你聽說過生物天然氣嗎？
國家發展改革委等十部委發布的《關于促進生物天然氣產業化發展的指導意見》提出：“到2025年，生物天然氣具備一定規模，形成綠色低碳清潔可再生燃氣新興產業，生物天然氣年產量超過100億立方米。到2030年，生物天然氣實現穩步發展。規模位居世界前列，生物天然氣年產量超過200億立方米，占國內天然氣產量一定比重。”
面向這一國家目標，同濟大學生物質能源研究中心主任朱洪光教授帶領團隊，實現了生物天然氣大規模工業化制備的技術突破。近日，采用這套技術的“站田式”工廠開始在安徽推廣。朱洪光和上海碳中和技術創新聯盟副理事長尹邦奇認為，生物天然氣工廠可助力上海打造“航運綠色燃料基地”，有望成為國際航運中心和科創中心建設的新亮點。
生物天然氣生產站
制備生物天然氣實現技術突破
生物天然氣是以農作物秸稈、畜禽糞污、餐廚垃圾、農副產品加工廢水等各類城鄉有機廢棄物為原料，經厭氧發酵和凈化提純產生的綠色、低碳、可再生的天然氣。在厭氧發酵過程中產生的沼渣沼液也有價值，可用于生產有機肥。
“我們以前把生物天然氣叫作沼氣。”尹邦奇說，“沼氣制備早就有了，聯合國也推廣過，但一直沒有實現大規模產業化。”究其原因，主要有兩個難題：一是制備生物天然氣的原料很分散，能源密度低，導致收集和運輸困難；二是沼氣具有潮汐性缺點，冬天無法在自然條件下發酵，給產業化帶來了障礙。
針對這些難題，朱洪光教授開展了深入研究。“我在南大讀博士時就做這方面研究，與農業廢棄物打了20多年交道。”朱洪光表示。在上海市政府部門立項支持下，他帶領團隊在崇明開展技術創新試點工程，實現了一系列突破。
崇明的規模化沼氣工程
在多源有機廢棄物混合高產發酵技術方面，他們培育出新的工程菌種，發明了高產生物天然氣的生物催化劑，并通過流體力學、傳熱學、微生物學等多學科交叉研究，為制造大型厭氧發酵罐奠定了理論基礎。針對冬天無法發酵這一難點，科研團隊利用土壤深層地熱，在能耗很低的條件下將發酵溫度控制在35—38℃，即使在嚴冬也能實現生物天然氣的高效高得率生產。
在綠色全復合營養有機肥精制技術方面，科研團隊采用初級固液分離粗加工、功能性肥料深加工兩個步驟，將制備生物天然氣產生的沼渣轉化為固體有機肥原料，再通過營養元素復配強化，形成精制復合有機肥。它們可取代化肥，用于作物施肥或增加土壤有機質。
除了有機肥，他們還突破了高值碳基材料分離技術，能從厭氧發酵產生的沼液中提取磷、氮、鉀等水溶性無機營養物質，提煉出碳基納米材料。
從“崇明模式”到“阜南模式”
取得技術突破后，同濟大學生物質能源研究中心與上海林海生態技術股份有限公司合作，在崇明建設并托管運營56處畜禽養殖業糞污處理沼氣工程，在實現規模化生物天然氣制備的同時，解決了40萬頭生豬養殖的環保問題。2016年，這些建管一體化沼氣工程被農業部認定為“崇明模式”。
從2017年起，在安徽省政府和同濟大學的戰略合作基礎上，林海生態公司在安徽省阜陽市阜南縣開展了“城鄉有機廢棄物生產生物天然氣循環農業”項目。一期項目采用PPP模式（政府和社會資本合作模式），總投資10.44億元，在阜南建造了8個生物天然氣生產站和1個應急調峰中心站。這些生產站主要由單體體積為6000立方米的厭氧發酵罐組成，年產生物天然氣4000萬立方米，占全國農業農村年產生物天然氣總量的近50%。
6000立方米的厭氧發酵罐
俯瞰生物天然氣生產站，一個個厭氧發酵罐體形巨大，實現了大規模工業化制備沼氣的夢想。朱洪光介紹：“它們是數字化自動化控制裝備，能確保生物天然氣高產、高質量和全年穩定生產，技術水平達到國際領先。”
在工程規劃布局上，項目團隊參照石油開采的“井田制”理念，設計了“站田式”分布網絡。除了建設生物天然氣生產站和應急調峰中心站，還在全縣建有30個標準化秸稈收儲中心、367個收儲點、3個畜禽糞污集中處理中心，打通了秸稈“離地進站”和糞污“入池收儲”的最后一公里。
阜南“站田式”分布網絡
農業農村部農業生態與資源保護總站指出：“阜南模式”探索出一條符合中國國情的區域有機廢棄物可持續利用的技術路線、商業模式和運作路徑，應加大在同類地區推廣力度。
為船舶供應“零碳”綠色燃料
從“崇明模式”到“阜南模式”，上海的科技創新成果進入了產業化推廣階段。尹邦奇介紹，生物天然氣是一種源自植物光合作用的“負碳”可再生能源，可通過現有的天然氣管網基礎設施，廣泛應用于燃氣、電力、交通等領域，而且與太陽能、風能相比，具有穩定可控可儲存的優點，在我國實現碳達峰碳中和的道路上有巨大的發展潛力。
從能源安全角度來看，我國是天然氣進口大國，未來持續提高生物天然氣的產量，將減少天然氣進口依賴。
生物天然氣產業價值示意圖
對上海國際航運中心建設而言，生物天然氣也有望成為新亮點。據了解，林海生態公司在與國內外兩家世界500強企業洽談合作——以生物天然氣為原料制備綠色甲醇，用作遠洋船舶的“零碳”燃料。“綠色甲醇作為燃料也是有溫室氣體排放的，但沒有溫室效應，”朱洪光解釋，“因為制備綠色甲醇的綠色甲烷、綠色二氧化碳都來自生物天然氣，是碳中性原料，通過植物光合作用可循環使用。”
在他看來，上海可推動這類合作項目，在“雙碳”目標指引下打造“航運綠色燃料基地”。如今，上海正朝著全球一流國際航運中心邁進，推進航運業綠色低碳轉型。“航運綠色燃料基地”建設可成為綠色低碳轉型的重要項目。另一方面，憑借長三角生物天然氣工廠和海上風電項目，上海的綠色甲烷、綠色二氧化碳和氫能供應越來越充裕，有能力制備大量的遠洋船舶綠色燃料。
“發展生物天然氣產業，前期投資比較大，需要得到綠色產業基金等基金和國資的支持。同時，也需要產業政策引導。”尹邦奇說。據測算，在縣域建設“站田式”網絡的投資回收期為6—10年。隨著全國碳排放權交易市場的發展，這一投資回收期將逐步縮短，進一步凸顯生物天然氣產業的綠色經濟價值。
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