在发达国家(特别是在欧盟国家)，以及某些发展中国家(如印度)，沼气利用的态势正在发生重大的转折，开始登上一个全新的台阶。即不但已实现了产业化——规模化地生产沼气，进而净化提纯，使之达到天然气的标准成为“生物天然气”(Bio-NG)，输入天然气管网或以CNG形式供车用。而且利用的主要目标已经从以往的“环保——能源型”，转变为经济地替代天然气以及替代煤(天然气)直接发电和供热(CHP)。其背后的推动力，首先是相应国家的政府希望扩大清洁能源，包括由可再生能源生产的所谓“绿色电能”的使用；减少对天然气进口的依赖；充分利用生物天然气的温室气体减排效应；再其次才是环保方面的需求，即妥善处理畜禽类粪便、城市垃圾(分捡有机物)以及城市污水处理产生的大量好氧污泥。
一、欧盟产业沼气规模迅速发展的光明前景
当前在欧盟国家中，法国、瑞典和奥地利等国的产业沼气发展最为迅速。德国的大型沼气工程数已由2000年的850个，增加到2009年的4780个，发电产能1600兆瓦(据德国沼气协会提供的数据，到2020年，沼气发电产能将达9500兆瓦)；瑞典的产业沼气主要用于纯化后替代天然气作车用燃料，全国已有一百多个加气站和4万辆应用生物天然气的汽车。在瑞士首都伯尔尼，已有1.5万辆应用生物天然气，其中大部分为大型公交车。2006年瑞典车用天然气量(2500万m3)已超过天然气(2000万m3)。仅2005-2006年间，欧盟25国的沼气能源作一次能源的消费量即增长了15.6%。据欧盟能源专家的估测，按最乐观的预测，至到2020年，生物沼气将可以替代其天然气的全部进口量，即每年从俄罗斯进口的约5000亿立方米。从长远看，产业沼气的潜力更为可观。据奥地利自然资源和应用生命科学大学的T.Amon教授等的研究，欧盟25国现有农作物耕地9300万公顷。按照兼顾食物、饲料和生物能源生产的需要布置可持续的轮作体系，能源作物占总面积的20%。其产甲烷率取中值(6500Nm3/公顷.年)，可年产甲烷1209亿Nm3，相当于替代1.04亿吨石油当量。
欧盟最新的设想是沿欧洲天然气管网周边建立若干条“沼气走廊”(Biogas corridors)，在其中建设沼气产业组合和沼气能源农场，种植就地利用的专用能源作物。所产沼气直接就近与天然气管道并网。
二、印度等在急起直追
印度仅牛粪每年有9.8亿吨。其沼气产出潜力 638亿m3，折合能量1.3×1012MJ。而2002年全国消费的天然气是227亿m3，以及730万吨液化石油气，折能1.08×1012MJ。也就是说，仅牛粪原料一项，如全部利用制沼气，即可替代天然气和液化石油气的总量。这还不包括工业/生活有机污水及城市垃圾所具有的沼气资源潜力。
作为一个发展中国家大国的印度，尽管其农户沼气池的数量(240万户)远远少于中国，但规模化沼气工程数量却已达到3380处；而且已开始沼气产业化的大规模行动。2007年底，欧洲最大的发展银行(DGE)投资1500万欧元，由德国Biogas NORD沼气公司技术承包，在马哈施特拉邦的三家甘蔗糖厂，利用甘蔗酒精的废渣/液作沼气发酵的原料，分别建立三个大型沼气工程，并对沼气加以纯化后装罐，运至孟买等大城市，替代天然气发动大轿车(附注：印度目前可能是全世界用天然气驱动城市公共汽车规模最大的国家，但天然气主要依靠进口)。印度国家技术研究院(IIT)的专家预言，生物沼气(bio-CNG)将成为该国未来最便宜的车用燃料，目前核算出的压缩纯化沼气成本，每公斤仅为0.55-0.61美元，以等能量折算，比柴油价格便宜50%。巴基斯坦尽管农户沼气池只有24万户，但也开始了沼气规模化生产和提纯用于运输车的试验示范。
三、相应于这种转折的需求，相应的技术变革应运而生
大型沼气工程和组合(Complex)
开发出密封性优良、内壁敷设加热管的钢质厌氧反应罐，取代了传统的钢筋混凝土厌氧反应罐；反应罐内设有连续搅拌装置，适用于产气率大幅提高的新工艺CSTR(连续搅拌罐式反应)；由于沼气批量地用于就地发电或纯化，出现了厌氧反应罐和小规模贮气囊一体化的池型，取消了造价高昂的传统大型储气罐；“沼气产业组合”(Biogas Complex)的概念系由德国Nawaro BioEnergie AG公司开发。基于这样的概念，该公司在邻近德波边界的小城彭肯(梅可伦堡-西波马伦尼亚州)建起了世界首个“生物能源园区”(BioEnergy Park)，并在2007年建成了由40个大型沼气反应罐及连带的若干后处理罐、沼渣/液贮存罐，热电连产设备和优质有机肥厂组成的“沼气产业组合”。占地20公顷，发电能力20MW，是目前全球规模最大的沼气工程联合体。
沼气原料的创新
传统的制取沼气原料——畜禽粪便以及好氧污泥已经不够用，为此开发了专用能源作物部分掺混以及单独使用作原料的新工艺。
专用能源作物的开发
已不再使用泛义的Energy crops(能源作物)一词，而改用指专门培育的、经过全株青贮后应用于沼气发酵的Dedicated crops(专用能源作物)。主要有玉米、甜菜，多年生或一年生牧草：苏丹草、芒草、黑麦草等。并发展了与粮油作物和饲料作物轮作的种植制度。
沼气提纯技术
沼气的甲烷含量为50%-65%，其他有C02，H2S，水气，H2，O2等，不能液化和高容积比地压缩，也就无法经济地运输和储存。因此以往沼气只能限于就地利用。或直接进锅炉替代一部分煤，或使用专用的燃气发电机发电。但这两种方式无论能效还是经济效益都很差。而作为沼气产业化和商业化应用的关键环节——净化和提纯，其目的是使沼气中的甲烷含量增至97%左右，并且不再含有H2S等杂气、水气和CO2含量很低，完全达到天然气的质量标准。既可直接进入天然气管网(“并网”)，也可便于压缩压罐，方便运输，达到与天然气一样的热值和燃烧品质而替代之。新西兰和德国的几家企业在这方面已有十余年的制造、安装和全程服务的经验，在欧盟国家及日本、韩国已建起了几十个处理能力为每小时1000m3-10000m3的沼气纯化工程。
建造沼气工程及技术服务高度社会化
在德国、瑞典等国出现了一批专业承建大型沼气工程组合“交钥匙工程”性的国际集团公司，联合了配套的专业公司，如沼气提纯设备企业、沼气发电机组企业等，从事相应的技术咨询、工程设计、建造承包直至销售后维修、保养的系统月日务。
四、沼气产业的巨大减排潜力
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，占温室气体年总排放量的13.5%(其中的C02，23%来自交通运输业)。据瑞典哥德堡市(该市已拥有提纯沼气加气站11处)交通运输局2000年的资料，以公共汽车每行驶1公里排出的温室气体(包括NOx和CO2)当量计，柴油为10539+(9.739×250)=3486g，天然气为5249+(1.19×250)=799g，而纯化沼气为2239+(5.449×250)=1583g。换句话说，用纯化后沼气驱动的公共汽车可比用柴油减少55%的温室气体排放量。另据瑞典隆德大学Pal Bonesson教授的资料，比较每获得用于汽车行驶做功的1兆焦能量，需要投入的不同能源所释放CO2当量(g)，汽油和柴油分别为80g和75g，生物柴油和生物乙醇分别为30g和23g；如果用畜禽粪尿产生的沼气(纯化)，考虑到生物质全生命周期的碳通量，以及畜禽粪便如不及时处理会释放的CH4(温室气体当量为CO2的21倍)，则其CO2当量排放量为-62g(负值)。因此，如果有足够的厩粪原料制沼气，提纯后用于替代一部分柴油，纯化沼气只要占到全部交通运输燃料55%的份额，交通运输的CO2(当量)总排放量就可以减为零。
五、我们应有的行动
近年来我国沼气事业发展很快，农户沼气池数已超过3000万个。大大领先于包括印度在内的任何国家，对缓解相当一部分农户的生活能源供应起到了很大的作用。还兼收水土保持、农村卫生之利等。然而，相比之下，大中型沼气工程的发展却步履蹒跚。虽然近十几年来累计兴建了2.66万个主要是与畜禽场配套的沼气工程，但由于设计结构、工艺和成本等存在很大问题，绝大部分工程运行不良，报废率很高，能保持正常运转的配套沼气工程估计不到1000个。始终未摆脱只有环保效益没有经济效益的窘境，总体上一直停留在“示范”阶段。与此同时，规模化畜禽场的数量却不断增加。2007年年，全国年出栏千头以上商品猪的规模化猪场达40910个，年存栏5万只以上的规模化蛋鸡场达1006个，年存栏200头以上的规模化奶牛场达到3443个，年出栏500头以上商品牛的规模化肉牛场达19315个，总计近6.5万个。至于中型养殖场和养殖小区的数量更超过百万个。
据估算，我国沼气的四大传统资源——畜禽粪便，生活/工业有机废液，城市垃圾(有机物部分)及城市污水好氧污泥的产沼气理论潜力为1500亿m3沼气，折合860亿m3甲烷，可替代近900亿m3的天然气，比2008年我国天然气的实际消费量还多出近200亿m3。如果再计入农作物秸秆和用一部分边际土地种植专用能源作物，则沼气潜力将超出2500亿m3沼气，折合约1600亿m3天然气。即便只开发15%，就是240亿m3天然气，足以弥补有关部们预测的到2020年我国天然气的供应缺口。近年来，包括中国农业大学生物质工程中心与有关企业(如杭州能源环保工程公司和广西必佳微生物工程公司)，联合或单独开发建成的几个大型沼气工程，都已做到利用酒精废滚或鸡粪，达到日产沼气超过1万m3沼气的产能规模。以生物天然气为车用燃料的试点正在河南、广西、北京、山东和海南建设之中。
我国石油供应紧缺，进口依存度E超过50%；而有约34%的石油用于交通运输。车辆总数正在以每年近1500万辆的速度增加。在车用燃料中，柴油和汽油的消费量之比又高达2.5：1(2007年)。与此同时，我国的天然气资源也相当紧缺，需要从中亚和大洋洲等地大量进口。再就是我们已经向世界庄严承诺了温室气体的减排率。既要较快地发展经济，又要减少温室气体的排放，压力很大。至于沼气的原料，除了城市污水和垃圾外，基本都在农村和农业部门，因此，无论从替代化石能源，还是减排温室气体，以及有利于农村发展和农民增收的角度看，都需要决策层尽快作出决断。借鉴国外成功经验，迅速开发我们的产业沼气，使之为经济和社会的可持续发展作出重要的贡献。
(本文作者：程序 中国农业大学生物质工程中心)
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