全 文 ：!""!"猪粪发酵沼气燃料电池示范研究项目综述
赵翔涌，樊栓狮，杨向阳，梁德青!
（中国科学院 广州能源研究所，广州#$%&’%）
摘 要：综述中日合作项目“(%%!"猪粪发酵沼气燃料电池示范研究”的主要研究成果，结合我国生态农业的发展
和再生资源有效利用的现状，提出了沼气燃料电池在我国的应用前景。
关键词：沼气；燃料电池；能源利用；环境保护
中图分类号：)*& 文献标识码：+ 文章编号：$&,(-.&,/（(%%#）%$-%%(%-%.
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: 项目概要
“(%%!"猪粪发酵沼气燃料电池示范研究”项目
是集可再生能源发酵、沼气燃料电池清洁发电、污水
净化处理和残渣有机堆肥等多项高新技术于一体的
综合系统工程。本项目是在日本经济产业省的支持
下，由日本独立行政法人新能源8产业技术综合开发机
构与中国国家发展和改革委员会及广东省发展和改
革委员会共同进行研究合作的项目，具体业务由财团
法人日本能源经济研究所及广州市发展计划委员会
共同执行。项目于$[[[年$$月在广州市番禺水门猪
场定点实施，在日本东芝株式会社、广州市天力畜牧
有限公司和广州能源研究所相互协作、共同努力下，
圆满完成了“(%%!"沼气燃料电池”关键技术的实用
化研究和示范系统的建设，实现了猪粪发酵沼气燃料
电池世界范围内首次成功应用，项目于(%%’年$$月
通过了鉴定验收并正式移交给场方。
! 项目背景与意义
随着能源危机和环境保护问题的日趋严重，国
际上出现了由传统能源向可再生能源和新能源过渡
的趋势，绿色生物能源是未来能源业建设的发展方
向。世界各国都在积极开拓新能源与可再生能源的
技术集成，燃料电池是近年来技术发展进步最快的
产业之一［$］，它是把燃料中的化学能直接转化为电
能的能量转化装置。燃料电池的高效率、无污染、建
设周期短、应用条件宽以及易维护的潜能已被誉为
是一种继火电、水电、核电之后的第四代发电技术，
必将引发($世纪新能源与环保的绿色革命。
我国的沼气资源非常丰富，特别是近年来随着
! 收稿日期：(%%#8%$8$%
作者简介：赵翔涌（$[&,8），男，高级工程师，研究方向：环境工程技术。
联系人：樊栓狮，K8Q54T：J56@@!Q@\74FO\5O\O6，;5]：%(%8/,%#,.&#
;FU\(%%#
·(%·
生 物 加 工 过 程
M>46F@FS:?L65T:JX4:RL:OF@@K6746FFL467
第.卷第$期
(%%#年(月
万方数据
经济建设的不断发展，畜牧养殖业都向集约化、规模
化和高科技、都市型农业方向发展，农村和城市的人
畜粪便及生活污水无害化处理的矛盾日益突出，解
决这个矛盾的有效方法之一是采用沼气发酵技术，
将沼气用于发电是利用沼气的有效途径［!］。沼气燃
料电池作为一种直接将化学能转化成电能的系统工
程，实际能源利用总效率可达"#$（发电效率%&$、
热效率%#$），它能实现废弃物的资源化，生物质多
层次利用，促进农牧业生态良性循环。沼气燃料电
池这种新型的生物能源利用方式，其科学研究的价
值十分重大，商业开发的前景非常广阔。
! 项目实施技术路线
本项目依托日本东芝公司的燃料电池技术，旨
在解决畜牧养殖场能源利用与环境污染的问题，实
现猪场废弃物的资源化、减量化和无害化，建立适合
中国国情的和拥有自主知识产权的“发酵沼气’净化’
燃料电池’废水处理’废渣、废热利用”系统。示范研
究技术路线见图#、主要设备和构筑物见表#。
图# 发酵沼气燃料电池集成系统工艺流程
()*+# ,-./012)-3456-.1722./!&&893/70/:2;)5*1<3=/4-/4<><2/0
" 主要研究结果
%+# 甲烷气的高效发酵与储存、净化
在动态监测水门猪场猪粪的成分、粪尿浓度、产
生量和分析猪粪发酵沼气发生量及沼气成分的基础
上，确定了!&&89燃料电池满负荷发电所需的存栏
猪数量和结构，并通过研究猪粪浓度和总量对沼气
发酵的影响及其质量的控制技术，选用中温厌氧发
酵技术。将热水绕管布于发酵池内，并将聚苯乙烯
泡沫塑料保温材料摆成筏状浮在发酵液面上，池上
部盖有沼气罩（橡胶质），沼气膜的最大容量?&0@，
过多的气体通过安全阀排出。使发酵槽的温度保持
在@@!@?A之间，提高了产气率和产甲烷浓度，池
容产气率!!+&0@／（0@·B），沼气的甲烷浓度!
CD$，实现了再生能源的高效转化。由于E!,对燃
料电池阳极的铂催化剂有很强的毒化作用，因此采
用好氧生物’氧化铁’活性炭吸附组合脱硫工艺，生物
脱硫是利用沼气发酵液中的硫磺氧化细菌通过填料
塔除硫，同时通过发酵液中的氨氮也将沼气中的
FG!很好的去除。国内郑士民等在实验室条件下采
用氧化亚铁硫杆菌对工业沼气脱硫的技术水平，E!,
去除率可达HH+HH$以上［@］，避免了对设备的腐蚀和
环境的二次污染。
表# 主要设备和构筑物一览表
I1;4/# I./01):/J=)K0/:2<1:B-5:<27=-2<532./<><2/0
序号 设备和构筑物名称 规格 数量
# 燃料电池 LF!?F!&&89 #套
! 原水槽 #D@0@ #个
@ 收集槽 #D?0@ #个
% 发酵槽 ##H%0@ @个
? 缺氧槽 @&0@ @个
C 曝气槽 @"&0@ @个
D 沉淀槽 #@&0@ #个
" 污泥储留槽 !?&0@ #个
H 脱硫装置 #套
#& 肥料化设备 #套
!&&?年!月 赵翔涌等：!&&89猪粪发酵沼气燃料电池示范研究项目综述 ·!#·
万方数据
!"# 燃料电池系统发电与余热利用
在搜集整理、归纳总结世界各地燃料电池成功
应用经验的基础上，选用#$$%&的’()*燃料电池
直接将甲烷的化学能转换成电能。该电池型号为
’*#+*，额定功率#$$%&，输出电压!!$,，频率+$
-.，有#/$个单电池，每个单电池的电压为$"0!
$"1,，每1个单电池组成一个单电池组。通过试验
验证磷酸盐型燃料电池国内液化石油气（2’3）发电
技术和沼气发电技术及沼气毒性实验，使得沼气燃
料电池的能量转换效率极高，每方沼气可发电#"+
%&·4，并且每4可产生+50$6的热水。燃料电池
对环境非常友好，排出的气体中789的浓度在+:／4
以下及微量的;89，燃料电池的噪音仅为0$<=。同
时利用燃料电池发电时产生的余热制冷和给沼气池
加温，提高了厌氧反应器的性能和能源的利用效率，
能源转换总效率达到1>?。
!"@ 废渣制复合肥
以猪粪和污泥为主要原料，采用高温（0+6）好
氧发酵，通过控制堆肥的水分含量和*／7比以保证
好氧发酵的速度，经过约!$<堆肥周期，猪粪成为性
状良好的腐殖颗粒有机肥。根据不同农肥的7、’、
A等含量标准添加原料，通过干燥、筛分、包装制成
有机复合肥，实现了废渣的无害化和资源化。
!"! 废水深度处理
通过最佳深度水处理方案的中等规模的实验和
单位深度水的投资成本和运行费用的分析，将
B(;=和;=C组合工艺作为废水处理的关键技术，
通过“厌氧D好氧D絮凝”(D8工艺，将废水中难降解的
物质彻底降解，同时可以除磷、脱氮，各项水质指标
均达到当地排放标准的要求，污泥经脱水机脱水后
与粪渣进行混合堆肥。整个处理设施占地面积少，
自动化程度高，运行稳定可靠。
! 示范系统的建设
+年来，从充分利用猪场可再生资源和改善猪场
经济环境出发，在实验研究和分析论证的基础上，提
出了以沼气为纽带的绿色生态环境与能源系统工
程，并有针对性地进行了“#$$%&发酵沼气燃料电
池”示范工程的建设。整个工程分为三期：一期工程
建造燃料电池、办公楼；二期工程建造原水池、集水
池、发酵池等沼气发酵设施；三期工程是污水处理系
统和有机肥料厂。建设工程在清洁的发电、水环境
的改善、畜产资源的有效利用、肥料的制造和对养猪
场作业环境的改善等方面发挥了重要作用，同时也
为猪场带来了一定的经济效益。各主要水处理构筑
物的处理效果见表#。
表# 废水处理系统的效果（E:／2）
FGHIJ# CJKLI5KMN54JOGK5JOG5JPQPMRJKK
处理单元 原水 固液分离器 B(;= ;=C 絮凝沉淀
*8S >@+$$ 110$ >!@$ @/$ T!
;; >#$$$ 0/$$ >#1$ #!$ #+
FD7 >@$$ T@$ 0+$ >@$ /@
水门猪场燃料机组容量#$$%&，日发电量!1$$
%&·4，年发电量>+$万%&·4（按@>+天计），以$"!
元／%&·4计算，年发电收入为0/"#万元；猪粪渣可
生产优质有机复合肥，月产量>$$5，以>$$$元／5计
算，年有机肥收入为>#$万元；水电、材料、维修、折
旧和人工费年支出为>!$万元；在满负荷生产运行
条件下，年利税为!/"#万元，从而达到了经济自足、
能量自给和环保达标的要求。
" 结 语
“发酵沼气燃料电池”项目作为一种直接将化学
能转化成电能的综合系统工程，它实现了猪场废弃物
的资源化，生物质多层次利用，促进了农牧业生态良
性循环，并且在广州番禺水门猪场取得了猪粪发酵沼
气燃料电池在世界范围内的首次成功应用。它是集
新能源开发、环保、高效的都市型农业综合利用技术；
且为如何处理好我国经济发达地区农业的发展与综
合治理问题，提供了良好的借鉴作用；同时对解决我
国能源紧缺的状况，具有一定的探索与示范作用。
我国沼气资源丰富，制备容易，用途广泛及综合
效益显著等特点。将沼气用于发电是有效利用沼气
的一种途径，在#>世纪我国的沼气发电技术应该立
足于高起点、高效率的燃料电池发电技术［!］，将生态
农业中的沼气技术和清洁能源燃料电池技术结合起
来，对我国生态农业的发展和再生资源的有效利用
有着重要的意义。
参考文献：
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·##· 生物加工过程 第@卷第>期
万方数据