生物質沼氣工程發展現狀分析

袁艷文 劉昭 趙立欣

摘要：我國生物質沼氣產業快速發展，但還存在產業技術研究不成體系、缺乏配套的工藝與裝備、模式總結與推廣力度不夠、標準體系構建不完善等不足之處。針對國內外沼氣工程產業和政策發展現狀，闡述戶用沼氣、聯戶集中供氣、規模化沼氣工程等生物質沼氣產業規模，分析了在居民生活用氣、熱電聯產、凈化提純制取生物天然氣等主要應用領域的趨勢，研究了種養結合畜沼果（菜、茶）、沼氣集中供氣、氣熱電肥聯產、生物天然氣等多種商業模式，梳理了國內外沼氣發電、生物天然氣、政府投資等的補貼政策及實施效果，并針對核心部分厭氧發酵技術和沼氣提純技術對比了不同工藝的關鍵指標和優缺點，提出加強技術支撐與保障、探索多種應用模式、加快建立標準體系等建議，為我國生物質沼氣工程產業化發展提供理論依據。

關鍵詞：生物質沼氣;產業規模;應用領域;商業模式;補貼政策;主流技術

近年來，隨著經濟的快速發展、人們生活方式的轉變，一方面農業生產生活廢棄物對周邊環境造成嚴重影響，另一方面“能源危機”日益嚴峻，這同時也成為制約現代經濟社會可持續發展的瓶頸問題之一。在環境保護和能源短缺的雙重壓力下，生物質能源在能源結構中的地位越來越顯著。生物質沼氣工程主要以畜禽糞便、農作物秸稈、餐廚垃圾、農副產品加工廢水等各類城鄉有機廢棄物為原料，產生的沼氣或生物天然氣可廣泛應用于炊事、取暖、發電和車用燃料等多個領域，不僅能夠提供清潔的生物質能源，減少大氣污染;還能夠保護農村生產生活環境，促進生態文明建設。

1 生物質沼氣產業

1.1 產業規模

歐洲沼氣工程技術發展成熟，代表了世界的先進水平和模式，尤其是德國、瑞典、丹麥等國家是當前世界上沼氣工程技術最為成熟和政策配套比較完善的地區。據統計，截至2016年，德國已建成沼氣工程9 004處，總裝機容量達到4 018 MW[1]。在德國可再生能源中，沼氣和生物甲烷在可再生能源中的占比高達16.84%。德國有80萬hm2的土地用于種植生產沼氣的能源作物，占總耕地面積的68%。此外，德國計劃到2020年建成沼氣工程12萬個，發電裝機總量達4 800 MW，沼氣發電占全國發電總量的7.5%，提純沼氣占到天然氣總用量的20%;到2050年，農民收入的1/4來自于沼氣工程[2-3]。瑞典是世界上率先開發車用生物燃氣的國家，生物燃氣廣泛地用于交通燃氣。根據國際能源署2013年4月的統計數據，瑞典有195個生物天然氣加氣站，車用燃料的使用占總生物燃氣利用的60%，沼氣燃料的生產和使用在瑞典一直穩步增長。

美國作為全球最大的能源消費國之一，沼氣工程規模居歐美前列，但總體發展速度較為緩慢。根據美國環境保護署（USEPA）2010 年的數據，美國約有7萬個奶牛養殖場，10萬個養豬場，其中建有沼氣工程的養殖場約有140 個，每個養殖場的平均養殖量為1.7萬頭（奶牛）。美國沼氣工程的主要原料是城市生活垃圾和廢水，截至2010年，美國有420 多個運行的垃圾填埋氣體回收廠，3 500多個配有厭氧消化裝置處理污泥的城市廢水處理廠。

日本國土面積小、環境壓力大，沼氣工程占地面積大是其發展緩慢的主要原因之一。日本的厭氧消化技術始于1932年，最初用于處理污水處理廠的污泥。到2010年，日本約有300多個沼氣工程投入運行，主要采用膨脹顆粒污泥床（EGSB）和上流式厭氧污泥床（UASB）工藝，用于處理啤酒廠、飲料廠、酒廠、食品廠和化工廠等廢水;有70多個處理畜禽糞便的沼氣工程投入運行，有50個用于處理食品廢棄物和城市生活垃圾的沼氣工程[4]。

近年來，我國生物質沼氣產業迅速發展，目前已形成了戶用沼氣、聯戶集中供氣、規模化沼氣工程共同發展的格局。沼氣利用方式主要包括農村生活供氣、熱電聯產、凈化提純生產生物天然氣等多種利用方式。截至2016年底，全國沼氣用戶已達到4 380萬戶，全國規模化沼氣工程已發展到 11.34萬處。在規模化沼氣工程中，日產氣量超過 5 000 m3 的特大型沼氣工程51處，大型沼氣工程0.72萬處，中型沼氣工程1.07萬處，小型沼氣工程9.52萬處。由此可見，我國沼氣工程主要以小型項目為主，且多以農村戶用或小規模集中供氣等非贏利模式運行。大中型沼氣工程在沼氣工程中所占比例較小，其中單項池容在1 000 m3以上的畜禽養殖場沼氣工程僅占全國規模化沼氣工程總量的5%左右。工業有機廢棄物沼氣工程單項規模相對較大，一般池容都在2 000 m3以上，但該類項目數量較小，僅占全國規模化沼氣工程總量的10%左右。規模化沼氣工程分類標準見表1[5]。

1.2 主要應用領域

國外規模化沼氣工程產生的沼氣主要用于熱電聯產、凈化提純制備生物天然氣。德國約有97%的沼氣工程為熱電聯產工程，根據德國生物燃氣協會預測，到2020年，沼氣發電總裝機容量將達到 9 500 MW，且重點為裝機容量150 kW以下的小型工程;從2011年起，德國的沼氣利用方式開始向制備生物天然氣轉變，主要用于制備管道天然氣和車用壓縮天然氣[6-7]。瑞典提出的目標是：到2020年生物燃氣代替50%的天然氣，到2050年生物燃氣完全替代天然氣。丹麥政府提出，到2020年10%的天然氣來自于生物質燃氣，到2050年天然氣的用量將會是目前的50%，而且全部為生物質燃氣等可再生燃氣。

目前，我國沼氣主要用于居民生活用氣，農村居民生活用氣占沼氣利用量的一半以上，沼氣發電也是主要的利用方式之一，只有少量沼氣用于提純作為城市燃氣和車用燃氣。（1）集中供氣。為解決農村用能問題，我國的大部分沼氣工程產生的沼氣經脫水脫硫后，由鋪設好的輸氣管網輸送至農戶家中，供農戶炊事取暖之用。此外，也有部分工業沼氣項目提純后作為城市燃氣供居民使用。（2）沼氣發電。我國沼氣發電至今已有30多年的歷史，但發展一直較為緩慢，比例仍然較低，主要原因在于沼氣發電技術和裝備研究、應用市場都還不夠完善，發電效率偏低，經濟性較差。（3）提純作為車用燃料。沼氣經凈化提純后可作為車用天然氣，該技術在歐洲應用較多，在我國則剛剛起步。

1.3 商業模式

歐美國家沼氣產業已經形成多種成熟的商業模式，主要包括以德國、英國、丹麥和美國為主的熱電聯產模式（CHP）、瑞典和瑞士等國的車用燃氣模式以及管道天然氣模式等[8]。我國規模化沼氣工程起步較晚，但近年來發展迅速。

1.3.1 種養結合畜沼果（菜、茶）模式 以沼氣工程為紐帶，將畜禽養殖和果、菜、茶等高效經濟作物種植相結合，畜禽養殖糞污等原料經過厭氧發酵生產沼氣和沼肥，沼肥為果園、菜園和茶園等提供有機肥料[9]。

1.3.2 沼氣集中供氣模式 該模式以秸稈或畜禽糞便等農村生產和生活廢棄物為原料，建設沼氣工程生產沼氣，以整村為單位，通過管道集中供氣，也可經過提純壓縮后制成高純度燃氣，用高壓槽車分別送至生物燃氣站，再通過管網輸送至用戶家中。

1.3.3 氣熱電肥聯產模式 生物質原料經沼氣工程厭氧發酵后產生沼氣、沼液和沼渣，沼氣可用作發電，發電產生的余熱通過熱水鍋爐加以利用，沼液、沼渣可作為肥料用于農業生產[10]。

1.3.4 生物天然氣模式 生物質原料經過沼氣工程生產沼氣，沼氣經凈化提純后可直接并入城鎮天然氣管網或作為車用燃氣。

2 生物質沼氣主要政策及實施效果

2.1 國外沼氣政策及實施效果

歐盟國家沼氣產業的迅速發展離不開法律和政策的大力支持，主要分為終端產品補貼和建設補貼2種[11]。終端產品補貼包括上網電價補貼、生物天然氣補貼等。

2.1.1 上網電價補貼 德國、瑞典、英國、法國等歐洲國家都實行“固定電價”，德國是歐盟中通過上網電價優惠實行財政補貼沼氣力度最大的國家[12]。其余各國上網電價補貼大同小異，基本都是根據發電裝機容量從小到大分類遞減上網收購電價。

2.1.2 生物天然氣補貼 沼氣提純后一方面可作為車用燃氣，另一方面可并入燃氣管網。歐盟國家使用生物天然氣免征能源消費稅、H2S 排放稅和CO2排放稅等[13]。瑞典是利用沼氣提純作車用燃氣最普遍的國家，車用燃氣發展的政策主要包括車輛稅免征政策、超級環保汽車補貼政策、車輛受益稅減免政策等[14]。在生物天然氣并入燃氣管網方面，荷蘭成功利用沼氣凈化純化后生物天然氣并入城市天然氣管道，作為天然氣替代能源，荷蘭自2011年起實行可再生能源激勵計劃（SDE+），該計劃既支持沼氣發電，也支持沼氣提純生產生物甲烷，生產決定采用哪種末端產品，2017年該計劃預算達到60億歐元。歐盟國家高度重視沼氣工程基礎設施的建設，2012年開始執行的意大利法案規定對于裝機小于1 MW 的農場沼氣工程，最高給予總投資40%的資助。瑞典在2013—2017年對沼氣新技術的市場營銷資助額度是投資總額的40%。丹麥為鼓勵沼氣發電工程建設，根據2012年能源協議，沼氣發電工程建設補助由原來的20%提高至39%[15]。

美國在20世紀70年代末遭遇石油危機后，大力發展可再生能源，1970年聯邦政府頒布的《清潔空氣法案》，是美國推廣可再生能源的第1個法案，但生物質沼氣工程總體上發展較為緩慢。近年來，隨著全球氣候變暖和能源危機，為處理規模化養殖場的畜禽糞便，減少溫室氣體排放，生物質沼氣工程技術在美國日益受到重視，聯邦政府和各州相繼制定相關財政政策支持沼氣工程的發展，例如，2002年《農場法案》中的可再生能源和能源效率9006條款規定支持沼氣項目，從2003年以來，美國農業部已經為厭氧消化系統總計撥款3 100萬美元。明尼蘇達州農業廳的《產甲烷消化池貸款項目》為建沼氣發電工程的農場主提供無息貸款[16]。

日本是世界上新能源產業起步最早的國家之一，石油危機與能源緊張是推動其新能源發展的主要動力。近年來，日本政府相繼出臺了一系列政策和國家戰略支持生物質產業的發展，2002 年出臺《日本生物質綜合戰略》，首次將生物質利用放入國家戰略中，規定從2004 年開始建設生物質鎮，2005 年出臺《京都議定書成就計劃》，2009 年出臺《促進生物質利用的基本方案》，2012 年出臺《生物質產業化戰略》[17]。

2.2 國內沼氣政策及實施效果

我國政府一直非常重視農村沼氣建設，2004—2007年中央一號文件都對農村沼氣的發展提出明確要求。2003—2005年中央每年安排10億元用于支持農村沼氣建設，2006—2007年支持力度增加到25億元，2008年中央投入高達60億元。“十二五”期間，中央累計安排142 億元用于農村沼氣建設，并不斷優化投資結構。

2.2.1 戶用沼氣 在國家政策的大力支持下，農村沼氣事業快速發展，全國戶用沼氣從2003年的 1 289 萬戶提高到2015年的4 193.3萬戶，受益人口超過2億人。為加強農村沼氣后續服務，全國已建成鄉村服務網點11.07萬處，縣級服務站達到 1 140處，沼氣用戶覆蓋率達到74.3%。同時農村戶用沼氣建設標準不斷完善，形成了包括NY/T 1639—2008《農村沼氣“一池三改”技術規范》、NY/T 2451—2013《戶用沼氣池運行維護規范》等一系列標準規范在內的技術標準體系，有力支撐了我國農村戶用沼氣建設。

2.2.2 大中型沼氣工程 隨著我國規模養殖的迅速發展，畜禽糞便、廢水等污染日趨嚴重，同時農村能源需求不斷增大，大中型沼氣工程迎來了快速發展時期。2007、2008年的中央一號文件分別提出支持大中型沼氣工程建設。中央投資不斷增加，政策大力支持，大大加快了大中型沼氣工程的建設步伐。從2009年起，國家進一步鼓勵大中型沼氣工程發展，并根據發酵裝置容積大小和上限控制相結合的原則確定中央補助數額。截至2016年底，全國規模化沼氣工程已發展到11萬處。一批由社會資本建設的規模超過1萬m3的特大型沼氣工程，開展集中供氣、發電并網及制取生物天然氣，使沼氣利用從低值化向高值化、從公益供給向有償使用轉變。

2.2.3 生物天然氣 為推動沼氣工程轉型升級和促進生物天然氣發展，2015年國家首次提出對規模化生物天然氣試點工程予以投資補助，即生物天然氣生產能力補助2 500元/m3，單個項目的補助額度不超過5 000萬元。此外，繼續給予符合條件的規模化大型沼氣工程投資補助，即對1 m3沼氣生產能力投資補助1 500元。2015—2017年期間共支持生物天然氣示范項目64個。2018年，國家能源局首次將生物天然氣納入能源發展戰略及天然氣產供儲銷體系，并提出將建立優先利用生物天然氣的發展機制。2019年底，《關于促進生物天然氣產業化發展的指導意見》出臺，提出到2025年生物天然氣年產量超過100億m3，到2030年超過 200億m3 的發展目標，這是我國首個促進生物天然氣產業發展的指導文件，生物天然氣進入快速發展時期。

3 生物質沼氣工程主流技術

沼氣工程的核心技術是厭氧發酵技術，此外，隨著生物天然氣的發展，沼氣提純技術也日益受到重視，并不斷取得進步和發展。

3.1 厭氧發酵技術

根據發酵原料的不同分為畜禽糞便、工業有機廢棄物、秸稈和多種混合原料，我國沼氣工程主要以處理畜禽養殖場糞污為主。從2007年起，以秸稈為原料的沼氣技術開始發展，原料主要為玉米秸稈。近年來，以多種畜禽糞便、秸稈、果蔬殘余物等混合物為原料的多元物料混合厭氧發酵技術受到越來越多的研究學者關注，并開展了大量相關研究。

根據厭氧消化工藝的不同分為完全混合式厭氧反應器（CSTR）、升流式固體床（USR）、上流式厭氧污泥床（UASB）、塞流式厭氧反應器（HPFC）、厭氧序批式反應器（ASBR）、厭氧接觸反應器（AC）、厭氧擋板反應器（ABR）、厭氧復合反應器（UBF）、內循環厭氧反應器（IC）、膨脹顆粒污泥床反應器（EGSB）等。其中，應用最廣泛的為CSTR和USR工藝。此外，多原料混合發酵基本采用CSTR工藝。不同厭氧發酵工藝對物料的要求、優缺點對比情況見表2。

按照物料在反應器中的形態進行分類，大致可分為濕式和干式厭氧發酵技術。濕式厭氧發酵是指發酵物料在有流動水狀態下進行的厭氧消化過程，以完全混合式厭氧消化工藝（CSTR）、上流式厭氧污泥床（UASB）等為代表。干式厭氧發酵是指沒有或幾乎沒有流動水狀態下進行的厭氧消化過程，以序批式投料為主的覆膜槽干式（MCT）、車庫（集裝箱）式和紅泥塑料厭氧消化工藝等為代表。

歐洲沼氣工程主要使用工業廢水以及市政污泥、餐廚垃圾、畜禽糞便、能源植物等有機廢物作為原料。厭氧發酵工藝中濕式發酵的主流工藝包括以上流式厭氧污泥床（UASB）為代表的高效厭氧反應器和全混式厭氧反應器（CSTR）。UASB主要利用工業廢水進行沼氣生產，CSTR則利用除廢水外的其他有機廢物。當前，德國的大型厭氧消化裝置多為立式CSTR發酵罐，罐體多為鋼結構，以利浦罐居多。德國的MT-Energie、Biogas Nord AG、Envitec Biogas、BTA international等企業已具有運行CSTR沼氣工廠的成熟經驗，并已將相關業務拓展至國際市場。針對市政垃圾、秸稈等高含固率物料，干式發酵已成為新的沼氣生產發展方向，目前歐洲已有多家企業研發出成熟的生產工藝，能夠穩定運行的工藝有Kompogas、Valoiga、Dranco等。

我國規模化沼氣工程使用的原料主要是畜禽糞便和秸稈。厭氧發酵工藝中濕法發酵以中溫條件下的CSTR工藝為主。CSTR是在常規消化器內安裝了攪拌裝置，使發酵原料和微生物處于完全混合狀態，與常規反應器相比，活性區遍布整個反應器，效率較高。干法發酵中以車庫式發酵居多，車庫式發酵為間歇式干法發酵工藝，該工藝采用車庫式厭氧發酵倉，發酵倉為模塊化結構，地面為混凝土結構，沒有攪拌器和管道，底部采用管道暖氣供熱。該工藝的優點是：對物料要求較低，簡化了物料預處理過程，裝置結構簡單，系統可靠性高，能耗低。

3.2 沼氣提純生物天然氣技術

沼氣經凈化提純后可達到天然氣的標準，生物天然氣可直接并入現有的天然氣管網或經壓縮后用于車用燃氣。目前，沼氣提純技術主要有水洗法、物理或化學吸收法、變壓吸附法（PSA）和膜分離法等，表3為幾種常用的沼氣提純技術性能的對比分析[18]。在這些技術中，加壓水洗法和變壓吸附法由于具有技術成熟、設備穩定、運行成本低等優點，是國內外應用最廣泛的技術;膜分離法目前被廣泛用于工業上的氣體分離，具有操作簡單、低污染、低能耗、易放大等優點，隨著技術水平的不斷提高和成本的進一步下降，在沼氣提純領域具有很大的應用前景。

4 存在問題與建議

4.1 加強技術支撐與保障

盡管我國沼氣工程的相關技術在快速進步，但目前還存在技術研究不夠深入、未成體系、缺乏核心技術、工藝和技術裝備不配套等問題，建議加大研發力度，為我國規模化沼氣工程和生物天然氣工程產業化發展提供技術支撐。

4.2 探索多種應用模式

我國幅員遼闊，不同地區的氣候條件、農業現狀和社會經濟發展水平差異較大，生物質沼氣工程需要在不同區域因地制宜進行技術適應性、工程推廣應用模式的研究與實踐。建議政府部門加大政策和資金支持力度，加強統籌協調和示范引導，探索總結出多種不同類型的技術模式加以推廣應用。

4.3 加快建立標準體系

目前，我國雖然頒布了多項國家和行業沼氣標準，但主要集中在戶用沼氣領域，同時以沼氣生產和使用過程的產品標準為主。在沼氣工程的原料收儲運、技術工藝與裝備、運營規范等方面缺少統一的標準和認證，建議加快建立我國生物質沼氣工程標準體系，促進產業的健康持續快速發展。

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