华北地区秸秆沼气集中供气工程技术推广分析——以濮阳市为例

魏静茹， 罗 军， 李保庆

(南乐县农业农村局， 河南 南乐 457000)

华北平原地势低平，是我国重要的粮食生产区域，但其大量的伴随产物——秸秆焚烧或遗弃等不合理处置，造成了一系列的环境问题[1]。与此同时，我国燃气的长期供小于求和高度依赖进口，造成了华北农村地区长期存在供给不足的情况[2]。利用农作物秸秆就近进行沼气发酵，生产的沼气用于集中供气替代化石燃料、沼渣沼液用作有机肥施用提高土壤品质，被认为是提高秸秆利用效益、优化能源供给的有效手段。因此，秸秆的沼气化利用受到广大农业科技推广工作者的高度关注[3]。

然而，我国秸秆沼气工程技术尚都处于示范起步阶段，适于不同区域特征的技术体系尚未形成，这主要包括：适宜的原料供应体系、可行的的厌氧消化工艺、顺畅的沼气消纳途径[4]。现有秸秆沼气发酵技术相关报道多以实验室研究结果为主，与应用实践推广相关的文献报道却相对较少[5- 6]。随着国家进一步加强秸秆沼气化的开发力度，总结前期工程示范的推广经验，提出进一步的技术需求和发展建议，已成为秸秆发酵技术生根落地的迫切需求之一[7]。

濮阳市位于河南省东北部，耕地、气候、光照等条件优越，适于农作物生长，主要农作物一年两熟，是华北平原重要的农业粮食生产区域。随着2009年农业部开始在河南省投资建设秸秆沼气集中供气示范工程，濮阳市就积极围绕秸秆综合利用，开展秸秆沼气工程推广工作，建成了12处发酵容积为500～2000 m3的秸秆集中供气沼气工程[5]。这些工程的运行为6000余户农户提供了生活炊事燃料，取得一定的实践推广应用经验，同时也暴露了一系列的技术问题。

本文通过分析濮阳市农业废弃资源开发潜力和环境条件、秸秆沼气发酵趋势，并评价现有推广技术的应用情况，总结秸秆沼气工程技术的发展经验。在此基础上结合农作物秸秆的可行预处理方案、管理维护条件、沼气消纳途径特性，对现有国内相关秸秆沼气发酵技术的应用推广适宜性进行分析。最后，从农业技术推广的角度，提出秸秆沼气技术的需求方向，以期为秸秆沼气化利用的进一步发展提供有益参考。

1 濮阳市农业沼气发展条件

1.1 资源量与开发潜力

根据《2019年濮阳市国民经济和社会发展统计公报》，2019年全市粮食种植面积为427.5千公顷，主要农作物的耕-种-收机械化率达94%；畜禽业的规模养殖比重达90%，其中，猪和牛等主要肉产品总量达9.6万吨以上。可见，农业呈现出机械化和规模化发展，农村沼气发酵原料分布已由分散式向聚集化转变，这使得农业废弃物的集中沼气化利用成为发展的必然趋势。对这些农业废弃物沼气生产潜力进行分析，结果如表1所示。

表1 濮阳市主要农业废弃物沼气生产潜力

由表1可知，濮阳市秸秆沼气的生产潜力为8.8亿立方，占主要农业废弃物沼气生产潜力的98.9%，是农业沼气开发最主要的原料来源。鉴于此，全市按照“统一规划、统一建设”的原则，开展了大量适宜规模秸秆沼气工程建设，以实现生态农业的可持续发展。但从工程的运行结果来看，全市秸秆的沼气化利用率仍不足1%，开发利用进度严重滞后。

与此同时，2019年濮阳市的天然气消费量已达2亿立方米，即使全部畜禽养殖业废弃物有效利用，生产的沼气全部替代天然气(甲烷含量为90%)，其占比也仅为13.3%。推广农作物秸秆沼气化利用技术，则仅需36.1%的秸秆物料，即可满足天然气的完全替代和燃料的绿色供给。因此，发展秸秆沼气工程是濮阳市燃气自给的必然选择，也是区域可持续发展的趋势。

1.2 区位环境条件

工程的区位环境条件决定了发酵系统的增温投入，其中，影响物料增温和热散失的主要因素为太阳辐射和环境温度[10]。由濮阳市气象局资料可知，2019年太阳辐射量为118.3 kcal·cm-2，由罐体直接吸热方式对发酵系统增温的效果有限，因此在做项目适宜性评价时可不予考虑[11]。2019年月平均温度如图1所示，若以适于秸秆发酵的最低温度(25℃)作为控制条件进行工程运行，则需在1～4月和10～12月需采取必要的增温措施，以维持沼气发酵系统按照设计条件进行稳定生产[12]。可见，寻找减少运行热量损失和减少增温能耗的可行措施，是提升濮阳市秸秆沼气工程净能产出的关键。

2 推广模式与发酵技术

2.1 发展模式

工程的可持续运行应建立在因地制宜的基础之上，需综合考虑原料来源、燃气供给和沼渣沼液消纳等因素。沼气的发电或提纯并网利用，设备投入和维护成本都较高，且存在能源转化流失的缺陷，使其在农村的推广可行性降低[13]。

图1 2019年濮阳市月平均环境与发酵温度

结合濮阳市种植业仍以户为基本经营单元、村庄聚集的人口户数多在200～1000之间，建立以村庄沼气集中供气为主的分散式能源产供系统，实现农业废弃物的就近收集、就近资源化转化和产品的就近消纳，是理想的废弃物处理和利用模式。通过10多年的实践证明，该模式具有较好的可行性。

2.2 工艺流程

秸秆沼气工程的工艺流程如图2所示，粉碎预处理完成的黄贮秸秆，总固体质量含量(TS)大于80%，在调配池中经浸泡、TS浓度调节、升温和均匀混合后，通过进料泵输入发酵罐进行沼气生产。

图2 濮阳市秸秆沼气工程工艺流程图

由于秸秆干发酵技术(TS≥15%)普遍存在传质效果差、原料产气率低、维护过程复杂、运行技术要求高等问题，使其在现阶段的农村推广过程中适宜性不高[14]。因此，濮阳市的村庄秸秆沼气集中供气工程都选择湿发酵工艺进行沼气生产[15]。

温度对沼气发酵系统来说是确保生产效率和运行稳定的重要因素[18]。因此，在调配池和发酵罐内设置热交换器，对发酵原料增温、发酵罐体补温，实现系统温度条件的稳定。在此基础上，通过每天连续性投料和出料，保持发酵系统的连续和均衡产气。

发酵后的剩余沼渣沼液，外运至农田作为有机肥施用；生产的沼气经净化间处理(气水分离器脱水和脱硫塔脱除硫化氢)后，进入干式储气袋暂存。由于濮阳市冬季温度低于零度，干式储气袋具有投资少、冬季无需防冻、拆装方便等特点，因而被广泛采用。储气袋内的沼气经增压泵产生压力，供应村庄生产生活的燃气需求。

2.3 发酵技术

在濮阳市境内的秸秆沼气发酵技术主要为竖向推流式厌氧消化工艺，应用率为83%[16]。其运行原理为：粉碎处理后的秸秆，作为发酵原料调质均匀后，进入发酵罐进行沼气生产；物料在发酵罐内按进料顺序呈层状竖向下运行，发酵完成的物料依靠自压从底部排出；罐内配有沼液回流喷淋系统，进行沼液回流接种和液体传质搅拌[17]。实际结果表明，该工艺仅在濮阳市境内发酵容积2000 m3以下、进料TS浓度为3%～5%的工程中得到有效应用，对更大发酵容积工程仍缺乏工程运行实践。

濮阳市境内的秸秆沼气集中供气工程发酵罐通常发酵容积相对较大、供气需求相对较小，使得运行容积产气率相对较低，如发酵容积为1000 m3的工程供气户数通常为300户。虽然工程设计运行条件为中温发酵(35℃～40℃)，但实际运行却以近中温为发酵温度(25℃～30℃)为主，以减少运行能耗投入、提升原料产气率[18]。

因发酵系统的有机进料负荷(OLR)基本没有达到设计负荷，工程运行存在发酵浓度低、产能效率不佳等问题，这也成为了制约秸秆沼气发展的瓶颈[19]。因此，进一步优化发酵技术，提升产能效率，以满足更多用气需求，如冬季集中采暖，将是实现未来濮阳市秸秆沼气工程高效运行的关键因素之一。

总体而言，由于竖向推流式秸秆沼气发酵工艺，不需要设置机械搅拌设施，可有效降低了设备运行维护投入。同时，在正常运行过程中，亦未出现过发酵罐内结壳、管路堵塞、局部酸化或碱化而造成厌氧消化抑制等现象[20]。这表明该发酵技术是一种可行的推广应用方案，具体运行参数如下：

(1)采用立式圆筒形厌氧消化器，内设沼液回流喷淋装置和回流接种系统；

(2) 立式厌氧消化器设置为上部进料、下部出料；

(3) 适用于干秸秆原料，秸秆粒径不大于10 mm，消化时间小于120 d；

(4) 每生产1 m3沼气消耗干秸秆(以含水率10%计)2.8 kg～3.5 kg。

3 原料准备与能流分析

3.1 秸秆收集与预处理

通过濮阳市农作物秸秆禁烧与综合利用等工作，使秸秆沼气工程的发酵原料收集得到有效保障，如图3和图4所示。然而，秸秆是由纤维素、半纤维素和木质素为主要组分，构成的复杂空间结构，不易被微生物降解转化[21]。因此，必要的预处理措施是提升产气效率和进料顺畅性的可行手段。

图3 农作物秸秆储存与粉碎预处理

图4 农作物秸秆粉碎预处理

常采用的生物、化学和物理3种秸秆预处理方法皆存在各自不足[22]。在实际应用中，生物法因操作相对复杂，加之农村运维人员的技术水平相对较低，难以达到设计要求，实际效果不佳；化学法虽然具有较好的降解效率，但也存在操作工序复杂等问题，此外，经化学预处理的沼液沼渣难以被还田利用，极大的限制了其长期推广的可行性[23]。

濮阳市秸秆沼气工程普遍采用粉碎机或揉丝机进行物理预处理，处理后秸秆如图4所示。以集中供气300户村落为例，供气需求量约为180～300 m3·d-1，秸秆粉碎量仅为0.6～1.0 t·d-1，普通机械设备(11 kW)即可满足原料预处理要求，日运行能耗亦可控制在工程可负担范围(耗电量为7 kW·h～11 kW·h)以内。相比之下，机械粉碎符合现阶段实现农业技术推广简单可靠的发展需求，认为是实践最为可行的村落沼气集中供气工程预处理方式[24]。

3.2 系统运行能量流动

秸秆沼气工程发酵运行过程的能量流动分析如图5所示。根据濮阳市多处工程的运行经验来看，秸秆收集、粉碎或揉搓的能耗投入相对较少；搅拌过程主要为液体回流，运行能耗也相对较少。对于保温措施设施配置较好的工程，罐体热量散失可控制在设定范围，补温能耗能量投入亦较少[25]。总体而言，系统的主要能量损失主要为寒冷季节对发酵原料增温的投入。为减少加热设施的供热负荷，主要采用以下两种方法降低运行能耗投入： 1)回流发酵液配料，减少常温清水进入调配池配料； 2)在低温季节采用相对较高的进料浓度(如TS=5%)，在高温季节采用相对较低的进料浓度(如TS=3%)，减少常温清水的增温投入。此外，沼渣管可直接连接固液分离机，快速分离出沼渣,回流入调配池配质——TS浓度和进料温度，以回收排除沼液沼渣中的余热[25]。通过这些措施，可平均减少发酵系统温升能耗需求的60%～80%。

4 国内新工艺推广适宜性

4.1 主流新技术

国内主流的秸秆沼气发酵新技术对比如表2所示。总体而言，这些技术都是由国外高固体含量物料发酵工艺的发展与演变而来，都希望通过简化操作流程、提升发酵浓度，达到农村适宜性推广的目的；但就现有报道来看，普遍存在物料传质性能较差、容积产气率较低、运行稳定性有待提高等不足[26-27]。从工程运行的角度分析，序批式发酵工艺可直接消化收获状态的农作物秸秆，且发酵TS相对较高；但堆积方式差异等造成的传热传质参数不确定，使得发酵系统的水利滞留期等工艺参数波动性较大，难以稳定产气，同时也造成供气可靠性降低。此外，较高的设备投入和发酵调控性差，也是制约序批式秸秆发酵推广的主要因素。

图5 秸秆沼气工程能量流动过程示意图

表2 国内研发的试验厌氧消化工艺参数及优缺点

连续发酵工艺仍需对秸秆进行粉碎预处理，以减少物料尺寸、增加物料的流动性，以避免造成进出料设施堵塞、传质搅拌难度增加等问题。此外，国内的连续式高浓度秸秆沼气发酵工艺研究仍处于起步阶段，其工程化运行效果仍有待进一步观察。

4.2 技术推广可行性

新技术的引进与推广仍应该继续坚持因地制宜的原则，主要包括以下2点： 1)发酵工艺选择尽量结合秸秆固有的物化特征，以尽量减少原料预处理造成的相关投入； 2)村庄集中供气在未来一段时间，仍然是沼气的主要利用方式和途径，适于不同时空用能特征的柔性沼气生产系统，将更具有推广的可行性，如满足冬季用气量大、夏季用气量较小的供气系统。

濮阳市规模化秸秆收储体系已具规模，原料来源已不再是限制工程规模扩大的主要因素。然而，秸秆的预处理仍是一个重要的制约性因素，适于整株或大颗粒秸秆直接进料的沼气工程技术，仍是现阶段秸秆沼气发展的主流需求方案。

为保证村庄集中供气的稳定性、减少储气调控难度，沼气生产需有一定的及时性，即通过有限的气袋暂存容积就可实现沼气生产与供给的鲁棒性调节。对于序批式发酵工艺，虽然可通过设置若干个相互对立的发酵单元实现错峰生产，以获得总体相对稳定的沼气输出，但农村地区运行管理人员的技术水平相对较低，运行过程有效协调难以实现，大大降低了大量推广的可行性。连续式发酵工艺可根据用气需求，在发酵罐设计调控允许范围内及时调增/减OLR，以可保证沼气生产满足供给需求[30]。然而，大粒径秸秆物料连续发酵技术的工程化运行参数仍不确定性，就濮阳市现有的运行维护水平而言，仍不具备推广应用的可行性。

综合对比可见，现有的竖向推流式厌氧消化工艺仍将是濮阳市秸秆沼气工程近期推广的主推技术；高效的秸秆连续发酵工艺将是濮阳市村庄沼气集中工程的主要发展方向，尤其对于可在农村大面积推广的大粒径高浓度秸秆发酵技术具有巨大的应用需求空间。

5 结论与建议

(1)濮阳市秸秆沼气开发形成了围绕以村庄集中供气为核心的循环利用模式，推广该模式可实现村庄燃气需求的沼气化替代。竖向推流式厌氧消化工艺作为主导推广技术，无机械搅拌设施投入、运行能耗低、发酵过程容易控制、产气稳定连续，符合农村维护技术水平低、运行投入少的实际情况，是一种实践证明可行的应用方案。在适宜地区进行推广，可达到能源回收、物质循环、环境保护的多重目的。其中，回流发酵液配料和提高低温季节进料浓度是有效降低运行能耗投入的有效方法。

(2)现有的秸秆沼气工程推广技术虽然能耗投入相对较少，但仍需进行粉碎预处理的人工成本相对较高，且发酵产气效率仍较低。总体而言，现有工程运行效率偏低，不能满足濮阳市秸秆全面开发、替代化石燃气消费的发展需求。满足大粒径、高浓度发酵、运行维护简单、产气效率高且连续稳定的秸秆沼气发酵技术仍然是提升推广应用效益的关键。

(3)现有的序批式发酵工艺虽然运行过程相对简易，原料物料特性的适应性较强，投资维护成本低，但连续供气的可靠性不高；设置多个发酵单元，进行错峰发酵，可作为确保供气稳定的参考手段之一。连续发酵工艺的操作过程相对复杂，投资运行成本也相对较高，但能保证产气的稳定性与连续性，且具有较高的产气效率。在综合考虑原料供应、发酵系统可操作性、沼气有效生产与供给的条件下，连续式秸秆沼气发酵工艺的推广可行性更高。

(4)针对适于我国农村推广的秸秆发酵技术相对较少、新技术的可推广性较差等现状，建议进一步加大相关工程的技术升级或新技术研发，开发秸秆物料尺寸适应性强、能源产出效率高的适宜发酵装置技术，以加快秸秆的高效转化，提升改善现有技术水平应用和实践适应性不佳的状况。同时，建议各级政府出台相应的政策，鼓励沼气多种途径利用，以扩大秸秆沼气工程运行终端的燃气需求，促进秸秆沼气化利用比例的提升。

(5)建议结合国内不同区域特征的秸秆沼气工程运行情况进行系统性的调查和研究，评价现有推广技术的适宜性，以找出限制秸秆沼气推广的关键性工程技术问题，并针对性对的提出改进优化技术方案，为不同农业区划特点、不同农业结构的秸秆沼气工程技术和产业化发展提供理论支撑和推广参考。