Green corn field growing up

来自肥料堆的清洁电力

沼气的使用呈上升趋势。越来越多农民依赖于这种极其环保的能源。这并不奇怪,因为利用沼气所需的技术和其工作原理一样简单。此外,与沼气巨大的利润相比较, 它清洁的电力和良好的肥料就显得微不足道了。

The “best cow” gives no milk

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郁郁葱葱的草地上,奶牛正在吃草,一群鹅发出咯咯的叫声;夏天和秋天树木上挂满了水果,道路两旁绿树成荫,景色优美的城堡矗立在这平坦乡村的唯一一块高地上。这就是Kleve(克莱沃),在这里工作就是度假- 当然前提是你喜欢住在乡村。

Ionel Constantin就是这样的一个人。他头发稀疏,穿着棕色的皮夹克,他带领我们来到Haus Riswick,这是由德国北莱茵-威斯特法伦州农业商会在这风景如画的地区经营的一个研究农场。它是德意志联邦共和国最西部的地区之一,距离荷兰边境仅几公里路程。在这里你可以闻到混合着新鲜的乡村空气和用于喂养开放牛棚里200多头牛的青贮饲料的味道。

Constantin看着牛棚里几乎是在悄无声息地咀嚼稻草的动物们。我们几乎听不到牛发出的任何声音。Constantin对眼前的景象很是满意。他继续朝前走,突然停在一个乍看之下似乎与这田园般的美景不协调的东西面前。这是一个由六个圆筒形结构物组成的设备,其中每个结构物大约五米高。其中两个配备了锥形顶,不禁让人联想到非洲小屋。在这些结构物面前矗立着一座绿色建筑物,大小相当于一个能够容纳两辆汽车的车库。我们可以听到里面传出的低沉的嗡嗡声。“这是我们的沼气发电厂,”Constantin说道。“它(沼气发电厂)才是我们牛棚里最棒的一头牛,”他面带微笑地补充说道。一想到沼气我们便不自觉地皱了下鼻子 – 但实际上我们只能闻到土壤、青贮饲料和潮湿树叶的味道。仅此而已!

 用粪肥发电

環境に優しい電気はここで生産される:円形の容器はバイオガスプラントの一部

環境に優しい電気はここで生産される:円形の容器はバイオガスプラントの一部

但是,两个“小屋”里正开展着大量活动,这两个“小屋”实际上是发酵罐 -发电厂的反应器。沼气绝对是如何利用粪肥赚钱的最佳示例。这是因为农业生产中可能出现的每一种有机材料都可以被填入发酵罐中。克莱沃的农场工人每天将大约一吨的剩余饲料装入这个578立方米的容器。他们还添加一到一吨半的青草和玉米青贮饲料以及大约五到六立方米的低气味牛粪肥。最终产生的是电力 – 这家75千瓦的电厂每天生产大约1800千瓦时的电力。除此之外,这家发电厂还为克莱沃的整个创新基地供应充足的热量

 一种副产品导致的问题

Fermenting plants such as corn produces the combustible gas methane, which can be used to drive an electricity generator.

玉米等植物发酵可产生可用于驱动发电机的可燃气体-甲烷。 玉米等植物发酵可产生可用于驱动发电机的可燃气体-甲烷。

沼气发电厂的工作原理很容易说明。首先,温度为38℃粪肥汤料里的细菌互相粘附并消耗所有会在敞口环境下腐烂的材料。细菌在新陈代谢过程结束时分泌甲烷。Constantin打开神秘的绿色容器的大门,向我们展示了怎样处理该气体。低沉的嗡嗡声现在听起来像是拖拉机发出的声音,空气中能够闻到轻微的机油味。容器底部在我们脚下震动。“甲烷是可燃气体,”Constantin解释说道。事实上,该气体可用于代替汽油或者柴油使内燃机运转 – 而这正是克莱沃的一台卡车发动机使用的燃料。该发动机再驱动生产电力的发电机。简单地说,这基本上就是沼气发电厂背后的秘密。

但是,当涉及到实际操作时,事情也多了几分复杂。成功缘于细节,而这里的细节体现在装有发动机的容器附近的塑料屏幕上,它位于发动机门附近小型装置的上方。“25 ppm,”Constantin满意地说道。“这个数值很好,40 ppm是临界值。”

来自总部设在德国勒沃库森的特殊化学品集团朗盛的客户技术顾问Gregor Hermanns能够解释Constantin所说的意思:ppm指的是百万分率,是用于科学技术的测量单位。正如一个百分点代表百分之一一样,一个ppm代表百万分之一。换句话说,ppm表示的是每百万单位B物质中A物质的单位数量。

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“在这里,我们谈论的是沼气中的硫化氢含量,”Hermanns说道,他在过去几年里参观过许多沼气发电厂的内部。他也曾站在克莱沃Constantin的测量装置前面,手拿一个写字板,抄写读数。“硫化氢是生物质发酵时自动形成的一种副产品,”Hermanns说道。“如果不进行任何处理的话,其含量可能高达5000 ppm——是正常范围的一百多倍。”

硫化氢是众所周知的化合物之一 – 这是一种闻起来像臭鸡蛋的气体。但是,气味本身不存在问题,因为沼气反应器是气密的;否则由于气体会逸出而导致无法收获沼气。正如Hermanns所解释的,问题在于“硫化氢会损坏发动机并最终摧毁它。”如果该气体在沼气反应器中始终存在并与水发生化学反应,将会形成亚硫酸,其腐蚀性虽不及硫酸 (一种众所周知的用于汽车电池的酸,它甚至能够溶解铁),但随着时间的推移,亚硫酸的腐蚀性足以损坏发酵罐、气体管线以及发动机活塞。“因此,必须清除硫化氢,”Hermanns解释说道,“而这正是我们的Bayoxide E 16产品的用途。”

 如何清洁气体

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朗盛的化学专家通过专业技术去除发酵罐中起泡粪肥汤料中的硫化氢:他们向粪肥、青贮饲料和剩余饲料中添加一种比燃气发动机中的金属更容易使这种恶臭气体发生反应的物质 – 矿物的细晶体,被称为针铁矿。从化学上说,针铁矿是一种与硫化氢接触时会迅速变成无害的铁硫化物的氧化铁化合物。自然界中最突出的硫化物矿物是黄铁矿,也被称为愚人金。

真正的针铁矿是一种不太起眼的矿石,结晶时形成针状结构。但是,没有必要专门为了进行沼气脱硫工艺而开采针铁矿。因为Hermanns及其同事创造了Bayoxide E 16 – 一种工业生产的、合成物质制成的硫化氢杀手。“我们希望开发出满足经济环保要求的脱硫解决方案,”Hermanns解释说道。“我们的材料因此必须特别清洁,所以我们面临的挑战是开发出既能保持高纯度又能降低产品价格的制造工艺。经过大量的研究工作,我们最近成功地解决了这一问题。我们现在拥有丰富的Bayoxide E 16等氧化铁生产经验。事实上,我们采用氧化铁生产环保、耐候颜料已有超过85年的时间,在这个领域的专业知识让我们获益良多。”

除了使用氧化铁进行沼气脱硫之外,朗盛还开发了用于各种应用的氧化铁颜料。其应用范围包括从用于混凝土着色以及制造安全气囊、刹车片和催化转换器的产品到用于复印机和激光打印机的调色剂颜料。此外,这种颜料还可以用作净化饮用水或者废水等的吸附介质。

 理想的脱硫解决方案

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对沼气发电厂的操作人员而言,Bayoxide E 16是名符其实的福音,因为在这之前,兼具环保、清洁、经济以及最重要的安全特性的替代品非常少。这是一个非常重要的考虑因素,例如,因为考虑到价格低廉而采用的将空气泵入发酵罐中,利用细菌将气体分解成无害的硫的方法,不仅因为沼气被稀释而导致效率低,而且还很危险。“你不能将甲烷与氧气混合,因为这样会爆炸,”Constantin说道。一些工厂因此向起泡的生物质汤料中滴入少量的真正的针铁矿。但至少可以说,随后播撒到田间的发酵残渣是否真正环保很值得怀疑。这是因为未经处理的矿石有时含有重金属,这些重金属最好不要进入食物中。

搅拌铁盐溶液也不是一个好主意,因为这些溶液大都含有氯并具有很强的腐蚀性。“并且这甚至还没有考虑到水溶液中含有相对较少的铁的事实,”Gregor Hermanns说道。“相比之下,Bayoxide E 16粉末含有近60%的铁,这意味着浓度要高得多。”Bayoxide E 16的另一个优点是,非常便于使用。农场工人只需向发酵罐进料系统中倾倒几袋该产品即可。纸袋将慢慢溶解,因此无需使用成本高昂的计量系统。

 面向全世界的绿色能源

Biogas is one of the key elements of Germany’s “energy transition.” The environmentally friendly method of generating electricity and gas in simple fermenters is gaining more and more adherents worldwide.

沼气是德国“能源过渡”的关键要素之一。通过简单的发酵罐生产电力和天然气的环保做法在全世界有着越来越多的支持者。

相比之下,Constantin的测试设备长时间使用活性炭,以吸出发酵罐中带有臭鸡蛋味的气体,避免其造成任何损害。这项工艺成本高昂而又费时,每四到六周就需要更换一次过滤器。尽管Bayoxide E 16仍然需要使用一些活性炭,但“我们能够在添加活性炭之前即可基本完成气体脱硫,”Constantin说道。如果将使用大量活性炭涉及的时间和费用考虑在内,即可肯定Bayoxide E 16的整体成本要低。如果向反应器中添加更多朗盛的人工针铁矿,还有可能只需使用更少的相对昂贵的活性碳。“我们将尽快测试该理论,”Constantin说道。

尽管仍需要使用活性炭,但Constantin的同事每隔几天从生物质工厂二次发酵罐中提取的发酵物质却可以放心地播撒到田间了,Hermanns说道。这项评估得到了Constantin的认同,他解释说“这些发酵物质是最好的肥料之一,因为发酵残渣仍含有植物生长所需的氮。事实上,氮的浓度甚至比以前更高了。”

成熟的技术

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所以沼气让所有农民都赚钱了吗?“没错,”Constantin立即回答道。“这项技术非常成熟。我们的工厂于2002年建成投产,是德国的第一批建成该系统的工厂之一。当时我们没有太多经验,因此我们进行了大量的实验。我们工厂在很久之前就已分期偿还了所有债务,现已处于盈利状态。”原则上,只要拥有足够大的农场和用于支付大约一半投资成本的资金,任何人都可经营一家沼气发电厂,Constantin说道。

很多人都得出了类似的结论,因此在过去的13年中德国沼气发电厂的数量增加了十倍。也正因此,2011年,以沼气为动力的发动机为德国电网供应了近3000兆瓦的电力 – 相当于两家大型核电厂的发电量。该技术在世界上的其它地方也变得越来越受欢迎,被用于各种大小规模的应用。例如,中国和印度已经运营着兆瓦规模的沼气发电厂,且二氧化碳排放量是环境友好型的,而柬埔寨的一些家庭则使用小型的家庭发酵罐生产天然气做饭。事实上,农民只需饲养500只鸡即可获得运转一台容量为几立方米的小型沼气设施所需的充足废料。

Constantin向我们道别。绿色容器中的发动机继续发出低沉的嗡嗡声。附近的超洁净的牛棚里的牛已完成进食。Constantin随后将使用剩余的动物饲料发电。我们最后吸了一口空气。闻到了硫化氢或者臭鸡蛋的气味吗?没有,一点都没有。只有普通的乡村空气和潮湿泥土的味道。