廣東省沼氣資源潛力與養殖場沼氣工程效益分析

沈忠杰,汪 鵬

（1.中國科學技術大學 納米科學技術學院，江蘇 蘇州215000；2.中國科學院廣州能源研究所，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展應用。截至2015年底，全國農村沼氣工程總池容達到1 892.58萬m3，年產沼氣22.25億m3，全國戶用沼氣達到4 193.3萬戶。合理利用農村地區禽畜糞便資源，通過厭氧發酵工藝技術生產沼氣，不僅有利于解決農村環境保護及生活用能問題，還有助于推動農業無害化生產，建設生態環境友好的新農村。

一些學者針對國內農村養殖場沼氣建設的節能減排情況開展了研究。石建福對“氣-熱-電-肥聯產”模式的秸稈沼氣工程進行了經濟效益分析[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]。路青研究了規模化養牛場沼氣工程啟動運行問題[3]。然而，目前對農村養殖場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村沼氣的利用，本文調研了廣東省各城市的沼氣工程現狀，根據畜禽糞污排泄量計算評估了沼氣資源量；以廣州市花都區大福養殖場為例，基于清潔發展機制（CDM）計算了溫室氣體的減排量；并以財務凈現值（FNPV）、動態投資回收期（N）、財務內部收益率（FIRR）等效益核心評價指標為標準，對該養殖場沼氣工程經濟效益進行了技術評價。本文為沼氣技術的進一步推廣提供了案例支持。

1 養殖場沼氣工藝流程

圖1所示為近幾年廣東農村地區正在推廣應用的一種沼氣“熱-電-肥”聯產工藝。養殖場的糞污和污水經過水解、沉砂前處理后，進入空間密閉的厭氧發酵裝置進行厭氧發酵，生產沼氣[4]。沼氣經過脫水、脫硫裝置進行凈化處理，以達到沼氣內燃機對沼氣的燃燒要求；凈化處理后的沼氣在增壓裝置的作用下被送到沼氣內燃機發電機組發電，供用戶使用。厭氧發酵裝置中發酵產生的剩余固體、液體，通過分離裝置進行再加工，使其達到其它使用的要求[5]。

在該沼氣工藝流程中，所利用的熱量主要來源于沼氣內燃機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酵罐，用于提高發酵溫度，多余的熱量直接排向環境；排煙余熱可以通過螺桿膨脹動力發電機產生電力[6]。養殖場內的沼氣內燃機組產生的電力、排煙余熱產生的電力和屋頂光伏組件產生的電力，基本可以滿足養殖場內部的用電需求。

圖1 沼氣“熱-電-肥”聯產工藝流程Fig.1 Flow chart for cogeneration of heat，power and fertilizer of biogas

2 分析數據來源與研究方法

2.1 數據來源

本文用于評估計算廣東省沼氣資源量的禽畜飼養量數據來源于廣東農村統計年鑒，所研究對象主要為養殖的禽畜，即生豬、奶牛、肉牛、羊、肉雞和蛋雞等；研究的時間節點是2016年。2016年廣東各地區禽畜統計數據見表1。不同種類的禽畜產排污系數也不同，本文用于計算的產排污系數主要參考已公開發表的文獻[7]。各類禽畜的產排污系數列于表2。

表1 2016年廣東各地區禽畜統計情況Table 1 Statistics of poultry in cities of Guangdong Province in 2016

表2 各類禽畜的產排污系數Table 2 Pollution production coefficient of poultry

2.2 研究方法

2.2.1禽畜糞便量的計算

禽畜種類不同，飼養形式不同，其飼養周期也不同。生豬、肉雞的飼養周期通常小于一年。本文根據文獻所提出的生豬飼養期為199 d即可達到出欄，肉雞的飼養周期為49 d的標準進行計算[7]，[8]。豬和肉雞一般均以出欄量作為飼養量。奶牛、肉牛、羊和蛋雞的飼養周期一般大于一年，考慮以365 d為飼養周期，以年末存欄量作為飼養量。禽畜糞便量按下式計算：

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

2.2.2禽畜糞尿生產沼氣量計算

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

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

由表3可知，2016年廣東省各地的養殖場沼氣資源量相差很大，茂名地區的沼氣資源量最大，為34 594.28萬m3，深圳地區的沼氣資源量最小，為309.12萬m3。沼氣資源量主要取決于各養殖場的規模，而養殖場的規模主要受一個地區的地理位置、用地成本、經濟發展和主導產業等因素影響。例如，深圳等一些經濟發展迅速、第三產業需求量大的城市，沼氣資源量相對就比較少。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量為167.79億m3，2016年廣東省養殖場糞污能源潛力相當于同年廣東省天然氣消費量的7.3%。

3 養殖場案例分析

3.1 項目概況

2017年建成的大福生豬養殖場位于廣州市花都區赤坭鎮東升村，養殖場由豬舍區、生產輔助區、污水處理區及員工生活區等組成，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。

該養殖場的沼氣工程流程如圖1所示。厭氧發酵產生的沼氣經凈化處理后被送入沼氣內燃機組發電，供養殖場內部使用；沼渣被用于生產有機肥料；沼液被無償提供給周圍農民為果園、林園施肥。沼氣工程總投資約120萬元，其中：土建投資6萬元，沼氣內燃機組、螺桿膨脹機、厭氧發酵等設備投資110萬元，工程設計、預備費等其他投資4萬元。項目使用年限為15 a，年成本費用16萬元，其中勞動力管理費用12萬元，檢修維護費用2萬元，其他生產費用2萬元。

3.2 溫室氣體減排量計算

本文在計算養殖場溫室氣體減排量時，主要基于清潔發展機制（CDM）下的方法學。清潔發展機制（CDM）是目前唯一得到國際公認的碳交易機制，基本適用于世界各地的減排計劃。如果不用沼氣發電替代養殖場用電需求，那么該養殖場將使用南方電網的電力，因此根據該方法學，規模化養殖場沼氣工程溫室氣體的減排量等于基準線情況下的排放量減去項目活動總的排放量，再加上沼氣發電替代電網電力所產生的減排量[9]。

式中：ERy為第y年的CO2減排量，t/a；BEy為第y年基準線下的CO2排放量，t/a；PEpl，y為第y年沼氣工程因泄露導致的CO2排放量，t/a；PEflare，y為第y年因沼氣不完全燃燒產生的CO2排放量，t/a；PEpower，y為第y年沼氣工程用電產生的CO2排放量，t/a；BEgrid，y為第y年沼氣發電替代養殖場從電網購電所產生的CO2減排量，t/a。

3.2.1基準線排放量

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

式中：GWPCH4為甲烷增溫潛熱系數，GWPCH4=21；DCH4為標準狀態下甲烷密度，DCH4=0.67 kg/m3；UFb為修正系數，UFb=0.94；MCFj為甲烷排放轉化因子，MCFj=0.74；B0為揮發性固體最大甲烷產生潛力，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項目活動總體排放量

項目活動排放量由PEpl，y，PEflare，y，PEpower，y3部分組成。由于本項目不考慮沼氣泄露問題，因此PEpl，y為零。在本項目中所有沼氣被用于燃燒發電，CMD計算方法學認為，甲烷的摧毀效率為100%，即不完全燃燒排放量PEflare，y為零[9]。由于項目活動所使用的電力來自沼氣發電機組，該電力不是來自電網，因此PEpower，y為零。

3.2.3項目活動減排量

該養殖場沼氣發電替代電網購電量所產生的減排量BEgrid，y計算式如下[10]：

式中：BEbiogas，y為第y年沼氣發電機組的發電量（替代從電網的購電量），BEbiogas，y=120 MW·h；BFCO2為CO2運行邊際排放因子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進行計算，得出該項目基于清潔發展機制（CDM）下溫室氣體的年減排量為2 219.49 t/a。

4 養殖場效益分析評價

養殖場沼氣工程項目主要財務指標如下。

（1）財務凈現值（FNPV）

財務凈現值是考察一個項目在計算期內盈利能力的主要動態指標，若計算結果為正值，則說明該項目能產生收益，其計算式如下[11]：

式中：FNPV為財務凈現值，萬元；t為時間，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為折現率，本項目采用r=10%。

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

1.就地轉換模式的應用。為完成消費稅正常銷售納稅申報項目，筆者設計了三個教學站，其教學內容分別包括手工項目、電子項目和線上學習，同時把學生（全班48人）按照成績優劣搭配分成三個教學組（每組16人），要求他們分別在上述三種方式之間輪流進行轉換，即在第一個時間段內，第一、二和三個教學站分別進行電子項目、手工項目線上學習；第二個時間段內，第一時間段做電子項目的同學開始做手工項目，而做手工項目的同學進行線上學習；第三個時間段，繼續順時針轉換。

表4 養殖場沼氣工程成本效益分析Table 4 Cost-benefit analysis of farm biogas project

①發電收益

沼氣工程采用30 kW沼氣內燃機組發電，每天發電約11 h，日最大發電量為329 kW·h，年最大發電量為120MW·h，每年可節約電費8.27萬元。

②沼渣制肥收益

養殖場年生豬存欄量6 000頭，年出欄量12 000頭，將豬糞發酵后加工生產有機肥半成品，年產量約250 t，有機肥按300元/t的價格出售，每年可獲益7.5萬元。

③溫室氣體減排量收益

基于清潔發展機制（CDM），本項目參與碳市場交易，按照國際市場碳交易價格，折合人民幣約95.46元/t。該養殖場溫室氣體減排量可獲得的環境效益為21.19萬元。

（2）動態投資回收期（N）

動態投資回收期是從項目投產的這一年開始算起，用各年的凈收益現值將項目初始投資的現值全部收回的時間[11]：

財務內部收益率是指在項目的計算期內，資金流入現值總量與資金流出總量相等、凈現值等于零時的折現率[11]。計算式如下：

采用上述計算公式及表4中的數據可得該養殖場沼氣項目的財務凈現值（FNPV）為39.42萬元，說明該項目能取得收益；動態投資回收期（N）為8.92 a，回收期較長；財務內部收益率（FIRR）為15%，高于該沼氣項目計算采用的基準收益率。通過計算分析可知，該養殖場沼氣項目具有可投資性，但投資回收期較長。

5 結論

通過廣東省沼氣資源量計算評估得到，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，折合甲烷12.19億m3，約占廣東省同年天然氣消費量的7.3%。對這些潛在的沼氣資源加以利用，對于能源結構的調整及節能具有重要意義。

基于清潔發展機制（CDM）計算出廣州市花都區大福養殖場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，是該養殖場的主要盈利來源。通過CDM可以抵消部分建設和運行資金，還可以提高沼氣工程運行管理水平，減少數量可觀的溫室氣體排放。通過社會角度的成本效益分析法得到該項目的財務凈現值為39.42萬元，動態投資回收期為8.92 a，財務內部收益率為15%，說明該項目具備盈利的能力。

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