浅谈双碳背景下的沼气
上世纪末，我国家用小型沼气发展良好，为解决当时农村生态保护、化肥短缺、燃料和照明能耗等问题发挥了重要作用。
然而，在21世纪，农村的生产生活条件发生了变化，面向小农户和农场的沼气工程取得了更快的发展，而情况却逐渐尴尬。
2015年，我国提出沼气转型升级，借鉴欧洲经验，将发展重点转向大型产业化项目，重点发展大型沼气和沼气工程(单个项目日产沼气10000以上)。
近年来，随着“双碳”目标的提出，全社会都需要具有负碳排放特征的沼气产业做出相应的贡献。在新的时代背景和“双碳”目标下，有必要总结中国沼气产业的历史，找到一条适应中国特色的道路，让沼气产业发挥重要作用。
一、工业化沼气产业发展中的主要问题
1技术不成熟。
1.1核心发酵技术还在探索阶段。
目前国内工业化沼气项目的核心发酵工艺全部从欧洲引进。
目前最核心的厌氧发酵工艺有三种:湿法(发酵浓度< 12%)、半干法(发酵浓度≤ 20%)和干法(发酵浓度≥ 20%)。湿法广泛应用于畜禽粪便，对干黄秸秆原料适应性差，要求原料粒径在3 cm以下，含土。湿法利用流场实现均质搅拌，干燥后的黄秸秆难以均质，容易出现浮渣结壳，发酵浓度低。固液分离后沼液浓度高(5-8%)，沼液回流非常困难。实际容积产气率低(0.8-1.2)，投资大，占地面积大，能耗高。
与湿法相比，半干法工艺具有工艺简单、投资少、原料适应性强、自身能耗低、容积产气率高、沼液排放压力低、厌氧消化彻底等优点。国内引进的半干法工艺也有原料适应的问题。如给料稳定性差，混合均化困难，物料分层严重，进出料系统经常堵塞，现有进口固液分离器不适用等。而半干法对物料要求低(原料5cm左右)，对土壤和杂质含量要求广，适应性强，控制方便。在实际运行中，体积产气率可以稳定在1.5以上。随着设备国产化的提高，建设投资有较大的下降空间。
干法是近几年才引入中国的，因为国外技术保密，需要进口全套技术和设备，成本高。目前在国内基本处于实验探索阶段。
1.2原料粉碎预处理技术不成熟。
我国干黄秸秆的收储以落地包装为主，原料含土杂质率高，严重时超过30%；受收集和储存的限制，含水量从20%到75%不等。小型农业机械是市场上主要的粉碎机械，装备水平低，可靠性差，没有除土、除杂、除铁功能，对原料特性和各种原料的变化没有适应性，需要人工开箱，处理量低(2~3 t/h)。目前国内还没有专业的秸秆粉碎机生产厂家和成套设备来满足行业的需求。
秸秆预处理可以提高秸秆发酵效率，解决浮渣结壳、发酵困难和分层等问题。常用的预处理方法有物理方法，包括粉碎、揉丝、汽爆、辐射等。化学方法，包括酸处理、碱处理、湿式氧化等。生物方法，包括黄贮、真菌处理、酶处理等。目前，我国尚未形成成熟可靠、能适应我国不同类型原料的秸秆预处理技术。
不同的核心发酵和预处理技术在国内还处于工程验证和应用阶段。经过多年的不懈努力，取得了一些突破，一些企业已经系统地掌握了能够有效解决国产原料适应性的技术路线，正在进行论证和推广。
2 .工艺、设计、设备制造服务单位能力不足。
目前市场上的相关服务单位普遍成长于农村户用小型沼气时代，缺乏产业化概念和系统思维。国内没有成熟的专业工业沼气工程工艺设计单位。关键技术和核心设备从欧洲国家引进，设备选型机械照搬，没有结合国内原料特点进行创新。专业装备制造企业以小型农机制造企业为主，标准化程度低，设备可靠性和稳定性差，自动化程度低，远未形成装备制造系列化。此外，项目总承包方普遍持有“只建设不运营”的固有观念，总承包项目建成后很难实现稳定生产。
3工业化沼气工程产业链长，商业模式不成熟
3.1原料收集、储存和运输系统未建立。
目前，我国农业和农村有机废弃物收集、储存和运输体系仍处于初级阶段，缺乏稳定的收集、储存和运输组织，难以可靠地保证原料的数量、质量和价格；没有建立采购和储存的标准和规范，收集、储存和运输队伍缺乏专业性。除了基本质量难以保证，原料在高温下甚至会腐烂或自燃。市场混乱，政府没有参考城市垃圾收集体系，深度引导建立可持续的农业农村有机垃圾储运保障体系。以秸秆为例，原料大多属于一年一季，储存时间在8个月以上；大剂量(每天40000m？沼气项目，年秸秆用量超过7万t)，尤其是东北地区的玉米秸秆，秋冬季节秸秆含水率不同，有大量的雪裹秸秆，进一步增加了储存难度。
3.2缺乏沼气的高值化利用途径
沼气直供和供热需要建设独立的管网。沼气项目大多位于城镇和农村，经济普遍不发达，价格承受能力差，管网覆盖率低，部分项目受特许经营权限制，并网困难，价格低。虽然国家鼓励生物质能的非电量利用，但尚未出台具体的非电量利用扶持政策。沼气发电与生物质直燃竞争，补贴拖欠，项目现金流差，能源端产品缺乏持续盈利能力。沼气直供供热刚刚起步，成熟案例少，市场接受度低。
3.3沼渣和沼液的高值化应用处于初级阶段。
沼渣和沼液的高值化利用是项目盈亏的重要因素，也是项目正常稳定运行的基础。工业化沼气工程产生大量沼渣和沼液(半干法沼气工程日产4万立方米，年产沼渣7.2万吨，沼液1.4万吨；湿法沼液量较大)。沼渣和沼液是生产有机肥、育苗基质和液体有机肥的优质原料，但相关产品的生产和市场推广处于起步阶段，用户认可度较低，大规模推广应用仍需培育。部分地区环保部门对沼渣、沼液认识不足，采取“一刀切”政策，禁止沼渣、沼液直接还田，颠覆了几千年来的农业发展常识。
4秸秆和混合物料的沼气碳减排方法论尚未制定。
碳资产收益是沼气产业化项目社会效益体现，是增加项目收入和利润的基础。目前，秸秆沼气和秸秆混合沼气项目碳减排的方法论尚未制定，需要相关部门、企业和协会组织合作创新研究，明确基线排放、项目排放量计算、监测数据和方法的原则和方法，经生态环境部批准后尽快开展项目备案、年度减排量核算和碳市场交易。
5多部门管理，牵头部门不明确，政策协调困难。
国家非常重视沼气的发展，现阶段沼气产业的特殊性也需要政策支持。但沼气产业链长，涉及能源、发展改革、财政、农业农村、生态环境、住建等部门，多头管理，治水九龙，牵头部门不明确，多年来一直无法形成推动发展的合力。原则意见多，具体措施落实少，政策引领发展的效果难以显现。
二、继续坚定信心，在“双碳”背景下，沼气产业大有可为。
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1欧洲先进经验为中国沼气产业发展提供借鉴。
欧洲是全球沼气产业发展的先进地区，拥有超过40年的工业化沼气发展经验和成熟的技术和商业模式。沼气已成为欧洲可再生能源的重要组成部分，是欧洲现代农业循环经济可持续发展的关键支柱，也是未来化石天然气的主要替代品。
欧洲有大量的沼气项目，覆盖全国，德国9600多个，意大利1.5万。欧洲沼气的原料多样化，主要包括能源作物、秸秆、牲畜粪便和生活垃圾。工艺成熟且多样化，具有湿法、半干法、干法厌氧发酵等多种工艺，产气效率高，自身能耗低，自动化程度高；装备制造、设计建造、运营管理、产品服务，形成了完整的产业化、规模化产业体系和成熟的商业模式。在德国等沼气产业成熟的国家，25%的农民收入来自沼气。除了方兴未艾的沼气发电，近年来，各国大力发展沼气从沼气升级，到2030年，主要国家的沼气将占天然气消费的10%。由于沼渣和沼液的大规模回流，欧洲的化肥和农药使用量在世界上处于较低水平，土壤有机质含量保持在较高水平。沼气的负碳排放特性使其成为当前欧洲碳市场最受欢迎的减排类别，沼气产业也成为欧盟2050年实现碳中和的重要支撑。
2 .发展产业化沼气产业是实现双碳目标的主要力量
秸秆厌氧发酵综合利用可以使植物在生长过程中吸收的部分CO2通过沼渣和沼液进入土壤，增加土壤碳库。与风能和太阳能的低碳排放相比，沼气产业的综合利用具有典型的负碳排放特征，可以在碳减排方面发挥更显著的作用。
据研究，每10000 m的利用率？沼气可减排温室气体115 t，预计2060年我国沼气产业可减排温室气体100亿t。中国2030年二氧化碳排放峰值碳排放量约为6543.8+0.06亿吨。到2060年，沼气产业将对碳中和贡献9.4%，沼气产业必将为实现中国碳双目标发挥关键作用。
发展产业化沼气产业是解决面源污染、增加清洁能源供给的有效途径
农业种植和养殖产生的有机废物是最难控制的非点源污染源。2020年我国农作物秸秆产量约8.6亿吨，粪肥38亿吨。参考欧洲经验，沼气行业主要处理秸秆，辅助处理粪便。厌氧发酵处理农业有机废弃物，不仅无害化解决了面源污染，还产生清洁气体、沼渣和沼液，生产优质有机肥，促进农业绿色可持续发展。到2060年，如果只生产沼气无害化处理40%的秸秆和畜禽粪便，每年可生产沼气2000亿立方米。如果对生物天然气进行净化，目前可以达到我国常规化石天然气年产量的80%，未来将使我国天然气对外依存度从66.7%降至41.7%。
产业化沼气产业的发展可以推动农村能源革命，促进美丽乡村建设。
我国农村地域分布广，交通和能源供应相对薄弱，环境治理难度大。广大农村处于社会能源供应体系的末端，面临着能源分散、能源供应不足、质量差、成本高等诸多长期存在的问题。很多地区离不开秸秆、木柴、煤炭作为生活能源，效率低下，污染环境。
沼气可因地制宜，气宜气，电宜电，气、电、热综合开发，实现稳定、多元化的清洁能源供应，具有一定的储能和方便调节功能，可降低能源综合使用成本，提高农村能源供应质量和可靠性。
以秸秆为主体的沼气工程和畜禽粪便、有机垃圾的协同处理，可以减少面源污染，保护生态环境，有效解决新农村建设中的人居环境治理问题。沼渣、沼液可替代化肥减少农药，可建立农业绿色循环产业模式，提高农产品质量，增加农民收入，保障食品安全，促进农村能源消费结构转型升级，实现农村能源革命，推动美丽乡村建设。
5沼渣沼液有效保护耕地，保障农业可持续发展。
耕地地力决定了中国的粮食生产能力，是粮食安全的重要保障。长期以来，化肥农药过量使用，有机质补充不足，导致我国土壤肥力严重透支，土壤板结严重。
自20世纪50年代东北黑土大规模开垦以来，黑土层平均每年减少0.3 ~ 65438±0.0cm，部分黑土层厚度已减少到0.2 ~ 0.3 m..沼气工程产生的沼渣和沼液是优质的有机原料，可以改良土壤，提高土壤水肥涵养，增加土壤有益微生物，有效提高肥料利用效率，实现化肥农药长期高效减量，促进农业绿色可持续发展和土地保护，对实现国家“藏粮于地”战略，保障粮食安全和生态安全具有不可替代的作用。