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。