生物燃气产业发展背景
早在几年前，科技部就已经从国家战略高度，部署推进了我国生物燃气产业的发展。能源安全问题不仅影响经济发展，而且是国家安全的重要组成部分。《世界能源》杂志提出展望，预计到2030年，中国天然气需求量将从现在不到2000 亿立方米达到4000亿立方米。除国内生产和进口外，天然气缺口仍将达到2000亿立方米。科技部长万钢曾提出如下国家能源战略设想，即其中1500亿立方米的需求量可以通过煤制气来解决，剩下500亿立方米将由生物燃气弥补。目前，在世界范围内将生物燃气和可再生能源发展作为国家重大战略的国家不只中国一个。2011年，日本福岛核事故后，德国便开始加快推动能源转型战略，即“2020年彻底关闭其境内的全部核电站，且到2050年前，可再生能源使用比例提高至80%”。瑞典则提出，到2050年前后，生物燃气将全部取代石化天然气。无独有偶，英国政府和工业界则联合发布了厌氧消化战略和相应的行动计划。
从时间上看，我国提出生物燃气发展战略已经略晚于上述国家，但是，我国沼气资源量丰富，具有弥补天然气缺口的巨大潜力，且政策支持形势利好。据粗略估算，目前我国沼气资源量近2000亿立方米，到2050年，该值将超过3000亿。其中，农村畜禽粪污和未合理利用的秸秆占沼气资源量60%以上。随着生物燃气产业的发展，预计将会有更多的农业废弃物用于沼气生产。从体量和农业面源污染控制需求上看，农业废弃物沼气化是今后生物燃气产业化工作的重点。基于上述背景，继科技部之后，国家发改委与农业部联合印发了《2015年农村沼气工程转型升级工作方案》，明确提出了沼气转型升级要求，并支持日产生物天然气1万立方米以上的工程试点。此外，国家能源局也于近期进一步提出了“到2020年生物天然气年生产量和消费量目标达到100亿立方米，……到2030年，……超过400亿立方米”。这跟上面提到的500亿缺口是基本相当的。
在生物燃气产业政策利好的背景下，我国农业沼气工程大型化转型势在必行。2003-2014年，国家投资近400亿，建设有近10万座沼气工程，取得巨大成效。然而，以中小型工程为主，单座日产气量很低。德国等欧洲国家，均以大型沼气工程为主。据统计，2014年底，欧洲和德国的发电沼气工程数量约为17000和8000个，平均单个工程日产气量基本都在6000立方米左右，发电机500kW；欧洲和德国生物天然气工程数量虽然少，近年来发展却很快，分别约为370座和170座，单座平均日产生物燃气在1万立方米左右。从规模效应上看，建设5000到10000立方米生物燃气规模的沼气工程是比较合适的，这与发改委、农业部及能源局发布的数据相吻合。目前，我国农业沼气工程现状与目标存在很大差距。如何顺利实现大型化转型，是生物燃气产业发展的重中之重。
沼气工程大型化转型面临的难题及其破解思路
目前，我国农业沼气工程在原料收储运、集中处理、产品销售与利用等环节均不支持规模化生产，成为其大型化转型的重大难题。这里主要围绕其中的收储运环节进行分析。大家知道，秸秆直燃发电市场繁荣、投资踊跃却亏损严重，其主要难题在于如何选择合适的收集半径。通过分析发现，当原料收集半径由25km扩大到50km时，秸秆电厂年利润率将下降20-30%。而当收集半径为50km时，电厂的盈利能力基本处于临界状态。以1万方生物燃气工程为例，通过倒推其原料需求可知，若以猪粪为原料，需要有100个以上平均规模2000头存栏的养猪场为其提供原料；若以秸秆为原料，则需要25个村级收集站和2个乡镇服务中心。目前构建如此庞大且分散的收储运体系还存在一定困难。
实际上，三年前我们就在山东省发起了 “十万亿”燃气项目的倡议。在与山东省政府对接后，由环保厅落实实施，并于去年正式启动了“山东省畜禽污染防治与资源化三级网络体系构建研究”项目。在该项目中，针对不同环节研究解决问题途径，构建涵盖“收储运－生产处理－产品销售”全链条的“三级网络”体系。第一级网络是指原料的收集、储存、转运系统；第二级网络是指生产处理系统，包括厌氧消化、有机肥生产、沼气精制等；第三级网络是指生物燃气、肥料的销售利用系统。我们认为，构建面向农业废弃物资源化利用的三级网络系统，是破解沼气工程大型化转型难题的重要途径之一。
构建产业发展的三级网络系统
在收储运网络方面，需要兼顾农户受益、企业盈利、政府解决污染原则，形成以农户参与、企业主导、政府推动的现代化农业收储运网络体系。山东泉林集团建立了一套稳定秸秆收储网络，充分保障了企业秸秆全年需求。从他们的收储运模式图可以看出，一位专业收集户能覆盖1000亩的土地，收集规模是250吨，一个乡镇服务中心，能够覆盖30000到40000亩，收集规模是5000吨。在这基础上，将秸秆集中送到企业。总体来看，前两个环节的秸秆价格是比较低的。根据初步计算结果，即使在国家补贴情况下，过高的秸秆收购价也会导致沼气工程不盈利。因此，需要将秸秆的收储运控制在村镇范围内，而且还需要确定最优的收集半径。
结合废弃物资源密度、收集系数和存储费用等基础数据，可以通过构建收储运模型来确定每个区域的最优收集半径。通过以肥城为试点区域，根据农业废弃物资源密度，对沼气工程规模和年产沼气收入进行分析，进而确立了最优收集半径和工程布局。一期以畜禽粪便为主建设三个生物燃气项目，总生产规模为5万立方米；项目二期时同时考虑秸秆，总规模将达到12万立方米。此外，对山东全省的畜禽粪便和秸秆资源量也做了调研，并制定了山东省大型沼气工程布局远期规划，这对于推动山东省生物燃气产业发展具有重要指导意义。
在资源化生产技术网络方面，虽然其发展与应用相对比较成熟，在大型化转型过程中却仍然面临着技术、反应器、材料和设备的选择难题。在大型沼气工程建设与推广过程中，应构建几种简单且通用的技术设备模式，替代目前五花八门的选择。标准化设计、系列化产品和自动化运行是实现沼气工程产业化发展的必然要求和趋势。在沼气精制方面，不管是化学吸附、变压吸附、物理吸附等传统技术，还是近年来兴起的膜分离技术，都已经发展非常成熟。例如，山东十方的高效可移动式撬装沼气精制设备已经能够将脱水、脱硫、脱碳和压缩等单元集成到集装箱内，能缩短施工周期，减少占地面积。在沼渣沼液处理和资源化生产方面，目前开展的相关工作也很多，例如，我们可以通过利用反渗透膜浓缩，将沼液中营养物质提高十倍以上，为后续液肥生产提供基础。此外，利用现代网络技术进一步优化与提升资源化生产过程将是今后的一个重要发展趋势。
在生物燃气和肥料的销售利用方面，目前国内外生物燃气主要用于绿色公交、工业改造和居民燃气等，而农业废弃物生物燃气在克霾减排中的重要作用也值得关注。相比于火电厂燃煤，散煤燃烧的排放强度集中，低空排放且无任何污染防治措施，对雾霾的“贡献”更加突出。据估算，山东省村镇耗煤量约4500万t/年，其污染量相当于火电厂燃煤量为4.5亿-6.75亿t/年时的污染量。如果采用生物燃气替代散煤燃烧，将对控制雾霾有很大益处。对于沼液沼渣肥料，美国和欧洲基本将其还田利用，他们通过设置合适的标准，将生产方式、养殖业和种植业非常好地耦合在一起。我们业界的德青源和民和牧业在这块有很多成功的经验。这里分享另外一个案例，即南水北调项目中的丹江口库区禽畜养殖种养平衡示范工程。该项目由清华大学和牧原股份承担，通过利用厌氧消化和有机肥生产技术，使出栏30万头养猪场的畜禽污染物得到资源化处理，并应用于大田小麦、蔬菜和美国竹柳的种植，构建了“种植-养殖”循环的生态农业模式，取得良好的经济效益，实现了种养平衡的良性循环。然而，值得关注的是，最近我国首次发布了有关肥料抗生素残留检测的国家标准，有机肥料替代化肥可能存在环境污染风险也开始引起关注，预计今后以畜禽粪便为原料的有机肥利用将面临着重大挑战。
总结与展望
通过构建以厌氧消化为核心技术的三级网络系统，有望破解我国农业沼气工程大型化转型难题，进而促进生物燃气产业发展。最后，提出两点展望：
（1）互联网+三级网络可以加速生物燃气产业的发展。通过构建生物燃气产业互联网平台，实现农业废弃物收储运、资源化生产、产品销售利用产业链全生命周期跟踪管控，做到环境效益与经济效益、社会效益共赢。
（2）生物燃气发展促进农业产业升级。以生物燃气产业发展带动区域养殖、种植、肥料、燃气等行业的优化与升级，最终构建以“农业废弃物收储运-资源化处理-产品销售与利用”三级网络为核心的良性产业生态圈。（王凯军）
