面向生态文明建设、绿色能源革命、乡村振兴和实现碳中和的重大战略发展需求，针对传统沼气技术适用原料和场景有限、发酵浓度低效率差、缺乏国产化装备等问题，开展生物天然气技术升级研究和工程化装备研发，推广高效益示范工程，推动我国生物天然气产业快速高质量发展。

图1 研究方向概览

技术原理：从厌氧发酵的基本原理出发，厌氧发酵过程可分为水解、酸化、产乙酸、产甲烷等阶段，涉及的微生物种类多种多样。各阶段的主要代谢过程不同，参与的主要微生物功能类群不同，最适反应条件也不同，甚至存在中间产物对整个厌氧消化进程的抑制作用。同时，由于理化特性的差异，不同物料也具有不同的限速步骤，这决定了组成复杂的多元物料的发酵必然是多步多级过程。传统的单级发酵模式只能为厌氧消化提供一个混沌的空间，限制了不同微生物功能类群的分布及活性，进而影响了多元复杂物料的产能效率。根据厌氧发酵的多阶段多种群理论，多级厌氧发酵可以为厌氧发酵的各个阶段提供必要的空间间隔，使不同发酵阶段的功能菌群在各自分区内富集驯化，提升各分区的发酵效率，从而大副降低发酵物料的降解周期、提升整体发酵效率。同时，多级发酵还可以将不同原料的限速步骤分割在不同的反应器模块中，有针对性的优化各反应单元中的反应条件，以提高该反应阶段功能类群的丰度及活性，从而更高效的突破限速步骤。综上，多级仿生发酵不仅有望大幅提升发酵效率，而且可以广泛适用于多种类和复杂原料的多元化处理。

图1 牛胃的多级消化系统

技术先进性：通过仿生牛胃消化系统，创新性的开发出多级仿生厌氧发酵技术，并开发出了多级仿生湿式、半干式、干式等系列高效厌氧发酵反应器，充分提升厌氧发酵各阶段效率和稳定性。该技术的开发在2016年即被院士领衔的专家组鉴定为“技术水平国内领先、国际先进”。近年来持续创新，核心技术指标继续有效提升，目前已达到秸秆产气率500立方米/tVS，多级仿生半干式厌氧发酵容积产气率达1.5，多级仿生干式厌氧发酵容积产气率达3.5，达到国际领先水平。该技术突破现有厌氧发酵技术的效率限制、原料限制和场景限制，为各种生物质废弃物物料、各种应用场景提供普适性、革命性的技术与国产化装备方案，可有力推动产业快速发展。

图2 开发的多级仿生厌氧发酵系列反应器

沼气中一般含有55%左右的甲烷和45%左右的二氧化碳，还有极少量的硫化氢等杂质气体。为实现沼气与天然气能源的互通，研究中心开发了全套沼气提纯技术与撬装装备。

沼气脱硫：络合铁脱硫技术是一种以络合铁溶液为催化剂的湿式氧化还原脱除H2S的方法，它的特点是能一步将H2S转变成元素S，H2S的脱除率可达99%以上，H2S含量低至10ppm以下。络合铁脱硫技术是一种工艺简单、工作硫容高且环保无毒的新型脱硫技术，克服了传统脱硫工艺硫容量低、脱硫工艺复杂、副盐生成率高、环境污染严重等弊端。

图1 络合铁脱硫

沼气脱碳：采用压力水洗技术对沼气进行脱碳，利用CO₂与 CH₄在水中溶解度差异显著，在加压条件下使 CO₂被水选择性吸收，实现甲烷高效富集；吸收水经减压解析再生，循环使用。该技术甲烷回收率＞98.5%，CO₂回收率＞70%，可在 40%–120% 的负荷区间稳定运行，该技术与撬装装备于2016年获得青岛市科技进步三等奖，完美适配养殖场、餐厨垃圾处理厂、垃圾填埋场等沼气产量波动场景，目前已成功推广了十余处千万方级生物天然气工程项目，是生物天然气制备领域的绿色高效核心技术。

图2 压力水洗脱碳

 为进一步拓展沼气在能源体系中的应用并实现负碳利用，本中心还开展了：

（1）绿色甲醇和SAF等费托合成燃料是当前能源发展的热点，但其前体物质绿色合成气的生产受制于催化剂和气化工艺、气化炉等环节的不成熟，导致生物质直接气化制合成气难以实现产业化应用。基于此，中心开发了沼气干湿双重整制备合成气技术，实现了极具原子性价比的合成气制备，为生物甲醇、可持续航空燃油（SAF）和其他费托合成燃料的制备提供了新的绿色合成气制备途径。

图1 沼气干湿双重整技术

（2）为避免可再生电力弃电并构建电能和化学能的互补能源系统，中心开发了沼气生物氢烷转化技术，将沼气中的CO₂和绿电来源的H₂通过产甲烷微生物的生物转化，转化为CH₄，通过原位转化技术，厌氧反应器可直接产出CH₄含量97%以上的沼气，既避免了沼气脱碳的成本，又可以与可再生电力形成互补，提供了多能互补的储能形式。

图2 生物氢烷转化技术

（3）面向国际减碳以及航运业对绿色LNG的巨大需求，中心开发了沼气一步法联产LNG和LCO₂技术，在实现低能耗沼气脱碳的同时，进一步提升产品附加值。制备的LNG便于运输，可为绿色海运提供能源；LCO₂用于绿色化工或食品行业，实现了沼气的负碳利用。

图3 沼气一步法联产LNG和LCO₂技术

截至目前，已在全国累计推广示范工程20余处，包括黑龙江克东、克山、甘南、依安县以及无棣新洁能、诸城舜沃、徐州卫蓝、德州齐河、江西鹰潭、苏州吴江等等大型生物天然气类项目，达到年处理生物质废弃物总量超200万吨、年产生物天然气当量总量超1亿立方米、年减排二氧化碳达100万吨，产业化项目在发酵规模、产气效率、容积产气率等核心指标均达到国际先进乃至领先水平，取得了显著的示范效益，在成功治理生物质有机废弃物的同时，实现城乡建设和环境保护协调发展。