河南省典型生物质资源评价及生物天然气产气潜力分析

冉龙飞，王美净，柴宝华

(中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司,西安 710065)

0 前 言

生物质能是由农林废弃物、畜禽粪便、食品加工废料、园林废弃物、能源作物及城市生活垃圾等经过反应转化为固态、液态及气态燃料的一种可再生能源[1-3]。发展生物质能有助于促进生态文明建设、推进乡村振兴、发展循环农业。生物质能利用技术有直燃发电、堆肥、厌氧发酵等[3]，采用厌氧发酵制备沼气并提纯生产生物天然气，是近年来国家大力支持与提倡的生物质综合利用的主流技术之一[4]。

生产生物天然气是生物质能利用的重要途径，国家能源局、财政部等多部委联合出台了《关于促进生物天然气产业化发展的指导意见》(发改能源规[2019]1895号)，将生物天然气纳入国家能源消费体系，提倡建立分布式天然气生产消费体系，助力生物天然气专业化、市场化、规模化发展，规划到2025年生物天然气年产量超过100亿m3，到2030年生物天然气年产量超过200亿m3，占国内天然气产量一定比重[5]。生物天然气已纳入国家能源体系，国家发改委、能源局发布了《“十四五”现代能源体系规划》(发改能源规[2022]210号)，提出建设千万立方米级生物天然气工程[6]。

河南省是中国粮食主产区，果园、菜园和畜禽养殖双优县较集中，土地消纳沼渣、沼液等发酵剩余物的能力较强，发展种养结合的循环农业模式空间较大，且河南省对清洁燃气的需求较大，发展生物天然气的资源及市场条件较好。因此，本文对河南省生物天然气发展现状进行调查研究，提出适宜河南省生物天然气产业发展的建议，引导生物天然气产业有序发展[7]。

1 河南省生物天然气发展现状

1.1 发展现状

河南省是农业大省、畜牧业大省，良好的区域环境、自然经济条件和发达的养殖业，适宜生物天然气项目建设。发展初期，河南省生物质能利用主要以沼气生产为主，把发展农村沼气作为一项富民工程、民心工程，并出台相关扶持政策加快农村沼气建设[8]。受到运行不稳定、经济效益差等制约因素的影响，截至目前，已建沼气工程大多数处于停运状态。

生物天然气作为沼气高值化利用的一种方式，与其他省相比较，河南省生物天然气产业发展加快。目前，河南省已建且处于运行状态的生物天然气项目有4个，分别为河南天冠集团生物天然气(秸秆沼气)综合利用项目、河南中海博能生物质开发有限公司规模化生物天然气项目、河南省谷庄生态节能循环农业有限公司日产1.5万m3规模化生物天然气工程试点建设项目、河南兰考仪封生物天然气项目。4个项目累计年产生物天然气2 372万m3，在建或开展前期工作的生物天然气项目有2个，累计年产生物天然气730万m3。项目类型均为气-肥联产，生物天然气通过车用或并入燃气管网消纳，有机肥就近消纳。

1.2 存在的问题

河南省生物天然气产业发展虽取得一定成绩，但发展过程中仍存在一些问题，导致真正实现落地的项目较少，主要体现在以下几个方面：

(1) 补贴及税收优惠不足

河南省生物天然气项目建设补贴政策只有电价补贴，缺少对天然气提纯、燃气入网、热能回收、气价等环节的补贴，导致生物天然气产业发展盈利或效益拉动力不足。

(2) 推广力度有待加强

生物天然气项目作为处理城乡有机废弃物的主要方式，已被纳入乡村振兴战略之列，但推广力度有待进一步加强。

(3) 原料收储运体系建设有待健全

生物天然气项目生产原料需求较多，需依托完善的原料收储运体系，但河南省原料收储运体系建设方案匹配性不足，针对性不强，维持项目运行的难度较大。

(4) 产品消纳体系建设有待完善

生物天然气项目以气-肥联产为主，生物天然气消纳方式比较多元化，易消纳，但有机肥消纳由于受到市场影响，导致有机肥消纳能力不足。

2 河南省生物质资源条件

2.1 玉米秸秆

2020年河南省农作物播种面积14 741.61 hm2，其中粮食播种面积10 738.80 hm2。结合各类农作物秸秆的产气潜力，以及已建项目生产原料的需求调研情况分析，玉米秸秆是生物天然气生产的最优选原料。河南省玉米播种面积3 818.01 hm2，玉米产量2 320.78万t，折算到亩产约405 kg[9-11]。通过调研及分析河南省玉米产量，平均玉米亩产约500 kg，实际产量与理论产量的修正系数为1.20。参照《关于更新农作物草谷比和可收集系统的函》，河南省玉米草谷比取值为1.04，河南省玉米秸秆理论资源量2 896.34万t。河南省玉米秸秆利用以机械还田及动物饲料为主，能源化利用比例较低，存在能源浪费问题。

河南省各市(县)玉米秸秆理论资源量分布情况见图1。由图1可见南阳市、周口市、驻马店市、商丘市等地区玉米秸秆资源较好，但利用方式多以机械还田及动物饲料利用为主，能源化利用率较低，造成能源浪费，且秸秆还田易破坏土壤结构，不利于农作物种植。

图1 玉米秸秆理论资源量分布

2.2 畜禽粪污

2020年河南省生猪存栏量3 815.22万头，牛存栏量386.03万头，家禽存栏量69 156.19万羽[12]。根据产排污系数测算，测算河南省畜禽粪污理论资源量9 710.79万t。河南省畜禽粪污利用以喷洒浇地、堆肥生产为主，能源化利用比例较低，存在能源浪费问题。

河南省各市(县)畜禽粪污理论资源分区情况如图2所示。由图2可见南阳市、商丘市、周口市、驻马店市等地区资源较好，综合利用方式以喷洒灌地为主，能源化利用率较低，导致能源浪费，且畜禽粪污喷洒灌地易造成空气质量下降，影响周边环境。

图2 畜禽粪污理论资源量

2.3 其他资源

(1) 生活垃圾

目前，河南省城市生活垃圾处理率达到98.74%，县城生活垃圾处理率达到87%，同时河南省针对生活垃圾处理，编制了《河南省生活垃圾焚烧发电中长期专项规划(2018—2030年)》，中远期生活垃圾处理以焚烧发电为主，因此暂不考虑将生活垃圾作为生物天然气生产的原料。

(2) 工业有机废水

河南省工业发展较快，工业废水产生量较大，废水中有机污染物对环境的影响较大。河南省要求工业企业配套建设满足相关排放标准的工业有机废水处理设备，达到排放标准后对外排放，因此暂不考虑利用生物天然气项目来处理工业有机废水。

综上所述，河南省生物天然气项目生产以玉米秸秆、畜禽粪污为主，生活垃圾、工业有机废水等暂不考虑作为生物天然气项目生产的原料，且河南省玉米秸秆、畜禽粪污资源丰富，从原料供应的保障性分析，生物天然气产业发展优势明显。

3 河南省生物天然气产气潜力计算

生物天然气产气潜力按照下式计算[13]：

(1)

公式(1)中：V为生物天然气生产潜力，m3；Gi为理论资源量，t； 为收集系数，玉米秸秆取0.96，畜禽粪污取0.75；TS为干物质质量分数，%，秸秆取60%，畜禽粪污取15%；ηi为可利用系数；Vi为不同原料的产气率，Nm3/t，玉米秸秆取450，畜禽粪污取350。

生物天然气项目以县为单位进行开发，通过调研河南省已建的典型生物天然气项目的运行情况，分析生物天然气项目对所在地区的玉米秸秆、畜禽粪污处理能力的提升情况，可收集系数玉米秸秆取0.2，畜禽粪便取0.4。

根据公式(1)及河南省玉米秸秆、畜禽粪污的可收集资源量测算沼气、生物天然气的产气潜力，计算结果如表1所示。

表1 河南省生物天然气产气潜力计算结果

综上所述，河南省每年可用于生物天然气生产的生物质资源量约2 741.04万t，可年产沼气87亿m3、年产生物天然气约44亿m3，产气潜力较大。生物天然气可作为区域天然气供应的补充气源，增加清洁能源供应比例，提升河南省可再生能源用能占比。

4 河南省生物天然气产气潜力预测

4.1 玉米秸秆预测分析

河南省作为农业大省，受到种植结构的改变，从2010—2020年玉米种植面积变化如图3所示。各市(县)2010—2016年玉米种植面积逐渐增加，增加率约3%，2017—2020年玉米种植面积逐渐增加下降，下降率约1.0%。结合玉米种植面积变化趋势以及实际情况，且作为国家粮食生产大省，玉米种植面积需保证种植规模稳定，预测到2025年，河南省玉米种植面积保持1.0%的增长率稳定变化，对应的玉米秸秆理论产量为2 925.33万t。

图3 玉米种植面积变化

4.2 畜禽粪污预测分析

河南省各市(县)养殖主要包括生猪、牛、家禽、山羊等。生物天然气项目生产的最佳原料选择生猪、肉牛、家禽，具体养殖规模如表2所示。根据图4所示，2005—2014年河南省畜禽粪污资源量平稳增长后逐年下降，下降率约2.8%；2014—2017年河南省畜禽粪污资源量逐年增加，增长率约1.4%；2018—2019年由于受到猪瘟影响，河南省畜禽粪污资源量急剧下降，下降率达到22%。2019年以后，河南省的生猪养殖企业养殖能力逐年恢复，预测到2025年，畜禽粪污的资源量将达到2018年之前的稳定增长情况，增长率确定为1.4%，畜禽粪污产量约12 767万t。

图4 畜禽粪污理论产量变化

表2 河南省畜禽养殖数量及粪污产量

4.3 产气量预测分析

根据到2025年河南省玉米秸秆理论资源量、畜禽粪污理论资源量，考虑全省资源收集难易程度，以及资源化利用现状、其他生物质项目的建设情况预测，预测生物天然气产气量，到2025年河南省生物质资源理论产气量约70亿m3。具体测算结果见表3。

表3 河南省生物天然气产气量测算

5 结 论

本文分析评价了河南省典型生物质资源及对应的生物天然气产气潜力，得出如下结论：

(1) 河南省可用于生物天然气生产的典型生物质资源包括玉米秸秆和畜禽粪便，其中玉米秸秆理论资源量2 896.34万t，畜禽粪污理论资源量9 710.79万t；预测到2025年，玉米秸秆理论资源量2 925.33万t，畜禽粪污理论资源量12 767.16万t。

(2) 河南省玉米秸秆可利用资源量556.10万t，畜禽粪污可利用资源量2 184.94万t，两种生物质资源的产气潜力为44亿m3；预测到2025年，玉米秸秆可利用资源量584.45万t，畜禽粪污可利用资源量3 351.37万t，两种生物质资源的产气潜力为70亿m3，产气潜力较大。

“十四五”河南省生物天然气产业，在国家能源革命、乡村振兴等政策的支持与推动下，将成为河南省可再生能源利用的重要产业，具备能源开发的价值。

6 建 议

河南省生物天然气产气潜力较大，同时作为 一种可再生能源，具有较高的开发价值。

针对河南省生物天然气产业发展存在的问题，提出以下建议：

(1) 落实支持政策

河南省生物天然气产业处于重要发展期，且发展潜力较大，通过出台土地、原料等方面的优惠政策，以及终端产品补贴政策，刺激产业商业化发展，提升生物质的能源化利用价值。

(2) 加强规划引导

结合区域资源特点，建立规划引导机制，布局重点项目，吸引投资主体、开发主体形成合力，共同开发项目。

(3) 完善原料收储运体系建设

生物天然气项目运行需要依托完善的原料收储运体系，结合河南特点，积极出台合理的原料收储运体系建设方案，指导项目生产运行。

(4) 建立产品多元化消纳渠道

针对生物天然气项目产品，整合当地已有市场，积极开拓新的市场渠道，保障产品消纳。

(5) 加大宣传

生物天然气是国家能源发展战略、消费革命的重要内容，是乡村振兴战略的重要任务，是农村能源发展的重要支撑，结合河南特点，加大宣传，推广生物质能实现能源开发的综合效益。