河南省典型生物質(zhì)資源評價及生物天然氣產(chǎn)氣潛力分析

冉龍飛，王美凈，柴寶華

(中國電建集團(tuán)西北勘測設(shè)計研究院有限公司,西安 710065)

0 前 言

生物質(zhì)能是由農(nóng)林廢棄物、畜禽糞便、食品加工廢料、園林廢棄物、能源作物及城市生活垃圾等經(jīng)過反應(yīng)轉(zhuǎn)化為固態(tài)、液態(tài)及氣態(tài)燃料的一種可再生能源[1-3]。發(fā)展生物質(zhì)能有助于促進(jìn)生態(tài)文明建設(shè)、推進(jìn)鄉(xiāng)村振興、發(fā)展循環(huán)農(nóng)業(yè)。生物質(zhì)能利用技術(shù)有直燃發(fā)電、堆肥、厭氧發(fā)酵等[3]，采用厭氧發(fā)酵制備沼氣并提純生產(chǎn)生物天然氣，是近年來國家大力支持與提倡的生物質(zhì)綜合利用的主流技術(shù)之一[4]。

生產(chǎn)生物天然氣是生物質(zhì)能利用的重要途徑，國家能源局、財政部等多部委聯(lián)合出臺了《關(guān)于促進(jìn)生物天然氣產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的指導(dǎo)意見》(發(fā)改能源規(guī)[2019]1895號)，將生物天然氣納入國家能源消費體系，提倡建立分布式天然氣生產(chǎn)消費體系，助力生物天然氣專業(yè)化、市場化、規(guī)?；l(fā)展，規(guī)劃到2025年生物天然氣年產(chǎn)量超過100億m3，到2030年生物天然氣年產(chǎn)量超過200億m3，占國內(nèi)天然氣產(chǎn)量一定比重[5]。生物天然氣已納入國家能源體系，國家發(fā)改委、能源局發(fā)布了《“十四五”現(xiàn)代能源體系規(guī)劃》(發(fā)改能源規(guī)[2022]210號)，提出建設(shè)千萬立方米級生物天然氣工程[6]。

河南省是中國糧食主產(chǎn)區(qū)，果園、菜園和畜禽養(yǎng)殖雙優(yōu)縣較集中，土地消納沼渣、沼液等發(fā)酵剩余物的能力較強(qiáng)，發(fā)展種養(yǎng)結(jié)合的循環(huán)農(nóng)業(yè)模式空間較大，且河南省對清潔燃?xì)獾男枨筝^大，發(fā)展生物天然氣的資源及市場條件較好。因此，本文對河南省生物天然氣發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行調(diào)查研究，提出適宜河南省生物天然氣產(chǎn)業(yè)發(fā)展的建議，引導(dǎo)生物天然氣產(chǎn)業(yè)有序發(fā)展[7]。

1 河南省生物天然氣發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 發(fā)展現(xiàn)狀

河南省是農(nóng)業(yè)大省、畜牧業(yè)大省，良好的區(qū)域環(huán)境、自然經(jīng)濟(jì)條件和發(fā)達(dá)的養(yǎng)殖業(yè)，適宜生物天然氣項目建設(shè)。發(fā)展初期，河南省生物質(zhì)能利用主要以沼氣生產(chǎn)為主，把發(fā)展農(nóng)村沼氣作為一項富民工程、民心工程，并出臺相關(guān)扶持政策加快農(nóng)村沼氣建設(shè)[8]。受到運行不穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)效益差等制約因素的影響，截至目前，已建沼氣工程大多數(shù)處于停運狀態(tài)。

生物天然氣作為沼氣高值化利用的一種方式，與其他省相比較，河南省生物天然氣產(chǎn)業(yè)發(fā)展加快。目前，河南省已建且處于運行狀態(tài)的生物天然氣項目有4個，分別為河南天冠集團(tuán)生物天然氣(秸稈沼氣)綜合利用項目、河南中海博能生物質(zhì)開發(fā)有限公司規(guī)?；锾烊粴忭椖?、河南省谷莊生態(tài)節(jié)能循環(huán)農(nóng)業(yè)有限公司日產(chǎn)1.5萬m3規(guī)?；锾烊粴夤こ淘圏c建設(shè)項目、河南蘭考儀封生物天然氣項目。4個項目累計年產(chǎn)生物天然氣2 372萬m3，在建或開展前期工作的生物天然氣項目有2個，累計年產(chǎn)生物天然氣730萬m3。項目類型均為氣-肥聯(lián)產(chǎn)，生物天然氣通過車用或并入燃?xì)夤芫W(wǎng)消納，有機(jī)肥就近消納。

1.2 存在的問題

河南省生物天然氣產(chǎn)業(yè)發(fā)展雖取得一定成績，但發(fā)展過程中仍存在一些問題，導(dǎo)致真正實現(xiàn)落地的項目較少，主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

(1) 補(bǔ)貼及稅收優(yōu)惠不足

河南省生物天然氣項目建設(shè)補(bǔ)貼政策只有電價補(bǔ)貼，缺少對天然氣提純、燃?xì)馊刖W(wǎng)、熱能回收、氣價等環(huán)節(jié)的補(bǔ)貼，導(dǎo)致生物天然氣產(chǎn)業(yè)發(fā)展盈利或效益拉動力不足。

(2) 推廣力度有待加強(qiáng)

生物天然氣項目作為處理城鄉(xiāng)有機(jī)廢棄物的主要方式，已被納入鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略之列，但推廣力度有待進(jìn)一步加強(qiáng)。

(3) 原料收儲運體系建設(shè)有待健全

生物天然氣項目生產(chǎn)原料需求較多，需依托完善的原料收儲運體系，但河南省原料收儲運體系建設(shè)方案匹配性不足，針對性不強(qiáng)，維持項目運行的難度較大。

(4) 產(chǎn)品消納體系建設(shè)有待完善

生物天然氣項目以氣-肥聯(lián)產(chǎn)為主，生物天然氣消納方式比較多元化，易消納，但有機(jī)肥消納由于受到市場影響，導(dǎo)致有機(jī)肥消納能力不足。

2 河南省生物質(zhì)資源條件

2.1 玉米秸稈

2020年河南省農(nóng)作物播種面積14 741.61 hm2，其中糧食播種面積10 738.80 hm2。結(jié)合各類農(nóng)作物秸稈的產(chǎn)氣潛力，以及已建項目生產(chǎn)原料的需求調(diào)研情況分析，玉米秸稈是生物天然氣生產(chǎn)的最優(yōu)選原料。河南省玉米播種面積3 818.01 hm2，玉米產(chǎn)量2 320.78萬t，折算到畝產(chǎn)約405 kg[9-11]。通過調(diào)研及分析河南省玉米產(chǎn)量，平均玉米畝產(chǎn)約500 kg，實際產(chǎn)量與理論產(chǎn)量的修正系數(shù)為1.20。參照《關(guān)于更新農(nóng)作物草谷比和可收集系統(tǒng)的函》，河南省玉米草谷比取值為1.04，河南省玉米秸稈理論資源量2 896.34萬t。河南省玉米秸稈利用以機(jī)械還田及動物飼料為主，能源化利用比例較低，存在能源浪費問題。

河南省各市(縣)玉米秸稈理論資源量分布情況見圖1。由圖1可見南陽市、周口市、駐馬店市、商丘市等地區(qū)玉米秸稈資源較好，但利用方式多以機(jī)械還田及動物飼料利用為主，能源化利用率較低，造成能源浪費，且秸稈還田易破壞土壤結(jié)構(gòu)，不利于農(nóng)作物種植。

圖1 玉米秸稈理論資源量分布

2.2 畜禽糞污

2020年河南省生豬存欄量3 815.22萬頭，牛存欄量386.03萬頭，家禽存欄量69 156.19萬羽[12]。根據(jù)產(chǎn)排污系數(shù)測算，測算河南省畜禽糞污理論資源量9 710.79萬t。河南省畜禽糞污利用以噴灑澆地、堆肥生產(chǎn)為主，能源化利用比例較低，存在能源浪費問題。

河南省各市(縣)畜禽糞污理論資源分區(qū)情況如圖2所示。由圖2可見南陽市、商丘市、周口市、駐馬店市等地區(qū)資源較好，綜合利用方式以噴灑灌地為主，能源化利用率較低，導(dǎo)致能源浪費，且畜禽糞污噴灑灌地易造成空氣質(zhì)量下降，影響周邊環(huán)境。

圖2 畜禽糞污理論資源量

2.3 其他資源

(1) 生活垃圾

目前，河南省城市生活垃圾處理率達(dá)到98.74%，縣城生活垃圾處理率達(dá)到87%，同時河南省針對生活垃圾處理，編制了《河南省生活垃圾焚燒發(fā)電中長期專項規(guī)劃(2018—2030年)》，中遠(yuǎn)期生活垃圾處理以焚燒發(fā)電為主，因此暫不考慮將生活垃圾作為生物天然氣生產(chǎn)的原料。

(2) 工業(yè)有機(jī)廢水

河南省工業(yè)發(fā)展較快，工業(yè)廢水產(chǎn)生量較大，廢水中有機(jī)污染物對環(huán)境的影響較大。河南省要求工業(yè)企業(yè)配套建設(shè)滿足相關(guān)排放標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)有機(jī)廢水處理設(shè)備，達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)后對外排放，因此暫不考慮利用生物天然氣項目來處理工業(yè)有機(jī)廢水。

綜上所述，河南省生物天然氣項目生產(chǎn)以玉米秸稈、畜禽糞污為主，生活垃圾、工業(yè)有機(jī)廢水等暫不考慮作為生物天然氣項目生產(chǎn)的原料，且河南省玉米秸稈、畜禽糞污資源豐富，從原料供應(yīng)的保障性分析，生物天然氣產(chǎn)業(yè)發(fā)展優(yōu)勢明顯。

3 河南省生物天然氣產(chǎn)氣潛力計算

生物天然氣產(chǎn)氣潛力按照下式計算[13]：

(1)

公式(1)中：V為生物天然氣生產(chǎn)潛力，m3；Gi為理論資源量，t； 為收集系數(shù)，玉米秸稈取0.96，畜禽糞污取0.75；TS為干物質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%，秸稈取60%，畜禽糞污取15%；ηi為可利用系數(shù)；Vi為不同原料的產(chǎn)氣率，Nm3/t，玉米秸稈取450，畜禽糞污取350。

生物天然氣項目以縣為單位進(jìn)行開發(fā)，通過調(diào)研河南省已建的典型生物天然氣項目的運行情況，分析生物天然氣項目對所在地區(qū)的玉米秸稈、畜禽糞污處理能力的提升情況，可收集系數(shù)玉米秸稈取0.2，畜禽糞便取0.4。

根據(jù)公式(1)及河南省玉米秸稈、畜禽糞污的可收集資源量測算沼氣、生物天然氣的產(chǎn)氣潛力，計算結(jié)果如表1所示。

表1 河南省生物天然氣產(chǎn)氣潛力計算結(jié)果

綜上所述，河南省每年可用于生物天然氣生產(chǎn)的生物質(zhì)資源量約2 741.04萬t，可年產(chǎn)沼氣87億m3、年產(chǎn)生物天然氣約44億m3，產(chǎn)氣潛力較大。生物天然氣可作為區(qū)域天然氣供應(yīng)的補(bǔ)充氣源，增加清潔能源供應(yīng)比例，提升河南省可再生能源用能占比。

4 河南省生物天然氣產(chǎn)氣潛力預(yù)測

4.1 玉米秸稈預(yù)測分析

河南省作為農(nóng)業(yè)大省，受到種植結(jié)構(gòu)的改變，從2010—2020年玉米種植面積變化如圖3所示。各市(縣)2010—2016年玉米種植面積逐漸增加，增加率約3%，2017—2020年玉米種植面積逐漸增加下降，下降率約1.0%。結(jié)合玉米種植面積變化趨勢以及實際情況，且作為國家糧食生產(chǎn)大省，玉米種植面積需保證種植規(guī)模穩(wěn)定，預(yù)測到2025年，河南省玉米種植面積保持1.0%的增長率穩(wěn)定變化，對應(yīng)的玉米秸稈理論產(chǎn)量為2 925.33萬t。

圖3 玉米種植面積變化

4.2 畜禽糞污預(yù)測分析

河南省各市(縣)養(yǎng)殖主要包括生豬、牛、家禽、山羊等。生物天然氣項目生產(chǎn)的最佳原料選擇生豬、肉牛、家禽，具體養(yǎng)殖規(guī)模如表2所示。根據(jù)圖4所示，2005—2014年河南省畜禽糞污資源量平穩(wěn)增長后逐年下降，下降率約2.8%；2014—2017年河南省畜禽糞污資源量逐年增加，增長率約1.4%；2018—2019年由于受到豬瘟影響，河南省畜禽糞污資源量急劇下降，下降率達(dá)到22%。2019年以后，河南省的生豬養(yǎng)殖企業(yè)養(yǎng)殖能力逐年恢復(fù)，預(yù)測到2025年，畜禽糞污的資源量將達(dá)到2018年之前的穩(wěn)定增長情況，增長率確定為1.4%，畜禽糞污產(chǎn)量約12 767萬t。

圖4 畜禽糞污理論產(chǎn)量變化

表2 河南省畜禽養(yǎng)殖數(shù)量及糞污產(chǎn)量

4.3 產(chǎn)氣量預(yù)測分析

根據(jù)到2025年河南省玉米秸稈理論資源量、畜禽糞污理論資源量，考慮全省資源收集難易程度，以及資源化利用現(xiàn)狀、其他生物質(zhì)項目的建設(shè)情況預(yù)測，預(yù)測生物天然氣產(chǎn)氣量，到2025年河南省生物質(zhì)資源理論產(chǎn)氣量約70億m3。具體測算結(jié)果見表3。

表3 河南省生物天然氣產(chǎn)氣量測算

5 結(jié) 論

本文分析評價了河南省典型生物質(zhì)資源及對應(yīng)的生物天然氣產(chǎn)氣潛力，得出如下結(jié)論：

(1) 河南省可用于生物天然氣生產(chǎn)的典型生物質(zhì)資源包括玉米秸稈和畜禽糞便，其中玉米秸稈理論資源量2 896.34萬t，畜禽糞污理論資源量9 710.79萬t；預(yù)測到2025年，玉米秸稈理論資源量2 925.33萬t，畜禽糞污理論資源量12 767.16萬t。

(2) 河南省玉米秸稈可利用資源量556.10萬t，畜禽糞污可利用資源量2 184.94萬t，兩種生物質(zhì)資源的產(chǎn)氣潛力為44億m3；預(yù)測到2025年，玉米秸稈可利用資源量584.45萬t，畜禽糞污可利用資源量3 351.37萬t，兩種生物質(zhì)資源的產(chǎn)氣潛力為70億m3，產(chǎn)氣潛力較大。

“十四五”河南省生物天然氣產(chǎn)業(yè)，在國家能源革命、鄉(xiāng)村振興等政策的支持與推動下，將成為河南省可再生能源利用的重要產(chǎn)業(yè)，具備能源開發(fā)的價值。

6 建 議

河南省生物天然氣產(chǎn)氣潛力較大，同時作為 一種可再生能源，具有較高的開發(fā)價值。

針對河南省生物天然氣產(chǎn)業(yè)發(fā)展存在的問題，提出以下建議：

(1) 落實支持政策

河南省生物天然氣產(chǎn)業(yè)處于重要發(fā)展期，且發(fā)展?jié)摿^大，通過出臺土地、原料等方面的優(yōu)惠政策，以及終端產(chǎn)品補(bǔ)貼政策，刺激產(chǎn)業(yè)商業(yè)化發(fā)展，提升生物質(zhì)的能源化利用價值。

(2) 加強(qiáng)規(guī)劃引導(dǎo)

結(jié)合區(qū)域資源特點，建立規(guī)劃引導(dǎo)機(jī)制，布局重點項目，吸引投資主體、開發(fā)主體形成合力，共同開發(fā)項目。

(3) 完善原料收儲運體系建設(shè)

生物天然氣項目運行需要依托完善的原料收儲運體系，結(jié)合河南特點，積極出臺合理的原料收儲運體系建設(shè)方案，指導(dǎo)項目生產(chǎn)運行。

(4) 建立產(chǎn)品多元化消納渠道

針對生物天然氣項目產(chǎn)品，整合當(dāng)?shù)匾延惺袌?，積極開拓新的市場渠道，保障產(chǎn)品消納。

(5) 加大宣傳

生物天然氣是國家能源發(fā)展戰(zhàn)略、消費革命的重要內(nèi)容，是鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略的重要任務(wù)，是農(nóng)村能源發(fā)展的重要支撐，結(jié)合河南特點，加大宣傳，推廣生物質(zhì)能實現(xiàn)能源開發(fā)的綜合效益。