石油圈? ? 生物燃氣產業發展背景 早在幾年前，科技部就已經從國家戰略高度，部署推進了我國生物燃氣產業的發展。能源安全問題不僅影響經濟發展，而且是國家安全的重要組成部分?！妒澜缒茉础冯s志提出展望，預計到2030年，中國天然氣需求量將從現在不到2000 億立方米達到4000億立方米。除國內生產和進口外，天然氣缺口仍將達到2000億立方米?？萍疾块L萬鋼曾提出如下國家能源戰略設想，即其中1500億立方米的需求量可以通過煤制氣來解決，剩下500億立方米將由生物燃氣彌補。目前，在世界范圍內將生物燃氣和可再生能源發展作為國家重大戰略的國家不只中國一個。2011年，日本福島核事故后，德國便開始加快推動能源轉型戰略，即“2020年徹底關閉其境內的全部核電站，且到2050年前，可再生能源使用比例提高至80%”。瑞典則提出，到2050年前后，生物燃氣將全部取代石化天然氣。無獨有偶，英國政府和工業界則聯合發布了厭氧消化戰略和相應的行動計劃。 ? ? ? 從時間上看，我國提出生物燃氣發展戰略已經略晚于上述國家，但是，我國沼氣資源量豐富，具有彌補天然氣缺口的巨大潛力，且政策支持形勢利好。據粗略估算，目前我國沼氣資源量近2000億立方米，到2050年，該值將超過3000億。其中，農村畜禽糞污和未合理利用的秸稈占沼氣資源量60%以上。隨著生物燃氣產業的發展，預計將會有更多的農業廢棄物用于沼氣生產。從體量和農業面源污染控制需求上看，農業廢棄物沼氣化是今后生物燃氣產業化工作的重點?；谏鲜霰尘?，繼科技部之后，國家發改委與農業部聯合印發了《2015年農村沼氣工程轉型升級工作方案》，明確提出了沼氣轉型升級要求，并支持日產生物天然氣1萬立方米以上的工程試點。此外，國家能源局也于近期進一步提出了“到2020年生物天然氣年生產量和消費量目標達到100億立方米，……到2030年，……超過400億立方米”。這跟上面提到的500億缺口是基本相當的。 ? 在生物燃氣產業政策利好的背景下，我國農業沼氣工程大型化轉型勢在必行。2003-2014年，國家投資近400億，建設有近10萬座沼氣工程，取得巨大成效。然而，以中小型工程為主，單座日產氣量很低。德國等歐洲國家，均以大型沼氣工程為主。據統計，2014年底，歐洲和德國的發電沼氣工程數量約為17000和8000個，平均單個工程日產氣量基本都在6000立方米左右，發電機500kW；歐洲和德國生物天然氣工程數量雖然少，近年來發展卻很快，分別約為370座和170座，單座平均日產生物燃氣在1萬立方米左右。從規模效應上看，建設5000到10000立方米生物燃氣規模的沼氣工程是比較合適的，這與發改委、農業部及能源局發布的數據相吻合。目前，我國農業沼氣工程現狀與目標存在很大差距。如何順利實現大型化轉型，是生物燃氣產業發展的重中之重。 ? ? ??沼氣工程大型化轉型面臨的難題及其破解思路 ? 目前，我國農業沼氣工程在原料收儲運、集中處理、產品銷售與利用等環節均不支持規?；a，成為其大型化轉型的重大難題。這里主要圍繞其中的收儲運環節進行分析。大家知道，秸稈直燃發電市場繁榮、投資踴躍卻虧損嚴重，其主要難題在于如何選擇合適的收集半徑。通過分析發現，當原料收集半徑由25km擴大到50km時，秸稈電廠年利潤率將下降20-30%。而當收集半徑為50km時，電廠的盈利能力基本處于臨界狀態。以1萬方生物燃氣工程為例，通過倒推其原料需求可知，若以豬糞為原料，需要有100個以上平均規模2000頭存欄的養豬場為其提供原料；若以秸稈為原料，則需要25個村級收集站和2個鄉鎮服務中心。目前構建如此龐大且分散的收儲運體系還存在一定困難。 ? ? ? 實際上，三年前我們就在山東省發起了 “十萬億”燃氣項目的倡議。在與山東省政府對接后，由環保廳落實實施，并于去年正式啟動了“山東省畜禽污染防治與資源化三級網絡體系構建研究”項目。在該項目中，針對不同環節研究解決問題途徑，構建涵蓋“收儲運－生產處理－產品銷售”全鏈條的“三級網絡”體系。第一級網絡是指原料的收集、儲存、轉運系統；第二級網絡是指生產處理系統，包括厭氧消化、有機肥生產、沼氣精制等；第三級網絡是指生物燃氣、肥料的銷售利用系統。我們認為，構建面向農業廢棄物資源化利用的三級網絡系統，是破解沼氣工程大型化轉型難題的重要途徑之一。 ? 構建產業發展的三級網絡系統 ? 在收儲運網絡方面，需要兼顧農戶受益、企業盈利、政府解決污染原則，形成以農戶參與、企業主導、政府推動的現代化農業收儲運網絡體系。山東泉林集團建立了一套穩定秸稈收儲網絡，充分保障了企業秸稈全年需求。從他們的收儲運模式圖可以看出，一位專業收集戶能覆蓋1000畝的土地，收集規模是250噸，一個鄉鎮服務中心，能夠覆蓋30000到40000畝，收集規模是5000噸。在這基礎上，將秸稈集中送到企業?？傮w來看，前兩個環節的秸稈價格是比較低的。根據初步計算結果，即使在國家補貼情況下，過高的秸稈收購價也會導致沼氣工程不盈利。因此，需要將秸稈的收儲運控制在村鎮范圍內，而且還需要確定最優的收集半徑。 ? 結合廢棄物資源密度、收集系數和存儲費用等基礎數據，可以通過構建收儲運模型來確定每個區域的最優收集半徑。通過以肥城為試點區域，根據農業廢棄物資源密度，對沼氣工程規模和年產沼氣收入進行分析，進而確立了最優收集半徑和工程布局。一期以畜禽糞便為主建設三個生物燃氣項目，總生產規模為5萬立方米；項目二期時同時考慮秸稈，總規模將達到12萬立方米。此外，對山東全省的畜禽糞便和秸稈資源量也做了調研，并制定了山東省大型沼氣工程布局遠期規劃，這對于推動山東省生物燃氣產業發展具有重要指導意義。 ? 在資源化生產技術網絡方面，雖然其發展與應用相對比較成熟，在大型化轉型過程中卻仍然面臨著技術、反應器、材料和設備的選擇難題。在大型沼氣工程建設與推廣過程中，應構建幾種簡單且通用的技術設備模式，替代目前五花八門的選擇。標準化設計、系列化產品和自動化運行是實現沼氣工程產業化發展的必然要求和趨勢。在沼氣精制方面，不管是化學吸附、變壓吸附、物理吸附等傳統技術，還是近年來興起的膜分離技術，都已經發展非常成熟。例如，山東十方的高效可移動式撬裝沼氣精制設備已經能夠將脫水、脫硫、脫碳和壓縮等單元集成到集裝箱內，能縮短施工周期，減少占地面積。在沼渣沼液處理和資源化生產方面，目前開展的相關工作也很多，例如，我們可以通過利用反滲透膜濃縮，將沼液中營養物質提高十倍以上，為后續液肥生產提供基礎。此外，利用現代網絡技術進一步優化與提升資源化生產過程將是今后的一個重要發展趨勢。 ? 在生物燃氣和肥料的銷售利用方面，目前國內外生物燃氣主要用于綠色公交、工業改造和居民燃氣等，而農業廢棄物生物燃氣在克霾減排中的重要作用也值得關注。相比于火電廠燃煤，散煤燃燒的排放強度集中，低空排放且無任何污染防治措施，對霧霾的“貢獻”更加突出。據估算，山東省村鎮耗煤量約4500萬t/年，其污染量相當于火電廠燃煤量為4.5億-6.75億t/年時的污染量。如果采用生物燃氣替代散煤燃燒，將對控制霧霾有很大益處。對于沼液沼渣肥料，美國和歐洲基本將其還田利用，他們通過設置合適的標準，將生產方式、養殖業和種植業非常好地耦合在一起。我們業界的德青源和民和牧業在這塊有很多成功的經驗。這里分享另外一個案例，即南水北調項目中的丹江口庫區禽畜養殖種養平衡示范工程。該項目由清華大學和牧原股份承擔，通過利用厭氧消化和有機肥生產技術，使出欄30萬頭養豬場的畜禽污染物得到資源化處理，并應用于大田小麥、蔬菜和美國竹柳的種植，構建了“種植-養殖”循環的生態農業模式，取得良好的經濟效益，實現了種養平衡的良性循環。然而，值得關注的是，最近我國首次發布了有關肥料抗生素殘留檢測的國家標準，有機肥料替代化肥可能存在環境污染風險也開始引起關注，預計今后以畜禽糞便為原料的有機肥利用將面臨著重大挑戰。 ? 總結與展望 ? 通過構建以厭氧消化為核心技術的三級網絡系統，有望破解我國農業沼氣工程大型化轉型難題，進而促進生物燃氣產業發展。最后，提出兩點展望： ? ?。?）互聯網+三級網絡可以加速生物燃氣產業的發展。通過構建生物燃氣產業互聯網平臺，實現農業廢棄物收儲運、資源化生產、產品銷售利用產業鏈全生命周期跟蹤管控，做到環境效益與經濟效益、社會效益共贏。 ? ?。?）生物燃氣發展促進農業產業升級。以生物燃氣產業發展帶動區域養殖、種植、肥料、燃氣等行業的優化與升級，最終構建以“農業廢棄物收儲運-資源化處理-產品銷售與利用”三級網絡為核心的良性產業生態圈。
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