|
龐云芝，李秀金
(北京化工大學資源與環(huán)境研究中心，北京100029)
摘要：對中國目前沼氣發(fā)展狀況和存在問題進行了分析，對中國沼氣產(chǎn)業(yè)化的途徑進行了探討。指出沼氣產(chǎn)業(yè)化要結合社會主義新農(nóng)村建設發(fā)展集中供氣，發(fā)展車用替代燃料和替代石油、天然氣生產(chǎn)化工原料和產(chǎn)品。需要開發(fā)的關鍵技術有秸稈生物氣化技術、沼氣凈化提純技術和催化合成技術等。
1中國沼氣生產(chǎn)現(xiàn)狀和產(chǎn)業(yè)化方面存在的問題
中國是世界上最大的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)國，每年要產(chǎn)生大量的農(nóng)業(yè)廢棄物。農(nóng)業(yè)廢棄物主要是作物秸稈、畜禽糞便和農(nóng)產(chǎn)品加工副產(chǎn)物。目前，中國每年產(chǎn)生作物秸稈約6億t，畜禽糞便21億t，農(nóng)產(chǎn)品加工廢棄物1億t。這些農(nóng)業(yè)廢棄物有相當一部分未得到有效的處理，不僅是資源的浪費，同時對環(huán)境也造成了嚴重的污染。通過厭氧生物消化的方法生產(chǎn)沼氣是實現(xiàn)農(nóng)業(yè)廢物資源化和減少其環(huán)境污染的重要途徑之一。
近幾年來，在中央、農(nóng)業(yè)部以及各級政府的大力推動下，以農(nóng)村沼氣建設為突破口，大力推廣各類適用技術，沼氣生產(chǎn)取得了顯著成效。在農(nóng)村沼氣方面，到2005年底已建成戶用沼氣池1807萬個，年產(chǎn)沼氣約65億m3，折合464萬t標準煤；建成以集約化畜禽養(yǎng)殖場為主的大中型沼氣工程3556處；在作物秸稈生物氣化方面，也從試點到開始逐步推廣。不論在推廣數(shù)量，還是在技術水平上，中國農(nóng)村戶用沼氣在國際上都有重要的影響，并處于領先地位。但是，還遠未形成產(chǎn)業(yè)，離“產(chǎn)業(yè)化”還有很大差距。就沼氣產(chǎn)業(yè)化而言，存在的主要問題是：
(1)戶用沼氣局限問題。目前中國的沼氣生產(chǎn)主要還是以戶用小沼氣為主，池容一般只有幾立方米，產(chǎn)生的沼氣也主要用于農(nóng)戶燒鍋做飯；而且，這些小沼氣的建設大都是在國家支持的情況下建設的，如果沒有國家的支持，推廣起來是非常困難的。因此，盡管中國小沼氣發(fā)展勢頭良好，數(shù)量很大，但規(guī)模小、技術水平低、沼氣的利用更多的是“自產(chǎn)自消”型。這種小沼氣無論是現(xiàn)在還是將來，都無法形成規(guī)模化和形成產(chǎn)業(yè)。
(2)沼氣工業(yè)化生產(chǎn)問題。農(nóng)業(yè)部門的大中型沼氣站主要建在規(guī)模化的畜禽養(yǎng)殖廠，受養(yǎng)殖廠數(shù)量、規(guī)模和地域的限制，其數(shù)量有限，規(guī)模也不大(以幾百m3。的為多)。與其他行業(yè)大型沼氣廠相比，農(nóng)業(yè)部門所謂的“大中型沼氣”實際上是非常小的。不論是國外還是國內(nèi)，大型沼氣廠建在污水處理廠的較多，主要用于消化污水好氧生物處理產(chǎn)生的剩余污泥，其規(guī)模一般都在幾千到幾萬m3。例如，中國最大的沼氣生產(chǎn)廠北京高碑店污水處理廠，共有16個消化罐，每個消化罐的容積為7850m3。，總容積達12.56萬m3。。中國北京和天津市政設計院設計的、用于污泥消化的單體消化罐的容積最大已達10500m3。要實現(xiàn)農(nóng)業(yè)系統(tǒng)沼氣生產(chǎn)的產(chǎn)業(yè)化，大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)是前提，因為，產(chǎn)業(yè)化就意味著必須工業(yè)化。
(3)沼氣高值利用問題。沼氣的利用途徑單一，利用價值較低，影響了沼氣產(chǎn)業(yè)化的形成和發(fā)展。目前，戶用小沼氣主要用于燒鍋做飯，利用價值非常低；較大規(guī)模的沼氣廠生產(chǎn)的沼氣也主要用于炊事、供熱等，少數(shù)用于發(fā)電，其利用價值也不高。在中國的許多地方，沼氣基本是福利性的供給，收費很低甚至免費供給。沼氣的價值得不到應有的體現(xiàn)，生產(chǎn)者得不到收益就沒有積極性。沒有人愿意投資這樣的行業(yè)，沼氣行業(yè)就不可能大發(fā)展，也就無法形成一個獨立的產(chǎn)業(yè)。
2沼氣產(chǎn)業(yè)化途徑
中國的沼氣生產(chǎn)要形成產(chǎn)業(yè)，就必須要從現(xiàn)在的主要局限于農(nóng)村和農(nóng)戶，逐步向工業(yè)化生產(chǎn)和工業(yè)化應用方面轉變。也就是說，沼氣要實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)，同時，生產(chǎn)出的沼氣也要在滿足農(nóng)村和農(nóng)戶使用的同時，轉向工業(yè)領域的應用。因為，只有實現(xiàn)了工業(yè)化生產(chǎn)，才能產(chǎn)生規(guī)模效益，這是產(chǎn)業(yè)化的前提；而只有轉向工業(yè)領域應用，才能實現(xiàn)沼氣的高值利用和實現(xiàn)沼氣的實際價值。
只有這樣，才能在農(nóng)村形成一個巨大的沼氣產(chǎn)業(yè)，在滿足農(nóng)村和農(nóng)民需求的同時，走出農(nóng)村和農(nóng)業(yè)，開辟新的產(chǎn)業(yè)化途徑，為農(nóng)業(yè)和農(nóng)村開辟新的致富之路。結合中國的具體情況，筆者認為中國沼氣產(chǎn)業(yè)化有如下幾條發(fā)展途徑。
2.1結合社會主義新農(nóng)村建設，發(fā)展專業(yè)化的沼氣集中生產(chǎn)和供氣
由于中國地域廣闊，區(qū)域特點明顯，各地經(jīng)濟發(fā)展水平相差很大，在今后相當長的時間內(nèi)，戶用小沼氣仍需要大力推廣。但同時也要看到中國社會主義新農(nóng)村建設對清潔能源的需求。社會主義新農(nóng)村建設是中國一項長期的戰(zhàn)略任務，包含了許多建設內(nèi)容，各地的建設內(nèi)容也不盡完全相同。但都會包含清潔能源使用這一重要內(nèi)容。例如，江西省提出了“三通一氣”建設內(nèi)容，“三通”即路通、水通、電話通，“一氣”即指沼氣。新農(nóng)村建設都要求小村合并、集中和統(tǒng)一規(guī)劃，因而具備了集中供氣的條件，對這樣一些新建村莊以及農(nóng)村的中心鎮(zhèn)，就不再適宜發(fā)展戶用小沼氣了，發(fā)展集中供氣就具有了更多的優(yōu)勢，顯得更為必要。
每個村或鎮(zhèn)可建設一個沼氣站，利用本村鎮(zhèn)產(chǎn)生的生活垃圾、人畜糞便和秸稈等廢棄物集中生產(chǎn)沼氣，沼氣通過管道送往各家各戶，就像城市使用管道煤氣一樣清潔、衛(wèi)生和方便。其優(yōu)點在于：(1)不再需要每家每戶都建設沼氣池和每家每戶都要投入人力進行日常管理，節(jié)約人力、財力和方便農(nóng)戶；(2)沼氣站規(guī)模較大，有懂技術的專人進行管理，有利于提高生產(chǎn)效率和更好地保障穩(wěn)定的供氣；(3)避免小沼氣那樣的“百戶人家百戶池”的散亂現(xiàn)象，也有利于改善新農(nóng)村的環(huán)境和更好地樹立新農(nóng)村的良好形象；(4)可實行規(guī)?；a(chǎn)和商業(yè)化運作，可由專業(yè)公司設計、建設和經(jīng)營沼氣站，沼氣按實際價值收取費用，這樣既可大幅提高沼氣生產(chǎn)的技術水平，也可實現(xiàn)市場化運行。
隨著社會主義新農(nóng)村建設步伐的加快和建設數(shù)量的增加，越來越多的自然村鎮(zhèn)要進行改造和重新建設，對清潔、方便能源的需求會越來越大，對環(huán)境的要求也會越來越高。利用村鎮(zhèn)和農(nóng)業(yè)產(chǎn)生的廢棄物就地轉化，集中生產(chǎn)和供給沼氣，既可改善村鎮(zhèn)環(huán)境，又可生產(chǎn)清潔能源，是社會主義新農(nóng)村建設的必要內(nèi)容。可以預見，越來越多的新建村鎮(zhèn)將使用集中供氣，并逐步替代戶用小沼氣，形成新形勢下的新農(nóng)村能源產(chǎn)業(yè)。
2.2生產(chǎn)車用替代燃料，發(fā)展農(nóng)村能源工業(yè)
沼氣在能源方面的利用主要有炊事、供暖和沼氣發(fā)電等。用作炊事、供暖，難以形成一個產(chǎn)業(yè)。而由于中國沼氣生產(chǎn)的規(guī)模較小，空間布局分散，發(fā)電和輸送設備投資大，發(fā)電量少而成本又高，入網(wǎng)又困難，與煤電廠的發(fā)電效率和規(guī)模效益相比不可同日而語，此外，中國的煤炭資源又非常豐富，因此，在近階段，要把沼氣發(fā)電作為一個能源產(chǎn)業(yè)來發(fā)展還具有相當?shù)碾y度。而隨著中國社會經(jīng)濟的發(fā)展和人們生活水平的提高，汽車的保有量將會快速增加。2004年，中國民用車保有量為2382萬輛，預測，到2020年將發(fā)展到14000萬輛。中國又是一個缺油的國家。因此，利用沼氣發(fā)展車用燃料會更有價值，具有更為廣闊的發(fā)展前景。
汽車的快速發(fā)展需要消耗大量的燃料。近年來，由于石油價格的飆升和環(huán)境污染的加劇，人們把注意力開始轉向更為清潔和廉價的天然氣。與汽油、柴油、乙醇相比，以甲烷為主要成分(一般占95%以上)的天然氣燃燒時釋放出的溫室氣體最低，是更為清潔的能源，因而，得到了越來越廣泛的應用。目前，全球有410萬輛壓縮天然氣汽車，8300座加氣(油)站。為改善城市環(huán)境質量，中國從1999年開始實施了《清潔汽車行動》計劃，確定在北京、上海、天津等12個城市和地區(qū)作為清潔汽車示范城市，發(fā)展液化石油氣汽車(LPG)和壓縮天然氣(CNG)汽車。到2004年，北京已建有72座加氣站，有2萬多輛公交車和出租車在使用燃氣，其中CNG加氣站30個，使用CNG的公交車有1800輛，并計劃到2008年發(fā)展到8000輛。CNG雖好，但畢竟是不可再生的化石資源，而且這幾年由于價格的持續(xù)升高，其吸引力正在下降；并且，也不是所有的城市都像北京這樣有充足的天然氣可供使用。
沼氣的主要成分是CH4和CO2，此外，還含有一些其他微量成分，不能直接車用。通過采用變壓吸附(PSA)、水洗、Selexol(聚乙二醇二甲醚)、碳酸丙烯酯和堿溶液吸收等物理和化學方法，可有效地去除沼氣中的CO2和H2S等雜質，使得沼氣中甲烷的含量提高到97%～99%。凈化提純后的沼氣稱“車用沼氣”，既可替代汽油，也可替代現(xiàn)有的CNG作為車用燃料。但與天然氣相比，它具有可利用廢棄物生產(chǎn)、不受氣源和地域限制、可再生等特點。
研究表明，1標準m3的車用沼氣相當于1.15L汽油的燃燒值。若按天然氣價格計，1標準m3的車用沼氣的價格在2.2～2.8元之間，而1.15L93號汽油的價格現(xiàn)階段則為5.85元，兩者相差一倍多。而且，中國汽油的價格尚未與國際接軌，以后的價格還會繼續(xù)攀升，則車用沼氣的價格優(yōu)勢會更具吸引力。此外，以甲烷為主要成分的車用沼氣的生產(chǎn)本身是消除環(huán)境中污染物的清潔過程，其使用又是一個清潔的過程，制造與利用的雙向清潔過程使車用沼氣將會更受人們的青睞。
根據(jù)國際能源署2005年的研究報告，目前，已有美國、德國、法國等7個國家有規(guī)?；能囉谜託馍a(chǎn)廠23個，其中瑞典做的最好。到2005年底，瑞典全國有5000多輛沼氣汽車，加氣(油)站逐年成倍增加，已達70余座。其中，首都斯德哥爾摩的2路車(共24輛)全部使用的是凈化沼氣作燃料(稱biogasbus)。Linkoping市共7路公交車全部使用的是車用沼氣，并且還生產(chǎn)出了世界上第一列沼氣火車，運行在Vastervik市和Linkop-ing市之間。該火車可連續(xù)運行600km，最高時速可達130km/h。
車用沼氣生產(chǎn)和使用的工藝流程如圖1。只要在厭氧發(fā)酵后增加一套凈化提純設備和儲氣罐即可，加氣站也可利用現(xiàn)有站點，中國汽車改裝技術也比較成熟。因此，從技術上沒有障礙，其關鍵是沼氣的凈化提純技術。
2.3生產(chǎn)化工原料和產(chǎn)品，發(fā)展沼氣化工工業(yè)
石油、天然氣是最基本的化工原料，而中國是一個“富煤平油少氣”的國家。中國已探明的石油、天然氣儲量僅占世界儲量的2.4%和1.2%，資源保證年限分別只有20.1年和49.3年。另一方面，中國已成為世界石化產(chǎn)品消費最大的國家，約22.1%的石油用于生產(chǎn)化工產(chǎn)品。而且，石油、天然氣是不可再生的化石原料，隨著社會經(jīng)濟需求的快速增加和資源量的迅速減少，保障供給和提高價格都將是中國能源和化工行業(yè)面臨的急迫的重大戰(zhàn)略問題。2005年中國石油進口依賴度為43%。
預測2010年和2020年將分別達到61.0%和76.9%。據(jù)報道，到2020年中國的石油僅能滿足石油化學工業(yè)50%的原料需求。因此，尋求可再生替代資源生產(chǎn)化學品不僅是世界發(fā)展的大趨勢，也是中國面臨的急需解決的重大問題。沼氣的主要成分CH4和CO2是基本的化工生產(chǎn)原料，以其為基礎，可生產(chǎn)多種高附加值的化工產(chǎn)品。
1)生產(chǎn)CH4和CO2工業(yè)氣體。通過凈化提純技術，可從沼氣中把CH4和CO2直接分離出來，作為工業(yè)氣體使用。CH4可用來替代天然氣合成燃料和多種基礎化學品。
2)生產(chǎn)合成氣(CO+H2)。在化學工業(yè)領域，合成氣(CO+H2)是非常重要的化工原料，可用來生產(chǎn)多種化工產(chǎn)品。化學工業(yè)上，合成氣(CO+H2)一般由CH4和CO2經(jīng)催化重整制取(CH4+CO2→2CO+2H2，$H298=247kJ/mol)或由天然氣(CH4)經(jīng)水蒸氣重整的方法生產(chǎn)(CH4+H2O→CO+3H2，$H298=206kJ/mol)，其中CH4來自天然氣。天然氣是化石原料，也是不可再生的緊缺原料，此外，其制取過程是一個強吸熱、高耗能的化學反應過程，也不符合資源節(jié)約和環(huán)境保護的要求。
而通過厭氧消化生產(chǎn)沼氣是一個非常“溫和”的生物學過程，該過程產(chǎn)生的沼氣的主要成分正好是天然的CH4和CO2混合物(分別占60%和35%左右)。利用沼氣(CH4+CO2)經(jīng)催化劑重整制取合成氣(CH4+CO2→2CO+2H2)，則可替代目前廣泛使用的以化石原料天然氣(CH4)生產(chǎn)合成氣的方法，開辟低耗、低成本的利用非化石的農(nóng)業(yè)廢棄物生產(chǎn)化學品的綠色、清潔生產(chǎn)新工藝。
3)生產(chǎn)化工產(chǎn)品。從沼氣中提取出的CH4和CO2以及以沼氣為原料制取的合成氣(CO+H2)是基本的化工生產(chǎn)原料，可進一步生產(chǎn)多種高附加值的液體燃料和化工產(chǎn)品。例如，CH4可直接轉化成乙炔、氫氣、炭黑、氯甲烷、氫氰酸、硝基甲烷和二硫化碳等，也可首先轉化成合成氣，然后再合成氨生產(chǎn)化肥，或經(jīng)費托(T-T)合成制取液體燃料如汽油、柴油，也可轉化成甲醇、二甲醚、低碳混合醇和低碳烯烴等一系列重要的化工產(chǎn)品，其中甲醇和二甲醚可直接用作車用燃料，替代汽油。
與以化石原料石油、天然氣相比，以沼氣為原料生產(chǎn)化工產(chǎn)品具有重要的戰(zhàn)略意義和潛在的發(fā)展前景。首先，實現(xiàn)了沼氣戶用向工業(yè)化應用的重大轉變，可把農(nóng)業(yè)廢棄物轉化成高附加值的化工原料和產(chǎn)品，在農(nóng)村形成一個新的產(chǎn)業(yè)—沼氣化工工業(yè)，為農(nóng)業(yè)和農(nóng)村開辟出新的致富之路。其次，減少了化工產(chǎn)品生產(chǎn)對化石原料的依賴，實現(xiàn)從“化石原料”化工向“生物原料”化工的轉變，可改變中國化學工業(yè)長期依賴化石原料的局面，對實現(xiàn)化學工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展具有開創(chuàng)性和革命性的意義，也為化學工業(yè)的未來開辟出新的發(fā)展道路。因此，盡管以沼氣生產(chǎn)化工產(chǎn)品還是一個新的課題，目前還沒有實質性的工業(yè)應用，但是，從現(xiàn)在起就要做好技術研發(fā)工作，為以后的發(fā)展做技術準備。
3關鍵技術
針對上述產(chǎn)業(yè)化途徑，近期需要解決的關鍵技術主要有如下幾個方面。
3.1秸稈生物氣化技術
常用的沼氣生產(chǎn)原料是人畜糞便、食品廢物和有機垃圾等，但是，這些原料的來源是有限的，不是所有的地方都可以獲得這些原料，這就大大限制了沼氣生產(chǎn)的發(fā)展。沼氣要作為一個產(chǎn)業(yè)發(fā)展，就必需要有充足和有保障的原料。中國的作物秸稈遍布全國各地，具有來源廣泛，收集、儲存方便，價格便宜等特點，是最可利用的沼氣生產(chǎn)原料，其本身也需要尋找出路。但是，由于秸稈的木質纖維素含量較高，不能被厭氧菌有效地降解，相對于畜禽糞便等易消化的物料，秸稈的生物氣化要困難的多。因此，還有一些特殊的關鍵技術問題需要解決。首先，需要研究各種預處理方法，通過預處理提高秸稈的可生物消化性能、消化效率和產(chǎn)氣率。其次，要針對秸稈密度小、體積大、不具有流動性等特性，研究適合其物料特性的專用高效厭氧消化反應器，并研究出最優(yōu)的反應器運行參數(shù)。
目前，秸稈的干發(fā)酵、生物膜式兩項厭氧消化技術比較適合秸稈的物料特性，是發(fā)展的方向。通過這些技術的組合運用，才能實現(xiàn)秸稈的高效消化和提高其經(jīng)濟性。北京化工大學資源與環(huán)境研究中心對秸稈高效厭氧消化技術進行了比較深入的研究，并在山東泰安建成了利用秸稈生產(chǎn)沼氣的第一個農(nóng)業(yè)部示范項目，獲得了預期的效果，農(nóng)業(yè)部已確定今年在全國再建四個同類型的示范項目。該技術的開發(fā)成功可為沼氣的工業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn)和沼氣的產(chǎn)業(yè)化提供保障。
3.2沼氣凈化提純技術
不論是生產(chǎn)車用沼氣，還是生產(chǎn)化學品，都需要首先對沼氣進行凈化提純，沼氣的凈化提純技術對沼氣的深層次、高附加值利用是至關重要的。汽車對燃料的要求是非常嚴格的，要保證其使用對發(fā)動機不能有任何損壞和不利的影響。沼氣主要成分是CH4和CO2，此外，還含有H2S等其他微量成分，需要凈化提純到一定的標準后方可使用。凈化提純的主要任務是去除CO2和H2S。
目前，比較普遍采用的CO2凈化方法是變壓吸附法和水洗法。H2S主要有干法、濕法和生物脫除幾種方法，干法常采用F2O3和活性碳作脫硫劑；濕法主要有堿液吸收和加壓水洗等；生物脫硫需要培養(yǎng)專門的脫硫菌來除硫。通過上述方法，可有效地去除沼氣中的CO2和H2S等雜質，使得沼氣中甲烷的含量提高到95%～97%。
目前，只有德國、瑞典和瑞士這3個國家制訂了專門的車用沼氣標準，中國只能借用《車用壓縮天然氣國家標準》(GB1807-2000)。這些標準一般都規(guī)定車用沼氣中甲烷的含在95%～97%之間，H2S含量在15ppm以下，此外，還對O2和N2含量以及露點等有所規(guī)定。由于原料來源、消化方式等的不同，沼氣成分的變化是比較大的，因此，一種技術組合是不能完全解決問題的。中國目前還沒有專門針對車用沼氣凈化提純的技術和工業(yè)化裝置，以后的主要任務是結合不同沼氣的成分特點，借鑒國外的技術，對這些技術進行具體的研究和有針對性地設計凈化提純工藝和確定運行參數(shù)。
3.3催化合成技術
生物氣產(chǎn)生于“生物反應器”，而合成氣產(chǎn)生于“化學反應器”，需要把兩者結合在一起構建一個完整的工藝系統(tǒng)，才能達到利用沼氣生產(chǎn)高值化工產(chǎn)品的最終目的。在化學工業(yè)，用CH4和CO2氣體來制取合成氣(CO+H2)的技術已經(jīng)比較成熟，工業(yè)用CH4和CO2氣體可按化學反應要求自由配比，工藝技術也比較成熟。雖然生物氣經(jīng)凈化提純后CH4和CO2含量可以達到97%以上，但其中仍含有微量的其他氣體成分，對催化劑有“毒害”作用，對合成過程會產(chǎn)生不利的影響；此外，其CH4和CO2含量分別占60%和35%，而CH4和CO2的反應式是CH4+CO2→2CO+2H2($H298=247kJ/mol)，要求CH4和CO2是1∶1的關系，因此，還需要根據(jù)厭氧消化過程中生物氣產(chǎn)生量和成分特點，調變生物氣制合成氣工藝流程及化學反應過程(例如在反應原料氣中加入少量氧氣)。在研制出的新型催化劑的催化轉化下，使生物氣完全轉化為合成氣，最終建立將厭氧生物降解過程與生物氣制合成氣的化學過程耦合為一體的、完整的新工藝過程，以最終用于實用。
4討論
中國沼氣的生產(chǎn)和使用要在政府支持下繼續(xù)發(fā)展。在繼續(xù)大力推廣戶用小沼氣、滿足分散的家庭農(nóng)戶使用的同時，逐步走出農(nóng)村和農(nóng)戶，向沼氣工業(yè)化生產(chǎn)和工業(yè)化應用方面轉變，最終建立農(nóng)村沼氣產(chǎn)業(yè)，為農(nóng)業(yè)、農(nóng)村和農(nóng)民開辟新的致富之路。目前，首先要結合中國社會主義新農(nóng)村建設，大力發(fā)展沼氣的集中生產(chǎn)和供氣，并實行專業(yè)化管理和市場化運作；其次，結合中國汽車工業(yè)的快速發(fā)展和國際石油價格的持續(xù)走高，大力發(fā)展車用沼氣，開辟新的應用領域和提升沼氣的利用價值；最后，積極開展沼氣在化學工業(yè)方面的應用基礎研究，為未來發(fā)展提前做好技術準備。同時，積極做好相關關鍵技術的研究開發(fā)，為沼氣產(chǎn)業(yè)化發(fā)展提供技術支持。 |
