“環保+能源”的生物天然氣循環經濟發展研究

劉代城?萬毅?張曉萌

摘 要：三峽電能緊密結合自身主營業務，積極探索將環保與能源有機結合的路徑，其中以治理水污染源頭為主的有機廢棄物處理，既能對廢棄物進行資源化利用產生生物天然氣，還可以實現生態鏈閉環，打造循環經濟模式，本文結合現階段長江經濟帶發展的形勢，提出了發展生物天然氣循環經濟的對策建議。

關鍵詞：環保+能源;生物天然氣;循環經濟

中圖法分類號：F426;F323.3? ? ? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ?DOI：10.19679/j.cnki.cjjsjj.2019.0420

生物質能源屬于可再生能源的一種，其資源化利用形式包括直燃、氣化、發酵等，目前農林廢棄物直燃、氣化發電，垃圾焚燒、填埋發電等，技術已經相對成熟，其中長江經濟帶的湖北、湖南、安徽、江西、江蘇、浙江等地已經有大量應用案例，農村秸稈焚燒和城市垃圾處理得到相對有效的控制。但是，對于農業有機廢棄物，尤其是規模化養殖企業畜禽糞污，目前對其進行資源化綜合利用仍處于發展初期。

據《第一次全國污染源普查公報》顯示（注：第一次公報發布時間為2010年2月，根據《全國污染源普查條例》規定，每10年開展一次全國污染源普查工作），畜禽養殖業糞便產生量2.43億t/年，尿液產生量1.63億t/年，其主要水污染物排放量中，化學需氧量1 268.26萬t、總氮102.48萬t、總磷16.04萬t、銅2 397.23t、鋅4 756.94t，分別占農業主要水污染物排放總量比例為96%、38%、56%、98%、94%，這些既是農業面源污染的主要來源，也是水系污染的源頭之一。

生物天然氣的綜合利用項目意義重大，其著眼于環保，落腳于能源，并且有較好的經濟性，既是生態閉環的環保項目，又是生物質可再生能源項目，屬于“環保”與“能源”的有機結合。因此規范畜禽糞污處理，加快推進畜禽糞污資源化利用，對于減少環境污染，推進生態文明建設，貫徹綠色發展理念具有十分重要、迫切的意義。

1? 生物天然氣行業概況

1.1? ?生物天然氣的含義及主要優勢

生物天然氣是指以有機廢棄物（例如：禽畜糞污、農林秸稈、餐廚等有機垃圾）為原料，經厭氧發酵和凈化提純后與常規天然氣成分、熱值等基本一致的綠色低碳清潔環保可再生燃氣。可再生燃氣也稱為生物天然氣，能夠驅動燃氣發電機組發電，并可充分利用發電機組的余熱用于厭氧發酵罐加熱以及工業用蒸汽等，其綜合熱效率達80%左右。生物天然氣具有清潔、低碳、可替代以及原料豐富等優勢，屬于較好的可再生能源。

1.2? ?生物天然氣發展現狀及存在問題

生物天然氣俗稱沼氣。根據《生物質能發展“十三五”規劃》，截至2015年底，中國沼氣理論年產量約190億m3，其中戶用沼氣理論年產量約140億m3，規模化沼氣工程約10萬處，年產氣量約50億m3。全國戶用沼氣達到4 193.3萬戶，受益人口達2億人。

然而，生物天然氣與傳統沼氣有較大區別。傳統沼氣項目主要為農村戶用型，運行不穩定，產氣量低，極少進行提純及綜合利用。生物天然氣項目則是隨著種植專業化、養殖規模化以及有機廢棄物處理集約化發展而構建的區域綜合能源中心，其運行穩定可靠，產氣量高，產品種類豐富。

近年來，我國規模化沼氣工程能源利用以發電為主，據國家統計局數據顯示，2011—2017年我國沼氣發電市場規模實現了跨越式增長（如圖1）。2011年的市場規模僅為7.89億元左右，2014年，隨著國家連續出臺了多項沼氣發電發展規劃以及補貼政策，帶動行業主體數量實現擴幅的同時，市場規模也實現了快速的增長，2014年行業市場達到了近12.3億元，2017年行業市場規模增長至18.12億元，沼氣發電市場2011～2017年年均復合增長率為14.9%。

從2014年開始，我國農業部和發改委推動大型沼氣轉型升級工作，嘗試推進一批大型沼氣工程和生物天然氣工程開發建設。2015—2017年，國家連續三年以投資補貼方式支持規模化生物天然氣工程建設，相關支持工程數量累計達到63個。截至2017年底，建成項目較少，僅有5個項目實現商業化運營，年產氣量約5 760萬m3。

從資源和發展潛力來看，生物天然氣仍處于發展初期，還存在分布式商業化開發利用經驗不足，專業化市場化程度低，技術水平有待提高，標準體系不健全，政策不完善等問題。毫無疑問，我國生物天然氣市場發展潛力巨大，但與歐盟國家對比，我國生物天然氣產業仍處于發展起步階段。隨著環保的巨大壓力以及技術的不斷成熟，目前正是切入生物天然氣市場的好時機。

1.3? ?生物天然氣發展趨勢及政策支持

據測算，全國每年產生農作物秸稈10.4億t，可收集資源量約9億t，尚有1.8億t的秸稈未得到有效利用，多數被田間就地焚燒;規模化畜禽養殖場每年產生畜禽糞污 20.5億t，仍有56%未得到有效利用;存在大量城鄉生活垃圾、生活污水、農產品加工剩余物和工業有機廢水廢渣，據統計，全國每年可用于沼氣生產的農業廢棄物資源總量約14.04億t，可產生物天然氣736億m3，相當于2017年我國進口天然氣總量的80%左右。

2018年12月，生物天然氣被列入國家能源發展戰略。當前，我國面臨天然氣“氣荒”，進一步提高了人們關于能源多元化發展的意識。國內天然氣供給能力與工業和居民需求存在巨大差距。而我國生物質能不僅資源豐富，還具備了清潔、替代用戶側的特點，恰恰彌補了天然氣的缺點。

近年來，我國不斷推動生物質能源的發展，相關政策持續出臺，從稅收政策、補貼政策、發展規劃等各方面鼓勵對生物質能源進行綜合利用，生物質能源也逐步從最初的農村沼氣發展到生物質發電、以及生物天然氣。

1.4? ?發展生物天然氣的意義

生物天然氣的綜合利用項目意義重大，其著眼于環保，落腳于能源，并且有較好的經濟性，既是生態閉環的環保項目，又是生物質可再生能源項目，屬于“環保”與“能源”的有機結合。

（1）符合長江大保護的要求

2018年4月24日，習近平總書記深入長江考察，再次強調長江經濟帶要落實“共抓大保護、不搞大開發，走生態優先、綠色發展之路”。現階段，諸多生物天然氣項目均分布在重慶、安徽等地，正處于長江經濟帶，相關項目能有效處理畜禽糞便、城市生活垃圾、工業有機廢棄物等大量污染物，是典型的生態環保項目，完全符合長江大保護的要求。

（2）助力脫貧攻堅戰

2019年4月15日，習近平總書記深入石柱土家族自治縣的學校、農村，實地了解脫貧攻堅工作情況。生物天然氣項目打造農業循環經濟，通過有機肥置換或購買等方式，集中收儲處理農村秸稈，帶動地方就業，為農村脫貧攻堅貢獻力量。

（3）符合建設美麗鄉村的要求

生物天然氣項目多數是以畜禽糞污資源化利用的項目，是治理農業生態環境，改善農村生活環境的需要方式和有效手段，是促進畜禽廢棄物變廢為寶，減少農業面源污染、建設美麗鄉村的關鍵措施。

（4）符合國家可再生能源發展戰略

生物質生物天然氣項目一般可以按照分布式發電、提供區域冷熱綜合利用等方式，提供冷熱電需求，屬于典型的分布式綜合能源利用，與國家能源戰略高度契合。

2? ?生物天然氣循環經濟的商業模式

2.1? ?技術路線

（1）工藝路線

生物天然氣產業鏈較長，主要分為三個環節，分別為有機廢棄物收集處理環節、生物天然氣利用環節、沼渣沼液消納環節。廢棄物收集主要有畜禽糞污、秸稈、生活垃圾、農業有機廢棄物等，既可以由政府或第三方企業收集，也可以由能源中心自行收集。有機廢棄物經過厭氧發酵產生生物天然氣、沼渣、沼液三種產品。生物天然氣可用于發電、生產蒸汽、提純天然氣等，沼渣可用于生產固態有機肥，沼液可作為液態有機肥用于還田，從而實現生態循環，其生產工藝路線如圖2。

（2）厭氧發酵技術

生物天然氣項目核心技術為厭氧發酵產氣的過程。發酵一般分為三個階段，第一階段把不溶解的有機化合物和聚合物，轉化為可溶解的有機物;第二階段再將可溶解的有機物發酵為有機酸;第三階段由有機酸發酵產生甲烷。

目前發酵系統有兩種主流形式。一種是罐體式厭氧發酵，采用完全混合厭氧發酵，糞污進入進料斗后，經勻漿池混合加熱，進入厭氧發酵罐，通過機械攪拌，與菌種充分混合后，發酵產生生物天然氣。該發酵系統由歐洲引進，其工藝形式在國內供應已經有多處應用案例。

另外一種是半地埋式厭氧發酵，其采用二級渦流混合型平推流消化系統，采用氣泡攪拌，利用平推流模式，二級線性渦流技術，保證進入的所有原料得到充分的發酵。該發酵系統在美國應用案例居多。兩種發酵技術的主要區別（如表1）。

經過幾十年的技術積累，目前，國內外生物天然氣厭氧發酵技術已經非常成熟，以歐洲和美國為主要代表，盡管發酵系統工藝形式存在差異，但是發酵原理相同，目前運營較好的項目容積產氣率約1.5（又稱池容產氣率，為單位體積單位時間的產氣量，m3/（m3×d））。

根據已投產項目實際投資運營情況，兩種主要發酵工藝對于同等規模項目的投資強度、產氣量等并無明顯差別，因此在具體項目的實施過程中，可因地制宜采用合適的發酵工藝。

（3）生物天然氣利用技術

生物天然氣利用方面，主要有幾種方式。一是通過內燃發電機發電，這是國內目前主要的利用方式。發電設備分國產及進口兩種，技術都非常成熟。國產設備以勝動、濟柴為代表，進口設備以卡特彼勒、曼海姆、顏巴赫為代表。國產及進口發電機效率差距較大，目前國產發電機電效率一般在30%左右，1m3生物天然氣發電量約1.4kW·h;進口發電機電效率在40%左右，1m3生物天然氣發電量超2kW·h。二是通過燃氣鍋爐生產工業蒸汽，在現代牧業應用案例較多。國產設備已經非常成熟，熱值轉換率普遍在90%以上。三是提純為高品質天然氣，主要有吸收法、變壓吸附法、低溫冷凝法和膜分離等方法，生物天然氣甲烷含量55%～65%，一般1.5～1.8 m3生物天然氣可提純1 m3高品質天然氣。在國內也有中廣核河北衡水、三河天龍河北廊坊等多個項目在應用，運營狀況良好，技術成熟。

（4）有機肥利用技術

厭氧發酵完成產生沼渣和沼液兩種產品，都是良好的有機肥生產原材料，目前沼渣、沼液生產有機肥技術已經非常成熟，生物天然氣工程都有相關有機肥配套工程;有機肥的推廣利用目前正在培育階段，人們對循環經濟的了解和重視正在逐步增強。沼渣含有較全面的養分和豐富的有機物質，經過適當處理即可使用。其中有一部分被轉化為腐殖質，是一種緩、速兼備又具有改良土壤功效的優質肥料。沼渣通過烘干或者好氧堆肥，在春秋季節可作為底肥施用，每畝施用量為1 000～2 000kg。

沼液中不僅含有豐富的氮、磷、鉀、鈣、鎂、鐵、錳等中微量元素，而且還含有大量的腐殖酸、氨基酸、核酸等有機有益成分，是一種非常良好的葉面肥資源和飼料添加劑，可以應用于農作物生長、提高品質、農作物抗病防蟲、農業養殖等。

2.2? ?商業模式

生物天然氣與傳統分散的農村沼氣產業相比，開辟了有機廢棄物處理的新思路，跳出單純的沼氣項目的局限，與環境保護、能源供應、有機農業等緊密結合，延長到有機廢棄物綜合整治、沼渣沼液有機肥生產、生物天然氣城鎮供能等全產業鏈，實現生物天然氣生態循環（如圖3）。

從產業鏈上看，生物天然氣綜合能源主要有三處營利點，一是收取前端廢棄物處理費用（具體收取的處理費用各項目不同）;二是產生的生物天然氣可用于發電、生產工業蒸汽或者提純為天然氣（各地區上網電價、蒸汽價格以及天然氣價格不同）;三是產生的沼渣可以作為有機肥的原料（具體出售價格各項目不同）。

2.3? ? 競爭格局分析

目前，全國生物天然氣仍然以戶用型沼氣居多，而且工藝落后、產氣量效率低、運行不穩定。真正意義的生物天然氣工程受環保政策、技術進步以及資本實力影響，近兩年剛剛起步，而且主要由中小民營企業參與，大型央企及地方國有企業鮮有涉足，行業內目前比較有影響力的企業包括北京盈和瑞、杭州能源、青島天人環境等，生物天然氣行業仍處于一片藍海，競爭格局尚未形成。

2.4? ? 經濟性分析

生物天然氣項目主要由厭氧發酵系統、生物天然氣利用系統、有機肥生產系統等組成，單體項目投資相對穩定;收入來源主要分為有機廢棄物的處理環節、生物天然氣利用環節、有機肥銷售等三個環節，各環節收入相對可控;同時，此類項目可與綜合能源等業務協同發展，實現產業整體布局的最大價值。通過對現代牧業安徽蚌埠及合肥牧場、河北衡水富源牧業等國內運營較好的生物天然氣項目現場調研，項目運營收入穩定可靠、成本較低，經測算，全投資內部收益率均在10%以上，具有較好的經濟可行性。

3? ?三峽電能在生物天然氣行業的探索實踐

三峽電能在進入生物天然氣行業初期，以投資并購為主積累技術、管理、運營經驗。目前，三峽電能正在實施的生物天然氣項目分布于重慶、四川、河南等地，其中重慶項目包括建設CSTR厭氧發酵罐5座（共20 000 m3）、原料收運系統、生物天然氣凈化及利用系統，有機肥生產系統等。項目設計日處理綜合有機廢棄物600t，其中包括餐廚垃圾100t、城市污泥100t，果蔬和尾菜、秸稈及畜禽糞污等廢棄物400t，日產生物天然氣約27 000 m3、日產液態有機肥約100t，固態有機肥約50t，毛油約5t，生物天然氣發電機組裝機規模1.6MW，年上網電量約1200萬kW·h，目前，項目已經建設完畢投入運行。

同時，三峽電能與合作伙伴在重慶、云南、湖北、安徽等地，獲取并儲備了超15個項目資源，既有規模化養殖企業糞污處理項目，也有其它農業有機物綜合處理項目;既有投資并購項目，也有儲備待建項目。15個儲備項目設計日產生物天然氣量超36萬m3，年產氣量超1.4億m3;建成后，預計年處理畜禽糞污超360萬t，處理其它有機廢棄物超127萬t，社會效益及經濟效益顯著。

4? 生物天然氣技術在長江經濟帶發展中的建議

（1）提高有機廢棄物資源化意識，明確資源化發展路線

在保證目前有機體廢棄物無害化處理成果的前提下，逐步將相關部門工作重點轉移到有機廢棄物的資源化利用上，逐步提高有機廢棄物資源化利用比重;制定有機廢棄物資源化發展路線，可根據各地實際情況配套生活垃圾分類配套設施，人性化設置有機固體廢棄物收集設備，因地制宜將餐廚垃圾、城市生活污泥、生活有機垃圾、農村秸稈、畜禽糞污等有機廢棄物集中處理，打造區域綜合有機廢棄物處理中心，構建區域能源中心。利用多媒體網絡、電視、報紙等開展多層次、多形式、多途徑的宣傳活動，營造良好的社會輿論氛圍。同時，明確各部門間的分工與協作，使相關工作清晰化、明朗化，工作開展有據可循，便于工作的順利開展;對規劃實施情況進行動態監測，及時發現規劃實施存在的問題，開展規劃實施中期評估和末期評估。

（2） 完善生物天然氣優惠政策，積極拓展下游產品市場

鼓勵清潔能源集團及社會資本投資生物天然氣項目，鼓勵生物天然氣采用就近消納的能源綜合利用的方式，鼓勵企業參與生物天然氣全產業鏈發展。建立生物天然氣優先利用、生物天然氣發電優先利用機制，完善生物天然氣產氣、有機肥等終端產品補貼政策;在實施綠色生態導向的農業政策中，引導支持農村居民、新型農村經營主體等使用農業廢棄物資源化生產的有機肥;增加對下游產品安全性檢查，提高社會對下游產品的接受度。

（3）加大技術研發投入力度，加強國際合作與交流

加大對技術的資金和人力投入，完善并突破現在的技術瓶頸，提高甲烷產氣量，增強下游產品利用的多元化和高效益化;發揮產學研互動作用，加大技術研發力度，針對產業模式形成自主知識產權;在互惠互利的基礎上，加強同發達國家企業的合作，學習和借鑒他們的先進技術和管理經驗，有目的有選擇地引進消化吸收國外先進技術、工藝及關鍵設備，因地制宜，加快產業技術開發步伐，提升產業技術水平。

（4）建立健全法律法規，強化行業項目監管

針對“有機廢棄物厭氧發酵生態循環模式”應用上下游系統，建立行業標準，規范生物天然氣生產和處理技術;建立相應的法律、法規及若干指導意見，將沼渣沼液的處理和使用納入法律規定范圍;加強對產業模式從管建設到運營全過程的監管力度，加強生物天然氣工程質量安全檢查，規范市場行為;建立健全項目環境監管體系。

5? ? 總結

目前，在國內有，以凱迪生態為龍頭的農林生物質發電，以光大綠色環保為龍頭的垃圾焚燒發電，生物質發電已經發展為非常成熟的產業，而生物天然氣綜合能源利用現階段仍處于發展初期。可以長江大保護為切入點，主要在長江經濟帶開展生物天然氣綜合能源利用，開拓這一片新的藍海。可以想象，在環保形勢日趨嚴格，農業有機廢棄物處理形勢日趨緊迫的多重壓力下，誰先進入生物天然氣行業，并且擁有較強的資本實力，誰將會主導這個細分行業的發展，甚至打造一個新興行業的上市公司，實現長江大保護的高質量、可持續發展。