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秸秆作原料是发展中国生物天然气产业必经之路
2015-09-07 14:36  · 来源:中国能源报  · 作者:程序  · 责编:王长尧

  沼气在中国已经发展有100多年的历史。从上个世纪五十年代开始,政府一直鼓励在农村发展沼气。特别是近几年,我国政府每年都要拿出几十亿元,补贴农户沼气和所谓的沼气工程。但是,经过这么多年的努力,沼气在我国却始终没有成长为一个有生命力的产业。

  我认为,这里主要原因有三个:一是指导思想问题。人们往往认为沼气是一种工艺性和福利性的产业,总想依靠补贴生存,殊不知这样就没有了技术进步和发展的动力。二是长期沿用传统落后的工艺。沼气生产工艺产气效率很低,而且沉重的沼液负担也无法妥善解决;三是沼气利用值很低,不能经济地运输,不能成为商品,只能就地利用。

  今年6月,国家能源局决定在内蒙古自治区试点建立年产生物天然气两亿立方米的示范区,以推进生物天然气技术进步和工程建设现代化。这是国家能源主管部门首次正式表明对生物天然气的认可和重视。

  作物秸秆

  成沼气原料由国情决定

  和其他所有生物能源产业一样,充足、优质和低价的原料保障是沼气-生物天然气产业的生命线。粪便固然是沼气的传统原料,但由于种种局限性,它不可能成为新产业原料的主力。我认为,作物秸秆作原料是有中国特色生物天然气的必经之路。

  秸秆作沼气的主要原料这条路怎么走?发展中国生物天然气产业,首先要从根本上改变若干传统沼气的思维定式。例如一个典型的定式是一讲到沼气,就联想到粪便。我想强调的是,如果在从事新的产业时还这样想,那便大错特错了。牲畜粪便绝不是规模化沼气的理想原料,指望它作为生物天然气产业的主要原料,必然会失败。关键是牲畜粪便的产气潜力很低。相比之下,玉米青贮每吨原料(湿重)可产204立方米的沼气;如果以干重计,理论产量可达到500立方米。那么,如何想方设法将秸秆的这种巨大产沼气潜力挖掘出来?

  总之,长期以来,干秸秆作为沼气的原料在我国是一个“禁区”。即便到了技术设备大有改进的今天仍旧是个新课题:飘浮结壳,进出料困难易堵塞,原料滞留期过长、产气率低下等等,成为难以逾越的障碍。但是我国的国情决定,这个技术难关非攻克不可。我们必须要面对秸秆数量虽极大,每年有8-9亿吨产生,但干秸秆拿来制沼气效率极低的现实,探索出一条高效利用干秸秆作为原料的独特途径。

  充分利用高效利用秸秆资源是中国沼气界面临的重大挑战。因为一方面从资源的角度说,其数量特别大,不加以利用,等于损失掉种植业收成的约三成;但另一方面,由于实际利用(包括干秸秆无法有效制取沼气)很差,“秸秆禁烧”的问题又屡禁不止,造成空气污染有越来越严重的趋势。

  关键在于为秸秆找到能够大幅增值的出路(制备高品位商品燃料)的同时,以及能高效利用干秸秆的沼气发酵工艺和前所未有的工艺。同时,加紧研究高效低成本的、能够适应多种面积地块作业的秸秆青贮收集机械。

  干秸秆沼气利用

  宜走与其他料共发酵之路

  欧盟国家生产产业沼气,最早是用生活污水处理产生的剩余污泥作原料的。后来则转为以产气率远远高于粪便的青贮能源作物为主,与脂肪含量比较多、因而产气率也很高的垃圾、剩余污泥,以及畜禽粪便共同发酵。而我国一直用畜禽粪便做原料。牲畜粪便虽然不是理想的原料,但是干秸秆制沼气很好的辅料。我认为当前理想的方式是像欧盟国家那样,走混合料共发酵的路。除了畜禽粪便,重点还应放在资源没有被充分利用的农业(包括农产品加工和食品业)的废弃物的共发酵利用上面。

  从资源上来看,我国剩余污泥每年有五千多万吨的数量;城镇的生活垃圾一般来说含有机物60%左右,每年有5亿吨的量。而且随着我国城镇化规模的扩张,两者的资源量还在不断增加,都是生物天然气非常巨大的宝贵资源。但对于这两类原料的沼气利用技术,国内当前还不成熟。需要加强对剩余污泥和城镇生活垃圾作为沼气原料的研究。

  秸秆沼气利用

  最佳方式是青贮形态的能源作物

  虽然秸秆的沼气产量理论潜力很大,但要把它挖掘出来却不易。尤其是干秸秆难度极大。我们做过实验室的比较,即便用尽所有办法进行物理、化学预处理,干秸秆的最终产气率与青绿的秸秆相比,至少会下降30%—40%。而对实际的工程转化而言,用干秸秆作原料的难度更是太大。从经济地获取可商品化利用的能源的角度看,秸秆变干过程中,一是易微生物分解的成分大部分转化成难分解成分;二是失水后变轻,进入发酵罐后便浮在顶层,无法与分解微生物接触。令人非常头疼。沼气如此,秸秆制纤维素乙醇也是如此。

  某些发达国家已经突破了只用有机废弃物作沼气原料的限制,应用种植沼气专用能源作物通过制作非常便于长期保质储存的青贮,满足沼气工厂的全年需要。德国在2013年已经种植了85万公顷,到2031年预计将达到300万公顷。

  由于中国的国情所限,现阶段我们尚无法像欧盟国家那样,将秸秆特别是玉米秸秆连同果穗一起制成青贮,成为沼气厂全年可方便使用的优质原料。能源作物的种植也只适宜在不能种粮棉油作物的“边际土地”上开展,包括一些草地、林地、荒地,这类士地面积十分可观,大概有1亿多公顷。

  更大幅度拓宽生物天然气

  原料范畴的革命性技术

  此外,还有一项革命性的创新正在更大幅度地拓宽生物天然气的原料范畴。因为生物天然气可以通过两种途径来制取:一是比较成熟的,微生物的厌氧发酵技术。这种方式对原料的要求较严格:要求可溶性和易微生物降解的碳水化合物如糖,纤维素等的含量高,有较高的含水率;二是把生物质热解以后,经过气体的分离、气化、调制,再经甲烷化合成得到生物甲烷,也就是生物合成天然气。后者是新技术,目前只有丹麦、德国、荷兰和瑞典欧盟国家掌握了生物质热解技术。其中瑞典等已经在实现商业化上获得成功,正在建设年产1亿立方米的生物合成天然气工厂。这种技术能突破微生物的发酵法对原料的严格限制,而且反应速度比发酵法快几百倍,产能大几十倍,其对生物天然气产业的发展将发挥更加重要的作用。我国应该尽快研究此类技术,争取早日取得突破。

  我国木质类生物质的原料数量非常巨大。据国家林业局公布的数字,林业(抚育、砍伐和加工)“三剩物”每年约产出3.5亿吨,加上5亿吨的有机垃圾年产出量,从长远看,一旦气化合成技术突破,如全部利用,相当于每年可有2500亿立方米的生物合成天然气。

  当前,我国正在面临生物天然气开发的热潮。今后沼气的出路并不是像有些欧盟国家那样主要用来发电(热电联产),而是出于天然气资源短缺以及减轻汽车尾气大气污染(雾霾)的需要,把沼气制成生物天然气特别是车用生物天然气。

  我国天然气在一次能源消费比重的不断增加、治理雾霾和发展城镇化,为沼气-生物天然气产业发展提供了巨大的市场需求。当前通过发酵途径产生的生物天然气资源潜力,就有每年2000亿立方米以上,完全可以成为常规天然气的重要补充。而且其技术远比煤制气、页岩气成熟。我们应当认真总结沼气产业发展的教训,借鉴欧盟国家成功经验,探索出一条符合我们国家国情的模式。我相信生物天然气必将能够成为我国大有发展前途的新兴可战略性能源产业。

  (本文为中国农业大学教授、农业部科技司原司长程序8月22日在2015中国(兴安盟)秸秆产业化大会上的发言摘编,仝晓波整理)

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