在發達國家(特別是在歐盟國家)，以及某些發展中國家(如印度)，沼氣利用的態勢正在發生重大的轉折，開始登上一個全新的臺階。即不但已實現了產業化——規?；厣a沼氣，進而凈化提純，使之達到天然氣的標準成為“生物天然氣”(Bio-NG)，輸入天然氣管網或以CNG形式供車用。而且利用的主要目標已經從以往的“環保——能源型”，轉變為經濟地替代天然氣以及替代煤(天然氣)直接發電和供熱(CHP)。其背后的推動力，首先是相應國家的政府希望擴大清潔能源，包括由可再生能源生產的所謂“綠色電能”的使用；減少對天然氣進口的依賴；充分利用生物天然氣的溫室氣體減排效應；再其次才是環保方面的需求，即妥善處理畜禽類糞便、城市垃圾(分撿有機物)以及城市污水處理產生的大量好氧污泥。
一、歐盟產業沼氣規模迅速發展的光明前景
當前在歐盟國家中，法國、瑞典和奧地利等國的產業沼氣發展最為迅速。德國的大型沼氣工程數已由2000年的850個，增加到2009年的4780個，發電產能1600兆瓦(據德國沼氣協會提供的數據，到2020年，沼氣發電產能將達9500兆瓦)；瑞典的產業沼氣主要用于純化后替代天然氣作車用燃料，全國已有一百多個加氣站和4萬輛應用生物天然氣的汽車。在瑞士首都伯爾尼，已有1.5萬輛應用生物天然氣，其中大部分為大型公交車。2006年瑞典車用天然氣量(2500萬m3)已超過天然氣(2000萬m3)。僅2005-2006年間，歐盟25國的沼氣能源作一次能源的消費量即增長了15.6%。據歐盟能源專家的估測，按最樂觀的預測，至到2020年，生物沼氣將可以替代其天然氣的全部進口量，即每年從俄羅斯進口的約5000億立方米。從長遠看，產業沼氣的潛力更為可觀。據奧地利自然資源和應用生命科學大學的T.Amon教授等的研究，歐盟25國現有農作物耕地9300萬公頃。按照兼顧食物、飼料和生物能源生產的需要布置可持續的輪作體系，能源作物占總面積的20%。其產甲烷率取中值(6500Nm3/公頃.年)，可年產甲烷1209億Nm3，相當于替代1.04億噸石油當量。
歐盟最新的設想是沿歐洲天然氣管網周邊建立若干條“沼氣走廊”(Biogas corridors)，在其中建設沼氣產業組合和沼氣能源農場，種植就地利用的專用能源作物。所產沼氣直接就近與天然氣管道并網。
二、印度等在急起直追
印度僅牛糞每年有9.8億噸。其沼氣產出潛力 638億m3，折合能量1.3×1012MJ。而2002年全國消費的天然氣是227億m3，以及730萬噸液化石油氣，折能1.08×1012MJ。也就是說，僅牛糞原料一項，如全部利用制沼氣，即可替代天然氣和液化石油氣的總量。這還不包括工業/生活有機污水及城市垃圾所具有的沼氣資源潛力。
作為一個發展中國家大國的印度，盡管其農戶沼氣池的數量(240萬戶)遠遠少于中國，但規模化沼氣工程數量卻已達到3380處；而且已開始沼氣產業化的大規模行動。2007年底，歐洲最大的發展銀行(DGE)投資1500萬歐元，由德國Biogas NORD沼氣公司技術承包，在馬哈施特拉邦的三家甘蔗糖廠，利用甘蔗酒精的廢渣/液作沼氣發酵的原料，分別建立三個大型沼氣工程，并對沼氣加以純化后裝罐，運至孟買等大城市，替代天然氣發動大轎車(附注：印度目前可能是全世界用天然氣驅動城市公共汽車規模最大的國家，但天然氣主要依靠進口)。印度國家技術研究院(IIT)的專家預言，生物沼氣(bio-CNG)將成為該國未來最便宜的車用燃料，目前核算出的壓縮純化沼氣成本，每公斤僅為0.55-0.61美元，以等能量折算，比柴油價格便宜50%。巴基斯坦盡管農戶沼氣池只有24萬戶，但也開始了沼氣規?；a和提純用于運輸車的試驗示范。
三、相應于這種轉折的需求，相應的技術變革應運而生
大型沼氣工程和組合(Complex)
開發出密封性優良、內壁敷設加熱管的鋼質厭氧反應罐，取代了傳統的鋼筋混凝土厭氧反應罐；反應罐內設有連續攪拌裝置，適用于產氣率大幅提高的新工藝CSTR(連續攪拌罐式反應)；由于沼氣批量地用于就地發電或純化，出現了厭氧反應罐和小規模貯氣囊一體化的池型，取消了造價高昂的傳統大型儲氣罐；“沼氣產業組合”(Biogas Complex)的概念系由德國Nawaro BioEnergie AG公司開發?；谶@樣的概念，該公司在鄰近德波邊界的小城彭肯(梅可倫堡-西波馬倫尼亞州)建起了世界首個“生物能源園區”(BioEnergy Park)，并在2007年建成了由40個大型沼氣反應罐及連帶的若干后處理罐、沼渣/液貯存罐，熱電連產設備和優質有機肥廠組成的“沼氣產業組合”。占地20公頃，發電能力20MW，是目前全球規模最大的沼氣工程聯合體。
沼氣原料的創新
傳統的制取沼氣原料——畜禽糞便以及好氧污泥已經不夠用，為此開發了專用能源作物部分摻混以及單獨使用作原料的新工藝。
專用能源作物的開發
已不再使用泛義的Energy crops(能源作物)一詞，而改用指專門培育的、經過全株青貯后應用于沼氣發酵的Dedicated crops(專用能源作物)。主要有玉米、甜菜，多年生或一年生牧草：蘇丹草、芒草、黑麥草等。并發展了與糧油作物和飼料作物輪作的種植制度。
沼氣提純技術
沼氣的甲烷含量為50%-65%，其他有C02，H2S，水氣，H2，O2等，不能液化和高容積比地壓縮，也就無法經濟地運輸和儲存。因此以往沼氣只能限于就地利用?；蛑苯舆M鍋爐替代一部分煤，或使用專用的燃氣發電機發電。但這兩種方式無論能效還是經濟效益都很差。而作為沼氣產業化和商業化應用的關鍵環節——凈化和提純，其目的是使沼氣中的甲烷含量增至97%左右，并且不再含有H2S等雜氣、水氣和CO2含量很低，完全達到天然氣的質量標準。既可直接進入天然氣管網(“并網”)，也可便于壓縮壓罐，方便運輸，達到與天然氣一樣的熱值和燃燒品質而替代之。新西蘭和德國的幾家企業在這方面已有十余年的制造、安裝和全程服務的經驗，在歐盟國家及日本、韓國已建起了幾十個處理能力為每小時1000m3-10000m3的沼氣純化工程。
建造沼氣工程及技術服務高度社會化
在德國、瑞典等國出現了一批專業承建大型沼氣工程組合“交鑰匙工程”性的國際集團公司，聯合了配套的專業公司，如沼氣提純設備企業、沼氣發電機組企業等，從事相應的技術咨詢、工程設計、建造承包直至銷售后維修、保養的系統月日務。
四、沼氣產業的巨大減排潛力
交通運輸是僅次于燃煤發電和土地利用變化的第三大溫室氣體的排放源。就全球而言，占溫室氣體年總排放量的13.5%(其中的C02，23%來自交通運輸業)。據瑞典哥德堡市(該市已擁有提純沼氣加氣站11處)交通運輸局2000年的資料，以公共汽車每行駛1公里排出的溫室氣體(包括NOx和CO2)當量計，柴油為10539+(9.739×250)=3486g，天然氣為5249+(1.19×250)=799g，而純化沼氣為2239+(5.449×250)=1583g。換句話說，用純化后沼氣驅動的公共汽車可比用柴油減少55%的溫室氣體排放量。另據瑞典隆德大學Pal Bonesson教授的資料，比較每獲得用于汽車行駛做功的1兆焦能量，需要投入的不同能源所釋放CO2當量(g)，汽油和柴油分別為80g和75g，生物柴油和生物乙醇分別為30g和23g；如果用畜禽糞尿產生的沼氣(純化)，考慮到生物質全生命周期的碳通量，以及畜禽糞便如不及時處理會釋放的CH4(溫室氣體當量為CO2的21倍)，則其CO2當量排放量為-62g(負值)。因此，如果有足夠的廄糞原料制沼氣，提純后用于替代一部分柴油，純化沼氣只要占到全部交通運輸燃料55%的份額，交通運輸的CO2(當量)總排放量就可以減為零。
五、我們應有的行動
近年來我國沼氣事業發展很快，農戶沼氣池數已超過3000萬個。大大領先于包括印度在內的任何國家，對緩解相當一部分農戶的生活能源供應起到了很大的作用。還兼收水土保持、農村衛生之利等。然而，相比之下，大中型沼氣工程的發展卻步履蹣跚。雖然近十幾年來累計興建了2.66萬個主要是與畜禽場配套的沼氣工程，但由于設計結構、工藝和成本等存在很大問題，絕大部分工程運行不良，報廢率很高，能保持正常運轉的配套沼氣工程估計不到1000個。始終未擺脫只有環保效益沒有經濟效益的窘境，總體上一直停留在“示范”階段。與此同時，規?；笄輬龅臄盗繀s不斷增加。2007年年，全國年出欄千頭以上商品豬的規模化豬場達40910個，年存欄5萬只以上的規?；半u場達1006個，年存欄200頭以上的規?；膛鲞_到3443個，年出欄500頭以上商品牛的規?；馀鲞_19315個，總計近6.5萬個。至于中型養殖場和養殖小區的數量更超過百萬個。
據估算，我國沼氣的四大傳統資源——畜禽糞便，生活/工業有機廢液，城市垃圾(有機物部分)及城市污水好氧污泥的產沼氣理論潛力為1500億m3沼氣，折合860億m3甲烷，可替代近900億m3的天然氣，比2008年我國天然氣的實際消費量還多出近200億m3。如果再計入農作物秸稈和用一部分邊際土地種植專用能源作物，則沼氣潛力將超出2500億m3沼氣，折合約1600億m3天然氣。即便只開發15%，就是240億m3天然氣，足以彌補有關部們預測的到2020年我國天然氣的供應缺口。近年來，包括中國農業大學生物質工程中心與有關企業(如杭州能源環保工程公司和廣西必佳微生物工程公司)，聯合或單獨開發建成的幾個大型沼氣工程，都已做到利用酒精廢滾或雞糞，達到日產沼氣超過1萬m3沼氣的產能規模。以生物天然氣為車用燃料的試點正在河南、廣西、北京、山東和海南建設之中。
我國石油供應緊缺，進口依存度E超過50%；而有約34%的石油用于交通運輸。車輛總數正在以每年近1500萬輛的速度增加。在車用燃料中，柴油和汽油的消費量之比又高達2.5：1(2007年)。與此同時，我國的天然氣資源也相當緊缺，需要從中亞和大洋洲等地大量進口。再就是我們已經向世界莊嚴承諾了溫室氣體的減排率。既要較快地發展經濟，又要減少溫室氣體的排放，壓力很大。至于沼氣的原料，除了城市污水和垃圾外，基本都在農村和農業部門，因此，無論從替代化石能源，還是減排溫室氣體，以及有利于農村發展和農民增收的角度看，都需要決策層盡快作出決斷。借鑒國外成功經驗，迅速開發我們的產業沼氣，使之為經濟和社會的可持續發展作出重要的貢獻。
(本文作者：程序 中國農業大學生物質工程中心)
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