农业农村部沼气科学研究所成立于1979年，直属中国农业科学院，地处四川成都，是国内沼气领域集研究、技术开发和培训为一体的科研机构，担负着国家有关农村能源及环境保护方面重大基础及应用研究任务。现有在职职工114人，正高级13人，副高级26人，中级30人，博士、硕士52人，国务院特殊津贴获得者13人，农业部有突出贡献专家3人，四川省有突出贡献专家1人，中国农科院杰出人才10人。设有博士、硕士培养点，其中博导1人、硕导17人，在读硕士研究生18人。研究所下设微生物研究中心、沼气工程研究中心、生物质能源研究中心、农业农村部沼气产品及设备质量监督检验测试中心、培训与信息研究中心5个科研部门，并建有农业农村部农村可再生能源开发利用重点实验室、四川省沼气工程中心、四川省厌氧微生物资源中心、四川省沼气技术国际科技合作基地和中国农业科学院农村能源新材料应用研究中心等科技创新平台和“联合国粮农组织沼气技术研究培训参考中心”、“农业行业特有工种职业技能鉴定站”、“农业农村部成都能源环境工程设计所”、“沼气所科技开发公司”和成都环能国际合作公司等行业技术服务与成果转化平台及四川省双流县公兴基地等科技支撑平台，编辑出版《中国沼气》专业学术期刊(2014年入选中文核心期刊目录)和创办农村沼气行业有影响力的“中国沼气网”。

厌氧发酵技术是实现生产生活废弃物资源化、循环化、无害化利用的有效手段，而“三沼”（沼气、沼渣、沼液）是废弃物厌氧发酵的终端产品，其高效高值利用，是制约废弃物处理和利用成效的关键。沼气作为一种清洁能源，用途非常广泛，可以点灯照明、烧水煮饭，也可以发电上网、提纯供气。沼液沼渣加工有机肥用于农业生产，可有效发挥化肥替代、农药减量、培肥地力作用，加快推动生态循环农业和绿色农业发展。本书详细介绍了我国“三沼”综合利用基础知识、应用技术和建设模式，总结了各地方“三沼”综合利用的典型模式与成功案例，为各级地方政府、行业管理与技术人员、种植和养殖业主以及广大社会公众，学习了解“三沼”应用技术、创新沼气发展模式、推动实施农村人居环境整治和“厕所革命”，提供参考和借鉴。

第一章“三沼”综合利用基础知识

第一节“三沼”开发利用重要意义

一、“三沼”综合利用经济效益

“三沼”是指畜禽粪便及农作物秸秆等物质，在厌氧环境中通过微生物分解转化所产生的物质，包含沼气、沼渣、沼液，统称“沼气发酵产物”，通常也称“三沼”。

沼气是一种混合气体，其中含有50%～60%的甲烷、40%～50%的二氧化碳，还含有少量的一氧化碳、硫化氢、氧和氮等。沼气与石油液化气、天燃气同属优质燃气，是高品位的生物质能，是一种热值较高的清洁能源，每立方米沼气的发热量为20 800～23 600千焦耳，折合0714千克标准煤。沼气可用于发电、增温、供冷、提纯替代LNG等生产领域。

沼液及沼渣作为沼气发酵残余物，是一种缓速兼备的优质肥料，能有效提高作物产量，改善作物品质，改良土壤环境。

沼液中不仅含有作物生长所需的氮、磷、钾等营养元素，还存留了丰富的氨基酸、Ｂ族维生素、各种水解酶、某些植物生长素、对病虫害有抑制作用的物质或因子。可用来养鱼、喂猪、喂牛、浸种、叶面施肥、防治作物的某些病虫害、提高植物抗逆性。

沼渣中含有丰富的有机质、腐殖酸、粗蛋白、氮、磷、钾和多种微量元素等，是一种缓速兼备的优质有机肥和养殖饵料。可以用来配制营养土和营养钵、做有机肥、养殖蚯蚓、土鳖虫、泥鳅等。

二、“三沼”综合利用生态效益

以沼气为纽带，充分利用了庭院的人畜排泄物，化害为利，实现物质多层次循环利用，促进无公害农产品的生产。以广西区莆田市荔城区为例，该区于2005年被农业部列入福建省第一批生态家园试点单位和省级生态农业试点县，累计建设“三沼”综合利用模式示范户9 500户，年可提供沼气约700万立方米，按节柴能力计算，相当于减少薪柴消耗量23万吨左右，保护了3 056公顷的森林植被。而且，年可有效处理413万吨畜禽粪便，消灭了蚊蝇滋生场所，切断了病原体的传播途径，保护了水资源，改善了农村环境卫生。且施用沼肥，可少施化肥，减少了化学物质对农产品和土壤的污染，实现了农业生产的良性循环。

三、“三沼”综合利用社会效益

根据《全国农村沼气发展“十三五”规划》，截至2015年，我国农村户用沼气已达4 1933万户，受益人口达到2亿人；建成各类沼气工程110 975处；全国农村沼气工程总池容达到1 89258万立方米，年产沼气2225亿立方米，供气20918万户。我国沼气工程正朝着大型化、产业化方向发展。

户用沼气和规模化沼气工程建设，可以缓解农村用能的紧张局面，改善农民生产生活条件，提高环境卫生质量。沼气发酵产物不仅解决了生活能源，而且作为肥料、饲料、饵料和“准农药”，用于作物浸种、防治作物病虫害、提高作物产量和质量、农产品储存保鲜等。“三沼”综合利用把沼气建设与农业生产活动直接联系起来，成为发展庭院经济、生态农业、增加农户收入的重要手段，另外也开拓了沼气发展的新领域。

其次，因其成本低、收效快、效益高的特点，很容易在农村得到推广，并可在一定程度上提高农民科技意识和劳技素质，增加农民收入，促进社会安定，提高文明程度，是建设社会主义新农村的好模式。

第二节“三沼”综合利用设备基础知识

一、沼气输配设备

根据沼气建设规模不同，沼气输配设备可分为户用沼气输气系统和沼气工程输配气系统。户用沼气输气系统主要由导气管、输气管、管道连接件、开关、压力表等组成，其作用是将沼气工程内产生的沼气畅通、安全、经济、合理地输送到用气点。沼气工程输配气系统主要由沼气输配管网、压送站、调压计量站及储气罐等组成。沼气输配管网是将沼气输送至终端用户，并保证沿途输气安全可靠；压送站是当输送压力不能满足要求时，将低压沼气增压至规定的压力；调压计量站是将输气管网的压力调节至下一级管网或用户所需的压力，并使调节后的沼气压力保持稳定；储气罐作用有两个：一是储存一定量的沼气以供用用气高峰时调节用，二是当输气设施发生暂时故障或维修管道时保证一定程度供气。根据采用的管网压力级制不同，沼气工程输配气系统主要分为低压单级管网输配系统、中压单级管网输配系统和中、低压两级管网输配系统。

设计沼气输气系统，首先要经过管网的水力计算设计。对输气系统的计算，通常称作水力计算，主要目的是：

根据已知输气系统要通过的沼气流量、输气管管长和允许压力降，求输气管所需的管径；

根据已知输气管的管径、管长和要求通过的沼气流量，求压力降；根据已知的起始压力、管长和管径求可以通过的沼气流量。

前者可以用来计算新敷设的沼气管道的管径，后二者可以用来核算已敷设的沼气管道的压力降和沼气通过的能力。

二、沼气利用设备

1沼气发电机

沼气发电始于20世纪70年代初期。为合理、高效地利用沼气，普遍使用往复式沼气发电机组进行沼气发电。当时使用的沼气发电机大都属于火花点火式气体燃料发电机组，并对发电机组产生的排气余热和冷却水余热加以充分利用，可使发电工程的综合热效率高达80%以上。发电机类型有集装箱式沼气发电机和开式沼气发电机（图1-2-1）。目前，沼气发电机组气耗率可以达到045～08立方米/千瓦·时（沼气热值约21兆焦/立方米），国内08～5 000千瓦各级容量的沼气发电机组皆有安装和投产。以（Germany MWM）品牌1 000千瓦的热电联产发电机组为例，其发电效率见表1-2-1。

表1-2-11 000千瓦发电机组效率表

机组型号类型电功率热功率电效率热效率总效率功率/电压

1000-BG开式1 000千瓦1 007千瓦42%423%843%50赫/400伏

图1-2-1集装箱式沼气发电机和开式沼气发电机

沼气发电技术利用的是清洁能源，以极高的效率产生了大量的热能和电能，同时带来巨大的经济效益。目前国内很多沼气工程产生的沼气CH4含量在50%～60%之间，如果选用合适的沼气发电机组，每立方米沼气可发电20～24度，而现在很多企业为了节省投资，选择使用效率低或容量小的发电机机组，每立方米沼气只能发电16～18度电。以产气量20 000立方米/天的沼气工程为例，使用每立方米发24度电的发电机组比每立方米沼气发16度电的机组每年多发584万度电。

2提纯设备

沼气是一种混合气体，沼气提纯可以去除沼气中的杂质组分，使之成为甲烷含量高、热值和杂质气体组分品质符合天然气标准要求的高品质燃气。我国城镇燃气要求见表1-2-2。车用压缩天然气技术指标见表1-2-3。

表1-2-2城镇燃气的类比及特性指标（15℃，101325千帕，干）

类别

高百华数瓦(兆焦/立方米)燃烧势CP

标准范围标准范围

天然气

3T13281222～1435220210～506

4T17131575～1854249240～573

6T23352176～2501185173～427

10T41523906～4484330310～343

12T50734567～5478403363～693

注：3T、4T为矿井气，6T为沼气，其燃烧特性接近天然气

表1-2-3我国压缩天然气技术指标

项目技术指标

高位发热量，兆焦/立方米<314

总硫，毫克/立方米≤200

硫化氢,毫克/立方米≤15

二氧化碳,%≤80

氧气,%≤05

水露点,摄氏度在汽车驾驶的特定地理区域内，在最高操作压力下，水露点不应高于-13℃；当最高气温低于-8℃，水露点应比最低气温低5℃

注：本标准中气体体积的标准参比条件是101325千帕,20℃

沼气提纯有多种方法可以实现，目前主要使用的是变压吸附法、胺洗法、加压水洗法和膜分离方法（图1-2-2）。

图1-2-2变压吸附法、胺洗法、加压水洗法和膜提纯法

沼气提纯主要是去除沼气中的CO2，以及H2S、O2、N2、硅氧烷等杂质，提高提纯后气体的热值。提纯后的气体可以作为标准气体锅炉、发电、CNG、燃气管网。以德国Rathenow沼气工程使用沼气纯化产生物甲烷气为例（图1-2-3），生物甲烷气纯化能力520N立方米/小时，电力输出2 315 兆瓦时/年；发酵原料为40 000吨玉米、作物青储、谷物和液态牛粪及猪粪；投资近900万欧元。

3沼气锅炉

沼气可以直接作为锅炉燃料。沼气锅炉按照介质分为沼气开水锅炉、沼气热水锅炉、沼气蒸汽锅炉、沼气有机热载体锅炉；按照用途分为沼气采暖锅炉、沼气洗浴锅炉、沼气蒸煮锅炉等。

图1-2-3德国Rathenow沼气工程

4沼气灶具

沼气灶具是指利用沼气作为燃料的灶具。沼气的燃烧特性较普通燃气不同，沼气燃烧的速度为每秒02米，只是液化气燃烧速度的1/4～1/3,煤气的1/12。因燃烧速度低，当气体流速大于燃烧速度时，会造成脱火。同时沼气燃烧是需要大量空气，正常情况下，一份沼气需要57倍的空气，是液化气的4倍。所以沼气灶具和普通燃气灶具要求有所不同。家用沼气灶具的主要技术参数见表1-2-4。

表1-2-4家用燃气灶具的主要技术参数（GB/T 3606-2001）

名称额定压力

帕

热负荷

千瓦千焦/小时热效率

（%）CO

（%）

沼气灶

8002788 368

1 60032610 04165501

第一章“三沼”综合利用基础知识（)

第一节“三沼”开发利用重要意义（)

第二节“三沼”综合利用设备基础知识（)

第三节综合利用安全常识（)

第二章沼气利用（)

第一节沼气燃烧特性（)

第二节沼气热能利用（)

第三节沼气照明利用（)

第四节沼气发电利用（)

第五节沼气提纯再利用（)

第三章沼液利用（)

第一节沼液理化特性（)

第二节沼液的直接还田利用（)

第三节沼液肥料化高值利用（)

第四节沼液在水产养殖上的应用（)

第四章沼渣利用（)

第一节沼渣理化特性（)

第二节沼渣在农业生产上的作用（)

第三节沼渣的其他利用（)

第五章“果沼畜”沼肥需求模式（)

第一节模式简介（)

第二节典型案例及效益分析（)

第六章种养结合生态自循环模式（)

第一节模式简介（)

第二节典型案例及效益分析（)

第七章养殖场粪污沼气化处理模式（)

第一节模式简介（)

第二节典型案例及效益分析（)

第八章养殖场沼气高值化利用模式（)

第一节模式简介（)

第二节典型案例及效益分析（)

第九章沼气工程集中供气供暖模式（)

第一节模式简介（)

第二节典型案例及效益分析（)

第十章第三方运营规模化沼气模式（)

第一节模式介绍（)

第二节典型案例及效益分析（)

第十一章农村生活垃圾污水沼气化处理模式（)

第一节模式简介（)

第二节典型案例及效益分析（)

参考文献（)