現階段我國生物天然氣產業發展現狀及建議

邱灶楊，張 超，陳海平，宋 濤，范嘉堃

(中海石油氣電集團有限責任公司，北京 100028)

自工業革命以來，人類對能源的訴求與爭奪從未停止，對自然資源的索取與日俱增，先后經歷了煤炭大開采、石油爭奪、天然氣開發時代[1-2]。化石能源已成為現代社會的主導能源，2017年全球化石能源(煤、石油和天然氣)消耗量占一次能源消耗量的85%[3]。人類在享受化石能源所帶來便利性的同時，化石能源過度消耗所積累和產生的問題也日益突顯，始終與人類文明進程相伴相隨，形影不離[4]。氣候變暖、大氣污染、能源供給安全等問題已成全球性問題，大力發展可再生能源，減少碳排放的綠色發展道路逐漸成為各國的共識[5]。我國從上個世紀90年代起，就積極倡導綠色、低碳、節能的發展之路，如今我國已是全球可再生能源產業的領跑者，在資金投入、技術研發、支持政策和產業發展方面均處世界前列，光伏、風電的裝機和發電量已位列全球第一[6-8]。

在2001年～2010年期間，國家對農村沼氣累計投資248.2億元，目前我國已經是世界上最大的農村戶用沼氣池保有國[9]。盡管有龐大的沼氣工程數量，但沼氣在我國的利用率偏低，沼氣屬于一種低熱值初級能源，能源貢獻率不高，因此需要對沼氣進行轉型升級，讓具有巨大發展潛力的綠色能源躋身到國家能源發展戰略中，“生物天然氣”就是在前期沼氣發展的基礎上應運而生的產物。所謂的生物天然氣指的是通過厭氧發酵或氣化后精煉/合成的方式，將各種有機生物質(秸稈、污泥、養殖廢棄物、生活垃圾等)轉變成的以甲烷成分為主的生物燃氣[10]。沼氣的甲烷含量在50%～65%，經提純和凈化后可提升至超過97%～99%，與常規化石天然氣無異，屬于一種高品位能源，國際上稱作“生物天然氣”(Bio-natural gas)或“生物甲烷”(Bio-methane，是一種可再生的綠色能源，可實現碳的零排放[10]。它具有生態、環保和能源的三重屬性，是發展循環經濟不可或缺的重要環節。我國是農業大國，每年的各種農林廢棄和養殖廢棄有機質資源量巨大，是世界第一產秸稈大國，僅秸稈一項每年就達8億噸左右[11]，主要畜禽資源總量為47.6億噸[12]，因此我國具有發展生物天然氣的優勢資源條件。面對嚴峻的環境和氣候問題，需積極改善生態環境，調整能源結構，大力倡導并發展可再生的生物天然氣。生物天然氣替代化石能源以及其副產物替代化肥的發展思路將成為新時代生態文明建設和建設美麗中國的重要途徑。

我國生物天然氣工程剛剛起步，體量小，暫未形成完善的產業體系、技術支撐體系以及政策體系，產業處于發展起步初級階段，截至2018年底，已建成并實現商業化運營項目不多，年產生物天然氣量5760萬m3[13]。

1 國家產業發展引導政策

2015年3月，農業部和發改委聯合發布《2015年農村沼氣工程轉型升級工作方案》，該方案的主要目的就是改變我國過去20年沼氣僅僅是“小沼氣”、“農村戶用能源”、“低品位能源”的觀念，從調整國家能源結構、能源替代、環境保護和循環發展角度重新定義沼氣。采取政府扶持與市場化運營相結合的方式，支持建設規模化的大型沼氣工程，開展生物天然氣工程試點，從整體上引領農村沼氣的轉型升級[14]。2015年可謂是我國大規模發展生物天然氣的元年。

2016年10月，國家能源局發布《生物質能發展“十三五”規劃》提出在到2020年，初步形成一定規模的綠色低碳生物天然氣產業，建設生物天然氣示范縣，年產量80億立方米[15]。

2017年6月，國務院辦公廳印發《關于加快推進畜禽養殖廢棄物資源化利用的意見》，落實沼氣和生物天然氣增值稅即征即退政策，支持生物天然氣和沼氣工程開展碳交易項目，符合城市燃氣管網入網技術標準的；優先安排以畜禽養殖廢棄物為主要原料的規模化生物天然氣工程、大型沼氣工程、有機肥廠、集中處理中心建設用地，納入土地利用總體規劃[16]。

2018年12月，國家能源局引發《關于請上報生物天然氣產業化示范儲備項目的通知》，提出建立政策支持體系和管理體系，將生物天然氣納入能源發展戰略和天然氣發展戰略，建立生物天然氣優先利用機制，完善補貼政策，將補貼重點從發電轉向燃氣。

2019年2月，國家能源局發布《關于促進生物天然氣產業化發展的指導意見》(征求意見稿)，明確提出3個發展階段，并設立各階段目標，提出到2030年，生物天然氣產量超過300億m3；將生物天然氣納入天然氣發展戰略、規劃和天然氣產供儲銷體系；編制國家、省級、地市/縣和重點能源央企規劃。意見還從其他可操作層面提出促進產業化的具體措施。

從2015年至今，從國家有關部門頒發的生物天然氣相關的規劃、工作方案、指導意見等文件來看，國家在環境治理、能源能轉型這個歷史條件下，將生物天然氣產業提升至戰略發展層面去引導，從宏觀大局上完成頂層設計。支持政策力度是空前的，主要包括行業標準、原料收集、技術方案、項目用地、產品稅收、產品銷售、工程建設補貼政策等方面。并且首次將“生物天然氣”這個特殊名詞引入到國家文件中，在《生物質能“十三五”發展規劃》[15和《全國農村沼氣發展“十三五”規劃》[17]中列出明確的發展目標。

在2018年11月，我國舉辦了“生物質能源系列國際交流活動”，這也是我國首次舉辦的生物天然氣國際會議，并啟動了衡水“國際生物天然氣城”創建活動。經過4年多時間的實踐，行業內出現一批具有代表性的項目，產業發展已過萌芽期，即將進入成長和壯大階段。

2 裝備和技術呈現新的發展態勢

2.1 技術革新和設備專業化程度得到提升

厭氧發酵又稱厭氧消化，是一種自然界中存在的古老現象，是大自然有機物循環不可缺少的關鍵環節[18]。人類認識了厭氧消化的自然現象后，經人為控制和改造發酵條件，形成了現代高效厭氧發酵技術，應用于工農業生產中已有一百多年歷史。厭氧發酵技術是指在缺氧條件下，在一定的溫度、pH值等環境下，利用微生物厭氧菌(特別是產CH4菌)和各種有機物，經過厭氧菌的新陳代謝，將有機物轉化為氣體和其他低分子物質的過程[18]。厭氧發酵是決定產氣能力的關鍵環節，是一個復雜的生化反應，過程制約因素就達到10余項，任何一個因素的失調，將導致“死罐”。

我國經過近幾年大規模生物天然氣工程實踐，針對南北不同地區和不同原料的項目，對應的厭氧發酵技術都有很大程度上優化。業內最成熟的CSTR工藝技術，在最優的發酵環境下，容積產氣率可達1.5，甚至更高，高于前幾年前的1.0～1.1，在各項投入均不變的情況下，產氣率的直接提升，可從根本上提高項目的盈利能力；秸稈混合原料的發酵工藝也有了明顯的進步，在多維攪拌和沼液回流的互相配合調解下，有效地解決了秸稈進料、酸中毒[19]、結殼上浮、傳熱傳質效果差、產氣率低等問題，目前中溫秸稈混合原料發酵產氣率也可達到1.2以上，較過去提升10%以上；發酵濃度從過去的8%逐步提升至12%，有機負荷得到提升；干法高效發酵技術(又稱固體發酵)，其發酵料液總固體(TS)濃度大于20%[20]，也得到了廣泛的關注，國內已有項目運行。

沼氣脫硫技術前期主要有變壓吸附、氧化鐵法等，均有二次污染問題，不易處理。生物脫硫屬于業內一種新技術，通過控制微生物的生長環境，提高生物活性，利用微生物固化硫元素，不僅裝置結構小巧，過程無污染，而且控制過程簡單，脫硫均勻，再配上后端的精脫硫，這一套新技術已經成為沼氣脫硫的常用配置，杜絕了二次污染，提升了脫硫單元環保性和高效性，節約了設備投資和運營成本。目前生物脫硫技術已應用到多個實際大型工程中，表現出良好的經濟型和穩定性。

沼氣脫碳主要采取高壓水洗技術，屬于物理吸收過程，受制于壓力限制，二氧化碳在水中的溶解度也有限，對設備要求高，占地面積大，操作復雜，能耗高。現已發展成橇裝的膜過濾脫碳裝置，一鍵啟動，節省了能耗和占地，且三級膜可以達到99.9%脫碳率。目前該項技術在國內已實現國產化，但核心元件—過濾膜仍需要進口。脫碳單元裝置向橇裝化、集約化、智能化發展，提升了沼氣凈化提純裝備的專業化水平。

依靠現代的互聯網、數字化和人工智能技術，智慧生物天然氣站場概念已經提出。數據的監測、傳輸、計算、對比和決策反饋完全實現了自動化。除去日常的現場巡檢、維修和車輛加注以外，站場內無需再配置人工，做到無人值守。依靠全廠的智能化控制平臺，可以實現系統自行運轉，主動預防、故障診斷和修復。中控室和移動終端是整個廠區的指揮中心，集調度車輛、安全應急、過程參數監控、自鎖控制、預先報警和指令發布于一體，控制著整個廠區的運行。一個日產生物天然氣6萬立方米的生物天然氣提純加注工廠，僅需15人(含行政和財務人員)可實現7×24 h連續運轉，達到人力資源高效利用。

2.2 發酵罐呈規模化，集群化發展

2015年以前，國內大型沼氣工程主要以500 m3罐容為主，少數項目采用1000 m3罐，個別項目采用3000 m3的發酵罐。到2018年底，業內出現8000 m3或10000 m3的厭氧發酵罐體，采用地上或半地下結構，實現了模塊化設計和安裝，提高了施工效率；罐內多維協同連續攪拌，保證發酵原料與菌種的充分接觸，利于傳質和傳熱，通過特殊設計的槳葉，形成穩定的擾動路徑，避免物料短路過早流出降低產氣率；在罐壁和罐底使用了新型泡沫磚保溫材料，優化保溫設計減少熱損，保證罐內溫度場均勻，系統溫差低于2℃，給生物菌種創造穩定的生活和繁殖環境；除發酵罐單體容積增加外，還出現了罐群(組)，以8～10個罐為1組，實現聯合進料、控溫和產氣，減少發酵罐等設施檢修和生物菌產氣不均帶來的總產氣量波動，提升了對外供氣的穩定性，同時降低了生產和管理的投入。

2.3 發展模式靈活多樣

因生物天然氣行業涉及到環保、農業、生態、化工、能源等多領域，由此決定了整個產業鏈跨界性明顯。商業模式的引入就是為了避免各種潛在風險，合眾互補，將利益最大化。研究業內一些企業，沒有兩個完全相同的模式，各有千秋(見圖1)。有的通過合同管理獲取各種資源，進行全產業鏈投資，產品產出包括氣、碳和肥；有的外購原料沼氣，自己投資提純設備加工生物天然氣，對外批發或臨售生物天然氣；有的企業與大型農場和養殖場合資建設項目，進行全產業鏈投資；有的是采用PPP模式，對一定區域內資源進行全盤收集和處理，產出的氣和肥料就地消化。

圖1 4種主要的發展模式

中國地大物博，各地資源稟賦差異大，終端產品消耗能力也參差不齊，沒有一種固定的模式可以毫無修改地復制推廣。只能根據當地的資源供給特點、政府支持力度和產品終端消納能力，精心選址、測算資源、優化項目規模。以因地制宜、揚長避短、優勢互補的方式去尋找合作或者投資方，避免全盤照搬，造成項目“水土不服”。

3 補貼機制改革勢在必行

國家為扶持一個新興行業的發展，實行補貼政策也是國際上慣例。我國較早時期實行的沼氣工程補貼主要側重于農村小沼氣建設，一次性補貼到位。因生物天然氣產業面臨原料成本高、生物天然氣入市難和沼肥未被普遍接受等3個制約因素，而原料成本高，過程不易控制，處于這3個制約因素之首，嚴重阻礙了生物天然氣的發展[21]，所以國家出臺了現行的建設補貼、稅收獎勵等利好政策，從補貼側尋找合適的方案，促進我國生物天然氣良好發展。主要內容：規模化生物天然氣工程(即日產氣量大于1萬m3)試點項目，每立方米生物天然氣生產能力安排中央投資補助2500元，中央最高補貼為4000萬元，此外還有原材料補貼和沼液沼渣補貼。

在國家發布《2015年農村沼氣工程轉型升級工作方案》和《關于申報2016年規模化大型沼氣工程中央預算內投資計劃的通知》兩個文件之后，全國申報的項目如雨后春筍，一些企業趨之若鶩，項目規模日趨增大、投資額也逐步攀高，如此以來，行業隊伍魚龍混雜。從我國其他行業補貼機制實施歷程來看，不乏一些以套取國家補貼為目的的投資人，建項目是假，拿補貼是真。因此，需要改革現有補貼機制，將一些心術不正的企業拒之門外，把補貼資金應用到真正需要扶持的企業中去。可以參考風能、太陽能和生物質發電補貼政策，將現有前端工程建設補貼變為產品產出終端補貼，采用第三方監管、核算和現場核算方式，對各企業提供的數據進行確認，包括原料特性，主要生產工藝和天然氣產出量，最終出具報告提交國家相關管理部門，按照規定享受每方氣的固定補貼。這樣就避免了“虛補”和“補空”現象，真正將國家補貼資金用于實處，實現精準扶持，促進企業努力提升自身生產技術和管理水平，促進行業的整體水平提升。改革行業補貼的關鍵環節：第一，建設一個具有公信力的信息化平臺，實現全國數據接入和權威信息輸出。第二，健全對這個信息平臺的監督管理機制，確保數據準確、公平和可信。第三，業內部分生產企業按照輪席方式，參與平臺運行的見證。

現行補貼機制改革后，變短期建設支持為企業長效生產運營激勵，利于企業在前期決策時能做出更為準確的計算出投資收益，提高企業投資愿望，更好地促進生物天然氣產業的健康發展。未來改革的具體細節還涉及到方方面面，比如監管平臺建設、第三方確認、每方氣補貼數額、與生物天然氣配額制的協調、補貼資金發放形式和補貼后的審計等內容尚需進一步研究。

4 建議

一項時代呼喚的新產業是極具生命力的，生物天然氣產業目前就具有政策支持頻率和力度高，新技術和新裝備更新頻率快，業內交流、研討活躍和資本進入意向強烈等特點。相關科研單位和技術公司積極從機理、能耗、環保等方面進一步深入研究，以厭氧發酵為核心，提高生化轉化效率；各投資主體趁著行業發展的東風，開始選址上項目，行業內已出現一批龍頭企業和代表國內最先進水平的生產項目，逐步帶動整體產業轉型，行業進入快速發展期。

(1)我國生物天然氣行業屬于國家鼓勵的新興產業，具有鮮明的生態、環保和能源特性。盡管目前與國外的發展水平相比具有相當的距離，但該產業符合綠色、低碳、環保和可循環發展的時代需求，未來會具有巨大的機遇和市場空間，屬于朝陽產業。

(2)在項目決策過程中需依據資源稟賦、周邊能源供給和經濟發展水平等進行項目選址，適度規模開發；以獲得供應穩定、價格適宜和發展多原料為核心；以尋找履約能力強的合作企業為首要任務；以生物天然氣進入當地管網、有機肥就地施用、開展終端零售和批發、直供工業企業用氣為目標。

(3)生物天然氣涉及到環保、農業、生態、化工、能源等多領域，產業鏈長，若將產品僅限于天然氣銷售，項目盈利能力不強，勢必要深挖有機肥和碳交易兩項業務市場，將大大提升項目的經濟性。

(4)隨著天然氣在我國能源消費比重的持續提高，充分考慮項目的分布式特點，區域或者整縣全局規劃和推進，多參與區域性供氣、供暖項目，借助生物天然氣項目的自身特點，可與地方上其他分布式能源項目進行耦合對接，氣源補充，加快資源屬地化利用。

(5)應加快生物天然氣的國家標準及入管網標準的制定，納入地區燃氣發展規劃，消除燃氣經營權和其他不平等條件對生物天然氣的掣肘。參考綠色電力配額制，推行生物天然氣配額制。在“質”和“需”雙方面加以保證，給企業發展留出空間。

(6)國家層面的政策日趨完善，且在稅收、補貼、建設用地等方面都具有非常明確的正向引導。地方政府按照國家上層政策保證各項政策的實施落地，讓投資主體享受應有的利好；投資企業應利用好國家、省級和地方上三級的政策，這對項目的發展具有積極意義。行業處于初步發展階段，各入圍企業本一家，抱團取暖，做好宣傳，形成行業合力，促進行業健康快速發展。