沼气产业发展现状与趋势

5、中国发展沼气产业的潜力与趋势


 

一、中国的沼气资源潜力
 
中国的土地面积略多于欧盟,人口数量以及猪、牛的年饲养量则要多很多。由此可以推断,如果说欧盟 27国沼气比较现实的潜力相当于每年 734 亿 m3的天然气,那么中国沼气的现实潜力绝不会比它们少。
 
按沼气的五大传统资源分类——工业有机废液、城镇生活污水、城市填埋垃圾、畜禽粪便和农、林收获/加工残余物,我们对中国沼气的潜力粗略估算,结果是年产沼气量 1 500 亿 m3,折合 860 亿 m3甲烷;可替代近900 亿 m3的天然气,比 2008 年中国天然气的实际消费量还多出近 200 亿 m3。
 
沼气发酵技术可以利用多种形态的生物质。中国虽然人多地少,但“地少”主要是耕地少,而草地面积和林地面积却分别是耕地的 3 倍和 2 倍。其上生长的各种生物质都是广义的“能源作物”,特别是在亚热带分布广,温度高且雨量大,生物产量可观。包括降水量只有400 mm 的半干旱地区,中国上亿公顷的退耕还林/草地及退化草原,如果实施“营养体农业”(即着眼于收获最大可能的生物量而非谷物籽粒),则可充分利用充足的光照、雨热同期及多年生草、灌木耐旱力极强的特性,生产出大量可作为沼气原料的生物质。因此从长远看产业沼气作为一种新的能源产业,在中国前途无量。
 
二、我国开发产业沼气的案例
 
近 10 a 来,中国农业大学生物质工程中心与广西必佳微生物工程公司合作,在引进世界领先水平的日本ABLE 公司的 UASB-TLP(Up-flow Anaerobic SludgeBlanket-Turbulent, Laminar, and Pulsation)技术的基础上,实施再创新。在大幅度提高高浓度有机废液处理效率、多产沼气上作了初步探索,明确了通过高效厌氧发酵,在处理用木薯和甘蔗废糖蜜为原料的淀粉/酒精废液的同时,提取沼气的“双赢”途径。
 
(1)中国高浓度有机废液处理存在的问题
 
UASB(上流式厌氧污泥床)技术是荷兰学者 21 世纪 70 年代末发明并应用于生产的,引进中国后得到广泛的应用,但也存在若干问题。主要有:1)由于该技术当初是针对中低浓度有机废水(COD 质量浓度为7 000 mg/L 上下)设计的,对高浓度有机废液效果不甚理想,建造和运行成本过高;2)厌氧罐起动耗时间过长,厌氧颗粒污泥培养和稳定技术有待改进;3)一般容积产气率在 1 m3/(m3·d)以下。沼气产出量不能满足产业化沼气的要求。
 
(2)一种高效消解高浓度有机物的厌氧发酵技术
 
UASB-TLP 技术的主要优点是发酵罐内分别形成层流、涡流和脉动流区,能与高浓度有机废水进行高效率的接触反应,从而大大提高了厌氧装置的有机负荷和反应效率。在其基础上,我们针对糖蜜乙醇废液和木薯乙醇废液的特点,进行了菌群筛选与优化、颗粒污泥最佳培养条件的选择和控制,并改进了厌氧罐体内部结构,获得了成功。在中试(800 m3厌氧罐)规模下,COD 负荷达到 25 kg/(m3·d)。这项成果使高浓度有机废液的处理效率比国内普遍使用的 UASB 技术提高近 10 倍,而造价只有约 1/3。近年先后在广东农垦三和酒精厂和广西武鸣县安宁淀粉厂等 4 家企业得到应用。其中,两家企业的沼气日产量均达到 30 000 m3。当前正在建设产业沼气商品化利用示范项目。
 
三、发展产业沼气对中国的多重效益
 
天然气的进口量剧增威胁到中国的能源安全。如不采取决定性措施,2050 年 CO2排放量将由 2005 年的 14亿 t 碳,猛增到 34.7 亿 t 碳。减排 CO2的国际压力会更大。因此,发展化石能源煤、油、气的替代物——产业沼气已刻不容缓。
 
(1)沼气的巨大温室气体减排潜力
 
交通运输是仅次于燃煤发电和土地利用变化的第三大温室气体的排放源。就全球而言,占温室气体中 CO2年总排放量的 23%。据瑞典哥德堡市交通运输局 2000 年的资料,以公共汽车每行驶 1 km 排出的温室气体(包括NOx和 CO2)当量计,柴油为 3 486 g,天然气为 799 g;而纯化沼气为 1 583 g。用纯化沼气可比用柴油减少 55%的温室气体排放量。甲烷的温室气体当量是 CO2的 25 倍。畜禽粪便和有机废液如果随意露天贮积,其自然厌氧发酵产生的大量沼气就会直接进入大气,造成比 CO2严重得多的温室气体效应。当前全国畜禽养殖场、工业有机废水和城市污水 3 项合计的 COD 年排放量估计约为 1.4 亿 t。如果将其所含的生物能都开发利用起来,则理论上可相应减少全国 CO2年排放总量约 8%。
 
(2)产业沼气对中国“三农”问题的重要意义
 
发展生物能源包括产业沼气最首要的出发点是振兴农村经济,增加农民就业和收入。以农作物秸秆为例,如果秸秆能通过先进技术和工艺制成沼气利用,种粮农民每公顷可多收入 4 500 元左右,相当于甚至超过种粮的亩纯收入;而用边际土地和退耕还林、草的土地种植沼气专用能源作物,每公顷至少可额外收入 7 500~12 000 元。
 
农村农业废弃物/能源作物规模化制沼气,符合生物质应用的“就地初加工— 集中精制— 集中供能”的理想模式。可彻底避免固体生物质能利用上的拦路虎— — 原料来源高度分散、运输困难和成本高,从而振兴农村中小企业。
 
四、产业沼气在中国发展的紧迫性和面临的瓶颈
 
进入 21 世纪,中国农户沼气池数量飞速增长,2008年已超过 3 000 万个,遥遥领先于印度的 240 万个。农户沼气有很多优点,特别适合中国农村居住分散、传统习惯影响深和生活水准尚低的国情;且以较少的投入(国家还有建池补贴),农民即可获得实实在在的效益,特别是其生态和卫生效益十分突出,深受农民欢迎。但其局限性也显而易见。
 
(1)农户沼气的局限性和中国大中型沼气工程的现状
 
由于本身结构和工艺条件所限,农户沼气存在着寿命短、故障多、低温下供气不稳和技术服务跟不上等缺点。2008 年,全国平均每个池每年产沼气 398 m3,折算平均容积产气率仅为 0.11 m3/(m3·d)。相比于供气不稳定的户用沼气池,农民更渴望类似城市管道天然气那样社会化的集中供气方式。
 
2007年,全国大型养殖场总计近 6.5 万个。中型的养殖场,包括养殖小区的数量更超过百万个。可收集的畜禽粪便量,每年超过 10 亿 t。然而与之相配套的大型沼气工程却未能承担起发展产业沼气的重任。虽然近十几年来累计兴建量达 2.66 万个(每年还在新建),但能保持正常运转的配套沼气工程不多。传统的大中型沼气工程,因设计和工艺过时,造价和维护费用高,运行效果不理想,平均(常温发酵)容积产气率<0.4 m3/(m3·d),距离较理想的水平相差很远。迄今为止未摆脱“有环保效益而无经济效益”的困境。
 
国家发改委能源局 2009 年公布了“工业化规模化沼气开发”项目执行情况。该项目虽然引进了不少国外(主要是欧洲)的先进技术,也有个别工程达到了较好的容积产气率,但总体看,沼气发生效率仍不高,容积产气率在 1.0 m3/(m3·d)左右或更低,不能满足产业化、商品化的要求。项目报告认为“目前大部分沼气工程还是以处理废物为主,没有进行能源生产”。

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