沼气生产利用研究笔记之资料链接篇

最近读到老家山东省畜牧局在养殖业发展沼气利用的新闻,让我很受鼓舞。我就把最近在网上读到的公开资料在这里汇总一下,希望能有帮助。也提出一些想法和问题,算抛砖引玉。

照片来源:
美国加州大学戴维斯分校张瑞红教授主持的沼气生产设施
斯德哥尔摩的大沼气公交

沼气生产利用研究笔记

我记得最初学到沼气是在初三的化学课,课本里讲到一些有机物在缺氧的条件下发酵分解,生成主要成分为甲烷(CH4)的气体。英文称沼气为methane。近几年来biogas这个词开始流行,这倒不是说在我们每个人屁股后装个袋子采集来自大肠的气体,不是那个意思,请大家不要误解。我们可以通过下面这张图表来简要介绍下biogas的生产和使用过程。该图介绍了怎样生产沼气。还有一种在垃圾填埋场(landfill)采集沼气的方法,下文也会提到。

AEE-biogas-plant-functional-overview

上图中心的圆柱拱形建筑是沼气生产的核心部件,叫消化器(digester,或anaerobic digester)。该容器内无光无氧,是利用微生物发酵分解原料的地方。原料厌氧发酵后产生的沼气会飘到拱形的顶部被采集。一般消化器里会有搅拌装置,来促进有机物的厌氧发酵过程。

这是位于德国的Windwärts Energie GmbH的消化器建设中的图片:
GermanyDigesterConstruction

这是同一家biogas能源工厂的消化器顶层照。请注意其中的木材使用。据介绍,屋顶下的木质结构是用来减少沼气中的硫化物。太多硫化物对CHP热电机组不利:
GermanyDigesterTop

消化器的侧面会有原料入口和余料出口。原料(substrate)如上篇博客所说,可以是很多种废料:农作物废料如秸秆,城市绿化废料如废弃枝叶杂草,餐饮和食品加工废料如剩饭菜和上海福喜的过期麦乐鸡或小牛扒,养殖场动物粪便,能源农业生产的农作物,城市污水系统里的污泥(人的粪便)等等。除了污水系统的污泥外,其他原料生产沼气后的残余(digestate)可以做农业肥料。污泥(sludge)的残余内可能含有重金属,不适合做肥料,可以用在建材方面。所以这两种厌氧消化器要分开,以便于其残余的分开利用。通过这些处理,我们就变废为宝,并减轻最终排放对环境的压力。

厌氧消化一般在38摄氏度左右效果最好,所以最好给它加热。热能可以来自消化器自生的沼气,下文会提到。

沼气被采集后一般有两个去处:

  • 工厂本身的CHP(Combined Heat and Power station)热电机。该机器燃烧沼气,可以同时提供热能和电能。这些能量可以在该沼气生产厂就地使用:比如热能可以给消化器加热,电能可以反哺给地区电网。有的沼气生产设施就建立在养殖场上,那么热能就可以给牲畜供暖,还可以利用这些热能搞温室蔬菜种植。
    下图是德国Duingen Hauptschule Biogas的热电机,CHP:
    GermanyCHP
  • 沼气升级(upgrade)。来自消化器的沼气的甲烷含量比重会有不同。它还会含有二氧化碳、氢气、少许水份等等。升级(upgrade)的意思就是分离其它成分而提高甲烷(CH4)的比重。当甲烷比率达标后,可以作为天然气使用,直接注入已有的天然气输送管道。也可以加压而生成加压天然气(CNG,Compressed Natural Gas)或液化,给交通工具提供能源。
    下图是瑞典Lund市的biogas升级设施。该厂用于对从城市污泥(内含人的大小便,sludge)处理后的沼气升级:
    SwedenLundUpgradeFacility

欧盟几年前搞了个biogasmax的试点推广项目,其主要利用方式是交通运输。以下是该项目的视频简介。当然沼气经升级变为天然气后的用处非常多,可以用来取暖、做饭、制冷、发电、化工等,不仅仅是做交通运输的燃料。

另外一种获取沼气的方式是利用已有的垃圾填埋场(landfill)。填埋场内的垃圾会自然发生厌氧发酵过程,沼气生产后会向上冒,如不处理,会产生异味,对填埋场结构造成破坏甚至爆炸。另外一个恶劣后果是沼气是比二氧化碳更糟糕的温室气体。所以从已有的垃圾填埋场采集沼气也是很值得去做的事情。

下图是加拿大一家利用垃圾填埋场采集沼气的设施,用来发电:
CanadaLandfillBiogas

图片来源:
德国的Windwärts Energie GmbH的消化器建设中的图片
同一家biogas能源工厂的消化器顶层照
德国Duingen Hauptschule Biogas的热电机
瑞典Lund市的biogas升级设施
加拿大一家利用垃圾填埋场采集沼气的设施

沼气生产在农业、养殖业、畜牧业升级和城镇化中的作用

2013年耶诞节和2014年新年期间,我们到瑞典探亲。在这之前我好几年没去瑞典了。这次回去我注意到韦斯特罗斯(Västerås)市的公交车是用沼气(biogas/methane/CH4/甲烷)做燃料,而不是通常的汽油或柴油。这种公车的环境污染要比汽柴油低很多,对降低PM2.5会有不少的帮助。岳父告诉我,公车用的沼气,不少一部分来自厨房的废料、剩饭菜、和城市污水处理系统内的人的大小便!

下图是斯德哥尔摩的大沼气公交。目前沼气公交的燃料缩写是CNG,Compressed Natural Gas,不是液化的。液化的压缩率更高。我在网上注意到瑞典的乌普萨拉(Uppsala)有试用液化沼气做公交燃料的项目,不知进展如何。
StockholmBus
这张是瑞典Örebro市沼气公交顶部的燃料箱,更清晰。
OrebroBus

几年前我曾读到我山东老家农村利用农业和生活垃圾生产沼气的试点,但好像最终并不太成功,也没推广。这种单户沼气池效果不太理想,但在乡镇、城市建立大中型生物质沼气生产厂来集中供暖、发电、供气,发挥规模效应,应当更有意义,互利多赢:

  • 随着农业机械化和现代化,农作物如秸秆等原料正逐渐丧失以往的肥料和燃料功能,需要处理而不是焚烧,变废为宝。用这些原料造纸是好办法,但用它来生成沼气也很不错;
  • 中国正进行史无前例的大规模城镇化。城镇化质量的一个重要指标是城镇生活垃圾和污水处理。居民的生活垃圾,经过分类整理,可以用来循环和发电;而城镇中的来自居民区和商业区的生活污水里含有人的大小便等有机物(sludge/substrate)污泥。如能和污水处理厂协调结合,利用这些污泥生产沼气,就可以获得能源并减少最终排放物对环境的压力;

    下图是日本横滨污泥沼气生产处理设施。这些污泥来自城市污水系统。
    JapanSludge

  • 城镇化和生活水平提高的另一个后果是人们对肉类蛋白质的需求也越来越多。当然要通过教育宣传等各种方式鼓励人们通过多种方式摄取蛋白质,但城镇化的一个效应确实是大规模的鸡、鸭、猪、羊、牛等养殖业的发展。这当然也会给生活环境带来压力,特别是这些家禽、牲畜的粪便需要处理。这些废料,和上面提到的农业废料如秸秆一样,应当拿来生产沼气。沼气生产后的残余是很好的肥料,能减少目前农村普遍的化肥滥用现象和对工业化肥的依赖。科学处理动物的粪便,也能改善牲畜的生长环境,更加人道,也会提高肉质和利润。

    请注意,城镇污水污泥沼气化后的残余并不适合做农业废料,因为城镇污水管道废物成分复杂,含重金属。瑞典有用这些残余做建筑材料、垃圾场覆盖材料的经验,值得借鉴。

    城镇化同时也会带来餐饮业和食品加工业的发展。这些行业里的垃圾也和人畜的粪便一样,蕴含着大量的能量,当然也应当用来做沼气生产!像今天看到的上海福喜公司用过期肉类做成的麦当劳、肯德基食品,当然不能让人吃,但把这些做原料生产沼气和肥料挺好的。

    下图是西班牙莱里达(Lleida)的一家养猪场。该场的猪粪是一家能源合作社(Som Energia Cooperativa)生产沼气的原料。请注意猪圈地上的缝隙,猪的粪便会落到下面的采集设施,便于收集利用。
    SpanishPigFarm

    下图是美国弗吉尼亚州切萨皮克的牛粪生产完沼气后的残余(digestate),很好的农业肥料。注意这些粪便经过生产沼气处理后,已无异味。今天刚读到老家的一家养鸭场直接把废物排到村外小河,造成严重污染,街坊村民怨声载道。如果利用鸭粪生产沼气和肥料,这种现象就不会发生。
    ChesapeakeBayDigestate

  • 用以上废料生产沼气,能减少它们在自然环境中的厌氧发酵过程,减少自然界生成并释放的沼气,自然也会减少温室效应。同时,我们用沼气能耗后产生的二氧化碳是carbon neutral的:即我们没有额外往大气层释放温室气体,这是和燃煤、燃油的很大不同,对应对全球气候变化起积极作用。用这种方式产生的能源已经很清洁,再加上该能源自产自销,不需要远程运输,会大大减少输送成本
  • 沼气生产能力的建立也给能源农业的发展提供可能,从而提升一个国家和地区的能源独立和能源安全。能源农业,即energy crop,其产品包括玉米、高粱、小米、杂草等。这些产品可以用来生产沼气,沼气液化后体积成百倍的缩小,非常便于储存和运输。这当然可以作为能源储备,减少从中东、美国、俄国、澳大利亚等地长途进口的石油、煤炭、和天然气。

沼气生产和利用是新兴产业。对环境压力日渐增大、城镇化迅猛发展的发展中国家如中国来说,我以为利用废物生产并利用沼气能源对改善环境、提高生活质量、应对全球气候变化、和提高能源独立安全有深远的意义!

又及:前两天才了解到习近平主席和我一样,也是沼气生产的大力推广者。最近看过习近平主席在2004年接受一家电视台的采访,提到是他在下乡当知青时和村民们一起建起了陕西省的第一座沼气池。整个访谈半小时左右,非常值得观看!习近平很有能力,很靠谱,很优秀。

图片来源:
瑞典斯德哥尔摩公交
瑞典Örebro的公交车
日本横滨污水污泥沼气生产处理设施
西班牙莱里达(Lleida)的一家养猪场
美国弗吉尼亚州切萨皮克的牛粪生产完沼气后的残余(digestate)

秸秆利用和记忆中的麦收

今天看到山东环境的关于利用小麦秸秆的微博视频,让我浮想联翩,感慨农村变化之大。

我是70后,我上小学那会儿,麦收季节,公社的初高中还要放假以便收割,叫麦假。那时除脱穗外,全是手工体力。一般的程序是这样的:

  1. 天气方面,不怕烈日炎炎,就怕下雨而耽误收割。同时也怕干燥多风天气,因为怕失火;
  2. 早上出工,拿着镰刀拉着板车(家乡话叫“地排车”)到地里去,我们家乡话叫“下湖”。“下湖”这个词的来源待考。
  3. 先割断几颗小麦,搓在一起放在一边,当扎麦捆的小绳;
  4. 弯下腰,左手握一大撮小麦,右手握镰刀,沿着秸秆底部挥镰割断小麦后把它们放在前一步弄好的麦秸绳上;
  5. 重复上一步,直到收割的小麦可以用麦秸绳打成一捆为止;
  6. 打捆。之后重复前三步,直到麦捆可以装满“地排车”为止;
  7. 人拉着载满麦捆的“地排车”,直到庄南的麦场后卸货;
  8. 重复第2至第6步,直到小麦收割完毕;
  9. 安排使用脱穗机的时间。脱穗机是电动的,这是整个麦收过程中唯一使用高科技的步骤;
  10. 把成把的小麦输入脱穗机,使麦秸和麦穗分离;
  11. 突然忘掉一个农具的名字,就是一个圆柱石头,用牲口拉着在麦穗上碾压,以便麦壳和麦粒分开;
  12. 扬场,这时需要大自然的配合,要有点儿风。扬场的流程如下:用木锨把麦壳和麦粒混合物扬向空中,风吹走麦壳,麦粒落地,完成两者分离的过程。见下图;

    Why we fight

  13. 麦粒要经过晾晒去潮;麦秸要放在一起成堆,上面一般涂上一层泥巴压住,叫麦秸垛;
  14. 麦子可以卖钱,做煎饼,打成白面做大白馍馍等。小麦和小麦的衍生品如大白馍馍(家乡话,馒头的意思)、面条、挂面、饺子等都是稀罕物,庄户人一般自己不吃而用来交公粮、卖点钱。庄户人一般吃瓜干、豆子、棒子等杂粮。非农业的城里人吃农民生产出的白面就多一些。白面也有等级,如七五、八五等,我现在忘了这些等级的含义,期待科普。
  15. 麦秸主要有三种用途:床上用品、燃料和肥料。床上用品方面,可以用来填枕头,制苫(音shan)子。苫子可以看作当时的席梦思床垫,但可以卷起来。燃料就不要解释,用麦秸烧锅还是很方便的。肥料吗,把剩余的麦秸放到粪坑里降解后晾干也可做农田肥料。

直到90年代初甚至中期,麦收的流程都是如此。在世纪之交左右,老家小麦的收割终于做到了机械化。但直到最近,小麦收割机只负责脱粒,麦秸就丢弃在地里。由于农村已经不用麦秸做床上用品,很多人用各种燃气罐做饭,种田时只靠化肥甚至是滥用化肥,麦秸就基本上没人用啦。所以一个简单粗糙的解决办法是焚烧,但这造成烟尘污染并使火灾风险增加,更不用说对于能量和资源的浪费啦。所以当我看到老家山东省提高秸秆综合利用率,我很欣慰!

以下是几个我以为很有意思的参照信息资料:

  • 二战期间,中美是盟国,美战争部制作了一些类似《新闻简报》的宣传片,叫Why we fight/我们为何而战,有一集谈到亚太战区。那一集对中国战区的描述资料里有收麦扬场的画面,见上图,和我记忆中的画面并无二致。在那部影片里还可以听到抗日时的《义勇军进行曲》;
  • 不记得在哪里,很可能是在和菜头的博客里,我看到过伊朗农民收割小麦的图片,和我们以前的收割流程类似;
  • 好几年前,我读过我很喜欢的作家铁凝的短篇小说《麦秸垛》。你如果对以前农村的一些历史、情感、味道有兴趣,建议你拿来读一读。

嗯,我可能还要写一下什么是瓜干。

在圣克拉拉开会

已经在美国开过不少会了,对于我来讲,开会的最大的收获就是拉关系,即networking。当然可以从一些演讲里学到一些东西。像什么每天的主题演讲keynote speech,大部分没啥意思。销售商的展览vendor exhibit可能也不错,因为在那里有可能看到一些新的方向,和厂商的技术人员聊聊也很好。

2011年4月10日,旧金山缆车站。
SanFranciscoCableCarPowellStation

拉关系当然也不是自高自大,妄自菲薄或舔腚沟子。从我的经验来看,只要懂得微笑和聆听,讲一下自己的体会,听一下别人的经历和故事,就很好。卡内基书里说得那些玩意儿,当然很多都是常识,挺管用的。

像昨天和Percona的一帮家伙和其他人喝啤酒,大家聊天胡侃。其中一位女士接到男友的电话就走到旁边去接,别人就开始八卦,说男友是个消防员。和我的中国同胞和其他地球人一样,我美国同胞有很多崇拜英雄和名流的倾向。警察和消防员是小朋友常见的英雄选项。就有人说据说那个消防员的管子很粗,大家哄笑一场。

然后就和Percona的一个哥们步行去参加MySQL社区晚餐,一帮人湊在一起吃饭聊天。这哥们学过几年汉语,能简单说几句,对佛教很感兴趣,好像也学过梵文。走在路上,他和我讲了下他对佛教的理解。我很想听,因为我对佛教一无所知。我们谈了谈我们对于中国的物欲横流的物质主义的看法。他表示了对此的关注和担忧,并礼貌地说起了文革。我说我同样有这样的担心。我讲了下我的观点:文革前的各种运动,文革,文革后的拨乱反正和七十年代底、八十年代初的对老冒和以文革为主的各种运动的初步评价,和邓小平、陈云等人当时认为在当时的历史情况下不好对毛做出客观的评价的一些谈话,和他们对以后重新评价老毛和文革的希望。也谈了后来的89事件,南巡讲话等。我感觉我们当时的“伤痕文学”有疗伤的作用。但后来有了89事件,所以我以为我们没有真正走出老毛的滔天罪行的阴影。我不明白的是,我们国内的对毛的一种持续的符号化的崇拜:像把他的头像搞到更多的纸币上,一些影片和电视剧对他的持续的歌功颂德,还有他在天安门上的头像和在广场上的给人展览的僵尸。我理解毛在解放前的作用,也不想同时也不能抹杀毛的功绩,但建国以后的大动乱、给国家和人民的巨大的心理和生理伤害,以及激情和纯真破灭后所造成的钱权崇拜和社会良知的缺失,这些东西,不是他造成的,还能是谁?

因为说佛教,也就谈到了西藏。我不知道怎么说,但就想怎么做才能真正增进各个族群的互相了解和尊重呢?怎样做才能使大部分人有真正实惠的同时也保留对传统文化的尊重、保护、和创新呢?怎样才能在发展的同时做到不丢失自我呢?这些问题,我们的传统文化和外来文化,可以有什么启示吗?我最后向他说起了我本家兼老乡季羡林翻译过的一些梵文著作。

扯远了。到了那个社区晚餐,和一帮Oracle的人坐在一起喝玛格利特,吃墨西哥饭。同桌的做销售的菲利普刚从北京和上海回来,我谈了下我所观察到的中国的MySQL的应用,和他的取得调酒师证件的一些趣事。提到中国的阿里巴巴、淘宝和一些政府和科研部门对MySQL的应用,相谈甚欢。同桌的还有两个来自巴西但现分别居住在加拿大和美国的两位男士。我问了下巴西政府派武装部队到里约搞治安为奥运做准备,美国同胞对此知之不详。这两位巴西哥们可能意见不同,一位嘲笑本国的政府的无能和可笑,另一位想得更多一点,说挺期待本国的世界杯和奥运盛事。我觉得巴西办这个挺好的。

回来路上有开始调侃,我们四个大男人挤在车后座回旅馆。这是小车,四个男人在后边应当违法吧。但大家都很high,开始说点荤笑话,挺有意思的。

不写了。干活去,接着交流,接着侃!