馮芹+萬年青

摘要 當(dāng)前，生物質(zhì)能源的開發(fā)利用研究逐漸成為熱點(diǎn)。甘蔗葉作為我國南方地區(qū)豐富的可利用生物質(zhì)能源，有著廣泛的用途和利用價(jià)值。近來年農(nóng)業(yè)部中國熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)機(jī)械研究所首次以風(fēng)干的甘蔗葉為主要原料，加入干的豬糞便，通過干法連續(xù)厭氧發(fā)酵技術(shù)，開展了相關(guān)甘蔗葉氣肥聯(lián)產(chǎn)試驗(yàn)研究，取得了很好的研究進(jìn)展。本文依據(jù)相關(guān)研究進(jìn)展，對(duì)其厭氧發(fā)酵技術(shù)的經(jīng)濟(jì)前景進(jìn)行簡(jiǎn)單的分析探討。

關(guān)鍵詞 甘蔗葉；干法連續(xù)厭氧發(fā)酵；氣肥聯(lián)產(chǎn)；經(jīng)濟(jì)適應(yīng)性

中圖分類號(hào) S216.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1007-5739（2017）22-0215-02

2 Agricultural Product Processing Research Institute，Chinese Academy of Tropical Agricultural Sciences）

Abstract At present，the development and utilization of biomass energy has gradually become a research hotspot.Sugarcane leaves，which are abundant and available biomass energy in southern China，exhibit wide applications and useful values.Recently，the studies of biogas-fertilizer coproduction from dry continuous anaerobic digestion of dried sugarcane leaves by adding dried pig manure were first conducted with great progress being made in the Institute of Agricultural Machinery of Chinese Academy of Tropical Agricultural Sciences under Ministry of Agriculture of China. Based on the related research progress，a simple analysis of the economic adaptability of anaerobic digestion technology of sugarcane leaves were conducted in this paper.

Key words sugarcane leave；continuous anaerobic digestion；biogas-fertilizer coproduction；economic adaptability

甘蔗葉是指甘蔗采收后遺棄在田間的甘蔗葉片和甘蔗梢。我國甘蔗年種植面積為160萬hm2左右，產(chǎn)區(qū)從南方11個(gè)省區(qū)逐步向桂中南、滇西南、粵西—瓊北等3個(gè)優(yōu)勢(shì)產(chǎn)業(yè)帶集中，集中度為95%左右，年生產(chǎn)甘蔗葉總量2 500萬t以上[1]。由于甘蔗葉總量巨大，以甘蔗葉為原料，利用干法厭氧發(fā)酵技術(shù)制備沼氣，并通過沼氣提純、發(fā)電等，將為甘蔗葉開展大規(guī)模有效利用和替代傳統(tǒng)能源產(chǎn)業(yè)等提供廣闊的發(fā)展前景。

1 甘蔗葉干法連續(xù)厭氧發(fā)酵氣肥聯(lián)產(chǎn)研究進(jìn)展

厭氧發(fā)酵是區(qū)別于好氧發(fā)酵的一種發(fā)酵方法，其主要特征是發(fā)酵過程不需要空氣參與，僅在密閉條件下進(jìn)行。近年來，農(nóng)業(yè)部中國熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)機(jī)械研究所以風(fēng)干的甘蔗葉為主要原料，同時(shí)加入干的豬糞便，通過干法連續(xù)厭氧發(fā)酵技術(shù)進(jìn)行氣肥聯(lián)產(chǎn)試驗(yàn)研究，取得了很好的研究進(jìn)展。

該技術(shù)不僅采用了目前國內(nèi)較為先進(jìn)的干法厭氧發(fā)酵技術(shù)，而且在厭氧發(fā)酵過程首次利用太陽能加熱實(shí)現(xiàn)了連續(xù)發(fā)酵和換料，并通過甘蔗葉和豬糞混合物的發(fā)酵實(shí)現(xiàn)了氣肥聯(lián)產(chǎn)，提高了沼氣工程的效率。同時(shí)，由于干法發(fā)酵無沼液消納問題，因而最大限度地降低了二次污染。該技術(shù)將廢棄甘蔗葉轉(zhuǎn)化為清潔的生物能源，探索了一條有益的途徑，該技術(shù)的特性決定了其經(jīng)濟(jì)性特點(diǎn)。

1.1 較高的容積產(chǎn)氣率為項(xiàng)目發(fā)展奠定了基礎(chǔ)

容積產(chǎn)氣率又稱池容產(chǎn)氣率，指單位體積在單位時(shí)間的產(chǎn)氣量，是沼氣工程系統(tǒng)運(yùn)行好壞的一個(gè)重要指標(biāo)。

容積產(chǎn)氣率=產(chǎn)氣量/容積；

產(chǎn)氣量=投料量×原料產(chǎn)氣率×原料消化率。

從上述公式可以看出，相對(duì)于濕法發(fā)酵，干法發(fā)酵解決了部分沼液的消納問題，在其他因素特別是容積一定的情況下，由于發(fā)酵原料的增加，單位容積產(chǎn)氣率自然獲得了增加。

目前，國內(nèi)濕法厭氧發(fā)酵下的單位容積產(chǎn)氣率一般在0.8～1.2 m3/（m3·d）之間，而在理想試驗(yàn)條件下，通過干法連續(xù)厭氧發(fā)酵技術(shù)，單位容積產(chǎn)氣率可達(dá)到4.0 m3/（m3·d）左右；在工程模擬試驗(yàn)上，單位容積產(chǎn)氣率也達(dá)到1.5～2.5 m3/（m3·d），且沼氣中CH4含量在50%～60%之間[2]，有著較好的經(jīng)濟(jì)效益前景。

1.2 連續(xù)式進(jìn)料能夠保證沼氣的產(chǎn)出和節(jié)能減耗

甘蔗葉連續(xù)式干法厭氧發(fā)酵氣肥聯(lián)產(chǎn)技術(shù)的另一個(gè)特點(diǎn)是用連續(xù)式進(jìn)出料替代傳統(tǒng)的批式間歇式換料。傳統(tǒng)沼氣發(fā)酵罐在發(fā)酵原料生產(chǎn)一段時(shí)間后，由于沼氣生產(chǎn)水平大幅下降，必須停止生產(chǎn)并進(jìn)行批式換料處理，俗稱清池。清池不僅費(fèi)事費(fèi)神，而且增加運(yùn)行中的換料成本，更主要的是中斷了沼氣生產(chǎn)過程。其換料過程的成本及產(chǎn)氣能力的損耗根據(jù)沼氣工程規(guī)模的不同而不同，工程規(guī)模越大，換料時(shí)間越長，所產(chǎn)生的損耗越大。

連續(xù)式進(jìn)料在設(shè)計(jì)上克服了間歇式換料的缺點(diǎn)。在換料時(shí)，將經(jīng)過粉碎、均質(zhì)混料、調(diào)溫處理等的甘蔗葉和豬糞原料，定時(shí)通過反應(yīng)器的一端均勻向反應(yīng)器中布料，通過反應(yīng)器自壓按層次順序推壓前行并達(dá)到定時(shí)出料的目的，由布料間隔控制原料發(fā)酵和出料的間隔。這種工藝使原料的沼氣發(fā)酵過程達(dá)到連續(xù)穩(wěn)定地進(jìn)行，克服了間歇式批量進(jìn)料沼氣發(fā)酵產(chǎn)氣過程的間斷和不均衡問題，從而將沼氣產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)過程變得可控、高效和穩(wěn)定。除此之外，這一工藝還可以通過調(diào)節(jié)原料布料量、多個(gè)單元組合等措施，滿足不同的甘蔗葉處理量及用氣需求。endprint

1.3 太陽能增溫、保溫措施進(jìn)一步減少了能耗

在我國北方地區(qū)，受冬季日照不足的影響，目前大部分規(guī)?；託夤こ桃话闶峭ㄟ^電加熱膜增溫保溫系統(tǒng)加熱或是利用工程自產(chǎn)沼氣，通過鍋爐水循環(huán)沼氣池增溫保溫系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)沼氣反應(yīng)裝置的溫度控制，達(dá)到提高原料消化率和容積產(chǎn)氣率的目的。但無論是電加熱膜增溫保溫系統(tǒng)還是鍋爐水循環(huán)沼氣池增溫保溫系統(tǒng)，都增加了工程的資源能耗。

根據(jù)甘蔗主產(chǎn)區(qū)四季日照較為充足的特點(diǎn)，從節(jié)約能耗和控制沼氣裝置反應(yīng)溫度出發(fā)，項(xiàng)目組開發(fā)出了太陽能熱水器水循環(huán)沼氣池升溫系統(tǒng)等節(jié)能型增溫、保溫措施，在確保發(fā)酵溫度控制、達(dá)到常年高效穩(wěn)定產(chǎn)氣的同時(shí)，有效降低了發(fā)酵增溫保溫系統(tǒng)的二次能耗。

1.4 氣肥聯(lián)產(chǎn)增加了產(chǎn)出效益比重

“氣肥聯(lián)產(chǎn)”目前并沒有統(tǒng)一定義。由于沼氣工程一般在沼氣生產(chǎn)的同時(shí)，會(huì)產(chǎn)生許多富含植物生長所需微量元素的沼渣附產(chǎn)物，通過對(duì)沼渣進(jìn)行簡(jiǎn)單處理，即可得到富含營養(yǎng)的沼渣肥，從而實(shí)現(xiàn)沼氣工程的附加效益，提高沼氣產(chǎn)業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益。因此，行業(yè)內(nèi)將這種沼氣、沼渣同時(shí)實(shí)現(xiàn)社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益的過程稱之為“氣肥聯(lián)產(chǎn)”。

試驗(yàn)表明，由于甘蔗葉加入豬糞后的發(fā)酵，使沼渣富含有機(jī)質(zhì)、腐植酸及氮、磷、鉀等植物生所需的微量元素。通過試驗(yàn)計(jì)算，本項(xiàng)目1 t沼氣干混合發(fā)酵原料可生產(chǎn)沼渣原肥1.08 t，可替代堆漚有機(jī)肥1.79 t[3]。氣肥聯(lián)用技術(shù)顯著提高了工藝的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益，能夠帶動(dòng)當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展，促進(jìn)農(nóng)民增收，具有較好的產(chǎn)業(yè)發(fā)展前景。

2 甘蔗葉連續(xù)式干法厭氧發(fā)酵技術(shù)的經(jīng)濟(jì)適應(yīng)性分析

基于以上技術(shù)特點(diǎn)，甘蔗葉連續(xù)式干法厭氧發(fā)酵技術(shù)的經(jīng)濟(jì)適應(yīng)性主要包括以下幾點(diǎn)。

2.1 項(xiàng)目節(jié)能效果顯示了良好的經(jīng)濟(jì)性

除了項(xiàng)目本身是利用生物質(zhì)廢棄物資源（甘蔗葉、豬糞）進(jìn)行再生產(chǎn)的節(jié)能過程，還在工藝研究過程中諸如太陽能加溫節(jié)能、干法連續(xù)發(fā)酵原料節(jié)能以及收貯節(jié)能等環(huán)節(jié)上進(jìn)行了許多有益的探索，節(jié)能效果顯著。

按照項(xiàng)目組干法連續(xù)厭氧發(fā)酵工藝，年產(chǎn)45萬m3沼氣工程規(guī)模，用電量180 kW·h，用水量3 000 m3，則節(jié)能折合標(biāo)準(zhǔn)煤279.22 t/年（折合系數(shù)來源[4]），項(xiàng)目沼氣產(chǎn)量相當(dāng)于每年節(jié)約683 t標(biāo)準(zhǔn)煤，減少二氧化碳排放1 161 t[5-6]，項(xiàng)目節(jié)能經(jīng)濟(jì)性顯著。

2.2 成本構(gòu)成特點(diǎn)顯示項(xiàng)目良好的適應(yīng)性

甘蔗葉干法連續(xù)厭氧發(fā)酵制備沼氣工程的成本構(gòu)成主要包括3個(gè)方面，即原料成本、工程成本（發(fā)酵裝備和各類基礎(chǔ)設(shè)施）及運(yùn)營管理成本。原料主要是甘蔗葉、鮮豬糞的混合物及少量碳酸氫銨等。甘蔗葉和鮮豬糞作為項(xiàng)目投產(chǎn)運(yùn)行后主要的成本因素，由于其地域集中性、廣泛性和易收集、耐儲(chǔ)存等特點(diǎn)[7]，能夠較好地保證不同類型沼氣工程的運(yùn)行需求并降低運(yùn)行成本。

2.3 項(xiàng)目中試實(shí)踐說明項(xiàng)目推廣的經(jīng)濟(jì)可行性

研究實(shí)踐中，項(xiàng)目課題組以580 m3發(fā)酵裝置、年產(chǎn)45萬m3氣規(guī)模的大中型（偏向中型）進(jìn)行了實(shí)際的經(jīng)濟(jì)成本研究：項(xiàng)目投資成本520萬元，其中靜態(tài)建設(shè)投資515.39萬元，鋪底流動(dòng)資金5.27萬元。靜態(tài)建設(shè)投資515.39萬元包括建筑工程投資241.10萬元，設(shè)備購置費(fèi)207.80萬元及其他投資66.49萬元。項(xiàng)目年總收入83.50萬元，其中沼氣收入73萬元，沼渣收入10.50萬元，以項(xiàng)目15年為周期計(jì)算年均總成本83.37萬元。

按照項(xiàng)目投資理論，項(xiàng)目在財(cái)務(wù)內(nèi)部收益率（FIRR）2.81%、動(dòng)態(tài)投資回收期12.82年、財(cái)務(wù)凈現(xiàn)值（FNPV）34.23萬元、盈虧平衡分析（BEP）57.85%，價(jià)格及容積產(chǎn)氣率敏感性系數(shù)4.29。上述指標(biāo)均不樂觀，但卻基本能夠維持項(xiàng)目運(yùn)行，而這已經(jīng)是目前類似生物質(zhì)能源項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)性的最佳表現(xiàn)。如果同時(shí)考慮中央財(cái)政對(duì)發(fā)展規(guī)?；笮驼託夤こ痰难a(bǔ)助，則項(xiàng)目能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定的經(jīng)濟(jì)效益。

另外，項(xiàng)目的推廣也將為我國甘蔗主產(chǎn)區(qū)（廣西、云南、粵西）農(nóng)民和社會(huì)生產(chǎn)帶來直接的經(jīng)濟(jì)效益，即通過甘蔗葉回收、發(fā)展沼氣產(chǎn)業(yè)、推廣沼渣有機(jī)肥等達(dá)到促進(jìn)農(nóng)民增收和當(dāng)?shù)厣鐣?huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的目的。

2.4 環(huán)境與社會(huì)效益對(duì)項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)性起到補(bǔ)充作用

甘蔗葉干法連續(xù)厭氧發(fā)酵氣肥聯(lián)產(chǎn)項(xiàng)目的推廣，其環(huán)境與社會(huì)生態(tài)效益主要體現(xiàn)為以下2點(diǎn)：一是對(duì)節(jié)約資源、改善區(qū)域自然生態(tài)環(huán)境具有借鑒意義，項(xiàng)目的推廣能夠廣泛地降低廢棄甘蔗葉因傳統(tǒng)田間焚燒處理方式造成的環(huán)境污染，減少區(qū)域煙塵及有害氣體排放[8]；二是為貫徹落實(shí)國家建設(shè)生態(tài)文明、發(fā)展生物質(zhì)廢棄物綜合利用戰(zhàn)略尋求到一條有利的途徑。

3 結(jié)語

甘蔗葉干法連續(xù)厭氧發(fā)酵氣肥聯(lián)產(chǎn)技術(shù)目前單從氣肥聯(lián)產(chǎn)的角度分析，雖然具有廣泛的適應(yīng)性和一定的經(jīng)濟(jì)效益，但事實(shí)上無論是國外還是國內(nèi)，目前大規(guī)模利用農(nóng)業(yè)廢棄物等生物質(zhì)資源發(fā)展沼氣工程，并單純通過直供方式用于民用，并非該產(chǎn)業(yè)發(fā)展的方向。通過沼氣工程進(jìn)行沼氣發(fā)電、沼氣提純生物天然氣等，逐漸成為沼氣技術(shù)先進(jìn)國家發(fā)展大規(guī)模沼氣工程的普遍模式，也為技術(shù)的經(jīng)濟(jì)性帶來了可靠的延伸。

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