沈忠杰,汪 鵬

（1.中國科學(xué)技術(shù)大學(xué) 納米科學(xué)技術(shù)學(xué)院，江蘇 蘇州215000；2.中國科學(xué)院廣州能源研究所，廣東 廣州510000）

0 引言

沼氣作為一種清潔、綠色的可再生能源在中國得到了快速的發(fā)展應(yīng)用。截至2015年底，全國農(nóng)村沼氣工程總池容達(dá)到1 892.58萬m3，年產(chǎn)沼氣22.25億m3，全國戶用沼氣達(dá)到4 193.3萬戶。合理利用農(nóng)村地區(qū)禽畜糞便資源，通過厭氧發(fā)酵工藝技術(shù)生產(chǎn)沼氣，不僅有利于解決農(nóng)村環(huán)境保護(hù)及生活用能問題，還有助于推動(dòng)農(nóng)業(yè)無害化生產(chǎn)，建設(shè)生態(tài)環(huán)境友好的新農(nóng)村。

一些學(xué)者針對(duì)國內(nèi)農(nóng)村養(yǎng)殖場(chǎng)沼氣建設(shè)的節(jié)能減排情況開展了研究。石建福對(duì)“氣-熱-電-肥聯(lián)產(chǎn)”模式的秸稈沼氣工程進(jìn)行了經(jīng)濟(jì)效益分析[1]。蘇明山提出了大中型沼氣工程的CO2減排量和減排成本的估算方法[2]。路青研究了規(guī)?；B(yǎng)牛場(chǎng)沼氣工程啟動(dòng)運(yùn)行問題[3]。然而，目前對(duì)農(nóng)村養(yǎng)殖場(chǎng)沼氣潛在資源量與綜合效益分析的研究卻很少。為了在更大范圍推廣農(nóng)村沼氣的利用，本文調(diào)研了廣東省各城市的沼氣工程現(xiàn)狀，根據(jù)畜禽糞污排泄量計(jì)算評(píng)估了沼氣資源量；以廣州市花都區(qū)大福養(yǎng)殖場(chǎng)為例，基于清潔發(fā)展機(jī)制（CDM）計(jì)算了溫室氣體的減排量；并以財(cái)務(wù)凈現(xiàn)值（FNPV）、動(dòng)態(tài)投資回收期（N）、財(cái)務(wù)內(nèi)部收益率（FIRR）等效益核心評(píng)價(jià)指標(biāo)為標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)該養(yǎng)殖場(chǎng)沼氣工程經(jīng)濟(jì)效益進(jìn)行了技術(shù)評(píng)價(jià)。本文為沼氣技術(shù)的進(jìn)一步推廣提供了案例支持。

1 養(yǎng)殖場(chǎng)沼氣工藝流程

圖1所示為近幾年廣東農(nóng)村地區(qū)正在推廣應(yīng)用的一種沼氣“熱-電-肥”聯(lián)產(chǎn)工藝。養(yǎng)殖場(chǎng)的糞污和污水經(jīng)過水解、沉砂前處理后，進(jìn)入空間密閉的厭氧發(fā)酵裝置進(jìn)行厭氧發(fā)酵，生產(chǎn)沼氣[4]。沼氣經(jīng)過脫水、脫硫裝置進(jìn)行凈化處理，以達(dá)到沼氣內(nèi)燃機(jī)對(duì)沼氣的燃燒要求；凈化處理后的沼氣在增壓裝置的作用下被送到沼氣內(nèi)燃機(jī)發(fā)電機(jī)組發(fā)電，供用戶使用。厭氧發(fā)酵裝置中發(fā)酵產(chǎn)生的剩余固體、液體，通過分離裝置進(jìn)行再加工，使其達(dá)到其它使用的要求[5]。

在該沼氣工藝流程中，所利用的熱量主要來源于沼氣內(nèi)燃機(jī)組冷卻換熱的余熱和排煙余熱。冷卻換熱的余熱通過換熱裝置提供給厭氧發(fā)酵罐，用于提高發(fā)酵溫度，多余的熱量直接排向環(huán)境；排煙余熱可以通過螺桿膨脹動(dòng)力發(fā)電機(jī)產(chǎn)生電力[6]。養(yǎng)殖場(chǎng)內(nèi)的沼氣內(nèi)燃機(jī)組產(chǎn)生的電力、排煙余熱產(chǎn)生的電力和屋頂光伏組件產(chǎn)生的電力，基本可以滿足養(yǎng)殖場(chǎng)內(nèi)部的用電需求。

圖1 沼氣“熱-電-肥”聯(lián)產(chǎn)工藝流程Fig.1 Flow chart for cogeneration of heat，power and fertilizer of biogas

2 分析數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

本文用于評(píng)估計(jì)算廣東省沼氣資源量的禽畜飼養(yǎng)量數(shù)據(jù)來源于廣東農(nóng)村統(tǒng)計(jì)年鑒，所研究對(duì)象主要為養(yǎng)殖的禽畜，即生豬、奶牛、肉牛、羊、肉雞和蛋雞等；研究的時(shí)間節(jié)點(diǎn)是2016年。2016年廣東各地區(qū)禽畜統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)見表1。不同種類的禽畜產(chǎn)排污系數(shù)也不同，本文用于計(jì)算的產(chǎn)排污系數(shù)主要參考已公開發(fā)表的文獻(xiàn)[7]。各類禽畜的產(chǎn)排污系數(shù)列于表2。

表1 2016年廣東各地區(qū)禽畜統(tǒng)計(jì)情況Table 1 Statistics of poultry in cities of Guangdong Province in 2016

表2 各類禽畜的產(chǎn)排污系數(shù)Table 2 Pollution production coefficient of poultry

2.2 研究方法

2.2.1禽畜糞便量的計(jì)算

禽畜種類不同，飼養(yǎng)形式不同，其飼養(yǎng)周期也不同。生豬、肉雞的飼養(yǎng)周期通常小于一年。本文根據(jù)文獻(xiàn)所提出的生豬飼養(yǎng)期為199 d即可達(dá)到出欄，肉雞的飼養(yǎng)周期為49 d的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行計(jì)算[7]，[8]。豬和肉雞一般均以出欄量作為飼養(yǎng)量。奶牛、肉牛、羊和蛋雞的飼養(yǎng)周期一般大于一年，考慮以365 d為飼養(yǎng)周期，以年末存欄量作為飼養(yǎng)量。禽畜糞便量按下式計(jì)算：

式中：P為某禽畜飼養(yǎng)周期內(nèi)總的糞尿量，t；Q為某禽畜的飼養(yǎng)量，萬頭（只）；s為某禽畜的產(chǎn)排污系數(shù)，kg/[頭（只）·d]；T為某禽畜的飼養(yǎng)周期，d；W為糞尿量的收集效率，一般取100%[7]。

2.2.2禽畜糞尿生產(chǎn)沼氣量計(jì)算

不同畜禽糞便的產(chǎn)氣率是不同的，豬糞產(chǎn)氣率為55～65 m3/t，牛糞產(chǎn)氣率為40～50 m3/t，羊糞產(chǎn)氣率為62 m3/t，雞糞產(chǎn)氣率為70～90 m3/t[8]。根據(jù)此參數(shù)，若將糞尿全部進(jìn)行厭氧發(fā)酵，可以計(jì)算得出2016年廣東省各城市養(yǎng)殖場(chǎng)禽畜糞便產(chǎn)沼氣潛力（表3）。

表3 各類禽畜糞便產(chǎn)沼氣潛力Table 3 Biogas potential of various types of poultry manure

由表3可知，2016年廣東省各地的養(yǎng)殖場(chǎng)沼氣資源量相差很大，茂名地區(qū)的沼氣資源量最大，為34 594.28萬m3，深圳地區(qū)的沼氣資源量最小，為309.12萬m3。沼氣資源量主要取決于各養(yǎng)殖場(chǎng)的規(guī)模，而養(yǎng)殖場(chǎng)的規(guī)模主要受一個(gè)地區(qū)的地理位置、用地成本、經(jīng)濟(jì)發(fā)展和主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)等因素影響。例如，深圳等一些經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速、第三產(chǎn)業(yè)需求量大的城市，沼氣資源量相對(duì)就比較少。另外，由表3還可以看出，2016年廣東全省沼氣資源量為24.37億m3，按甲烷氣體含量占沼氣量的50%計(jì)算，全省甲烷資源量約為12.19億m3。同年廣東省天然氣的消費(fèi)量為167.79億m3，2016年廣東省養(yǎng)殖場(chǎng)糞污能源潛力相當(dāng)于同年廣東省天然氣消費(fèi)量的7.3%。

3 養(yǎng)殖場(chǎng)案例分析

3.1 項(xiàng)目概況

2017年建成的大福生豬養(yǎng)殖場(chǎng)位于廣州市花都區(qū)赤坭鎮(zhèn)東升村，養(yǎng)殖場(chǎng)由豬舍區(qū)、生產(chǎn)輔助區(qū)、污水處理區(qū)及員工生活區(qū)等組成，占地約146 544 m2，豬存欄量約為6 000頭，年出欄商品豬約為12 000頭。

該養(yǎng)殖場(chǎng)的沼氣工程流程如圖1所示。厭氧發(fā)酵產(chǎn)生的沼氣經(jīng)凈化處理后被送入沼氣內(nèi)燃機(jī)組發(fā)電，供養(yǎng)殖場(chǎng)內(nèi)部使用；沼渣被用于生產(chǎn)有機(jī)肥料；沼液被無償提供給周圍農(nóng)民為果園、林園施肥。沼氣工程總投資約120萬元，其中：土建投資6萬元，沼氣內(nèi)燃機(jī)組、螺桿膨脹機(jī)、厭氧發(fā)酵等設(shè)備投資110萬元，工程設(shè)計(jì)、預(yù)備費(fèi)等其他投資4萬元。項(xiàng)目使用年限為15 a，年成本費(fèi)用16萬元，其中勞動(dòng)力管理費(fèi)用12萬元，檢修維護(hù)費(fèi)用2萬元，其他生產(chǎn)費(fèi)用2萬元。

3.2 溫室氣體減排量計(jì)算

本文在計(jì)算養(yǎng)殖場(chǎng)溫室氣體減排量時(shí)，主要基于清潔發(fā)展機(jī)制（CDM）下的方法學(xué)。清潔發(fā)展機(jī)制（CDM）是目前唯一得到國際公認(rèn)的碳交易機(jī)制，基本適用于世界各地的減排計(jì)劃。如果不用沼氣發(fā)電替代養(yǎng)殖場(chǎng)用電需求，那么該養(yǎng)殖場(chǎng)將使用南方電網(wǎng)的電力，因此根據(jù)該方法學(xué)，規(guī)?；B(yǎng)殖場(chǎng)沼氣工程溫室氣體的減排量等于基準(zhǔn)線情況下的排放量減去項(xiàng)目活動(dòng)總的排放量，再加上沼氣發(fā)電替代電網(wǎng)電力所產(chǎn)生的減排量[9]。

式中：ERy為第y年的CO2減排量，t/a；BEy為第y年基準(zhǔn)線下的CO2排放量，t/a；PEpl，y為第y年沼氣工程因泄露導(dǎo)致的CO2排放量，t/a；PEflare，y為第y年因沼氣不完全燃燒產(chǎn)生的CO2排放量，t/a；PEpower，y為第y年沼氣工程用電產(chǎn)生的CO2排放量，t/a；BEgrid，y為第y年沼氣發(fā)電替代養(yǎng)殖場(chǎng)從電網(wǎng)購電所產(chǎn)生的CO2減排量，t/a。

3.2.1基準(zhǔn)線排放量

基準(zhǔn)線情況下溫室氣體排放量BEy為蓄糞池處理生豬糞污時(shí)溫室氣體的排放量[10]。

式中：GWPCH4為甲烷增溫潛熱系數(shù)，GWPCH4=21；DCH4為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下甲烷密度，DCH4=0.67 kg/m3；UFb為修正系數(shù)，UFb=0.94；MCFj為甲烷排放轉(zhuǎn)化因子，MCFj=0.74；B0為揮發(fā)性固體最大甲烷產(chǎn)生潛力，B0=0.29 m3/kg；Ny為第y年生豬存欄量，頭；VSy為一頭豬在第y年排泄的揮發(fā)性固體量，VSy=125 kg/（頭·a）；MSBL，j為糞污處理比例，MSBL，j=100%。

3.2.2項(xiàng)目活動(dòng)總體排放量

項(xiàng)目活動(dòng)排放量由PEpl，y，PEflare，y，PEpower，y3部分組成。由于本項(xiàng)目不考慮沼氣泄露問題，因此PEpl，y為零。在本項(xiàng)目中所有沼氣被用于燃燒發(fā)電，CMD計(jì)算方法學(xué)認(rèn)為，甲烷的摧毀效率為100%，即不完全燃燒排放量PEflare，y為零[9]。由于項(xiàng)目活動(dòng)所使用的電力來自沼氣發(fā)電機(jī)組，該電力不是來自電網(wǎng)，因此PEpower，y為零。

3.2.3項(xiàng)目活動(dòng)減排量

該養(yǎng)殖場(chǎng)沼氣發(fā)電替代電網(wǎng)購電量所產(chǎn)生的減排量BEgrid，y計(jì)算式如下[10]：

式中：BEbiogas，y為第y年沼氣發(fā)電機(jī)組的發(fā)電量（替代從電網(wǎng)的購電量），BEbiogas，y=120 MW·h；BFCO2為CO2運(yùn)行邊際排放因子EFOM，y和容量邊際排放因子EFBM，y的平均值，t/（MW·h）；EFOM，y=0.824 4 t/（MW·h），EFBM，y=0.688 9 t/（MW·h）。

采用以上公式和參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，得出該項(xiàng)目基于清潔發(fā)展機(jī)制（CDM）下溫室氣體的年減排量為2 219.49 t/a。

4 養(yǎng)殖場(chǎng)效益分析評(píng)價(jià)

養(yǎng)殖場(chǎng)沼氣工程項(xiàng)目主要財(cái)務(wù)指標(biāo)如下。

（1）財(cái)務(wù)凈現(xiàn)值（FNPV）

財(cái)務(wù)凈現(xiàn)值是考察一個(gè)項(xiàng)目在計(jì)算期內(nèi)盈利能力的主要?jiǎng)討B(tài)指標(biāo)，若計(jì)算結(jié)果為正值，則說明該項(xiàng)目能產(chǎn)生收益，其計(jì)算式如下[11]：

式中：FNPV為財(cái)務(wù)凈現(xiàn)值，萬元；t為時(shí)間，a；T為沼氣工程使用年限，a；Bt為第t年的收益，萬元；Ct為第t年的成本，萬元；r為折現(xiàn)率，本項(xiàng)目采用r=10%。

該項(xiàng)目中收益主要包括發(fā)電收益、沼渣制肥收益和溫室氣體減排量收益。沼氣工程項(xiàng)目成本和收益列于表4。

1.就地轉(zhuǎn)換模式的應(yīng)用。為完成消費(fèi)稅正常銷售納稅申報(bào)項(xiàng)目，筆者設(shè)計(jì)了三個(gè)教學(xué)站，其教學(xué)內(nèi)容分別包括手工項(xiàng)目、電子項(xiàng)目和線上學(xué)習(xí)，同時(shí)把學(xué)生（全班48人）按照成績(jī)優(yōu)劣搭配分成三個(gè)教學(xué)組（每組16人），要求他們分別在上述三種方式之間輪流進(jìn)行轉(zhuǎn)換，即在第一個(gè)時(shí)間段內(nèi)，第一、二和三個(gè)教學(xué)站分別進(jìn)行電子項(xiàng)目、手工項(xiàng)目線上學(xué)習(xí)；第二個(gè)時(shí)間段內(nèi)，第一時(shí)間段做電子項(xiàng)目的同學(xué)開始做手工項(xiàng)目，而做手工項(xiàng)目的同學(xué)進(jìn)行線上學(xué)習(xí)；第三個(gè)時(shí)間段，繼續(xù)順時(shí)針轉(zhuǎn)換。

表4 養(yǎng)殖場(chǎng)沼氣工程成本效益分析Table 4 Cost-benefit analysis of farm biogas project

①發(fā)電收益

沼氣工程采用30 kW沼氣內(nèi)燃機(jī)組發(fā)電，每天發(fā)電約11 h，日最大發(fā)電量為329 kW·h，年最大發(fā)電量為120MW·h，每年可節(jié)約電費(fèi)8.27萬元。

②沼渣制肥收益

養(yǎng)殖場(chǎng)年生豬存欄量6 000頭，年出欄量12 000頭，將豬糞發(fā)酵后加工生產(chǎn)有機(jī)肥半成品，年產(chǎn)量約250 t，有機(jī)肥按300元/t的價(jià)格出售，每年可獲益7.5萬元。

③溫室氣體減排量收益

基于清潔發(fā)展機(jī)制（CDM），本項(xiàng)目參與碳市場(chǎng)交易，按照國際市場(chǎng)碳交易價(jià)格，折合人民幣約95.46元/t。該養(yǎng)殖場(chǎng)溫室氣體減排量可獲得的環(huán)境效益為21.19萬元。

（2）動(dòng)態(tài)投資回收期（N）

動(dòng)態(tài)投資回收期是從項(xiàng)目投產(chǎn)的這一年開始算起，用各年的凈收益現(xiàn)值將項(xiàng)目初始投資的現(xiàn)值全部收回的時(shí)間[11]：

財(cái)務(wù)內(nèi)部收益率是指在項(xiàng)目的計(jì)算期內(nèi)，資金流入現(xiàn)值總量與資金流出總量相等、凈現(xiàn)值等于零時(shí)的折現(xiàn)率[11]。計(jì)算式如下：

采用上述計(jì)算公式及表4中的數(shù)據(jù)可得該養(yǎng)殖場(chǎng)沼氣項(xiàng)目的財(cái)務(wù)凈現(xiàn)值（FNPV）為39.42萬元，說明該項(xiàng)目能取得收益；動(dòng)態(tài)投資回收期（N）為8.92 a，回收期較長；財(cái)務(wù)內(nèi)部收益率（FIRR）為15%，高于該沼氣項(xiàng)目計(jì)算采用的基準(zhǔn)收益率。通過計(jì)算分析可知，該養(yǎng)殖場(chǎng)沼氣項(xiàng)目具有可投資性，但投資回收期較長。

5 結(jié)論

通過廣東省沼氣資源量計(jì)算評(píng)估得到，2016年全省沼氣資源量為24.37億m3，按沼氣中含有50%的甲烷氣體計(jì)，折合甲烷12.19億m3，約占廣東省同年天然氣消費(fèi)量的7.3%。對(duì)這些潛在的沼氣資源加以利用，對(duì)于能源結(jié)構(gòu)的調(diào)整及節(jié)能具有重要意義。

基于清潔發(fā)展機(jī)制（CDM）計(jì)算出廣州市花都區(qū)大福養(yǎng)殖場(chǎng)的溫室氣體年減排量為2 219.49 t，通過碳交易可獲取21.19萬元收益，是該養(yǎng)殖場(chǎng)的主要盈利來源。通過CDM可以抵消部分建設(shè)和運(yùn)行資金，還可以提高沼氣工程運(yùn)行管理水平，減少數(shù)量可觀的溫室氣體排放。通過社會(huì)角度的成本效益分析法得到該項(xiàng)目的財(cái)務(wù)凈現(xiàn)值為39.42萬元，動(dòng)態(tài)投資回收期為8.92 a，財(cái)務(wù)內(nèi)部收益率為15%，說明該項(xiàng)目具備盈利的能力。

如果單靠補(bǔ)貼政策和沼氣工程的發(fā)電、沼渣制肥等收益來維持盈利狀態(tài)是比較困難的。若要大范圍推廣沼氣工程的建設(shè)，須考慮溫室氣體減排等外部的社會(huì)效益。