Binder兄弟公司的生物燃气生产设备以高生产效率而著称。这一设备使用的原材料是纯青饲料，例如高粱杆或者玉米秸

像气体甲烷生产设备这类生物燃气的生产设备将在未来的能源多元化中扮演重要角色。但这种生物燃气生产设备的效率如何呢？Binder兄弟公司，德国西南最大的生物燃气生产设备的运营商开始了其搅拌设备的更换工作，完成后便可以节约75%左右的能源费用。

Herbert Binder先生非常厌恶浪费能源的人和事。这位来自德国巴登州Forchheim市的农艺师与他的兄弟Josef先生一直在尝试如何进一步提高其生物燃气生产设备的效率。种植、收割10km2的农作物，再运输田野中的秸秆本身就是一种非常艰苦的工作，而农作物的秸秆也是生物燃气生产设备在一年里连续发酵所不可缺少的。为保障生物燃气设备的正常运行，每天要向这一设备中输入175t左右的秸秆及每年大约65000t的青饲料。原计划这一生物燃气设备的装机容量为500kW，但由于精心的规划设计和高效的生产运行，生产能力已增大到3.1~3.2MW之间了。

Binder兄弟公司经营的生物燃气生产设备以其很高的效率而著称。这一生物燃气生产设备有两个相互独立的主发酵池，当其中的一个发酵池出现故障时，整个生物燃气设备仍然可以继续运行。Binder兄弟公司的生物燃气生产设备的用料与时下流行的观点相反：没有使用人类食物链中的粮食，而且也不会尝试利用猪、牛粪便。

图1  在紫色的天然气站中，生物质生产出来的生物燃气部分用于发电，部分直接输送到居民的天然气管道中

“在刚开始的时候我们也不相信生物燃气生产设备能够只使用青饲料。”Binder先生说道。而如今，他在这一设备中使用的只有可再生的、可持续发展的原材料，即全株青贮饲料（Roggen-GPS）。这些植物就是在冬季7 ℃的环境中也能生长，例如玉米和高粱。种植这些农作物的好处是每年3月份就可以开始第一次收割，而且收割后可以再种上其他农作物。如今，Binder兄弟公司能够在这片土地上合理地种植不同农作物，保证从每年的3月到11月整个耕地的1/3能够有两次收割。这也就保证了生物燃气生产设备能够长年连续供电，同时也保证了全年都有青饲料可供使用。但这也要求有很大的青饲料贮藏仓库，Binder兄弟公司就拥有一个总面积达11000m2的青饲料贮藏库。

高效利用能源

提高这种生物燃气生产设备生产效率的另一个重要因素是解决好存储池固定顶盖的维修。“否则会有大约10%的气体从发酵池中泄露出去。”Binder先生解释说。其他的好处还有：大大减少了异味，同时也避免了本地居民提出异议。在向本地的生物燃气网络供应生物燃气时，Binder兄弟公司又有着自己的独特之处。通常情况下在有偿向燃气网络供气之前，发酵生物燃气中的热能都“留在”了其他储气罐中，或者消失在输气管道中。而在Forshheim市还有一个区域性的供暖网络，或者非工业用采暖网络，这也是使得此生物燃气设备比设计时又增加了用途。Badenova的一个天然气站从2010年秋天开始利用Binder兄弟公司生产的生物燃气，这样其所供应的生物燃气中就包含了有机物产生的生物燃气。

图2  Binder兄弟公司的生物燃气设备能够发出3.1和3.2WM的电力

只有设备能力达到兆瓦级时，投资这一天然气站中使用的生物燃气准备设备才是经济的。虽然电力部门的能源转换效率达到了40%，但Binder兄弟公司生产的生物燃气（900m2/h）几乎没有能源运输损耗就直接输送到最终用户那里了。

低速搅拌更宜生产

在提高生物燃气生产效率时，搅拌机的选择同样是一个非常重要的因素，而且这常常是被低估了的重要因素。与其他类似大小的生物燃气生产部件相比较，它有着更大的节能潜力。通过经验总结：发酵池越大，生物反应、发酵的效果就越好，停留的时间也就越长。生物质秸秆在Binder兄弟公司的4个发酵池（2个主发酵池，1个二次发酵池和1个存储池）中停留的时间大约为200天。在Forchheim市的生物燃气设备中共有27000m2的液体生物质在不断循环着，从而也保证了发酵池每一时刻的发酵条件都是相同的。

图3  缓慢旋转的、潜水电机驱动的搅拌机取代了高速旋转的搅拌机

酵母菌是非常敏感的菌类，需要最佳的营养供应。酵母菌得到的养分太多或太少，都会降低生物燃气生产设备的生产效率。一般情况下，刚刚投入到发酵池的新鲜青饲料，也就是酵母菌新的食品，始终都是漂浮在发酵池的上部，而这些营养品应送到酵母菌的“嘴”旁。在发酵池建造时所能够采取的第一个措施就是建造1个环形输送渠道，通过该渠道输送新鲜的生物质。在选择搅拌机时，Binder先生说：“开始的时候没有多加注意，在发酵池中使用了密西西比搅拌机（Mississippi）。它的叶片就像密西西比河上火轮船的螺旋桨一样把新鲜生物质从发酵池的上部搅拌到下部。这种搅拌设备的缺点是，发酵池中的有些地方搅拌不到或不均匀。”Binder先生解释说。因此，辅助使用了一些“搅拌棒”（一种高速旋转的搅拌装置）帮助搅拌。但这一措施也没有达到理想的搅拌效果，相反却增加了电力消耗。最后被Binder先生彻底否定了。“若我们费尽心机利用可再生生物质发出的电力被搅拌机白白浪费掉是非常令人不满意的。提高能源利用率要从能源生产设备开始。”Binder先生总结道。经过了几年失败的探索，3年前Mindelheim市Maier能源和环保技术公司建议彻底改造，即放弃快速旋转的“棒式”搅拌设备，采用低速搅拌设备。

图4  3年来，这种低速搅拌机一直在不停运转着。左起：Michael Wilgapolski，Alois Maier（Maier能源和环保技术公司），Daniel Binder和Josef Binder先生

尽管Binder 先生一开始持有怀疑态度，但仍拆除了原来3台功率各为30kW的棒式搅拌机，更换为Frankenthaler市专业厂KSB公司生产的、功率只有6.5kW的潜水电机搅拌机。这一技改措施同时也把密西西比搅拌机的功率需求减少了50%。实践证明此法可行。“一年时间省下的电力就高达120000kW/h，相当于节约了15000欧元的电费。”Binder先生兴奋地说道，“按此计算，不到1年半就可以收回潜水电机搅拌机的投资费用。”第一台KSB搅拌机安装在主发酵池的外环输送管道中，随后又在安装制造天然气站生物燃气存储设备时安装使用了这种慢速的KSB搅拌机。

KSB公司研发生产的Amaprop型卧式潜水电机驱动的搅拌设备搅拌速度慢，因此可以节约能源，保证了生物质原材料的生物燃气生产。一个发酵池中，Amaprop潜水电机搅拌机的叶轮直径2.5m，安装长度6.5m。很大的叶轮直径有重要的作用：它降低了高循环量，较低的流动速度减少了流量损失，为酵母菌提供了有利的生长环境。同时，流体动力学的性能、功率也没有降低，相反还保证了发酵池生物发酵所需的功率和性能。由于投入发酵池中的青饲料都是切细了的植物秸秆，因此发酵设备中不会出现网状般污垢，也不会因缠绕而损害螺旋桨，但从安全的角度出发，螺旋桨还是用坚固的、不易断裂的玻璃纤维增强树脂制成，并配有金属轮毂，叶片表面喷涂了特殊的防护涂层。与螺旋桨旋转方向有关的两个滑动密封件带有利于环保的接油槽，可靠地保证了密封，也保证了很长的使用寿命。

无需清空完成更换

使Binder兄弟二人感到最满意的是：这种卧式潜水电机驱动的搅拌机可以在不清空发酵池的情况下完成安装。因为Maier公司开发了一套特殊的安装方法：Repowering Pipe。生物燃气生产设备的使用者只需做好电力和水的供应就可以了。在起重设备的帮助下，首先把大直径的管子放入发酵池中，再用泵把管子中生物质发酵物和液体抽到发酵池的其他地方。在考虑了所有安全生产的情况下，把潜水电机搅拌机安装、固定到发酵池的底部。一切就绪后再把大直径的管子吊出发酵池。

Forchheim市的天然气站也从这一方法中受益不小。整个KSB搅拌机的安装历时4 h，没有过多影响生产，而且Binder兄弟二人对今后其他发酵池的技术改造也更加信心十足了。

生物燃气

生物燃气是利用有机物在潮湿的空气环境中（厌氧菌环境）微生物分解而产生的气体。反应过程产生的产物有水、CO2和CH4。生物燃气的能量取决于生物燃气中的CH4成分。CH4所含能量接近10kWh/m2（9.97kWh/m2）。

在德国有近6000台生物燃气设备，可以发出的电力高达2291MW。根据生物燃气专业协会发布的信息显示，这些电力相当于整个德国电力总需求量的2.46%。但在这些生物燃气设备中只有45台能够把生产出来的CH4气体输送到当地的燃气网络中使用。影响生物燃气使用的主要原因是只有当生物燃气的能量达到兆瓦级时，天然气站、煤气站安装使用生物燃气处理设备才是经济合理的。尽管只有少部分的生物燃气进入了电力网络，但其仍然是一件非常引人关注的事情。它与太阳能、水利发电、风能不同。首先它不受气候的影响（农业收成的波动除外），另一方面，农作物的秸秆是可以贮藏的，因此可以根据需要投放到生物燃气设备中。