“環(huán)保+能源”的生物天然氣循環(huán)經濟發(fā)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(yè)務，積極探索將環(huán)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(tài)鏈閉環(huán)，打造循環(huán)經濟模式，本文結合現階段長江經濟帶發(fā)展的形勢，提出了發(fā)展生物天然氣循環(huán)經濟的對策建議。

關鍵詞：環(huán)保+能源;生物天然氣;循環(huán)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(fā)酵等，目前農林廢棄物直燃、氣化發(fā)電，垃圾焚燒、填埋發(fā)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(yè)有機廢棄物，尤其是規(guī)?；B(yǎng)殖企業(yè)畜禽糞污，目前對其進行資源化綜合利用仍處于發(fā)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(fā)布時間為2010年2月，根據《全國污染源普查條例》規(guī)定，每10年開展一次全國污染源普查工作），畜禽養(yǎng)殖業(yè)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(yè)主要水污染物排放總量比例為96%、38%、56%、98%、94%，這些既是農業(yè)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(huán)保，落腳于能源，并且有較好的經濟性，既是生態(tài)閉環(huán)的環(huán)保項目，又是生物質可再生能源項目，屬于“環(huán)保”與“能源”的有機結合。因此規(guī)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(huán)境污染，推進生態(tài)文明建設，貫徹綠色發(fā)展理念具有十分重要、迫切的意義。

1? 生物天然氣行業(yè)概況

1.1? ?生物天然氣的含義及主要優(yōu)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(fā)酵和凈化提純后與常規(guī)天然氣成分、熱值等基本一致的綠色低碳清潔環(huán)?？稍偕細??？稍偕細庖卜Q為生物天然氣，能夠驅動燃氣發(fā)電機組發(fā)電，并可充分利用發(fā)電機組的余熱用于厭氧發(fā)酵罐加熱以及工業(yè)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(yōu)勢，屬于較好的可再生能源。

1.2? ?生物天然氣發(fā)展現狀及存在問題

生物天然氣俗稱沼氣。根據《生物質能發(fā)展“十三五”規(guī)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(guī)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(tǒng)沼氣有較大區(qū)別。傳統(tǒng)沼氣項目主要為農村戶用型，運行不穩(wěn)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(yè)化、養(yǎng)殖規(guī)模化以及有機廢棄物處理集約化發(fā)展而構建的區(qū)域綜合能源中心，其運行穩(wěn)定可靠，產氣量高，產品種類豐富。

近年來，我國規(guī)模化沼氣工程能源利用以發(fā)電為主，據國家統(tǒng)計局數據顯示，2011—2017年我國沼氣發(fā)電市場規(guī)模實現了跨越式增長（如圖1）。2011年的市場規(guī)模僅為7.89億元左右，2014年，隨著國家連續(xù)出臺了多項沼氣發(fā)電發(fā)展規(guī)劃以及補貼政策，帶動行業(yè)主體數量實現擴幅的同時，市場規(guī)模也實現了快速的增長，2014年行業(yè)市場達到了近12.3億元，2017年行業(yè)市場規(guī)模增長至18.12億元，沼氣發(fā)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(yè)部和發(fā)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(fā)建設。2015—2017年，國家連續(xù)三年以投資補貼方式支持規(guī)?；锾烊粴夤こ探ㄔO，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(yè)化運營，年產氣量約5 760萬m3。

從資源和發(fā)展?jié)摿砜?，生物天然氣仍處于發(fā)展初期，還存在分布式商業(yè)化開發(fā)利用經驗不足，專業(yè)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(fā)展?jié)摿薮?，但與歐盟國家對比，我國生物天然氣產業(yè)仍處于發(fā)展起步階段。隨著環(huán)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(fā)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(guī)?；笄蒺B(yǎng)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(xiāng)生活垃圾、生活污水、農產品加工剩余物和工業(yè)有機廢水廢渣，據統(tǒng)計，全國每年可用于沼氣生產的農業(yè)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(fā)展戰(zhàn)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(fā)展的意識。國內天然氣供給能力與工業(yè)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(fā)展，相關政策持續(xù)出臺，從稅收政策、補貼政策、發(fā)展規(guī)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(fā)展到生物質發(fā)電、以及生物天然氣。

1.4? ?發(fā)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(huán)保，落腳于能源，并且有較好的經濟性，既是生態(tài)閉環(huán)的環(huán)保項目，又是生物質可再生能源項目，屬于“環(huán)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(fā)，走生態(tài)優(yōu)先、綠色發(fā)展之路”?，F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(yè)有機廢棄物等大量污染物，是典型的生態(tài)環(huán)保項目，完全符合長江大保護的要求。

（2）助力脫貧攻堅戰(zhàn)

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(yè)循環(huán)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(yè)，為農村脫貧攻堅貢獻力量。

（3）符合建設美麗鄉(xiāng)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(yè)生態(tài)環(huán)境，改善農村生活環(huán)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(yè)面源污染、建設美麗鄉(xiāng)村的關鍵措施。

（4）符合國家可再生能源發(fā)展戰(zhàn)略

生物質生物天然氣項目一般可以按照分布式發(fā)電、提供區(qū)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(zhàn)略高度契合。

2? ?生物天然氣循環(huán)經濟的商業(yè)模式

2.1? ?技術路線

（1）工藝路線

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

（2）厭氧發(fā)酵技術

生物天然氣項目核心技術為厭氧發(fā)酵產氣的過程。發(fā)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(fā)酵為有機酸;第三階段由有機酸發(fā)酵產生甲烷。

目前發(fā)酵系統(tǒng)有兩種主流形式。一種是罐體式厭氧發(fā)酵，采用完全混合厭氧發(fā)酵，糞污進入進料斗后，經勻漿池混合加熱，進入厭氧發(fā)酵罐，通過機械攪拌，與菌種充分混合后，發(fā)酵產生生物天然氣。該發(fā)酵系統(tǒng)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(fā)酵，其采用二級渦流混合型平推流消化系統(tǒng)，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(fā)酵。該發(fā)酵系統(tǒng)在美國應用案例居多。兩種發(fā)酵技術的主要區(qū)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(fā)酵技術已經非常成熟，以歐洲和美國為主要代表，盡管發(fā)酵系統(tǒng)工藝形式存在差異，但是發(fā)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(fā)酵工藝對于同等規(guī)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(fā)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(fā)電機發(fā)電，這是國內目前主要的利用方式。發(fā)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(fā)電機效率差距較大，目前國產發(fā)電機電效率一般在30%左右，1m3生物天然氣發(fā)電量約1.4kW·h;進口發(fā)電機電效率在40%左右，1m3生物天然氣發(fā)電量超2kW·h。二是通過燃氣鍋爐生產工業(yè)蒸汽，在現代牧業(yè)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?yōu)楦咂焚|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(fā)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(huán)經濟的了解和重視正在逐步增強。沼渣含有較全面的養(yǎng)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?zhèn)溆志哂懈牧纪寥拦πУ膬?yōu)質肥料。沼渣通過烘干或者好氧堆肥，在春秋季節(jié)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(yè)養(yǎng)殖等。

2.2? ?商業(yè)模式

生物天然氣與傳統(tǒng)分散的農村沼氣產業(yè)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(huán)境保護、能源供應、有機農業(yè)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(zhèn)供能等全產業(yè)鏈，實現生物天然氣生態(tài)循環(huán)（如圖3）。

從產業(yè)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(fā)電、生產工業(yè)蒸汽或者提純?yōu)樘烊粴猓ǜ鞯貐^(qū)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(wěn)定。真正意義的生物天然氣工程受環(huán)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(yè)參與，大型央企及地方國有企業(yè)鮮有涉足，行業(yè)內目前比較有影響力的企業(yè)包括北京盈和瑞、杭州能源、青島天人環(huán)境等，生物天然氣行業(yè)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(fā)酵系統(tǒng)、生物天然氣利用系統(tǒng)、有機肥生產系統(tǒng)等組成，單體項目投資相對穩(wěn)定;收入來源主要分為有機廢棄物的處理環(huán)節(jié)、生物天然氣利用環(huán)節(jié)、有機肥銷售等三個環(huán)節(jié)，各環(huán)節(jié)收入相對可控;同時，此類項目可與綜合能源等業(yè)務協(xié)同發(fā)展，實現產業(yè)整體布局的最大價值。通過對現代牧業(yè)安徽蚌埠及合肥牧場、河北衡水富源牧業(yè)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(wěn)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(yè)的探索實踐

三峽電能在進入生物天然氣行業(yè)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(fā)酵罐5座（共20 000 m3）、原料收運系統(tǒng)、生物天然氣凈化及利用系統(tǒng)，有機肥生產系統(tǒng)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(tài)有機肥約100t，固態(tài)有機肥約50t，毛油約5t，生物天然氣發(fā)電機組裝機規(guī)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(guī)?；B(yǎng)殖企業(yè)糞污處理項目，也有其它農業(yè)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(fā)展中的建議

（1）提高有機廢棄物資源化意識，明確資源化發(fā)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(fā)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(qū)域綜合有機廢棄物處理中心，構建區(qū)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(xié)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(guī)劃實施情況進行動態(tài)監(jiān)測，及時發(fā)現規(guī)劃實施存在的問題，開展規(guī)劃實施中期評估和末期評估。

（2） 完善生物天然氣優(yōu)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(yè)參與生物天然氣全產業(yè)鏈發(fā)展。建立生物天然氣優(yōu)先利用、生物天然氣發(fā)電優(yōu)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(tài)導向的農業(yè)政策中，引導支持農村居民、新型農村經營主體等使用農業(yè)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(fā)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(fā)揮產學研互動作用，加大技術研發(fā)力度，針對產業(yè)模式形成自主知識產權;在互惠互利的基礎上，加強同發(fā)達國家企業(yè)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(yè)技術開發(fā)步伐，提升產業(yè)技術水平。

（4）建立健全法律法規(guī)，強化行業(yè)項目監(jiān)管

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

5? ? 總結

目前，在國內有，以凱迪生態(tài)為龍頭的農林生物質發(fā)電，以光大綠色環(huán)保為龍頭的垃圾焚燒發(fā)電，生物質發(fā)電已經發(fā)展為非常成熟的產業(yè)，而生物天然氣綜合能源利用現階段仍處于發(fā)展初期?？梢蚤L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?？梢韵胂?，在環(huán)保形勢日趨嚴格，農業(yè)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(yè)，并且擁有較強的資本實力，誰將會主導這個細分行業(yè)的發(fā)展，甚至打造一個新興行業(yè)的上市公司，實現長江大保護的高質量、可持續(xù)發(fā)展。