中国沼气资源和开发利用

一、我国有丰富的沼气资源

在中国，沼气的开发利用主要是通过厌氧工艺处理工农业有机废弃物、城市生活垃圾和生活污水的途径。本文研究的范围是工业有机废弃物、养殖场畜禽粪便、城市生活垃圾和废水以及农村家庭畜禽养殖等四个方面。

1.1 工业有机废水年排放量超过25 亿吨，废渣0.7 亿吨（2002 年）工业有机废弃物来自于轻工企业和非轻工企业两个方面。轻工产品主要是酒精、啤酒、黄酒、白酒、淀粉、味精、饮料和造纸等10 多个行业。目前这些行业年排放有机废水为8.46 亿吨，废渣0.24 亿吨。非轻工企业排放有机废物的主要是制药、屠宰、面粉、植物油、酱油、罐头、石化和橡胶等行业。据统计，每年排放有机废水16.74 亿吨，废渣0.49 亿吨。

通过厌氧消化工艺对上述二项的工业有机废水（25.2 亿吨/年）和废渣（0.73亿吨/年）进行治理，可获得沼气资源量为106.8 亿立方米（含甲烷56%）。

依据每立方米废水产沼气量的不同，我们可以划分为三类：第一类是每立方米废弃物产沼气10 立方米以上，主要包括酒精、白酒、淀粉、味精、柠檬酸、造纸、机械浆；第二类为每立方米废弃物产沼气5~10 立方米，包括酶制剂、制药、纤维板、植物油等；第三类为每立方米废弃物产沼气小于5 立方米，包括制糖、啤酒、果汁、屠宰、糖醛等。上述第一类废水虽然占总量仅为15%左右，但产沼气的潜力占到了60%。

考虑到中国国民经济持续快速发展，2020 年国内生产总值总量将比2000 年翻二番。据此预测，排放的工业有机废水总量预计将增加1 倍。这样可转化为沼气的资源量将增加1 倍，达到215 亿立方米。

1.2 粪污的年排放量已达18 亿吨

根据2003 年中国畜牧业年鉴，对中国生猪、家禽和牛的存栏量计算，全年禽畜养殖业粪便排放量已达18 亿吨，如果加上规模化养殖场生产的冲洗水，实际排放污水总量超过200 亿吨。按照粪便资源产沼气的潜力估计，可产沼气总量为700 多亿立方米。

中国目前通过处理粪便而生产沼气的分二个部分。一是规模养殖场，它通过沼气工程技术处理粪便而获得沼气。2002 年全国规模养殖场（3000 头猪以上）共8241 家，粪便总量4900 万吨，生产沼气的潜力有27.2 亿立方米。另外，养殖规模在500-3000 头猪的小型规模养殖场的粪便量为8500 万吨，考虑到收集和管理等因素，生产沼气潜力12.3 亿立方米。

另一个途径产生农业养殖沼气的是在中国十分普及的户用沼气池的推广应用，一个家庭饲养4 头猪以上，就可建一个6-10 立方米的沼气池，每年可生产沼气300 立方米。家庭饲养猪及禽畜总量虽然很大，沼气资源量可达600 多亿立方米，但考虑到散养，粪便收集和技术管理等因素，户用可获得的沼气资源量估计为150-200 亿立方米。

根据畜牧业发展规划，到2010 年和2020 年分别以8%和3-5%的速度增加，那么到2020 年沼气资源量可增加3 倍。其中规模化养殖场随着我国经济发展将会有更大发展，如按5%速度考虑，规模化养殖场（含小型规模养殖场）沼气资源将达到150-200 亿立方米，而户用沼气资源量将达到300 亿立方米。

1.3 城市生活污水和生活垃圾

2003 年中国城市生活垃圾清运量为1.49 亿吨，生活污水为247 亿吨。如果生活垃圾用卫生填埋产沼气的技术占50%，则其产气资源量为90 亿立方米，而生活污水也有30-40%用沼气技术处理，则可产沼气的资源量为10 亿立方米，两项共计100 亿立方米。

按我国城市发展规划，到2020 年城市生活垃圾和生活污水将分别增加1 倍以上。沼气资源总量将达到200 亿立方米。

1.4 目前可获得的沼气资源总量为446 亿立方米

汇总上述数据如表1（略），可看出：目前我国沼气资源总量有446 亿立方米，如果按热值当量（23.02 兆焦/立方米）折算相当于3500 万吨标准煤，可替代煤炭（20.93 兆焦/立方米）4900 万吨。

上述各项沼气资源除户用沼气资源外都可用于发电，共有246 亿立方米。在目前中国技术水平下，每立方米沼气可发电1.6 千瓦时，那么可发电394 亿千瓦时，相当于装机656 万千瓦（按年发电6000 小时计算）。

到2020 年中国沼气资源总量915 亿立方米，比2000 年增加1 倍，相当于7190 万标准煤，如果能开发利用，相当于替代煤炭1 亿吨，这是一个相当可贵的能源资源。其中除了户用沼气300 亿立方米资源外，共计615 亿立方米，用它来发电，可产生1230 亿千瓦时电力（每立方米沼气产生2 千瓦时电力），装机容量能达到2050 万千瓦，相当于5 个大型原子能核电站（每个电站400 万千瓦）。

二、沼气及其技术现状与发展

2.1 沼气工程技术已经基本成熟，发酵工艺以UASB 和CSTR 为主经过20 多年的发展，中国在大中型沼气工程中的工艺技术已经基本成熟，目前所采用的工艺技术已经成功地用于各类有机废水。在现有的工业有机废弃物沼气工程中，UASB 和CSTR 占80%（见表2）。各种工艺类型的技术特点见表3。

UASB—上流式厌氧污泥床反应器，其特点是由于培养了颗粒污泥，而使厌氧菌种不致流失，大大提高了厌氧发酵效率，不需要搅拌、运转简单、适应高或低浓度COD 负荷、占地面积减少，因此得到大量应用（占全部工程的49.26%）。最大的UASB 厌氧工程建在江苏徐州房亭酒厂，其罐群总体积达10000 m3。国内最大UASB 单池体积已达4000 m3。

CSTR—全混合厌氧工艺适用于高悬浮物、高浓度（高温）废液，CSTR 在酒精糟液处理中得到最多应用。应用于酒精废糟液处理的最大CSTR 厌氧发酵罐群1999 年已在江苏太仓新太酒精公司建成并投入运转。该罐群体积已达到13200m3，日处理木薯干废液近2000 m3，日产沼气40000 m3以上。最大单体罐体积5000m3 建成河南南阳酒精厂。

近几年新型高效的IC 和EGSB 厌氧装置得到了较多的应用，此类装置效率高、占地面积小。特别适用于悬浮物低、浓度低的废水（如：造纸、啤酒、淀粉废水）。

2.2 沼气工程配套技术得到发展

近10 年来，中国对应用最多的全混合发酵罐和UASB 反应器进行了大量的标准化、系列化设计及产业化开发工作，完成了全混合厌氧发酵罐罐体和罐内喷射泵搅拌、沼气搅拌的系列设计。对UASB 罐体结构、三相分离器、布水系统等方面，形成了矩形和圆形UASB 反应器两大系列的标准化设计。

同时，还引进了国外的新材料和新工艺来设计和建造。如德国利浦（Lipp）公司的双折边咬口技术和Farmetic 公司的拼装制罐技术。由于在现场拼装（或卷制）方式最终成型使工程施工周期短，比普通钢板节省材料50%以上，而且耐腐蚀、技术先进、性能好。目前在中国已建成数十套装置。

在沼气工程配套设备研发方面也已达到一定的技术水平，已有不同型号的产品生产销售，普遍用于各类沼气工程中。包括：

(1) 固液分离机被广泛采用。为了适应综合利用或发酵工艺及后处理工艺对于分离机械的需要,近年来科技人员已研制出一些符合沼气工程特点的分离机械,如振动筛、斜板筛、旋转筛、固定床过滤筛等,加复合沉淀和挤压等机械。脱水率一般在10%～40%。基本能满足工艺和综合利用的要求。

(2) 料液输送设备质量可靠。近年来,针对沼气液料的多品种、理化性质不同的特点,先后成功研制多种输送畜禽粪便的设备,其中上海自行开发的75ＹＥ-10 泵的效率达到65%左右,其性能甚至比国外同类产品还好。

(3) 沼气的净化、储存及输送和利用设备进一步发展。已开发出一批可行的脱硫技术,脱硫效果可达到城市煤气硫化氢H2S 含量的标准。沼气的储存普遍采用钢制湿式气柜。干式气柜沼气的输送除选用罗茨风机、空气压缩机、氮氢气体压缩机外,还研制出沼气专用压缩机作升压设备。输气管路的材质也已多样化,以塑代钢、以铸代钢已经在一些工程中实现。与此同时,沼气的利用设备,如燃气锅炉、大型灶具、沼气发电机组的研制也获得新的进展。

2.3 沼气工程形成了各种适宜模式

在实际建设中，根据现场条件和对发酵残留物处理利用方式和要求的不同，沼气工程可以有两大类，即生态类型和环保类型。

生态型沼气工程，即沼气工程周边的农田、鱼塘、植物塘等能够完全消纳经沼气发酵后的沼渣、沼液，使沼气工程成为生态农业园区的纽带。如为畜禽粪便沼气工程，首先要将养殖业与种植业合理配置，这样既不需要后处理的高额花费，又可促进生态农业建设。生态型沼气工程的特点是，由于后处理过程比较简单，因此投资和运行成本均较低。

环保型沼气工程适于周边环境无法消纳沼气发酵后的沼渣、沼液，必须将沼渣制成商品肥料，将沼液经后处理达标排放的情况。该模式不利于资源得到充分利用，并且工程运行费用较高。

对于农业规模养殖场的沼气工程，目前在中国发展了多种模式。一种是综合利用型，即把禽畜粪便污水全部进入厌氧处理系统，这种方式工艺简便，操作方便，工程投资少，但处理后的残液浓度高，如不进行进一步处理，容易污染周围环境。另一种是把粪便污水进行干湿分离，粪便固体直接用于生产有机肥料，粪水进入处理系统处理后的沼液可用自然生态环境消纳（生态型），也可再进行好氧处理后达标排放。

2.4 户用沼气

户用沼气系统是中国农村能源利用的一种模式，它包括原料处理、沼气池、沼气输配及残留物（沼渣及沼液）利用等几个部分。家用沼气池一般在6-10 立方米。它的原料来自于家庭饲养猪、牛、家禽及人粪等，一般饲养4 头猪就可满足一个沼气池的原料。每年产气约250-400 立方米。经过我国过去几十年的摸索和发展，户用沼气池的技术已经成熟，正在逐步形成产业。

2.5 目前沼气年开发利用量为67 亿立方米

截止到2003 年底，全国工业有机废水共建成600 个沼气工程，厌氧池总容积150 万立方米，年处理有机废水约1.5 亿吨，仅占应处理的4%，年产沼气10亿立方米。这些工程主要分布在山东、四川、江苏等18 个省市区，其中山东105处，占25.9%。

根据农业部统计，到2004 年底，全国有农业养殖场大中型沼气工程2492 处，总池容222.2 万立方米，产气0.89 亿立方米，分布在全国24 个省市，其中福建、浙江、江西、湖南等四省均超过了200 座。

截止2004 年底，全国户用沼气池已有1541 万个，年产气55.68 亿立方米。城市生活垃圾和城市生活污水使用厌氧系统正在全国开展试点示范。据不完全统计，全国已有上百座示范工程。

表4（略） 为2004 年全国沼气开发利用情况。2004 年全国沼气开发利用量已有66.57 亿立方米，按热值当量计算，相当于替代了523 万吨标准煤，也就是732万吨原煤。

2.6 2020 年开发利用沼气270 亿立方米

沼气开发利用首先是治理污染的环保工程，也是我国发展循环经济，资源综合利用的工程，所提供的能源又是清洁可再生的，所以国家十分重视。2006 年1月1 日将正式实施我国可再生能源法。相信在今后15 年沼气开发利用会有一个很大发展。表4 列出了到2010 年和2020 年沼气开发利用的一种发展情景。可以看到，2020 年沼气开发量将达到270 亿立方米，是2000 年的4 倍之多，年增长率为9.1%，大大超过了化石燃料（煤、油气）的增长速度，相当于2122 万吨标准煤量，也就是约3000 万吨原煤的数量。

三、当前发展沼气的主要困境

过去20 多年中国沼气工程有了一定的发展，沼气技术已成熟、实用，大中型沼气工程和户用沼气都有了一定的数量；设备制造和施工企业也有了初步规模。但总体说，还不具备产业化发展的能力。从户用沼气池发展看，目前国家利用国债项目每年提供10 亿元经费，对每一个建沼气池的农户提供几百元的补贴。

所以，全国每年新建的沼气池都超过了一百万个。而大中型沼气工程还处在艰难的发展之中，其主要问题是：

3.1 沼气工程缺乏市场竞争

一个万吨规模工业酒精厂其初始投资约1000 万元，为治理排放有机废水所建的沼气工程其初始投资要500 万元以上。建一个万头猪场的初始投资在200 万元，而为治理粪便污水的沼气工程需100 万元以上。这就是说，沼气工程如果与上游企业建设同步实施，投资需要增加50%以上。这对本来就是弱质的酒精厂、养殖企业在经济上难以承受。

表5（略） 列出了各类沼气工程沼气发电的单位产出成本，可以看到，多数的沼气工程其动态（贴现率为8%）发电成本在0.5 元/千瓦时左右，大大高于煤电的发电成本。

沼气工程投资大，成本高，其内部收益率低，没有盈利能力，因此，仅仅依靠沼气工程自身发展无法在燃气、电力市场上与常规能源竞争。

除了自身的原因外，沼气工程缺乏市场竞争力的另一个重要因素是沼气工程技术体系不能适应产业化发展的要求，这主要表现在：沼气技术有待进一步提高，施工和设计尚没有国家统一标准，无资质认证；一些关键设备没有专门化生产，没有形成标准化系列化；计量监测是手工操作，影响正常运营，管理水平较低等等。

3.2 在全国没有形成沼气市场沼气工程规模小而且分散，它们所生产的燃气和电力要通过燃气公司或电网供应到消费者，将给这些能源企业带来一系列的运行、安全、符合匹配和增容的问题，而且又要用高于正常的价格收购。如果没有政策规定和支持，这些企业难以接受。

目前我国的沼气技术正在发展和完善之中，沼气及其所发电力作为产品还没有一套严格的技术产品标准和监测等认证体系和市场准入制度，因此沼气及其电力不能成为市场的正式产品，这明显地阻碍了沼气市场的建立和发展。

3.3 缺乏国家级的扶持政策

虽然中国各级政府在环保治理和推动清洁能源发展上提供和实施了不少鼓励性政策支持，但只是局部性的，针对一些具体项目的，没有形成包括沼气在内的可再生能源发展的完整的政策体系。在投资补贴、燃气和电力价格、减免税收及信贷等方面都没有一个明确的激励机制。

四、克服障碍的措施和政策措施

4.1 树立沼气工程是综合性基础产业的发展观念

首先需要改变仅仅把沼气工程看作为一类能源工程或项目的观念。沼气工程治理了轻工、养殖等许多行业排放的污水，改善了环境，又提供了清洁燃料和电力同时，使废弃物转变为高效有机肥料，资源得到了充分利用。它涉及能源、环境、资源多个领域，是一个充分利用资源实现循环经济的综合性的基础产业。

4.2 在政策扶持下沼气工程实现产业化发展

一个产业的发展必须遵循市场化发展的规律。但沼气工程由于自身的弱点，在形成和发展的初期，它必须依靠政府的政策支持。因此要有正确的沼气产业发展的思路。

（1） 目标为导向：通过国家制定有法律约束力的目标作为需求，引导市场发展。

（2） 企业是市场主体：治理环境、生产沼气和电力的主要承担者是企业，不是政府。广大企业的参与，才能使沼气工程生产的产品形成市场，规模发展，建立产业。

（3） 政府的职责：明确沼气发展的目标；提供包括价格、财政支持、税收减免、信贷等激励政策支持；培育市场，建立市场准入制度，加强技术、产品标准认证、监测、服务等体系的能力建设。

4.3 措施与政策

2006 年1 月1 日中国将开始实施《中华人民共和国可再生能源法》，目前中央和各级地方政府正在制订第11 个五年计划（2006-2010 年）和2020 年发展规划，以及《可再生能源法》的实施细则。我们相信沼气会有一个很大的发展。在具体的实施措施和政策方面，我们建议：

（1） 明确目标、市场导向

结合工农业有机废水治理目标，确认发展沼气在我国能源系统中的定位，制订有法律约束的发展沼气及其电力的数量目标，用需求引导市场加大环保目标的执法力度，推动企业完成治理任务

（2） 企业自身努力提高市场竞争能力

选好技术及技术模式，扩大规模，降低成本发展沼气专业化经营企业，独立经营，集中处理，降低成本

（3） 形成和规范沼气市场

建立和完善技术和产品标准、认证、监管和服务体系建立沼气及其电力市场准入制度，电网公司必须收购沼气电力

（4） 政策扶持，让企业盈利

实行优惠保护性价格（电价、燃气价格）建立财政专项资金

（5） 实行政策性融资

把沼气工程列入国家开发银行、中国农业发展银行政策性金融扶持的基本领域中，实行政策性融资逐步发展成为基础设施专门化产业化发展的金融体制

（6） 公众参与

提高公众环保和清洁能源意识，鼓励公众积极参与和支持沼气产业发展上述6 条的每一条都是有针对性的，要求在沼气工程产业化发展中企业、市场、政府等各自所需要做的事情。比较起来，最为关键的，也是本研究报告特别提出的是其中的4 点，即发展有规模的沼气专业化经营企业，电网公司必须收购电力，实行优惠价格和政策性融资。