魏靜茹， 羅 軍， 李保慶

(南樂縣農(nóng)業(yè)農(nóng)村局， 河南 南樂 457000)

華北平原地勢低平，是我國重要的糧食生產(chǎn)區(qū)域，但其大量的伴隨產(chǎn)物——秸稈焚燒或遺棄等不合理處置，造成了一系列的環(huán)境問題[1]。與此同時，我國燃氣的長期供小于求和高度依賴進口，造成了華北農(nóng)村地區(qū)長期存在供給不足的情況[2]。利用農(nóng)作物秸稈就近進行沼氣發(fā)酵，生產(chǎn)的沼氣用于集中供氣替代化石燃料、沼渣沼液用作有機肥施用提高土壤品質(zhì)，被認為是提高秸稈利用效益、優(yōu)化能源供給的有效手段。因此，秸稈的沼氣化利用受到廣大農(nóng)業(yè)科技推廣工作者的高度關(guān)注[3]。

然而，我國秸稈沼氣工程技術(shù)尚都處于示范起步階段，適于不同區(qū)域特征的技術(shù)體系尚未形成，這主要包括：適宜的原料供應(yīng)體系、可行的的厭氧消化工藝、順暢的沼氣消納途徑[4]?，F(xiàn)有秸稈沼氣發(fā)酵技術(shù)相關(guān)報道多以實驗室研究結(jié)果為主，與應(yīng)用實踐推廣相關(guān)的文獻報道卻相對較少[5- 6]。隨著國家進一步加強秸稈沼氣化的開發(fā)力度，總結(jié)前期工程示范的推廣經(jīng)驗，提出進一步的技術(shù)需求和發(fā)展建議，已成為秸稈發(fā)酵技術(shù)生根落地的迫切需求之一[7]。

濮陽市位于河南省東北部，耕地、氣候、光照等條件優(yōu)越，適于農(nóng)作物生長，主要農(nóng)作物一年兩熟，是華北平原重要的農(nóng)業(yè)糧食生產(chǎn)區(qū)域。隨著2009年農(nóng)業(yè)部開始在河南省投資建設(shè)秸稈沼氣集中供氣示范工程，濮陽市就積極圍繞秸稈綜合利用，開展秸稈沼氣工程推廣工作，建成了12處發(fā)酵容積為500～2000 m3的秸稈集中供氣沼氣工程[5]。這些工程的運行為6000余戶農(nóng)戶提供了生活炊事燃料，取得一定的實踐推廣應(yīng)用經(jīng)驗，同時也暴露了一系列的技術(shù)問題。

本文通過分析濮陽市農(nóng)業(yè)廢棄資源開發(fā)潛力和環(huán)境條件、秸稈沼氣發(fā)酵趨勢，并評價現(xiàn)有推廣技術(shù)的應(yīng)用情況，總結(jié)秸稈沼氣工程技術(shù)的發(fā)展經(jīng)驗。在此基礎(chǔ)上結(jié)合農(nóng)作物秸稈的可行預(yù)處理方案、管理維護條件、沼氣消納途徑特性，對現(xiàn)有國內(nèi)相關(guān)秸稈沼氣發(fā)酵技術(shù)的應(yīng)用推廣適宜性進行分析。最后，從農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣的角度，提出秸稈沼氣技術(shù)的需求方向，以期為秸稈沼氣化利用的進一步發(fā)展提供有益參考。

1 濮陽市農(nóng)業(yè)沼氣發(fā)展條件

1.1 資源量與開發(fā)潛力

根據(jù)《2019年濮陽市國民經(jīng)濟和社會發(fā)展統(tǒng)計公報》，2019年全市糧食種植面積為427.5千公頃，主要農(nóng)作物的耕-種-收機械化率達94%；畜禽業(yè)的規(guī)模養(yǎng)殖比重達90%，其中，豬和牛等主要肉產(chǎn)品總量達9.6萬噸以上?？梢?，農(nóng)業(yè)呈現(xiàn)出機械化和規(guī)模化發(fā)展，農(nóng)村沼氣發(fā)酵原料分布已由分散式向聚集化轉(zhuǎn)變，這使得農(nóng)業(yè)廢棄物的集中沼氣化利用成為發(fā)展的必然趨勢。對這些農(nóng)業(yè)廢棄物沼氣生產(chǎn)潛力進行分析，結(jié)果如表1所示。

表1 濮陽市主要農(nóng)業(yè)廢棄物沼氣生產(chǎn)潛力

由表1可知，濮陽市秸稈沼氣的生產(chǎn)潛力為8.8億立方，占主要農(nóng)業(yè)廢棄物沼氣生產(chǎn)潛力的98.9%，是農(nóng)業(yè)沼氣開發(fā)最主要的原料來源。鑒于此，全市按照“統(tǒng)一規(guī)劃、統(tǒng)一建設(shè)”的原則，開展了大量適宜規(guī)模秸稈沼氣工程建設(shè)，以實現(xiàn)生態(tài)農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。但從工程的運行結(jié)果來看，全市秸稈的沼氣化利用率仍不足1%，開發(fā)利用進度嚴重滯后。

與此同時，2019年濮陽市的天然氣消費量已達2億立方米，即使全部畜禽養(yǎng)殖業(yè)廢棄物有效利用，生產(chǎn)的沼氣全部替代天然氣(甲烷含量為90%)，其占比也僅為13.3%。推廣農(nóng)作物秸稈沼氣化利用技術(shù)，則僅需36.1%的秸稈物料，即可滿足天然氣的完全替代和燃料的綠色供給。因此，發(fā)展秸稈沼氣工程是濮陽市燃氣自給的必然選擇，也是區(qū)域可持續(xù)發(fā)展的趨勢。

1.2 區(qū)位環(huán)境條件

工程的區(qū)位環(huán)境條件決定了發(fā)酵系統(tǒng)的增溫投入，其中，影響物料增溫和熱散失的主要因素為太陽輻射和環(huán)境溫度[10]。由濮陽市氣象局資料可知，2019年太陽輻射量為118.3 kcal·cm-2，由罐體直接吸熱方式對發(fā)酵系統(tǒng)增溫的效果有限，因此在做項目適宜性評價時可不予考慮[11]。2019年月平均溫度如圖1所示，若以適于秸稈發(fā)酵的最低溫度(25℃)作為控制條件進行工程運行，則需在1～4月和10～12月需采取必要的增溫措施，以維持沼氣發(fā)酵系統(tǒng)按照設(shè)計條件進行穩(wěn)定生產(chǎn)[12]。可見，尋找減少運行熱量損失和減少增溫能耗的可行措施，是提升濮陽市秸稈沼氣工程凈能產(chǎn)出的關(guān)鍵。

2 推廣模式與發(fā)酵技術(shù)

2.1 發(fā)展模式

工程的可持續(xù)運行應(yīng)建立在因地制宜的基礎(chǔ)之上，需綜合考慮原料來源、燃氣供給和沼渣沼液消納等因素。沼氣的發(fā)電或提純并網(wǎng)利用，設(shè)備投入和維護成本都較高，且存在能源轉(zhuǎn)化流失的缺陷，使其在農(nóng)村的推廣可行性降低[13]。

圖1 2019年濮陽市月平均環(huán)境與發(fā)酵溫度

結(jié)合濮陽市種植業(yè)仍以戶為基本經(jīng)營單元、村莊聚集的人口戶數(shù)多在200～1000之間，建立以村莊沼氣集中供氣為主的分散式能源產(chǎn)供系統(tǒng)，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)廢棄物的就近收集、就近資源化轉(zhuǎn)化和產(chǎn)品的就近消納，是理想的廢棄物處理和利用模式。通過10多年的實踐證明，該模式具有較好的可行性。

2.2 工藝流程

秸稈沼氣工程的工藝流程如圖2所示，粉碎預(yù)處理完成的黃貯秸稈，總固體質(zhì)量含量(TS)大于80%，在調(diào)配池中經(jīng)浸泡、TS濃度調(diào)節(jié)、升溫和均勻混合后，通過進料泵輸入發(fā)酵罐進行沼氣生產(chǎn)。

圖2 濮陽市秸稈沼氣工程工藝流程圖

由于秸稈干發(fā)酵技術(shù)(TS≥15%)普遍存在傳質(zhì)效果差、原料產(chǎn)氣率低、維護過程復(fù)雜、運行技術(shù)要求高等問題，使其在現(xiàn)階段的農(nóng)村推廣過程中適宜性不高[14]。因此，濮陽市的村莊秸稈沼氣集中供氣工程都選擇濕發(fā)酵工藝進行沼氣生產(chǎn)[15]。

溫度對沼氣發(fā)酵系統(tǒng)來說是確保生產(chǎn)效率和運行穩(wěn)定的重要因素[18]。因此，在調(diào)配池和發(fā)酵罐內(nèi)設(shè)置熱交換器，對發(fā)酵原料增溫、發(fā)酵罐體補溫，實現(xiàn)系統(tǒng)溫度條件的穩(wěn)定。在此基礎(chǔ)上，通過每天連續(xù)性投料和出料，保持發(fā)酵系統(tǒng)的連續(xù)和均衡產(chǎn)氣。

發(fā)酵后的剩余沼渣沼液，外運至農(nóng)田作為有機肥施用；生產(chǎn)的沼氣經(jīng)凈化間處理(氣水分離器脫水和脫硫塔脫除硫化氫)后，進入干式儲氣袋暫存。由于濮陽市冬季溫度低于零度，干式儲氣袋具有投資少、冬季無需防凍、拆裝方便等特點，因而被廣泛采用。儲氣袋內(nèi)的沼氣經(jīng)增壓泵產(chǎn)生壓力，供應(yīng)村莊生產(chǎn)生活的燃氣需求。

2.3 發(fā)酵技術(shù)

在濮陽市境內(nèi)的秸稈沼氣發(fā)酵技術(shù)主要為豎向推流式厭氧消化工藝，應(yīng)用率為83%[16]。其運行原理為：粉碎處理后的秸稈，作為發(fā)酵原料調(diào)質(zhì)均勻后，進入發(fā)酵罐進行沼氣生產(chǎn)；物料在發(fā)酵罐內(nèi)按進料順序呈層狀豎向下運行，發(fā)酵完成的物料依靠自壓從底部排出；罐內(nèi)配有沼液回流噴淋系統(tǒng)，進行沼液回流接種和液體傳質(zhì)攪拌[17]。實際結(jié)果表明，該工藝僅在濮陽市境內(nèi)發(fā)酵容積2000 m3以下、進料TS濃度為3%～5%的工程中得到有效應(yīng)用，對更大發(fā)酵容積工程仍缺乏工程運行實踐。

濮陽市境內(nèi)的秸稈沼氣集中供氣工程發(fā)酵罐通常發(fā)酵容積相對較大、供氣需求相對較小，使得運行容積產(chǎn)氣率相對較低，如發(fā)酵容積為1000 m3的工程供氣戶數(shù)通常為300戶。雖然工程設(shè)計運行條件為中溫發(fā)酵(35℃～40℃)，但實際運行卻以近中溫為發(fā)酵溫度(25℃～30℃)為主，以減少運行能耗投入、提升原料產(chǎn)氣率[18]。

因發(fā)酵系統(tǒng)的有機進料負荷(OLR)基本沒有達到設(shè)計負荷，工程運行存在發(fā)酵濃度低、產(chǎn)能效率不佳等問題，這也成為了制約秸稈沼氣發(fā)展的瓶頸[19]。因此，進一步優(yōu)化發(fā)酵技術(shù)，提升產(chǎn)能效率，以滿足更多用氣需求，如冬季集中采暖，將是實現(xiàn)未來濮陽市秸稈沼氣工程高效運行的關(guān)鍵因素之一。

總體而言，由于豎向推流式秸稈沼氣發(fā)酵工藝，不需要設(shè)置機械攪拌設(shè)施，可有效降低了設(shè)備運行維護投入。同時，在正常運行過程中，亦未出現(xiàn)過發(fā)酵罐內(nèi)結(jié)殼、管路堵塞、局部酸化或堿化而造成厭氧消化抑制等現(xiàn)象[20]。這表明該發(fā)酵技術(shù)是一種可行的推廣應(yīng)用方案，具體運行參數(shù)如下：

(1)采用立式圓筒形厭氧消化器，內(nèi)設(shè)沼液回流噴淋裝置和回流接種系統(tǒng)；

(2) 立式厭氧消化器設(shè)置為上部進料、下部出料；

(3) 適用于干秸稈原料，秸稈粒徑不大于10 mm，消化時間小于120 d；

(4) 每生產(chǎn)1 m3沼氣消耗干秸稈(以含水率10%計)2.8 kg～3.5 kg。

3 原料準備與能流分析

3.1 秸稈收集與預(yù)處理

通過濮陽市農(nóng)作物秸稈禁燒與綜合利用等工作，使秸稈沼氣工程的發(fā)酵原料收集得到有效保障，如圖3和圖4所示。然而，秸稈是由纖維素、半纖維素和木質(zhì)素為主要組分，構(gòu)成的復(fù)雜空間結(jié)構(gòu)，不易被微生物降解轉(zhuǎn)化[21]。因此，必要的預(yù)處理措施是提升產(chǎn)氣效率和進料順暢性的可行手段。

圖3 農(nóng)作物秸稈儲存與粉碎預(yù)處理

圖4 農(nóng)作物秸稈粉碎預(yù)處理

常采用的生物、化學(xué)和物理3種秸稈預(yù)處理方法皆存在各自不足[22]。在實際應(yīng)用中，生物法因操作相對復(fù)雜，加之農(nóng)村運維人員的技術(shù)水平相對較低，難以達到設(shè)計要求，實際效果不佳；化學(xué)法雖然具有較好的降解效率，但也存在操作工序復(fù)雜等問題，此外，經(jīng)化學(xué)預(yù)處理的沼液沼渣難以被還田利用，極大的限制了其長期推廣的可行性[23]。

濮陽市秸稈沼氣工程普遍采用粉碎機或揉絲機進行物理預(yù)處理，處理后秸稈如圖4所示。以集中供氣300戶村落為例，供氣需求量約為180～300 m3·d-1，秸稈粉碎量僅為0.6～1.0 t·d-1，普通機械設(shè)備(11 kW)即可滿足原料預(yù)處理要求，日運行能耗亦可控制在工程可負擔(dān)范圍(耗電量為7 kW·h～11 kW·h)以內(nèi)。相比之下，機械粉碎符合現(xiàn)階段實現(xiàn)農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣簡單可靠的發(fā)展需求，認為是實踐最為可行的村落沼氣集中供氣工程預(yù)處理方式[24]。

3.2 系統(tǒng)運行能量流動

秸稈沼氣工程發(fā)酵運行過程的能量流動分析如圖5所示。根據(jù)濮陽市多處工程的運行經(jīng)驗來看，秸稈收集、粉碎或揉搓的能耗投入相對較少；攪拌過程主要為液體回流，運行能耗也相對較少。對于保溫措施設(shè)施配置較好的工程，罐體熱量散失可控制在設(shè)定范圍，補溫能耗能量投入亦較少[25]?？傮w而言，系統(tǒng)的主要能量損失主要為寒冷季節(jié)對發(fā)酵原料增溫的投入。為減少加熱設(shè)施的供熱負荷，主要采用以下兩種方法降低運行能耗投入： 1)回流發(fā)酵液配料，減少常溫清水進入調(diào)配池配料； 2)在低溫季節(jié)采用相對較高的進料濃度(如TS=5%)，在高溫季節(jié)采用相對較低的進料濃度(如TS=3%)，減少常溫清水的增溫投入。此外，沼渣管可直接連接固液分離機，快速分離出沼渣,回流入調(diào)配池配質(zhì)——TS濃度和進料溫度，以回收排除沼液沼渣中的余熱[25]。通過這些措施，可平均減少發(fā)酵系統(tǒng)溫升能耗需求的60%～80%。

4 國內(nèi)新工藝推廣適宜性

4.1 主流新技術(shù)

國內(nèi)主流的秸稈沼氣發(fā)酵新技術(shù)對比如表2所示?？傮w而言，這些技術(shù)都是由國外高固體含量物料發(fā)酵工藝的發(fā)展與演變而來，都希望通過簡化操作流程、提升發(fā)酵濃度，達到農(nóng)村適宜性推廣的目的；但就現(xiàn)有報道來看，普遍存在物料傳質(zhì)性能較差、容積產(chǎn)氣率較低、運行穩(wěn)定性有待提高等不足[26-27]。從工程運行的角度分析，序批式發(fā)酵工藝可直接消化收獲狀態(tài)的農(nóng)作物秸稈，且發(fā)酵TS相對較高；但堆積方式差異等造成的傳熱傳質(zhì)參數(shù)不確定，使得發(fā)酵系統(tǒng)的水利滯留期等工藝參數(shù)波動性較大，難以穩(wěn)定產(chǎn)氣，同時也造成供氣可靠性降低。此外，較高的設(shè)備投入和發(fā)酵調(diào)控性差，也是制約序批式秸稈發(fā)酵推廣的主要因素。

圖5 秸稈沼氣工程能量流動過程示意圖

表2 國內(nèi)研發(fā)的試驗厭氧消化工藝參數(shù)及優(yōu)缺點

連續(xù)發(fā)酵工藝仍需對秸稈進行粉碎預(yù)處理，以減少物料尺寸、增加物料的流動性，以避免造成進出料設(shè)施堵塞、傳質(zhì)攪拌難度增加等問題。此外，國內(nèi)的連續(xù)式高濃度秸稈沼氣發(fā)酵工藝研究仍處于起步階段，其工程化運行效果仍有待進一步觀察。

4.2 技術(shù)推廣可行性

新技術(shù)的引進與推廣仍應(yīng)該繼續(xù)堅持因地制宜的原則，主要包括以下2點： 1)發(fā)酵工藝選擇盡量結(jié)合秸稈固有的物化特征，以盡量減少原料預(yù)處理造成的相關(guān)投入； 2)村莊集中供氣在未來一段時間，仍然是沼氣的主要利用方式和途徑，適于不同時空用能特征的柔性沼氣生產(chǎn)系統(tǒng)，將更具有推廣的可行性，如滿足冬季用氣量大、夏季用氣量較小的供氣系統(tǒng)。

濮陽市規(guī)模化秸稈收儲體系已具規(guī)模，原料來源已不再是限制工程規(guī)模擴大的主要因素。然而，秸稈的預(yù)處理仍是一個重要的制約性因素，適于整株或大顆粒秸稈直接進料的沼氣工程技術(shù)，仍是現(xiàn)階段秸稈沼氣發(fā)展的主流需求方案。

為保證村莊集中供氣的穩(wěn)定性、減少儲氣調(diào)控難度，沼氣生產(chǎn)需有一定的及時性，即通過有限的氣袋暫存容積就可實現(xiàn)沼氣生產(chǎn)與供給的魯棒性調(diào)節(jié)。對于序批式發(fā)酵工藝，雖然可通過設(shè)置若干個相互對立的發(fā)酵單元實現(xiàn)錯峰生產(chǎn)，以獲得總體相對穩(wěn)定的沼氣輸出，但農(nóng)村地區(qū)運行管理人員的技術(shù)水平相對較低，運行過程有效協(xié)調(diào)難以實現(xiàn)，大大降低了大量推廣的可行性。連續(xù)式發(fā)酵工藝可根據(jù)用氣需求，在發(fā)酵罐設(shè)計調(diào)控允許范圍內(nèi)及時調(diào)增/減OLR，以可保證沼氣生產(chǎn)滿足供給需求[30]。然而，大粒徑秸稈物料連續(xù)發(fā)酵技術(shù)的工程化運行參數(shù)仍不確定性，就濮陽市現(xiàn)有的運行維護水平而言，仍不具備推廣應(yīng)用的可行性。

綜合對比可見，現(xiàn)有的豎向推流式厭氧消化工藝仍將是濮陽市秸稈沼氣工程近期推廣的主推技術(shù)；高效的秸稈連續(xù)發(fā)酵工藝將是濮陽市村莊沼氣集中工程的主要發(fā)展方向，尤其對于可在農(nóng)村大面積推廣的大粒徑高濃度秸稈發(fā)酵技術(shù)具有巨大的應(yīng)用需求空間。

5 結(jié)論與建議

(1)濮陽市秸稈沼氣開發(fā)形成了圍繞以村莊集中供氣為核心的循環(huán)利用模式，推廣該模式可實現(xiàn)村莊燃氣需求的沼氣化替代。豎向推流式厭氧消化工藝作為主導(dǎo)推廣技術(shù)，無機械攪拌設(shè)施投入、運行能耗低、發(fā)酵過程容易控制、產(chǎn)氣穩(wěn)定連續(xù)，符合農(nóng)村維護技術(shù)水平低、運行投入少的實際情況，是一種實踐證明可行的應(yīng)用方案。在適宜地區(qū)進行推廣，可達到能源回收、物質(zhì)循環(huán)、環(huán)境保護的多重目的。其中，回流發(fā)酵液配料和提高低溫季節(jié)進料濃度是有效降低運行能耗投入的有效方法。

(2)現(xiàn)有的秸稈沼氣工程推廣技術(shù)雖然能耗投入相對較少，但仍需進行粉碎預(yù)處理的人工成本相對較高，且發(fā)酵產(chǎn)氣效率仍較低?？傮w而言，現(xiàn)有工程運行效率偏低，不能滿足濮陽市秸稈全面開發(fā)、替代化石燃氣消費的發(fā)展需求。滿足大粒徑、高濃度發(fā)酵、運行維護簡單、產(chǎn)氣效率高且連續(xù)穩(wěn)定的秸稈沼氣發(fā)酵技術(shù)仍然是提升推廣應(yīng)用效益的關(guān)鍵。

(3)現(xiàn)有的序批式發(fā)酵工藝雖然運行過程相對簡易，原料物料特性的適應(yīng)性較強，投資維護成本低，但連續(xù)供氣的可靠性不高；設(shè)置多個發(fā)酵單元，進行錯峰發(fā)酵，可作為確保供氣穩(wěn)定的參考手段之一。連續(xù)發(fā)酵工藝的操作過程相對復(fù)雜，投資運行成本也相對較高，但能保證產(chǎn)氣的穩(wěn)定性與連續(xù)性，且具有較高的產(chǎn)氣效率。在綜合考慮原料供應(yīng)、發(fā)酵系統(tǒng)可操作性、沼氣有效生產(chǎn)與供給的條件下，連續(xù)式秸稈沼氣發(fā)酵工藝的推廣可行性更高。

(4)針對適于我國農(nóng)村推廣的秸稈發(fā)酵技術(shù)相對較少、新技術(shù)的可推廣性較差等現(xiàn)狀，建議進一步加大相關(guān)工程的技術(shù)升級或新技術(shù)研發(fā)，開發(fā)秸稈物料尺寸適應(yīng)性強、能源產(chǎn)出效率高的適宜發(fā)酵裝置技術(shù)，以加快秸稈的高效轉(zhuǎn)化，提升改善現(xiàn)有技術(shù)水平應(yīng)用和實踐適應(yīng)性不佳的狀況。同時，建議各級政府出臺相應(yīng)的政策，鼓勵沼氣多種途徑利用，以擴大秸稈沼氣工程運行終端的燃氣需求，促進秸稈沼氣化利用比例的提升。

(5)建議結(jié)合國內(nèi)不同區(qū)域特征的秸稈沼氣工程運行情況進行系統(tǒng)性的調(diào)查和研究，評價現(xiàn)有推廣技術(shù)的適宜性，以找出限制秸稈沼氣推廣的關(guān)鍵性工程技術(shù)問題，并針對性對的提出改進優(yōu)化技術(shù)方案，為不同農(nóng)業(yè)區(qū)劃特點、不同農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)的秸稈沼氣工程技術(shù)和產(chǎn)業(yè)化發(fā)展提供理論支撐和推廣參考。