7-17 Agriculture WasteBiogas Yield(m3/kg-VS) -Methane Yield Crop Residues 玉米秸秆Maize Straw 0.4-1.0 稻米秸秆Rice Straw0.55-0.62 干草Hay0.5 花生壳Peanut Husk0.318-0.344 CH4-m3/kg-VS 糖渣Sugar beet0.231 (0.008) CH4-m3/kg-VS Food Waste 咖啡渣 Coffee Grounds 0.259 CH4-m3/kg-VS 红茶渣Tea Residues0

10、.175 CH4-m3/kg-VS 白酒糟 White Spirit Residues 0.02 biogas m3/kg-wet residue 稻米渣Rice Residues0.6 啤酒糟Beer Distillation0.5-0.6 苹果渣Apple Residues0.56-0.68 Livestock Manure 猪粪Pig Manure 0.356 CH4-m3/kg-VS 牛粪Cattle Manure0.148 CH4-m3/kg-VS 奶牛粪Dairy Cattle manure0.328 CH4-m3/kg-VS Vegetable Waste 香蕉Banana Wa

11、ste 0.270 -0.305 CH4-m3/kg-VS 芒果Mango Waste0.361-0.385 CH4-m3/kg-VS 土豆Potato0.250-0.284 CH4-m3/kg-VS Source： :Dieter Deublein, Angelika Steinhauser. Biogas from Waste and Renewable Resources, WILEY-VCH,2011 中国沼气产业发展现状报告，轻工业环境保护研究所 (Environmental Protection Research Institute of Light Industry),2009

12、有机废弃物的沼气转化潜能有机废弃物的沼气转化潜能 (Biogas Yield Potential from Organic Waste) 能源与环保是社会发展的基础能源与环保是社会发展的基础 ENERGY/ENVIR. FOR DEVELOPMENT 2021-7-1712 WHY WE DO? Non-fossil energy in 2030 would account for 20% of the total energy consumption. -Sino-US joint statement on climate change, APEC 2014 Animal manure, C

13、orn Straw and Farmland Mulch have to be recycled at the end of 2020. -MOA, 2015 WHY WE DO? 政策导向政策导向 POLICY ORIENTATION 农业源有机废弃物产量农业源有机废弃物产量 ORGANIC RESIDUES FROM AGRICULTURE 类别 Waste数量,亿吨/年, Amount (108 tons/a) 1畜禽粪便 Livestock manure31.6湿基, wet 2农作物秸秆 Crops residue6.89湿基, wet 3工业源生物质废物 Industry wast

14、e2.0湿基, wet 4家庭厨余垃圾, Household food waste0.9湿基, wet 5城市粪便, Municipal nightsoil0.25湿基, wet 6城市污泥. Municipal sludge0.26湿基, wet 7餐饮业餐厨垃圾, Restaurant waste0.15湿基, wet 8集市果蔬垃圾, Vegetable waste0.12湿基, wet 合计 Total42.17湿基, wet 全国有机废物产生量 National organic Waste WHY WE DO? Source: 城市生物质燃气产业技术创新战略联盟, 2012 换个角度

15、看污染换个角度看污染 HOW DO WE VIEW WASTES N、P、K-Recoverable Nutrients 肥料 C- Renewable Energy 能源 H-O-Reusable Water 水 ReNEW WHY WE DO? Source: Poeschl M, S Ward R2: Fe, Co, Ni, Se, Mo, W; R3: No trace elements 微量金属元素制剂微量金属元素制剂 SEMI-CONTINUOUS AD WITH TRACE ELEMENTS WHAT WE ARE DOING? Source: From Lang Qianqia

16、n，Master thesis, China Agricultural University, 2013. 挑战挑战III：沼液的处理和利用：沼液的处理和利用 CHALLENGE III: DIGESTATE APPLICATION 30 OUR CHALLENGES There is no limitation on the amount of manure application in China. Limitation of manure application in Europe： Nitrate Directive in EU (EEC/91/676 from 1991) DV (2

17、006) Germany 硝酸盐施用指南 Max. 170 kg N ha-1 yr-1 by manure = 2 LU ha-1yr-1 最多施用最多施用 170 公斤氮公斤氮 /公顷公顷*年年 = 2 个生命单元个生命单元/公顷公顷*年年= 14头生猪头生猪 1 LU (Living Unit) = 500 kg animal = 7.7 pig places = 15 fattened pigs 一个生命单元 = 500公斤 动物体重 = 7.7头猪 = 15头育肥猪 N APPLICATION AND NO3 IN GROUNDWATER 氮肥施用和地下水硝酸盐含量氮肥施用和地下水硝

18、酸盐含量 Location 地点地点 N applied 氮肥施用量氮肥施用量 kg/(ha*a) 公斤/公顷*年 N uptake N 吸收量吸收量 kg/(ha*a) 公斤/公顷*年 NO3 in groundwater 地下水硝酸盐含量地下水硝酸盐含量 mg/l 毫克/升 Xishuiying5,580480500 Fangzhuang1,894383180 Qiuandushu1,64943375 Xidian1,17338475 Sijiqing778444150 OUR CHALLENGES Source: Prof. Schuchardt, Sino-German project

19、 Workshop in 2009 Limitation of NO3 50 mg L-1 89 mg L-1 25 mg L-1 EXAMPLE 例子例子 nFattening pig farm with 10,000 places n一个存栏量万头的养猪场 nProduction 20,000 pigs yr.-1 n每年出栏2万头生猪 n20,000 pigs 2,860 LU n约合2860个LU nLimitation 2 LU pigs ha-1 a-1 n采用同样标准 nArea demand 1,430 ha n总共需要1430公顷土地 n without correction

20、 factors n 未考虑其他因素未考虑其他因素 OUR CHALLENGES Max. 170 kg N ha-1 a-1 by manure = 2 LU ha-1 每公顷每年最多施用每公顷每年最多施用 170 公斤氮公斤氮 = 2 个生命单元个生命单元/公顷公顷*年年 1 LU (Living Unit) = 500 kg animal = 7 pigs 一个生命单元= 500公斤 动物体总= 7头猪 Model Farm: 15 LU/ha Consequence: Export of nutrients Nutrient overloading! OUR CHALLENGES WH

21、AT WE ARE DOING? 沼液沼渣的综合循环利用沼液沼渣的综合循环利用 DIGESTATES MULTIPLE RECYCLING/ UTILIZATION ON LIVESTOCK FARM Source：created by BEST 不同施肥处理下土壤剖面中NH4-N随时间的变化不同施肥处理下土壤剖面中NO3-N随时间的变化 在硝化反应的作用下，肥料施用导入土壤中的大量NH4-N随时间的持续浓度逐渐降低，而 土壤NO3-N浓度不断升高，并在第28 d达到峰值 Source: Xiaoqian Zhang. PhD dissertation, China agricultural

22、University, 2015 WHAT WE ARE DOING? 沼液沼渣农田施用后氮迁移转化沼液沼渣农田施用后氮迁移转化 SOIL N AFTER DIGESTATES APPLICATION 沼液沼渣农田施用后氮迁移转化长期预测沼液沼渣农田施用后氮迁移转化长期预测 LONG-TERM PREDICTION OF N TRANSPORTATION IN SOIL AFTER DIGESTATES APPLICATION 利用2010年周年的降雨数据，预测了从2011 年至2050年使用不同沼液的农田土壤中氮残 留量和渗滤流失量。发现农田施用沼液与化肥 等氮的条件下，农田1 m深地下水中

23、硝酸盐的 流失量逐年增加，在施用10年时间后会穿透1 m土层。 此模型还不成熟， 未充分考虑长期 沼液农田施用后 土壤结构重构及 土壤微生物功能 相应，需要进一 步开发及验证。 WHAT WE ARE DOING? Source: Xiaoqian Zhang. PhD dissertation, China agricultural University, 2015 沼液氮磷的高效吹脱回收沼液氮磷的高效吹脱回收 DIGESTATES NUTRIENTS RECOVERY Source：Liang Liu, Changle Pang, Shubiao Wu, Renjie Dong. Opti

24、mization and evaluation of an air-recirculated stripping for ammonia removal from the anaerobic digestate of pig manure J. Process safety and environmental protection, 2015, (94): 350-357. Pre-striping of CO2 Alkali addition NH4+-N removal rate can reach 96.8% at gas liquid ratio of 300 WHAT WE ARE DOING? Source：Shubiao Wu,