規模化養豬場沼氣發電碳減排效益案例研究

王賀禮，范 敏，羅成龍，席細平，石金明，孫李媛

(江西省科學院能源研究所，330096，南昌)

規模化養豬場沼氣發電碳減排效益案例研究

王賀禮，范 敏，羅成龍，席細平，石金明，孫李媛

(江西省科學院能源研究所，330096，南昌)

對贛西山區某規模化養豬場沼氣發電的碳減排效益進行了分析，表明規模化養豬場沼氣發電工程具有可觀的碳減排量和很好的環境、社會效益，如果碳減排指標能以合理的價格在碳市場出售，建設養豬場沼氣工程的投資回報將大大改善。對于建立碳市場過程中對沼氣發電碳減排指標的定價具有一定的指導意義。

規模化養豬場；沼氣發電；碳減排

1 沼氣工程簡介

某養豬場位于贛西山區，生豬存欄量約1.2萬頭。所有的豬均為圈養，糞便和污水沒有直接排入當地地表水源，沼氣工程建設前使用的敞開式的厭氧池深度為17 m，項目所在地年平均溫度為15 ℃，厭氧池污水的停留時間平均約3-6個月，項目情景下使用的污水處理系統底部有防滲層，不會對地下水造成污染。

養殖糞污采用干清糞工藝，每天可產生糞便污水150 m3。沼氣工程建成后，糞便污水先進入格柵預處理，然后進入厭氧池，厭氧處理工藝為內部循環厭氧反應器(IC)，IC反應器直徑為3.6～7 m，高度23 m，發酵產生的沼氣儲存在儲氣柜中，經除雜、除水、脫硫后進入沼氣發電機組發電，發電機組使用的是濰柴培新氣體發動機有限公司的6160Q機組。項目建成后，年產沼氣127 750 m3，沼氣發電機組裝機容量60 kW，年發電量12 萬kWh。所發電力全部自用，沼渣和沼液出售給當地農戶[1]。

圖1 沼氣工程工藝流程

本沼氣工程為能源環保型，將清理的固體糞便單獨處理不參與厭氧發酵過程，僅對污水進行處理。特點是有機負荷低，占用土地較少，處理的出水可達標排放或回用，缺點是固態有機物未參與發酵過程，沼氣產氣量低。

2 沼氣工程碳減排量測算

2.1項目邊界

本項目活動的邊界如圖2所示。

圖2 項目活動邊界

基準情景只考慮敞開式厭氧發酵池的直接排放的CH4和N2O，不含有機廢物分解產生的CO2排放。項目情景排放包括現場使用電力的CO2排放、厭氧池工藝的CH4和N2O排放、污水好氧處理的CH4和N2O排放、污泥的CH4和N2O排放。基準情景和項目情景下的項目邊界范圍內的溫室氣體排放源和溫室氣體種類見表1。

表1 碳減排量計算范圍

表1(續)

2.2減排量計算

本項目使用的方法學是ACM0010(第7版)——“糞便管理系統減少溫室氣體排放的整合方法學”[2]。

ACM0010方法學同時引用了以下工具：含甲烷氣體的火炬燃燒產生的項目排放計算工具；化石燃料燃燒產生的項目排放或泄露計算工具；電網排放因子計算工具；電力消費的基準線排放、項目排放和/或泄露計算工具。

根據方法學ACM0010(第7版)，本項目的減排量計算如下。

2.2.1 基準線排放

BEy=BECH4,y+BEN2O,y+BEelec/heat,y

其中：BEy為y年的基準線排放(tCO2e/y)；BECH4,y為y年的基準線甲烷排放(tCO2e/y)；BEN2O,y為y年的基準線N2O排放(tCO2e/y)；BEelec/heat,y為y年基準線下使用的電力和/或熱能導致的CO2排放(tCO2e/y)。由于敞開式厭氧池不消耗電力和熱量，該項排放不考慮。

基準線排放計算結果如表2。

表2 基準線排放計算結果表/tCO2e·a-1

2.2.2 項目排放

PEy=PEAD,y+PEAer,y+PEN2O,y+PEPL,y+

PEflared,y+PEelec/heat,y

其中：PEAD,y為糞便管理系統收集甲烷時產生的泄露(tCO2e/a)；PEAer,y為糞便管理系統中好氧處理產生的甲烷排放(tCO2e/a)；PEN2O,y為項目糞便管理系統產生的N2O排放(tCO2e/a)；PEPL,y為收集的甲烷輸送到燃燒器或供熱和/或發電設施過程中的泄露(tCO2e/a)；PEelec/heat,y為項目活動y年用電和/或熱產生的CO2排放(tCO2e/a)。由于本項目活動收集的甲烷用來發電，發電量遠大于糞便管理設施的用電量，這部分排放為0。

項目排放計算如表3。

表3 項目排放計算結果表/tCO2e·a-1

2.2.3 泄露 泄露包括土地利用的排放和項目邊界之外的排放。凈泄露是項目活動的泄露和基準線的泄露之差，凈泄露只有為正值時才給予考慮。

LEy=(LEP,N2O-LEB,N2O)+(LEP,CH4-LEB,CH4)

其中：LEP,N2O為項目活動處理后的糞便進行土地利用導致的N2O排放(tCO2e/a)；LEB,N2O為基準情景處理后的糞便進行土地利用導致的N2O排放(tCO2e/a)；LEP,CH4為項目活動處理后的糞便進行土地利用導致的CH4排放(tCO2e/a)；LEB,CH4為項目活動處理后的糞便進行土地利用導致的CH4排放(tCO2e/a)。

代入本項目各項參數和IPCC默認值，計算總泄露為：

LEy=(LEP,N2O-LEB,N2O)+(LEP,CH4-LEB,CH4)=-1 289 tCO2e/y。

2.2.4 減排量 項目活動在y年的減排量ERy是基準線排放(BEy)和項目排放(PEy)、泄露(LEy)的差：

ERy=BEy-PEy-LEy

其中：ERy為y年項目活動的減排量(tCO2e)；BEy為y年的基準線排放(tCO2e)；PEy為y年的項目排放(tCO2e)；LEy為y年的泄露排放(tCO2e)。

代入以上各項數據，得到本沼氣工程減排量為：7 032 tCO2e/a。

3 沼氣工程碳減排投資回報分析

本項目總投資295萬元，其中115萬自有資金，其余為中央投資150萬元、地方配套資金30萬元。第1年為建設期，項目運行周期15年。運行成本主要包括維護成本、材料成本、勞動力成本。項目總裝機容量60 kW，可利用數為5 760 h/a，當地電價為0.62元/kWh。本項目沼氣發電用于養殖場的日常運行，可以節省公司的電力成本。表4和表5是對項目活動的投資分析結果。

項目收入包括節約購電的收入、出售沼液和沼渣的收入，但不包括出售CERs的收入。IRR低于行業基準收益率8%，因此，本項目財務上缺少吸引力。如果項目能從出售CERs(假設CERs價格為9歐元/tCO2，假設1歐元=8.6元人民幣，計入期10年)獲得收入，IRR則可以提高到11.47%，超過基準收益率，從而在財務上對投資者變得具有吸引力。

表4 擬議項目不作為CDM項目的投資分析/元

表5 擬議項目作為CDM項目的投資分析/元

4 沼氣工程的碳減排效益分析

規模化養豬場沼氣工程是對養豬廢棄物綜合處理工程，具有顯著的環保效益、社會效益和一定的經濟效益[3-5]。具體體現在以下幾點。

4.1減少污染物排放

沼氣工程，包括前期處理和后續處理，不僅能大大降低有機污染，避免或者減少污染地表水源和地下水，達到國家環保要求，還可以減少病菌滋生，蚊蠅繁殖，改善環境狀況。一般管理良好的沼氣工程可以減少有機物排放的80%以上。

4.2減少溫室氣體排放

高溫室效應潛值的沼氣(GWP=21)通過發電機轉變為溫室效應潛值較低的二氧化碳(GWP=1)，可以大大減少溫室氣體排放，降低全球溫室效應。通過計算，本沼氣工程可以減少二氧化碳排放7 032 t/a。

4.3回收有用的能源

沼氣(主要成分是甲烷)是一種高熱值的燃料，可以用于養豬場供熱、沼氣池保溫、居民炊事燃料、鍋爐燃料、提純壓縮作天然氣等各種用途。相對于化石燃料，其在提供熱能的同時，可以有效減少污染物的排放。

5 影響沼氣工程碳減排效益實現的障礙分析

規模化養豬場沼氣工程具有良好的的碳減排效益，但目前也存在如下的障礙，影響其碳減排效益的實現如下[6-8]。

5.1沼氣工程建設資金不足

目前國內養豬場以民營企業為主，且普遍規模偏小。受豬肉價格波動周期影響，相當一部分的養豬場業主缺乏長期穩定經營的信心，環保工程則是得過且過，無資金實力或信心投資建設沼氣工程。部分建成的沼氣工程，由于工藝技術落后、原料不足、管理不善等，導致工程廢置造成浪費。

5.2沼氣工程施工質量不高

沼氣是易燃易爆的危險氣體，施工不規范、操作不當等都能引起設備爆炸、甲烷中毒等事故。沼氣工程的施工質量還關乎日后運行效益、維護成本和環境效益。目前國內部分沼氣工程的建設單位資質和經驗不足，施工質量不高，造成沼氣工程無法正常使用或發揮碳減排效益。

5.3沼氣、沼液和沼渣的利用途徑不暢

養豬場為了避免與周圍居民發生環境糾紛，選址一般與村莊有一定的距離，大大增加了沼氣管網配送建設成本，大多數的沼氣只供養殖場內部使用，多余的沼氣只能直接點燃或排放。沼液和沼渣如果缺乏土地配套消納，極易造成二次污染。

5.4碳減排指標市場價值未得到體現

在規范運行、前景可期的碳市場機制下，沼氣工程的碳減排指標可以出售，換取相應的經濟回報，進而改善沼氣工程經濟效益，在目前國際碳市場價格疲軟、前景不明、國內碳市場尚未建立的情況下，沼氣工程的碳減排指標無法變現。

6 結論與建議

1)規模化養豬場沼氣工程除具有良好的環境效益和社會效益外，還具有很好的碳減排效益，如果能夠實現資源綜合利用，也具有一定的經濟效益。

2)目前制約規模化養豬場沼氣工程碳減排效益發揮作用的主要障礙是：沼氣工程設計不合理、沼氣工程運行維護管理不到位、沼氣利用途徑不通暢、碳減排市場吸引力不足等。

3)政府應在加強環境監察、構建碳減排市場、加強沼氣工程設計施工管理等方面助力規模化養豬場沼氣工程碳減排效益的實現。

4)規模養殖企業應重視沼氣工程的建設和維護，確保其正常運行，產生滿足碳市場 “可監測、可報告、可驗證”標準的碳信用額。

[1] 規模養豬場沼氣發電項目可行性研究報告[R].

[2]UNFCCC.http://cdm.unfccc.int/methodologies/DB/7AKWCSE6FKL3HO21F6BWN5E96SC8CU.

[3]董仁杰,田世杰.養豬場發展沼氣工程效益探討[J].豬業科學,2011(6):50-51.

[4]鄧舟,耿欣,張麗穎,等.沼氣利用方式的碳足跡分析[J].環境衛生工程,2010,18(5):23-26.

[5]徐慶賢,官雪芳,林斌.福建省規模化養豬場資源量及溫室氣體減排效益評估分析[J].農業與技術,2011,31(1):37-40.

[6]魏敦滿.南平市規模化養豬場沼氣工程調查與探析[J].中國沼氣,2013,31(5):53-57.

[7]陳景全.規模豬場沼氣工程建設與糞污無害化處理及綜合利用技術-宜興市興望農牧種豬場大型沼氣發電工程建設紀實[J].養豬,2012(6):81-84.

[8]林斌.規模化養豬場沼氣工程發展的影響因素研究-以福建為案例[D].福州:福建農林大學,2009.

CaseStudyonCarbonDioxideReductionofBiogasPowerGenerationinLarge-scalePigFarm

WANG Heli,FAN Min,LUO Chenglong,XI Xiping,SHI Jinming,SUN Liyuan

(Jiangxi Academy of Sciences,Energy Institute,330096,Nanchang,PRC)

This paper analyzed carbon dioxide reduction effectiveness of biogas power generation in a large-scale pig farm in west Jiangxi province.It shows that biogas power generation produce considerable carbon dioxide reduction,good environmental benefits and social benefits.If carbon dioxide reduction was sold in just price in carbon market,the return of investment would be improved greatly.The result of this paper is making sense to guide for fixing a price in carbon market for large-scale pig farm biogas power generation.

large-scale pig farm;biogas power generation;carbon dioxide reduction

2014-08-14;

2014-10-08

王賀禮(1982-)，男，河南南陽人，碩士，助理研究員，從事低碳能源規劃研究工作。

江西省高校人文社會科學重點研究基地2011年度研究項目(JD1182)；“十二五”國家科技支撐計劃項目(2012BAC20B09)；江西省科學院青年科技創新項目(2013-YQC-4)。

10.13990/j.issn1001-3679.2014.05.021

S828.4

A

1001-3679(2014)05-0674-05