河南省典型生物質資源評價及生物天然氣產氣潛力分析

冉龍飛，王美凈，柴寶華

(中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司,西安 710065)

0 前 言

生物質能是由農林廢棄物、畜禽糞便、食品加工廢料、園林廢棄物、能源作物及城市生活垃圾等經過反應轉化為固態、液態及氣態燃料的一種可再生能源[1-3]。發展生物質能有助于促進生態文明建設、推進鄉村振興、發展循環農業。生物質能利用技術有直燃發電、堆肥、厭氧發酵等[3]，采用厭氧發酵制備沼氣并提純生產生物天然氣，是近年來國家大力支持與提倡的生物質綜合利用的主流技術之一[4]。

生產生物天然氣是生物質能利用的重要途徑，國家能源局、財政部等多部委聯合出臺了《關于促進生物天然氣產業化發展的指導意見》(發改能源規[2019]1895號)，將生物天然氣納入國家能源消費體系，提倡建立分布式天然氣生產消費體系，助力生物天然氣專業化、市場化、規模化發展，規劃到2025年生物天然氣年產量超過100億m3，到2030年生物天然氣年產量超過200億m3，占國內天然氣產量一定比重[5]。生物天然氣已納入國家能源體系，國家發改委、能源局發布了《“十四五”現代能源體系規劃》(發改能源規[2022]210號)，提出建設千萬立方米級生物天然氣工程[6]。

河南省是中國糧食主產區，果園、菜園和畜禽養殖雙優縣較集中，土地消納沼渣、沼液等發酵剩余物的能力較強，發展種養結合的循環農業模式空間較大，且河南省對清潔燃氣的需求較大，發展生物天然氣的資源及市場條件較好。因此，本文對河南省生物天然氣發展現狀進行調查研究，提出適宜河南省生物天然氣產業發展的建議，引導生物天然氣產業有序發展[7]。

1 河南省生物天然氣發展現狀

1.1 發展現狀

河南省是農業大省、畜牧業大省，良好的區域環境、自然經濟條件和發達的養殖業，適宜生物天然氣項目建設。發展初期，河南省生物質能利用主要以沼氣生產為主，把發展農村沼氣作為一項富民工程、民心工程，并出臺相關扶持政策加快農村沼氣建設[8]。受到運行不穩定、經濟效益差等制約因素的影響，截至目前，已建沼氣工程大多數處于停運狀態。

生物天然氣作為沼氣高值化利用的一種方式，與其他省相比較，河南省生物天然氣產業發展加快。目前，河南省已建且處于運行狀態的生物天然氣項目有4個，分別為河南天冠集團生物天然氣(秸稈沼氣)綜合利用項目、河南中海博能生物質開發有限公司規模化生物天然氣項目、河南省谷莊生態節能循環農業有限公司日產1.5萬m3規模化生物天然氣工程試點建設項目、河南蘭考儀封生物天然氣項目。4個項目累計年產生物天然氣2 372萬m3，在建或開展前期工作的生物天然氣項目有2個，累計年產生物天然氣730萬m3。項目類型均為氣-肥聯產，生物天然氣通過車用或并入燃氣管網消納，有機肥就近消納。

1.2 存在的問題

河南省生物天然氣產業發展雖取得一定成績，但發展過程中仍存在一些問題，導致真正實現落地的項目較少，主要體現在以下幾個方面：

(1) 補貼及稅收優惠不足

河南省生物天然氣項目建設補貼政策只有電價補貼，缺少對天然氣提純、燃氣入網、熱能回收、氣價等環節的補貼，導致生物天然氣產業發展盈利或效益拉動力不足。

(2) 推廣力度有待加強

生物天然氣項目作為處理城鄉有機廢棄物的主要方式，已被納入鄉村振興戰略之列，但推廣力度有待進一步加強。

(3) 原料收儲運體系建設有待健全

生物天然氣項目生產原料需求較多，需依托完善的原料收儲運體系，但河南省原料收儲運體系建設方案匹配性不足，針對性不強，維持項目運行的難度較大。

(4) 產品消納體系建設有待完善

生物天然氣項目以氣-肥聯產為主，生物天然氣消納方式比較多元化，易消納，但有機肥消納由于受到市場影響，導致有機肥消納能力不足。

2 河南省生物質資源條件

2.1 玉米秸稈

2020年河南省農作物播種面積14 741.61 hm2，其中糧食播種面積10 738.80 hm2。結合各類農作物秸稈的產氣潛力，以及已建項目生產原料的需求調研情況分析，玉米秸稈是生物天然氣生產的最優選原料。河南省玉米播種面積3 818.01 hm2，玉米產量2 320.78萬t，折算到畝產約405 kg[9-11]。通過調研及分析河南省玉米產量，平均玉米畝產約500 kg，實際產量與理論產量的修正系數為1.20。參照《關于更新農作物草谷比和可收集系統的函》，河南省玉米草谷比取值為1.04，河南省玉米秸稈理論資源量2 896.34萬t。河南省玉米秸稈利用以機械還田及動物飼料為主，能源化利用比例較低，存在能源浪費問題。

河南省各市(縣)玉米秸稈理論資源量分布情況見圖1。由圖1可見南陽市、周口市、駐馬店市、商丘市等地區玉米秸稈資源較好，但利用方式多以機械還田及動物飼料利用為主，能源化利用率較低，造成能源浪費，且秸稈還田易破壞土壤結構，不利于農作物種植。

圖1 玉米秸稈理論資源量分布

2.2 畜禽糞污

2020年河南省生豬存欄量3 815.22萬頭，牛存欄量386.03萬頭，家禽存欄量69 156.19萬羽[12]。根據產排污系數測算，測算河南省畜禽糞污理論資源量9 710.79萬t。河南省畜禽糞污利用以噴灑澆地、堆肥生產為主，能源化利用比例較低，存在能源浪費問題。

河南省各市(縣)畜禽糞污理論資源分區情況如圖2所示。由圖2可見南陽市、商丘市、周口市、駐馬店市等地區資源較好，綜合利用方式以噴灑灌地為主，能源化利用率較低，導致能源浪費，且畜禽糞污噴灑灌地易造成空氣質量下降，影響周邊環境。

圖2 畜禽糞污理論資源量

2.3 其他資源

(1) 生活垃圾

目前，河南省城市生活垃圾處理率達到98.74%，縣城生活垃圾處理率達到87%，同時河南省針對生活垃圾處理，編制了《河南省生活垃圾焚燒發電中長期專項規劃(2018—2030年)》，中遠期生活垃圾處理以焚燒發電為主，因此暫不考慮將生活垃圾作為生物天然氣生產的原料。

(2) 工業有機廢水

河南省工業發展較快，工業廢水產生量較大，廢水中有機污染物對環境的影響較大。河南省要求工業企業配套建設滿足相關排放標準的工業有機廢水處理設備，達到排放標準后對外排放，因此暫不考慮利用生物天然氣項目來處理工業有機廢水。

綜上所述，河南省生物天然氣項目生產以玉米秸稈、畜禽糞污為主，生活垃圾、工業有機廢水等暫不考慮作為生物天然氣項目生產的原料，且河南省玉米秸稈、畜禽糞污資源豐富，從原料供應的保障性分析，生物天然氣產業發展優勢明顯。

3 河南省生物天然氣產氣潛力計算

生物天然氣產氣潛力按照下式計算[13]：

(1)

公式(1)中：V為生物天然氣生產潛力，m3；Gi為理論資源量，t； 為收集系數，玉米秸稈取0.96，畜禽糞污取0.75；TS為干物質質量分數，%，秸稈取60%，畜禽糞污取15%；ηi為可利用系數；Vi為不同原料的產氣率，Nm3/t，玉米秸稈取450，畜禽糞污取350。

生物天然氣項目以縣為單位進行開發，通過調研河南省已建的典型生物天然氣項目的運行情況，分析生物天然氣項目對所在地區的玉米秸稈、畜禽糞污處理能力的提升情況，可收集系數玉米秸稈取0.2，畜禽糞便取0.4。

根據公式(1)及河南省玉米秸稈、畜禽糞污的可收集資源量測算沼氣、生物天然氣的產氣潛力，計算結果如表1所示。

表1 河南省生物天然氣產氣潛力計算結果

綜上所述，河南省每年可用于生物天然氣生產的生物質資源量約2 741.04萬t，可年產沼氣87億m3、年產生物天然氣約44億m3，產氣潛力較大。生物天然氣可作為區域天然氣供應的補充氣源，增加清潔能源供應比例，提升河南省可再生能源用能占比。

4 河南省生物天然氣產氣潛力預測

4.1 玉米秸稈預測分析

河南省作為農業大省，受到種植結構的改變，從2010—2020年玉米種植面積變化如圖3所示。各市(縣)2010—2016年玉米種植面積逐漸增加，增加率約3%，2017—2020年玉米種植面積逐漸增加下降，下降率約1.0%。結合玉米種植面積變化趨勢以及實際情況，且作為國家糧食生產大省，玉米種植面積需保證種植規模穩定，預測到2025年，河南省玉米種植面積保持1.0%的增長率穩定變化，對應的玉米秸稈理論產量為2 925.33萬t。

圖3 玉米種植面積變化

4.2 畜禽糞污預測分析

河南省各市(縣)養殖主要包括生豬、牛、家禽、山羊等。生物天然氣項目生產的最佳原料選擇生豬、肉牛、家禽，具體養殖規模如表2所示。根據圖4所示，2005—2014年河南省畜禽糞污資源量平穩增長后逐年下降，下降率約2.8%；2014—2017年河南省畜禽糞污資源量逐年增加，增長率約1.4%；2018—2019年由于受到豬瘟影響，河南省畜禽糞污資源量急劇下降，下降率達到22%。2019年以后，河南省的生豬養殖企業養殖能力逐年恢復，預測到2025年，畜禽糞污的資源量將達到2018年之前的穩定增長情況，增長率確定為1.4%，畜禽糞污產量約12 767萬t。

圖4 畜禽糞污理論產量變化

表2 河南省畜禽養殖數量及糞污產量

4.3 產氣量預測分析

根據到2025年河南省玉米秸稈理論資源量、畜禽糞污理論資源量，考慮全省資源收集難易程度，以及資源化利用現狀、其他生物質項目的建設情況預測，預測生物天然氣產氣量，到2025年河南省生物質資源理論產氣量約70億m3。具體測算結果見表3。

表3 河南省生物天然氣產氣量測算

5 結 論

本文分析評價了河南省典型生物質資源及對應的生物天然氣產氣潛力，得出如下結論：

(1) 河南省可用于生物天然氣生產的典型生物質資源包括玉米秸稈和畜禽糞便，其中玉米秸稈理論資源量2 896.34萬t，畜禽糞污理論資源量9 710.79萬t；預測到2025年，玉米秸稈理論資源量2 925.33萬t，畜禽糞污理論資源量12 767.16萬t。

(2) 河南省玉米秸稈可利用資源量556.10萬t，畜禽糞污可利用資源量2 184.94萬t，兩種生物質資源的產氣潛力為44億m3；預測到2025年，玉米秸稈可利用資源量584.45萬t，畜禽糞污可利用資源量3 351.37萬t，兩種生物質資源的產氣潛力為70億m3，產氣潛力較大。

“十四五”河南省生物天然氣產業，在國家能源革命、鄉村振興等政策的支持與推動下，將成為河南省可再生能源利用的重要產業，具備能源開發的價值。

6 建 議

河南省生物天然氣產氣潛力較大，同時作為 一種可再生能源，具有較高的開發價值。

針對河南省生物天然氣產業發展存在的問題，提出以下建議：

(1) 落實支持政策

河南省生物天然氣產業處于重要發展期，且發展潛力較大，通過出臺土地、原料等方面的優惠政策，以及終端產品補貼政策，刺激產業商業化發展，提升生物質的能源化利用價值。

(2) 加強規劃引導

結合區域資源特點，建立規劃引導機制，布局重點項目，吸引投資主體、開發主體形成合力，共同開發項目。

(3) 完善原料收儲運體系建設

生物天然氣項目運行需要依托完善的原料收儲運體系，結合河南特點，積極出臺合理的原料收儲運體系建設方案，指導項目生產運行。

(4) 建立產品多元化消納渠道

針對生物天然氣項目產品，整合當地已有市場，積極開拓新的市場渠道，保障產品消納。

(5) 加大宣傳

生物天然氣是國家能源發展戰略、消費革命的重要內容，是鄉村振興戰略的重要任務，是農村能源發展的重要支撐，結合河南特點，加大宣傳，推廣生物質能實現能源開發的綜合效益。