在發(fā)達(dá)國(guó)家(特別是在歐盟國(guó)家)，以及某些發(fā)展中國(guó)家(如印度)，沼氣利用的態(tài)勢(shì)正在發(fā)生重大的轉(zhuǎn)折，開(kāi)始登上一個(gè)全新的臺(tái)階。即不但已實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化——規(guī)模化地生產(chǎn)沼氣，進(jìn)而凈化提純，使之達(dá)到天然氣的標(biāo)準(zhǔn)成為“生物天然氣”(Bio-NG)，輸入天然氣管網(wǎng)或以CNG形式供車用。而且利用的主要目標(biāo)已經(jīng)從以往的“環(huán)保——能源型”，轉(zhuǎn)變?yōu)榻?jīng)濟(jì)地替代天然氣以及替代煤(天然氣)直接發(fā)電和供熱(CHP)。其背后的推動(dòng)力，首先是相應(yīng)國(guó)家的政府希望擴(kuò)大清潔能源，包括由可再生能源生產(chǎn)的所謂“綠色電能”的使用；減少對(duì)天然氣進(jìn)口的依賴；充分利用生物天然氣的溫室氣體減排效應(yīng)；再其次才是環(huán)保方面的需求，即妥善處理畜禽類糞便、城市垃圾(分撿有機(jī)物)以及城市污水處理產(chǎn)生的大量好氧污泥。
一、歐盟產(chǎn)業(yè)沼氣規(guī)模迅速發(fā)展的光明前景
當(dāng)前在歐盟國(guó)家中，法國(guó)、瑞典和奧地利等國(guó)的產(chǎn)業(yè)沼氣發(fā)展最為迅速。德國(guó)的大型沼氣工程數(shù)已由2000年的850個(gè)，增加到2009年的4780個(gè)，發(fā)電產(chǎn)能1600兆瓦(據(jù)德國(guó)沼氣協(xié)會(huì)提供的數(shù)據(jù)，到2020年，沼氣發(fā)電產(chǎn)能將達(dá)9500兆瓦)；瑞典的產(chǎn)業(yè)沼氣主要用于純化后替代天然氣作車用燃料，全國(guó)已有一百多個(gè)加氣站和4萬(wàn)輛應(yīng)用生物天然氣的汽車。在瑞士首都伯爾尼，已有1.5萬(wàn)輛應(yīng)用生物天然氣，其中大部分為大型公交車。2006年瑞典車用天然氣量(2500萬(wàn)m3)已超過(guò)天然氣(2000萬(wàn)m3)。僅2005-2006年間，歐盟25國(guó)的沼氣能源作一次能源的消費(fèi)量即增長(zhǎng)了15.6%。據(jù)歐盟能源專家的估測(cè)，按最樂(lè)觀的預(yù)測(cè)，至到2020年，生物沼氣將可以替代其天然氣的全部進(jìn)口量，即每年從俄羅斯進(jìn)口的約5000億立方米。從長(zhǎng)遠(yuǎn)看，產(chǎn)業(yè)沼氣的潛力更為可觀。據(jù)奧地利自然資源和應(yīng)用生命科學(xué)大學(xué)的T.Amon教授等的研究，歐盟25國(guó)現(xiàn)有農(nóng)作物耕地9300萬(wàn)公頃。按照兼顧食物、飼料和生物能源生產(chǎn)的需要布置可持續(xù)的輪作體系，能源作物占總面積的20%。其產(chǎn)甲烷率取中值(6500Nm3/公頃.年)，可年產(chǎn)甲烷1209億Nm3，相當(dāng)于替代1.04億噸石油當(dāng)量。
歐盟最新的設(shè)想是沿歐洲天然氣管網(wǎng)周邊建立若干條“沼氣走廊”(Biogas corridors)，在其中建設(shè)沼氣產(chǎn)業(yè)組合和沼氣能源農(nóng)場(chǎng)，種植就地利用的專用能源作物。所產(chǎn)沼氣直接就近與天然氣管道并網(wǎng)。
二、印度等在急起直追
印度僅牛糞每年有9.8億噸。其沼氣產(chǎn)出潛力 638億m3，折合能量1.3×1012MJ。而2002年全國(guó)消費(fèi)的天然氣是227億m3，以及730萬(wàn)噸液化石油氣，折能1.08×1012MJ。也就是說(shuō)，僅牛糞原料一項(xiàng)，如全部利用制沼氣，即可替代天然氣和液化石油氣的總量。這還不包括工業(yè)/生活有機(jī)污水及城市垃圾所具有的沼氣資源潛力。
作為一個(gè)發(fā)展中國(guó)家大國(guó)的印度，盡管其農(nóng)戶沼氣池的數(shù)量(240萬(wàn)戶)遠(yuǎn)遠(yuǎn)少于中國(guó)，但規(guī)?；託夤こ虜?shù)量卻已達(dá)到3380處；而且已開(kāi)始沼氣產(chǎn)業(yè)化的大規(guī)模行動(dòng)。2007年底，歐洲最大的發(fā)展銀行(DGE)投資1500萬(wàn)歐元，由德國(guó)Biogas NORD沼氣公司技術(shù)承包，在馬哈施特拉邦的三家甘蔗糖廠，利用甘蔗酒精的廢渣/液作沼氣發(fā)酵的原料，分別建立三個(gè)大型沼氣工程，并對(duì)沼氣加以純化后裝罐，運(yùn)至孟買等大城市，替代天然氣發(fā)動(dòng)大轎車(附注：印度目前可能是全世界用天然氣驅(qū)動(dòng)城市公共汽車規(guī)模最大的國(guó)家，但天然氣主要依靠進(jìn)口)。印度國(guó)家技術(shù)研究院(IIT)的專家預(yù)言，生物沼氣(bio-CNG)將成為該國(guó)未來(lái)最便宜的車用燃料，目前核算出的壓縮純化沼氣成本，每公斤僅為0.55-0.61美元，以等能量折算，比柴油價(jià)格便宜50%。巴基斯坦盡管農(nóng)戶沼氣池只有24萬(wàn)戶，但也開(kāi)始了沼氣規(guī)?；a(chǎn)和提純用于運(yùn)輸車的試驗(yàn)示范。
三、相應(yīng)于這種轉(zhuǎn)折的需求，相應(yīng)的技術(shù)變革應(yīng)運(yùn)而生
大型沼氣工程和組合(Complex)
開(kāi)發(fā)出密封性優(yōu)良、內(nèi)壁敷設(shè)加熱管的鋼質(zhì)厭氧反應(yīng)罐，取代了傳統(tǒng)的鋼筋混凝土厭氧反應(yīng)罐；反應(yīng)罐內(nèi)設(shè)有連續(xù)攪拌裝置，適用于產(chǎn)氣率大幅提高的新工藝CSTR(連續(xù)攪拌罐式反應(yīng))；由于沼氣批量地用于就地發(fā)電或純化，出現(xiàn)了厭氧反應(yīng)罐和小規(guī)模貯氣囊一體化的池型，取消了造價(jià)高昂的傳統(tǒng)大型儲(chǔ)氣罐；“沼氣產(chǎn)業(yè)組合”(Biogas Complex)的概念系由德國(guó)Nawaro BioEnergie AG公司開(kāi)發(fā)?；谶@樣的概念，該公司在鄰近德波邊界的小城彭肯(梅可倫堡-西波馬倫尼亞州)建起了世界首個(gè)“生物能源園區(qū)”(BioEnergy Park)，并在2007年建成了由40個(gè)大型沼氣反應(yīng)罐及連帶的若干后處理罐、沼渣/液貯存罐，熱電連產(chǎn)設(shè)備和優(yōu)質(zhì)有機(jī)肥廠組成的“沼氣產(chǎn)業(yè)組合”。占地20公頃，發(fā)電能力20MW，是目前全球規(guī)模最大的沼氣工程聯(lián)合體。
沼氣原料的創(chuàng)新
傳統(tǒng)的制取沼氣原料——畜禽糞便以及好氧污泥已經(jīng)不夠用，為此開(kāi)發(fā)了專用能源作物部分摻混以及單獨(dú)使用作原料的新工藝。
專用能源作物的開(kāi)發(fā)
已不再使用泛義的Energy crops(能源作物)一詞，而改用指專門培育的、經(jīng)過(guò)全株青貯后應(yīng)用于沼氣發(fā)酵的Dedicated crops(專用能源作物)。主要有玉米、甜菜，多年生或一年生牧草：蘇丹草、芒草、黑麥草等。并發(fā)展了與糧油作物和飼料作物輪作的種植制度。
沼氣提純技術(shù)
沼氣的甲烷含量為50%-65%，其他有C02，H2S，水氣，H2，O2等，不能液化和高容積比地壓縮，也就無(wú)法經(jīng)濟(jì)地運(yùn)輸和儲(chǔ)存。因此以往沼氣只能限于就地利用?；蛑苯舆M(jìn)鍋爐替代一部分煤，或使用專用的燃?xì)獍l(fā)電機(jī)發(fā)電。但這兩種方式無(wú)論能效還是經(jīng)濟(jì)效益都很差。而作為沼氣產(chǎn)業(yè)化和商業(yè)化應(yīng)用的關(guān)鍵環(huán)節(jié)——凈化和提純，其目的是使沼氣中的甲烷含量增至97%左右，并且不再含有H2S等雜氣、水氣和CO2含量很低，完全達(dá)到天然氣的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。既可直接進(jìn)入天然氣管網(wǎng)(“并網(wǎng)”)，也可便于壓縮壓罐，方便運(yùn)輸，達(dá)到與天然氣一樣的熱值和燃燒品質(zhì)而替代之。新西蘭和德國(guó)的幾家企業(yè)在這方面已有十余年的制造、安裝和全程服務(wù)的經(jīng)驗(yàn)，在歐盟國(guó)家及日本、韓國(guó)已建起了幾十個(gè)處理能力為每小時(shí)1000m3-10000m3的沼氣純化工程。
建造沼氣工程及技術(shù)服務(wù)高度社會(huì)化
在德國(guó)、瑞典等國(guó)出現(xiàn)了一批專業(yè)承建大型沼氣工程組合“交鑰匙工程”性的國(guó)際集團(tuán)公司，聯(lián)合了配套的專業(yè)公司，如沼氣提純?cè)O(shè)備企業(yè)、沼氣發(fā)電機(jī)組企業(yè)等，從事相應(yīng)的技術(shù)咨詢、工程設(shè)計(jì)、建造承包直至銷售后維修、保養(yǎng)的系統(tǒng)月日務(wù)。
四、沼氣產(chǎn)業(yè)的巨大減排潛力
交通運(yùn)輸是僅次于燃煤發(fā)電和土地利用變化的第三大溫室氣體的排放源。就全球而言，占溫室氣體年總排放量的13.5%(其中的C02，23%來(lái)自交通運(yùn)輸業(yè))。據(jù)瑞典哥德堡市(該市已擁有提純沼氣加氣站11處)交通運(yùn)輸局2000年的資料，以公共汽車每行駛1公里排出的溫室氣體(包括NOx和CO2)當(dāng)量計(jì)，柴油為10539+(9.739×250)=3486g，天然氣為5249+(1.19×250)=799g，而純化沼氣為2239+(5.449×250)=1583g。換句話說(shuō)，用純化后沼氣驅(qū)動(dòng)的公共汽車可比用柴油減少55%的溫室氣體排放量。另?yè)?jù)瑞典隆德大學(xué)Pal Bonesson教授的資料，比較每獲得用于汽車行駛做功的1兆焦能量，需要投入的不同能源所釋放CO2當(dāng)量(g)，汽油和柴油分別為80g和75g，生物柴油和生物乙醇分別為30g和23g；如果用畜禽糞尿產(chǎn)生的沼氣(純化)，考慮到生物質(zhì)全生命周期的碳通量，以及畜禽糞便如不及時(shí)處理會(huì)釋放的CH4(溫室氣體當(dāng)量為CO2的21倍)，則其CO2當(dāng)量排放量為-62g(負(fù)值)。因此，如果有足夠的廄糞原料制沼氣，提純后用于替代一部分柴油，純化沼氣只要占到全部交通運(yùn)輸燃料55%的份額，交通運(yùn)輸?shù)腃O2(當(dāng)量)總排放量就可以減為零。
五、我們應(yīng)有的行動(dòng)
近年來(lái)我國(guó)沼氣事業(yè)發(fā)展很快，農(nóng)戶沼氣池?cái)?shù)已超過(guò)3000萬(wàn)個(gè)。大大領(lǐng)先于包括印度在內(nèi)的任何國(guó)家，對(duì)緩解相當(dāng)一部分農(nóng)戶的生活能源供應(yīng)起到了很大的作用。還兼收水土保持、農(nóng)村衛(wèi)生之利等。然而，相比之下，大中型沼氣工程的發(fā)展卻步履蹣跚。雖然近十幾年來(lái)累計(jì)興建了2.66萬(wàn)個(gè)主要是與畜禽場(chǎng)配套的沼氣工程，但由于設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)、工藝和成本等存在很大問(wèn)題，絕大部分工程運(yùn)行不良，報(bào)廢率很高，能保持正常運(yùn)轉(zhuǎn)的配套沼氣工程估計(jì)不到1000個(gè)。始終未擺脫只有環(huán)保效益沒(méi)有經(jīng)濟(jì)效益的窘境，總體上一直停留在“示范”階段。與此同時(shí)，規(guī)模化畜禽場(chǎng)的數(shù)量卻不斷增加。2007年年，全國(guó)年出欄千頭以上商品豬的規(guī)?；i場(chǎng)達(dá)40910個(gè)，年存欄5萬(wàn)只以上的規(guī)?；半u場(chǎng)達(dá)1006個(gè)，年存欄200頭以上的規(guī)模化奶牛場(chǎng)達(dá)到3443個(gè)，年出欄500頭以上商品牛的規(guī)?；馀?chǎng)達(dá)19315個(gè)，總計(jì)近6.5萬(wàn)個(gè)。至于中型養(yǎng)殖場(chǎng)和養(yǎng)殖小區(qū)的數(shù)量更超過(guò)百萬(wàn)個(gè)。
據(jù)估算，我國(guó)沼氣的四大傳統(tǒng)資源——畜禽糞便，生活/工業(yè)有機(jī)廢液，城市垃圾(有機(jī)物部分)及城市污水好氧污泥的產(chǎn)沼氣理論潛力為1500億m3沼氣，折合860億m3甲烷，可替代近900億m3的天然氣，比2008年我國(guó)天然氣的實(shí)際消費(fèi)量還多出近200億m3。如果再計(jì)入農(nóng)作物秸稈和用一部分邊際土地種植專用能源作物，則沼氣潛力將超出2500億m3沼氣，折合約1600億m3天然氣。即便只開(kāi)發(fā)15%，就是240億m3天然氣，足以彌補(bǔ)有關(guān)部們預(yù)測(cè)的到2020年我國(guó)天然氣的供應(yīng)缺口。近年來(lái)，包括中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)生物質(zhì)工程中心與有關(guān)企業(yè)(如杭州能源環(huán)保工程公司和廣西必佳微生物工程公司)，聯(lián)合或單獨(dú)開(kāi)發(fā)建成的幾個(gè)大型沼氣工程，都已做到利用酒精廢滾或雞糞，達(dá)到日產(chǎn)沼氣超過(guò)1萬(wàn)m3沼氣的產(chǎn)能規(guī)模。以生物天然氣為車用燃料的試點(diǎn)正在河南、廣西、北京、山東和海南建設(shè)之中。
我國(guó)石油供應(yīng)緊缺，進(jìn)口依存度E超過(guò)50%；而有約34%的石油用于交通運(yùn)輸。車輛總數(shù)正在以每年近1500萬(wàn)輛的速度增加。在車用燃料中，柴油和汽油的消費(fèi)量之比又高達(dá)2.5：1(2007年)。與此同時(shí)，我國(guó)的天然氣資源也相當(dāng)緊缺，需要從中亞和大洋洲等地大量進(jìn)口。再就是我們已經(jīng)向世界莊嚴(yán)承諾了溫室氣體的減排率。既要較快地發(fā)展經(jīng)濟(jì)，又要減少溫室氣體的排放，壓力很大。至于沼氣的原料，除了城市污水和垃圾外，基本都在農(nóng)村和農(nóng)業(yè)部門，因此，無(wú)論從替代化石能源，還是減排溫室氣體，以及有利于農(nóng)村發(fā)展和農(nóng)民增收的角度看，都需要決策層盡快作出決斷。借鑒國(guó)外成功經(jīng)驗(yàn)，迅速開(kāi)發(fā)我們的產(chǎn)業(yè)沼氣，使之為經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展作出重要的貢獻(xiàn)。
(本文作者：程序 中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)生物質(zhì)工程中心)
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