秸稈沼氣產(chǎn)業(yè)化綜合利用模式的探討
——以青縣模式為例

李硯飛，厚汝麗，潘洪戰(zhàn)，黃浩，臧海龍，韓振才，代樹智，趙明星，仉磊，張成明,,7*

1(青縣新能源辦公室，河北 滄州，062650) 2(河北省青縣曹寺學(xué)區(qū)王召莊中心小學(xué)，河北 滄州，062650) 3(河北省青縣上伍鄉(xiāng)政府，河北 青縣，062650) 4(河北耿忠生物質(zhì)能源開發(fā)有限公司，河北 滄州，062650) 5(江南大學(xué) 環(huán)境與土木工程學(xué)院，江蘇 無(wú)錫，214122) 6(清華大學(xué) 核能與新能源技術(shù)研究院，北京，100084) 7 (徐州生物工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 徐州，221006)

生物天然氣是指以畜禽糞便、農(nóng)作物秸稈、城鎮(zhèn)生活垃圾等為原料，經(jīng)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)保的可再生燃?xì)鈁1]。生物天然氣是緩解天然氣供需矛盾的重要補(bǔ)充[1]。2016年7月，國(guó)家能源局發(fā)布《關(guān)于促進(jìn)生物天然氣產(chǎn)業(yè)化發(fā)展指導(dǎo)意見(征求意見稿)》，指出到2020、2025和2030年，生物天然氣年生產(chǎn)量和消費(fèi)量目標(biāo)分別為100億、200億和400億m3。截止2014年底，我國(guó)有大中型沼氣工程16 450處，生物天然氣產(chǎn)量8.74億m3。實(shí)際產(chǎn)能與規(guī)劃產(chǎn)能差距顯著，生物天然氣產(chǎn)業(yè)正處于起步階段。

我國(guó)最初建立的沼氣工程以農(nóng)村用戶為主。據(jù)統(tǒng)計(jì)，從2003～2012年，累積投入資金達(dá)918億元。然而，隨著農(nóng)區(qū)散養(yǎng)牲畜的日益減少以及大量青壯年常年外出打工等原因，農(nóng)村沼氣池缺乏原料和人力，其利用率越來(lái)越低。針對(duì)這一問題，國(guó)家開始推動(dòng)小型沼氣工程的轉(zhuǎn)型升級(jí)。2015年和2016年，國(guó)家分別發(fā)布《農(nóng)村沼氣工程轉(zhuǎn)型升級(jí)工作方案》和《關(guān)于申報(bào)2017年規(guī)?；笮驼託夤こ讨醒腩A(yù)算內(nèi)投資計(jì)劃的通知》，持續(xù)推動(dòng)大型沼氣工程建設(shè)。

在國(guó)家大力支持大型沼氣工程建設(shè)的背景下，沼氣工程建設(shè)進(jìn)入快速發(fā)展期。但是，目前沼氣工程建設(shè)及運(yùn)營(yíng)中仍存在很多問題。如何建立一個(gè)具有良好生態(tài)環(huán)境和經(jīng)濟(jì)效益的，可以復(fù)制和推廣的沼氣生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)模式也是當(dāng)前沼氣工程發(fā)展面臨的重要課題之一[2-5]。在河北耿忠生物質(zhì)能源開發(fā)有限公司(以下簡(jiǎn)稱“耿忠公司”)多年生產(chǎn)、實(shí)踐的基礎(chǔ)上，筆者總結(jié)提出了秸稈沼氣產(chǎn)業(yè)化綜合利用的“青縣模式”。文章對(duì)“青縣模式”的發(fā)展背景、技術(shù)特點(diǎn)、產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)與現(xiàn)狀、運(yùn)營(yíng)模式等方面進(jìn)行了介紹；同時(shí)，對(duì)“青縣模式”推廣時(shí)面臨的問題進(jìn)行了分析并提出建議，以期為政策制定者和同行提供借鑒。

1 秸稈沼氣產(chǎn)業(yè)化綜合利用“青縣模式”介紹

1.1 背景介紹

我國(guó)是農(nóng)業(yè)大國(guó)，每年可收集的農(nóng)作物秸稈資源量為6.87億t，未利用資源量為2.15億t[6]?！扒嗫h模式”以秸稈為原料進(jìn)行沼氣生產(chǎn)，對(duì)沼液沼渣進(jìn)行有機(jī)肥開發(fā)利用以減少化肥、農(nóng)藥使用量，與農(nóng)業(yè)部“一控兩減三基本”的發(fā)展戰(zhàn)略相吻合。

1.1.1 環(huán)境、生態(tài)效益突出

粉碎還田是目前秸稈處理的主要方式，這對(duì)于保持土壤有機(jī)質(zhì)含量和微生物多樣性、改善土壤性質(zhì)具有重要意義，但是連年進(jìn)行秸稈還田會(huì)為秸稈上的病菌、蟲卵創(chuàng)造繁殖場(chǎng)所，并且不利于土壤保水保墑以及下茬作物正常生長(zhǎng)[7-11]。利用厭氧消化技術(shù)將秸稈轉(zhuǎn)化為沼氣，將厭氧殘?jiān)瞥筛鞣N有機(jī)肥反哺農(nóng)業(yè)，不僅可以解決以上問題，還可以達(dá)到“清潔能源生產(chǎn)、廢物治理、生態(tài)農(nóng)業(yè)”三位一體的目標(biāo)，具有良好的環(huán)保和生態(tài)意義(圖1)。

圖1 秸稈沼氣產(chǎn)業(yè)化綜合利用“青縣模式”示意圖Fig.1 “Qingxian County model” for comprehensive utilization of straws for biogas production on industrial scale

1.1.2 原料供應(yīng)充足、適合新建工程

原料供應(yīng)是大型沼氣工程面臨的首要問題。實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，以玉米秸稈為唯一原料也可以滿足大型沼氣工程的原料需求。以千方級(jí)沼氣工程為例，需要年消耗新鮮玉米秸稈2 737.5t，需要約122 ha土地供應(yīng)，原料運(yùn)輸半徑較小，經(jīng)濟(jì)性較好。通常情況下，大型養(yǎng)殖廠已建有沼氣工程，因此，“青縣模式”更加適合新建沼氣工程。

1.2 技術(shù)特點(diǎn)

1.2.1 特色鮮明的沼氣發(fā)酵技術(shù)

(1)純秸稈發(fā)酵技術(shù)。純秸稈(或纖維質(zhì)原料)作為沼氣發(fā)酵的唯一原料時(shí)，其產(chǎn)氣速率往往較慢，碳氮比不平衡以及秸稈自身的抗生物降解特性是造成這一現(xiàn)象的主要原因。研究發(fā)現(xiàn)，通過(guò)改善碳氮比以及對(duì)秸稈進(jìn)行預(yù)處理均可以顯著提升秸稈的產(chǎn)氣性能[12-13]。在連續(xù)生產(chǎn)條件下，秸稈固形物的降解率在50%左右，而氨氮的降解率通常在20%左右。這樣厭氧殘?jiān)?沼液)的碳氮比會(huì)接近或低于厭氧消化底物的最佳碳氮比(25～30∶1)，在采用沼(渣)液全回用(回流)的基礎(chǔ)上，可以使得發(fā)酵罐內(nèi)的碳氮比較為平衡，進(jìn)而可以實(shí)現(xiàn)純秸稈沼氣發(fā)酵。多年的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)說(shuō)明，以純秸稈為唯一原料進(jìn)行沼氣發(fā)酵也是可行的。

(2)高濃度發(fā)酵及沼液全回流技術(shù)。產(chǎn)氣性能和沼液消納是大型沼氣工程面臨的重要課題。高濃度沼氣發(fā)酵技術(shù)是提升沼氣工程產(chǎn)氣性能最直接的方法。經(jīng)過(guò)多年探索，利用特有的技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)罐內(nèi)固形物濃度15%～25%。2007年9月，在進(jìn)行為期33 d的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試后(400 m3發(fā)酵罐)得出結(jié)論：工程的運(yùn)行數(shù)據(jù)詳實(shí)可靠，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，池容產(chǎn)氣率達(dá)到1.1 m3/(m3·d)、“該工程技術(shù)達(dá)到實(shí)際運(yùn)行水平，可以推廣使用。”。

“青縣模式”中，秸稈含水率較低，加之厭氧殘?jiān)鼕A帶以及制備有機(jī)肥時(shí)會(huì)利用一部分沼液，使得沼氣工程幾乎沒有沼液凈生成。此外，由于秸稈中蛋白質(zhì)及無(wú)機(jī)鹽含量較低，使得沼液可以全部回用，消除了沼液污染隱患，工藝具有良好的環(huán)保性。

1.2.2 成熟的有機(jī)肥生產(chǎn)技術(shù)

耿忠公司累積投入200余萬(wàn)元進(jìn)行有機(jī)肥系列產(chǎn)品的開發(fā)，主要擁有蔬菜、果樹和大田作物使用的育苗基質(zhì)、葉面肥、水溶肥和顆粒肥等產(chǎn)品，并于2016年10月獲得農(nóng)業(yè)部頒發(fā)的肥料正式登記證(農(nóng)肥(2016)準(zhǔn)字5623號(hào))。成熟的有機(jī)肥生產(chǎn)技術(shù)和豐富的有機(jī)肥施用經(jīng)驗(yàn)，是秸稈綜合利用“青縣模式”的重要組成部分。

1.2.3 設(shè)計(jì)靈活、適應(yīng)范圍廣

耿忠公司可以設(shè)計(jì)、建設(shè)單罐體積100、500、1 000、3 000以及5 000 m3的沼氣工程，沼氣產(chǎn)能從日產(chǎn)千方級(jí)到萬(wàn)方級(jí)。在采用保溫措施以及太陽(yáng)能輔助加熱的情況下，也可以在東北地區(qū)進(jìn)行建廠運(yùn)營(yíng)。

1.3 技術(shù)基礎(chǔ)與產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀

1.3.1 技術(shù)基礎(chǔ)

(1)耿忠公司取得15項(xiàng)秸稈沼氣相關(guān)的國(guó)家專利。其中發(fā)明專利1項(xiàng)，實(shí)用新型專利14項(xiàng)。

(2)獲得了一批科技成果和獎(jiǎng)項(xiàng)。經(jīng)河北省科技廳組織專家鑒定，“秸稈中溫高濃度發(fā)酵制取沼氣工藝技術(shù)及相關(guān)設(shè)備開發(fā)研究”屬國(guó)內(nèi)首創(chuàng)，填補(bǔ)國(guó)內(nèi)空白，達(dá)到國(guó)內(nèi)領(lǐng)先水平(2012年)；“農(nóng)業(yè)廢棄物沼氣資源化高效利用關(guān)鍵技術(shù)開發(fā)與集成示范”獲得省科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)(2012年)；“基于秸稈沼液含腐植酸水溶肥料的研制”達(dá)國(guó)際同類研究先進(jìn)水平(2014年)等。

(3)取得多項(xiàng)企業(yè)資質(zhì)?！肮⒅夜尽本邆洵h(huán)保工程專業(yè)承包一級(jí)，農(nóng)林行業(yè)(農(nóng)業(yè)綜合開發(fā)生態(tài)工程)設(shè)計(jì)乙級(jí)資質(zhì)，具備完備的沼氣工程的設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)行等能力。

(4)與清華大學(xué)、農(nóng)業(yè)部規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院、中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)、中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院等國(guó)內(nèi)多家科研院所建立合作關(guān)系，為企業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展奠定了良好基礎(chǔ)。

1.3.2 產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀

(1) “青縣模式”在全國(guó)已推廣建設(shè)應(yīng)用15處，建設(shè)規(guī)模從1 000～6 000 m3不等。

(2)公司研發(fā)的有機(jī)肥已經(jīng)在河北滄州地區(qū)、山東沾化冬棗基地、山東壽光蔬菜基地、河北昌黎葡萄基地、滿城草莓基地等推廣應(yīng)用，均取得良好效果。

(3)積極謀劃爭(zhēng)取規(guī)?；锾烊粴夤こ淘圏c(diǎn)項(xiàng)目。組建河北智龍生物質(zhì)科技有限公司，計(jì)劃在青縣金牛鎮(zhèn)閻莊子村西建設(shè)規(guī)?；锾烊粴夤こ蹋偼顿Y6 922.88萬(wàn)元，發(fā)酵罐總?cè)莘e21 000 m3，可提純凈化生物天然氣459.9×104m3/年。

2 “青縣模式”推廣面臨的困難與瓶頸

2.1 建設(shè)資金嚴(yán)重短缺

建設(shè)資金短缺是所有發(fā)展中國(guó)家在發(fā)展可再生能源時(shí)面臨的共性問題，具體包括融資渠道不足、企業(yè)投資不足、政府政策不完善等[3, 17]。除規(guī)?；锾烊粴夤こ掏?，秸稈沼氣工程屬中小型投資，投資額度通常在幾百至幾千萬(wàn)元。有實(shí)力的大型企業(yè)看不上，不愿投資，而沼氣的使用主體——農(nóng)村又缺乏資金，這是“青縣模式”推廣面臨的一大問題。

2.2 工程用地審批困難

目前，建設(shè)沼氣站用地都是按建設(shè)用地審批，若沒有建設(shè)用地土地證書，則其他后續(xù)手續(xù)均不能辦理。由于指標(biāo)有限，需要與工業(yè)園區(qū)或大型工業(yè)項(xiàng)目爭(zhēng)奪指標(biāo)，加之農(nóng)村土地問題敏感，使土地審批成為“青縣模式”推廣的又一重大制約。

2.3 價(jià)格政策有失公允

秸稈沼氣提純制備的生物天然氣成本為2.7～3元/m3，而目前石油天然氣享受國(guó)家補(bǔ)貼(大約1元/m3)，民用售價(jià)在2.75～4元/m3，生物天然氣在價(jià)格上無(wú)法與石油天然氣抗衡，市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)有失公允。

2.4 管理體制存在梗阻

目前全國(guó)秸稈沼氣剛剛起步，尚未建立規(guī)范化管理體制，農(nóng)村沼氣站多采用“村委會(huì)為樞紐，承建公司、服務(wù)公司和農(nóng)民等各方協(xié)調(diào)與配合”的聯(lián)戶運(yùn)營(yíng)模式。由于村委班子多變及村民矛盾多發(fā)，聯(lián)戶沼氣日常運(yùn)行常會(huì)出現(xiàn)梗阻。

3 秸稈沼氣產(chǎn)業(yè)化綜合利用發(fā)展戰(zhàn)略與建議

3.1 制定全省(市、縣)發(fā)展規(guī)劃

建立市縣鎮(zhèn)三級(jí)協(xié)調(diào)機(jī)構(gòu)，根據(jù)作物種植布局、村莊分布特點(diǎn)和秸稈運(yùn)輸半徑，制定全市協(xié)同、縣為單元的秸稈沼氣產(chǎn)業(yè)化綜合利用建設(shè)規(guī)劃，積極協(xié)調(diào)秸稈供應(yīng)、沼氣利用和有機(jī)肥使用等各個(gè)方面。

3.2 啟動(dòng)戰(zhàn)略投資行動(dòng)

建議省(市、縣)級(jí)政府引進(jìn)或啟動(dòng)戰(zhàn)略投資者，實(shí)行統(tǒng)一規(guī)劃、統(tǒng)一設(shè)計(jì)、統(tǒng)一建設(shè)、統(tǒng)一模式、分別運(yùn)營(yíng)的“四統(tǒng)一分”管理，在全省(市、縣)建設(shè)秸稈產(chǎn)業(yè)化綜合利用體系。也可運(yùn)用PPP模式，吸收社會(huì)資本參與實(shí)施。

3.3 實(shí)行終端產(chǎn)品補(bǔ)貼

借鑒國(guó)際做法，結(jié)合落實(shí)農(nóng)業(yè)部政策，對(duì)秸稈沼氣實(shí)行終端產(chǎn)品補(bǔ)貼(沼氣和有機(jī)肥)。這既可以提升秸稈沼氣工程的經(jīng)濟(jì)效益，也可以促進(jìn)有機(jī)肥的推廣，從而獲得良好的生態(tài)效益。

3.4 調(diào)整項(xiàng)目用地政策

建議執(zhí)行國(guó)土資發(fā)(2014)127號(hào)《關(guān)于進(jìn)一步支持設(shè)施農(nóng)業(yè)健康發(fā)展的通知》，將秸稈沼氣工程和配套肥廠占地按設(shè)施農(nóng)業(yè)附屬設(shè)施用地對(duì)待，或?qū)⑥r(nóng)村土地置換的新增土地指標(biāo)優(yōu)先用于秸稈沼氣及配套工程，或由國(guó)土部門出臺(tái)針對(duì)沼氣工程用地的相關(guān)配套政策以加快項(xiàng)目建設(shè)與推廣。

3.5 制定稅收優(yōu)惠政策

大型沼氣工程建設(shè)盡管進(jìn)入了一個(gè)快速發(fā)展階段，但其自身的盈利性仍然較弱。在現(xiàn)階段，應(yīng)該對(duì)投資生物質(zhì)能產(chǎn)業(yè)的企業(yè)在稅收上給予優(yōu)惠，以調(diào)動(dòng)企業(yè)的積極性[17-18]。在制定政策時(shí)，可以結(jié)合我國(guó)國(guó)情與國(guó)外成熟的理念和體系，建立符合我國(guó)國(guó)情的稅收政策。

4 結(jié)語(yǔ)

秸稈沼氣產(chǎn)業(yè)化綜合利用的“青縣模式”是一項(xiàng)惠及能源、環(huán)保、農(nóng)業(yè)的多贏工程，符合國(guó)家可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略。盡管“青縣模式”在推廣過(guò)程碰到了各種各樣的問題，但在當(dāng)?shù)卣?、政策制定者、?zhàn)略投資方、沼氣工程運(yùn)營(yíng)方和使用者等多方共同努力下這些問題均可以得到很好的解決，并具有良好的推廣前景。