双碳背景下谈沼气

沼气产业的重要性毋庸置疑。

上世纪末，我国户用小沼气取得良好发展，为解决当时农村生态保护、肥料缺乏、燃料与照明用能问题发挥重要作用。

然而进入21世纪，农村生产、生活情况发生改变，户用小沼气、养殖场沼气工程在取得更快发展的同时，处境逐渐尴尬。

2015年，我国提出沼气转型升级，学习欧洲经验，将发展重点转向工业化大型项目，着重发展规模化沼气和生物天然气项目（单个项目日产生物天然气1万以上）。

近年随着“双碳”目标的提出，全社会需要具有负碳排放特性的沼气产业做出相应贡献的呼声越来越高。在新时代、“双碳”目标背景下，对我国沼气产业历史进行总结，寻找到一条适应中国特色的沼气发展道路，让沼气产业实至名归发挥重要作用，十分必要。
一、工业化沼气产业发展存在的主要问题

1 技术工艺不成熟

11 核心发酵技术仍处于探索阶段

当前国内工业化沼气工程核心发酵工艺，均为引进欧洲技术工艺。

当前核心厌氧发酵工艺有湿法（发酵浓度＜ 12%）、半干法（12% ≤发酵浓度＜20%）、干法（发酵浓度≥ 20%）三种，湿法工艺在畜禽粪污应用广泛，对干黄秸秆原料适应性差，对原料粒径要求3 cm以下，且含杂含土量要求严格。湿法工艺以流场实现匀质搅拌，干黄秸秆难以均质，易出现浮渣结壳现象，且发酵浓度低，固液分离后沼液浓度（5~8%）高，沼液回流非常困难，实际容积产气率低（08~12）、投资高、占地面积大、能耗高。

相较于湿法工艺，半干法工艺简洁、投资少、原料适应性强、自耗能低、容积产气率高、沼液外排压力小、厌氧消化较彻底。我国引进的半干法工艺，也存在原料适应问题。如，上料稳定性差，搅拌均质难、物料分层严重，进出料系统经常堵塞，现有的进口固液分离机不适用等一系列问题。但半干法工艺对物料要求低（原料5cm左右即可），含土含杂量要求宽泛，适应性强，控制方便，实际运行中容积产气率可稳定在15以上，随着设备国产化的提升，建设投资下降空间较大。

干法工艺近年引进国内，因为国外技术保密，需全套技术和设备进口，造价高，目前在我国基本处于试验探索阶段。

12 原料粉碎及预处理技术不成熟

我国干黄秸秆收储以落地打包为主，原料含土含杂率高，严重时超过30%；受到收集贮存制约，含水率变化在20~75%。市场主流粉碎以小农机为主，装备水平低，可靠性差，无除土、杂、铁功能，对原料特性变化及多种类原料基本没有适应能力，同时需要人工拆包，处理量低（2~3 t/h）。目前我国无专业的秸秆粉碎机厂家及满足行业需要的成套设备。

秸秆预处理能提高秸秆发酵效率，解决浮渣结壳、发酵困难、分层等问题。常用的预处理方法有物理法，包括破碎、揉丝、蒸汽爆破、辐射等；化学法，包括酸处理、碱处理、湿法氧化等；生物法，包括黄储、真菌处理、酶处理等。目前我国尚未形成可以适应国内不同类型原料的成熟可靠的秸秆预处理技术工艺。

不同的核心发酵与预处理技术工艺，在我国仍处在工程验证应用阶段。经过这几年的不懈努力取得一定突破，已经有企业系统掌握能够有效解决国内原料适应性的技术工艺路线，正在进行示范推广。
2 工艺、设计、装备制造服务单位能力不足

目前市场上相关服务单位普遍成长于农村户用小沼气时代，缺乏工业化理念和系统性思维。国内无成熟专业的工业化沼气工程工艺设计单位。关键技术、核心装备均由欧洲国家引进，设备选型生搬硬套，没有结合中国原料特性再创新。专业设备制造企业主要是小农机制造商，标准化程度低，设备可靠性、稳定性差，自动化程度低，远未形成装备制造系列化。此外，工程总承包单位普遍抱有“只管建设不管运营”固有观念，总包项目建成后很难做到达产稳产。

3 工业化沼气项目产业链长，商业模式不成熟

31 原料收储运体系未建立

目前我国农业农村有机废弃物收储运体系仍处于初级阶段，缺乏稳定的收储运组织，原料量、质、价可靠保障较为困难；收储标准和规范尚未建立，收储运队伍缺乏专业性，除基本质量难以保证外，甚至发生原料腐烂或高温自燃。市场比较混乱，政府未参照城市垃圾收集体系，深度引导建立可持续的农业农村有机废弃物储运保障体系。以秸秆为例，原料多属于一年一季，储存时间超过8个月；用量大（日产4万m³沼气项目，年秸秆用量超过7万t），尤其是东北区域玉米秸秆，秋冬季收储秸秆含水率不一，存在大量雪包秸秆，进一步增加了收储难度。

32 沼气高值化利用途径缺乏

沼气直供和供热需建设独立管网，沼气项目多位于乡镇、农村地区，且经济普遍欠发达，价格承受能力差，管网覆盖程度低，部分项目受特许经营权限制，存在并网难、价格低等问题。国家虽然鼓励生物质能非电利用，但尚未出台非电利用具体支持政策，沼气发电与生物质直燃竞争，补贴拖欠，项目现金流差，能源端产品缺乏可持续盈利能力。沼气直供和供热刚刚起步，成熟案例少，市场接受程度低。

33 沼渣、沼液高值化应用处于初级阶段

沼渣、沼液高值化应用是项目盈亏重要因素，也是项目正常稳定运行的基础。工业化沼气项目沼渣、沼液量大（半干法工艺日产4万方沼气项目，年产沼渣72万t，沼液14万t；湿法工艺沼液量更大）。沼渣、沼液是生产有机肥、育秧基质、液态有机肥的优质原料，但相关产品生产、市场推广正在起步阶段，用户认可程度低，大规模推广应用仍需培育。部分地区环保部门对沼渣、沼液认识不足，采取“一刀切”政策，禁止沼渣、沼液直接还田使用，颠覆了千百年来农业发展常识。

4 秸秆及混合物料沼气碳减排方法学尚未制定

碳资产收益是工业化沼气项目社会效益体现，是项目增加收益，增加盈利的根本。目前秸秆沼气和秸秆混合物料沼气项目碳减排方法学未制定，需要相关部门、企业、协会组织合作创新研究，明确基准线排放、项目排放计算原则和方法，以及监测数据和方法，并尽早经生态环境部认可后，开展项目备案、年减排量核算、碳市场交易等工作。

5 多部门管理，牵头部门不明确，政策协调难度较大

国家对发展沼气非常重视，现阶段沼气产业的特殊性也十分需要政策扶持。但是沼气产业链长，涉及能源、发改、财政、农业农村、生态环境、住建等部门，多头管理、九龙治水，牵头部门不明确，多年来一直无法形成合力推动发展。政出多头，原则性支持意见多，具体可执行落实的措施少，政策引领发展的效果难以彰显。
二、继续坚定信心，在“双碳”背景下，沼气产业大有可为

 

1 欧洲先进经验为我国沼气产业发展提供参照

欧洲是全球沼气产业发展先进地区，有超过40年工业化沼气发展经验，技术、商业模式成熟。沼气已经成为欧洲可再生能源的重要组成部分，是欧洲现代化农业循环经济可持续发展的关键支柱和未来化石天然气的主要替代补充。

欧洲沼气项目数量多、遍布全国，德国有9600余座，意大利1500余座。欧洲沼气原料多元化，主要有能源作物、秸秆、畜禽粪便、生活垃圾等；工艺成熟且技术多样化，拥有湿法、半干法、干法厌氧发酵等多种工艺，产气效率高、自耗能低、自动化程度高；装备制造、设计建设、运营管理和产品服务等方面，形成了完整的工业化、规模化产业体系和成熟的商业模式。德国等沼气产业成熟国家，农民25%的收入来自沼气。除沼气发电方兴未艾外，近年各国均大力发展沼气提纯制生物天然气，到2030年主要国家的生物天然气将占到用气量的10%。因大规模沼渣、沼液还田，欧洲化肥、农药的使用量处在全球较低水平，土壤有机质含量保持较高水平。沼气的负碳排放特性，使之成为欧洲目前碳市场最受欢迎的减排品类，沼气产业也已成为欧盟2050年实现碳中和目标的重要支撑。

2 发展工业化沼气产业是实现双碳目标的主力军

秸秆厌氧发酵综合利用，可以将植物在生长过程中吸收的CO2，部分通过沼渣、沼液进入土壤，增加土壤碳库。相较于风能、太阳能的低碳排放，沼气产业综合利用具有典型的负碳排放特性，能够发挥更显著的碳减排作用。

根据研究，每利用1万m³沼气可减少115 t温室气体排放，预计2060年我国沼气产业可减少温室气体排放10亿t。我国2030年碳达峰时碳排放量约106亿t，到2060年沼气产业可为碳中和贡献94%的减排量，沼气产业必将为我国双碳目标实现发挥关键作用。

3 发展工业化沼气产业是解决面源污染，增加清洁能源供给的有效途径

农业种植和养殖产生的有机废弃物，是治理难度最大的面源污染源。2020年中国农作物秸秆产量约86亿t，粪污38亿t。参考欧洲经验，沼气产业以处理秸秆为主，辅助处理粪污。农业有机废弃物通过厌氧发酵处理，既无害化解决面源污染，又生产清洁燃气，沼渣、沼液生产优质有机肥，促进农业绿色可持续发展。到2060年，如仅仅考虑40%秸秆和养殖粪污通过制沼气无害化处理，每年可生产沼气2000亿m³，如提纯生物天然气，可达到目前国内常规化石天然气年开采量的80%，可使未来我国天然气对外依存度由667%下降到417%。

4 发展工业化沼气产业能够推动农村能源革命，促进美丽乡村建设

我国农村分布广阔分散，交通与能源供给相对薄弱，环境治理难度大，广大农村处在社会供能体系的末端，面临着能源分散、供能不足、品质差、成本高等诸多老大难问题，很多地区无法脱离秸秆、薪柴、燃煤作为生活能源，效率低且污染环境。

沼气可因地制宜，宜气则气，宜电则电，气、电、热综合开发，实现具备一定储能和便利调节功能的、稳定的多元化清洁能源供给，在降低综合用能成本的同时，提高农村供能质量与可靠性。

以秸秆为主，协同处理畜禽粪污、有机垃圾的沼气项目，可减少面源污染、保护生态环境，有效解决新农村建设人居环境治理难题。沼渣、沼液替代化肥，实现农药减量，可以建立农业绿色循环产业模式提高农产品质量，增加农民收入，保证食品安全，在推动农村用能结构转型升级，实现农村能源革命的同时，促进美丽乡村建设。

5 沼渣、沼液有效保护耕地，保障农业可持续发展

耕地地力决定我国粮食生产能力，是粮食安全的重要保证。长期以来过量使用化肥和农药，有机质补充少，导致我国地力严重透支，土壤板结严重。

自上世纪50年代大规模开垦东北黑土地，黑土层平均每年减少03~10 cm，部分黑土层厚度已减少到02~03 m。沼气项目生产的沼渣、沼液是优质有机原料，可改良土壤，提高土壤保水保肥性，增加土壤有益微生物，有效提高肥料利用效率，实现化肥和农药长期高效减施，推动农业绿色可持续发展和土地保护，对实现国家“藏粮于地”战略具有不可替代的作用，有利于保障粮食安全、生态安全。

沼气工程，是一项以开发利用养殖场粪污为对象，以获取能源和治理环境污染为目的，实现农业生态良性循环的农村能源工程技术。它包括厌氧发酵主体及配套工程技术，主要是通过厌氧发酵及相关处理降低粪水有机质含量，达到或接近排放标准并按设计工艺要求获取能源——沼气；沼气利用产品与设备技术，主要是利用沼气或直接用于生活用能，或发电、或烧锅炉、或直接用于生产供暖、或作为化工原料等；沼肥制成液肥和复合肥技术，则主要是通过固液分离，添加必要元素和成分，使沼肥制成液肥或复合肥，供自身使用或销售。

沼气工程的关键技术是沼气厌氧发酵技术，包括常规和高效发酵工艺技术，如上流式厌氧污泥床（UASB）、上流式厌氧固体反应器（USR）和全混式厌氧反应器（CSTR）等。

一个完整的大中型沼气发酵工程，其工艺流程包括：原料的收集、预处理，厌氧消化，出料的后处理，沼气的净化、储存、输配和利用等。

（1）原料的收集和预处理

养殖场粪污预处理系统包括格栅、集水池、沉沙池、匀浆池、水解调节池。原料中常混有各种杂物，如牛粪中的杂草，鸡粪中的鸡毛和沙砾等。为了便于用泵输送及防止发酵过程中出现故障，也为了减少原料中的悬浮固体含量，有的在进入消化器前还要进行升温或降温等，因而要对原料进行预处理。养殖场废水处理系统前端应设置调节池，以避免水量冲击负荷对后续废水处理工艺的影响。

（2）消化器（沼气池）

消化器是沼气发酵的核心设备，微生物的生长繁殖、有机物的分解转化、沼气的生产都是在消化器里进行的，因此消化器的结构和运行情况是沼气工程的重点。

消化器的类型，根据消化器水力滞留期、固体滞留期和微生物滞留期相关性的不同，分为三大类：一类是常规型消化器，如水压式沼气池，酒厂隧道式沼气池使用的完全混合反应器（CSTR）。二是污泥滞留型消化器，使用较多的有升流式厌氧污泥床反应器（UASB）、升流式固体反应器（USR）。三是附着膜型消化器，如填料过滤器。

随着秸秆等固体有机物作为发酵原料的应用，覆膜干式厌氧发酵槽反应器，车库型等干发酵工艺，以及固液两相沼气发酵反应器等发酵工艺也逐渐得到了推广应用。

（3）出料的后处理

出料的后处理为大型沼气工程所不可缺少的构成部分。有些工程未考虑出料的后处理问题，造成出料的二次污染，白白浪费了可作为生态农业建设生产用肥料的物质资源。可靠的方法是将出料进行沉淀后再将沉淀物进行固液分离，固体残渣用作肥料或配合适量化肥做成适用于农作物的复合肥料；沼液可以作为沼液肥用于周围农田的灌溉。

（4）沼气的净化、贮存

沼气发酵时，沼气中会有一定量水蒸气和硫化氢气体。根据城市煤气标准，煤气中硫化氢含量不得超过20毫克/米3，沼气中的硫化氢含量为1～12克/米3。因此大中型沼气工程，特别是用来进行集中供气的工程必须设法脱除沼气中的水和硫化氢。脱水通常采用脱水装置进行。硫化氢的脱除通常采用脱硫塔，内装脱硫剂进行脱硫。因脱硫剂使用一定时间后需要再生或更换，所以脱硫塔最少要备有两个轮流使用。

（5）沼气的输配

沼气的输配是指将沼气输送分配至各用户，输送距离可达数千米。输送管道通常采用金属管，近年来采用高压聚乙烯塑料管作为输气干管已试验成功。用塑料管输气不仅避免了金属管的锈蚀，并且造价较低。气体输送所需的压力通常依靠沼气产生所提供的压力即可满足，远距离输送可采用增压措施。

沼气发电具有创效、节能、安全和环保等特点，是一种分布广泛且价廉的分布式能源市场研究表明沼气发电在发达国家已受到广泛重视和积极推广。生物质能发电并网在西欧一些国家占能源总量的10%左右。 沼气发电技术是集环保和节能于一体的能源综合利用新技术。它是利用工业、农业或城镇生活中的大量有机废弃物(例如酒糟液、禽畜粪、城市垃圾和污水等)，经厌氧发酵处理产生的沼气，驱动沼气发电机组发电，并可充分将发电机组的余热用于沼气生产。 沼气发电热电联产项目的热效率，视发电设备的不同而有较大的区别，如使用燃气内燃机，其热效率为70%~75%之间，而如使用燃气透平和余热锅炉，在补燃的情况下，热效率可以达到90%以上。 沼气发电技术本身提供的是清洁能源，不仅解决了沼气工程中的环境问题、消耗了大量废弃物、保护了环境、减少了温室气体的排放，而且变废为宝，产生了大量的热能和电能，符合能源再循环利用的环保理念，同时也带来巨大的经济效益。 沼气发电机是通过垂直植入垃圾堆体里若干根抽气井，不间断将沼气抽出，经过收集管网送至发电机机组，再经过冷却脱硫脱水、过滤净化等处理后，产生的纯沼气在发电机组里燃烧后发电，再并入电网。 沼气发电原理： 首先就是要先从沼气讲起，沼气是部分有机物经过封闭式的厌氧发酵，发酵后就会含有部分沼气，然后经过收集。现在大部分都是生活垃圾或者污水COD含量高的企业沼气量比较充足。然后在开始说沼气的成分，沼气中的成分非常混杂，其中甲烷的含量是比较高的。而且甲烷是一种可燃性气体，热值也比较高。 收集后的沼气通过发电机组的发动机进行燃烧做工，就是内燃机形式，由做工后的扭矩带动发电机的转子绕组进行做工，完成发电流程。

沼气技术的作用
(一)发展沼气，能有效地增加农民收人，是农村摆脱贫困的重要途径
建一口8—10立方米的沼气池，约需投资1500元左右，利用这口沼气池农户年可节省燃料和电费250—350元，减少化肥和农药使用量，节支150—200元，养畜增效150—200元，种植业增效也在150元左右。一口沼气池带来的直接效益在800元左右，两年即可收回成本。沼气池使用年限按15年计，如果建池成本分摊到每年则为100元。这样，每年农户使用沼气池带来的直接纯效益就是700元左右，人均增加纯效益150—200元。如果把沼气建设与无公害大棚蔬菜、水果等高产值作物生产结合起来，带来的效益会更大。
(二)发展沼气能有效地保护生态环境，是实现山川秀美的重要手段
建一座8—10立方米的沼气池，户均年产沼气300立方米，年可节约柴草2．5吨，相当于0．33公顷薪炭林一年的生长量，使用清洁的沼气能源，可有效的解决农村因烧柴而毁树伐木的问题，保护森林资源，改善农业生态环境，实现山川秀美。
(三)发展沼气促进了农业资源的深层次利用，是新一轮农业结构调整的基础工程
新一轮农业结构调整的基本目标是瞄准国际国内市场，着力发展适销对路的绿色有机食品、无公害农产品，走高效生态农业之路。农村发展沼气，把动物、植物有机地结合在一起，把种植、养殖有机地结合在一起，大大提高了资源的利用效率。其沼液、沼渣作饲料可以使其营养物质和能量的利用率增加20％；通过厌氧发酵过的粪便(沼液、沼渣)，氮、磷、钾的营养成分没有损失，且转化为可直接利用的活性态养分；农田施用沼肥，可替代部分化肥，沼液喷施，可替代部分农药，从而降低了化肥、农药在农产品中的残留；同时，由于沼肥富含生物活性物质，因此可明显地提高农产品质量。通过上述综合利用，使氮素总利用率达90％，总能量利用率达到80％。另外，推广以沼气为纽带的能源生态建设模式，不仅有效地提高了资源的利用效率，而且也推动了农业结构的调整；如“四位一体”模式，把沼气池、畜舍、厕所、温室大棚有机结合起来，通过沼液喂畜、沼肥施用和沼气气肥技术，促进了养殖业和蔬菜生产的发展；“猪—沼—果”模式，把沼气池和果园、猪舍相结合，通过沼液喂猪、果树沼液喷施和沼肥施用技术，促进了林果业和养猪业的发展，改变了单一以粮食种植为主的农业结构。可以说，目前农村的沼气建设以推广各类沼气生态经济模式为切入点，通过广泛开展沼气的综合利用，既提高了资源的利用效率，又促进了生态有机无公害农产品的发展，带动了农业产业结构调整和升级。
(四)发展沼气有利于提高农产品质量
农产品质量安全关系着人类社会的健康发展，农产品质量安全，客观上要求农产品必须是无污染、低残留、对人体无害，而要达到这个要求，必须降低农业生产对生态环境的影响和破坏，尽量减少农业生产过程中对外来物质和能量的应用由于生物质能具有储量大、无污染、可再生的优点，恰恰可以满足这方面的要求。如“四位一体”生态模式技术的示范推广，一方面为农业生产提供了大量优质有机肥料(沼液、沼渣)，可以大大减少化肥、农药的施用量，从而降低化肥、农药在农产品中的残留；同时由于沼肥富含生物活性物质，可以明显地提高农产品质量。
(五)发展沼气是推进农村物质文明和精神文明建设的载体
农户办沼气，将沼气池与改圈、改厕、改厨有机的结合在一起，一改北方黄土垫厕、粪土搬家的习惯，使人、畜粪便和生活污水流入沼气池进行发酵处理，可有效地杀灭寄生虫卵和部分病菌，基本达到粪便无害化的标准，减少了疾病，保护了农民的身体健康。特别是以沼气为纽带的农村能源生态模式建设，其本身就是一项科技含量比较高的项目，又因其效益显著，能提高农民学科学、用科学的积极性，使他们把精力投入到将实用技术转化为现实生产力的行列中去，增加了农业的科技含量，提高了农民的科技水平。发展沼气已成为推进农村物质文明和精神文明的载体。
(六)发展沼气密切了党和政府同农民群众的血肉联系，是实践“三个代表”的一项德政工程
小小一簇沼气火苗，蕴含着十多项先进技术，每年可给农户带来上千元的收益，实现了家居温暖清洁化、庭院经济高效化、农业生产无害化；很多地方把招气池称为“致富池” 、小康池” 、“聚财池” 。广大群众真正感受到党和政府在为他们办实事、办好事，干群关系日益融洽，政府在群众中的威信提高，号召力、凝聚力增强。

国家出台的新农村建设，只是政策性的指导意见，具体的标准由地方制定。
如果你地拆旧房换新房没有补助，还要交两万元押金，那么，你们可以要求乡镇人民政府出具地方政府的文件。
否则，有权拒绝。

到1973年发生了世界性石油危机后不久，沼气又被重新重视起来，许多人对“绿色革命”兴趣很浓，积极主张发展沼气能源。瑞士在蒙塞里特于1976年率先建成一个75立方米容积处理牛粪的沼气发酵装置，随后一大批沼气发酵工程发展起来了。截至1987年底，10年时间西欧各国就兴建起来743个沼气工程，其中大型工程有71%是农场沼气工程，29%是工业沼气工程。发酵罐总容积最大的有445万立方米。沼气发酵罐的平均产气率，在一般情况下为每天每立方米罐容可造1立方米沼气，有的运用厌氧过滤器等新工艺，产量可达4立方米。其中30%用于自身能源消耗，70%可作为能源输出。

沼气发酵原料十分广泛而丰富，目前，“未利用资源”中，可用于沼气发酵的种类甚多，仅西欧各国就有农业废弃物37种，包括圈养和放养的牲畜粪便以及农作物废物；工业废水有21种，多为农作物加工和食品工业废水；还有糖厂的废渣、屠宰场的废水等。充分利用这些“未利用资源”，开发沼气能源，这对解决农村能源和处理城市垃圾，都是一条变废为宝的现实途径，而且潜力甚大，据欧共体国家宣布，可供生产沼气的人畜粪便每年约有1410万吨，农作物秸秆等约850万吨，市政污物890万吨，这些总数达3150万吨的废弃物可产出相当欧共体1985年总能耗的3%左右的沼气。如将海藻水生植物等也用来生产沼气，总潜力还可增加三倍。

我国沼气生产潜力也很大，据测算，我国全部农作物废弃物和人畜粪便等，如全部入池发酵，每年就可制取沼气1000多亿立方米。除可全部满足农村生活燃料需用外，还可供数百万个5～8千瓦的沼气动力站每天工作6小时。从80年代初以来，全国平均每年新建沼气池近60万个，产气水平也逐步上升，沼气的利用已从生活领域走向生产领域，并开始从农村走向城镇。

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