规模化养猪场沼气发电碳减排效益案例研究

王贺礼，范 敏，罗成龙，席细平，石金明，孙李媛

(江西省科学院能源研究所，330096，南昌)

规模化养猪场沼气发电碳减排效益案例研究

王贺礼，范 敏，罗成龙，席细平，石金明，孙李媛

(江西省科学院能源研究所，330096，南昌)

对赣西山区某规模化养猪场沼气发电的碳减排效益进行了分析，表明规模化养猪场沼气发电工程具有可观的碳减排量和很好的环境、社会效益，如果碳减排指标能以合理的价格在碳市场出售，建设养猪场沼气工程的投资回报将大大改善。对于建立碳市场过程中对沼气发电碳减排指标的定价具有一定的指导意义。

规模化养猪场；沼气发电；碳减排

1 沼气工程简介

某养猪场位于赣西山区，生猪存栏量约1.2万头。所有的猪均为圈养，粪便和污水没有直接排入当地地表水源，沼气工程建设前使用的敞开式的厌氧池深度为17 m，项目所在地年平均温度为15 ℃，厌氧池污水的停留时间平均约3-6个月，项目情景下使用的污水处理系统底部有防渗层，不会对地下水造成污染。

养殖粪污采用干清粪工艺，每天可产生粪便污水150 m3。沼气工程建成后，粪便污水先进入格栅预处理，然后进入厌氧池，厌氧处理工艺为内部循环厌氧反应器(IC)，IC反应器直径为3.6～7 m，高度23 m，发酵产生的沼气储存在储气柜中，经除杂、除水、脱硫后进入沼气发电机组发电，发电机组使用的是潍柴培新气体发动机有限公司的6160Q机组。项目建成后，年产沼气127 750 m3，沼气发电机组装机容量60 kW，年发电量12 万kWh。所发电力全部自用，沼渣和沼液出售给当地农户[1]。

图1 沼气工程工艺流程

本沼气工程为能源环保型，将清理的固体粪便单独处理不参与厌氧发酵过程，仅对污水进行处理。特点是有机负荷低，占用土地较少，处理的出水可达标排放或回用，缺点是固态有机物未参与发酵过程，沼气产气量低。

2 沼气工程碳减排量测算

2.1项目边界

本项目活动的边界如图2所示。

图2 项目活动边界

基准情景只考虑敞开式厌氧发酵池的直接排放的CH4和N2O，不含有机废物分解产生的CO2排放。项目情景排放包括现场使用电力的CO2排放、厌氧池工艺的CH4和N2O排放、污水好氧处理的CH4和N2O排放、污泥的CH4和N2O排放。基准情景和项目情景下的项目边界范围内的温室气体排放源和温室气体种类见表1。

表1 碳减排量计算范围

表1(续)

2.2减排量计算

本项目使用的方法学是ACM0010(第7版)——“粪便管理系统减少温室气体排放的整合方法学”[2]。

ACM0010方法学同时引用了以下工具：含甲烷气体的火炬燃烧产生的项目排放计算工具；化石燃料燃烧产生的项目排放或泄露计算工具；电网排放因子计算工具；电力消费的基准线排放、项目排放和/或泄露计算工具。

根据方法学ACM0010(第7版)，本项目的减排量计算如下。

2.2.1 基准线排放

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

其中：BEy为y年的基准线排放(tCO2e/y)；BECH4,y为y年的基准线甲烷排放(tCO2e/y)；BEN2O,y为y年的基准线N2O排放(tCO2e/y)；BEelec/heat,y为y年基准线下使用的电力和/或热能导致的CO2排放(tCO2e/y)。由于敞开式厌氧池不消耗电力和热量，该项排放不考虑。

基准线排放计算结果如表2。

表2 基准线排放计算结果表/tCO2e·a-1

2.2.2 项目排放

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

PEflared,y+PEelec/heat,y

其中：PEAD,y为粪便管理系统收集甲烷时产生的泄露(tCO2e/a)；PEAer,y为粪便管理系统中好氧处理产生的甲烷排放(tCO2e/a)；PEN2O,y为项目粪便管理系统产生的N2O排放(tCO2e/a)；PEPL,y为收集的甲烷输送到燃烧器或供热和/或发电设施过程中的泄露(tCO2e/a)；PEelec/heat,y为项目活动y年用电和/或热产生的CO2排放(tCO2e/a)。由于本项目活动收集的甲烷用来发电，发电量远大于粪便管理设施的用电量，这部分排放为0。

项目排放计算如表3。

表3 项目排放计算结果表/tCO2e·a-1

2.2.3 泄露 泄露包括土地利用的排放和项目边界之外的排放。净泄露是项目活动的泄露和基准线的泄露之差，净泄露只有为正值时才给予考虑。

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

其中：LEP,N2O为项目活动处理后的粪便进行土地利用导致的N2O排放(tCO2e/a)；LEB,N2O为基准情景处理后的粪便进行土地利用导致的N2O排放(tCO2e/a)；LEP,CH4为项目活动处理后的粪便进行土地利用导致的CH4排放(tCO2e/a)；LEB,CH4为项目活动处理后的粪便进行土地利用导致的CH4排放(tCO2e/a)。

代入本项目各项参数和IPCC默认值，计算总泄露为：

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

2.2.4 减排量 项目活动在y年的减排量ERy是基准线排放(BEy)和项目排放(PEy)、泄露(LEy)的差：

ERy=BEy-PEy-LEy

其中：ERy为y年项目活动的减排量(tCO2e)；BEy为y年的基准线排放(tCO2e)；PEy为y年的项目排放(tCO2e)；LEy为y年的泄露排放(tCO2e)。

代入以上各项数据，得到本沼气工程减排量为：7 032 tCO2e/a。

3 沼气工程碳减排投资回报分析

本项目总投资295万元，其中115万自有资金，其余为中央投资150万元、地方配套资金30万元。第1年为建设期，项目运行周期15年。运行成本主要包括维护成本、材料成本、劳动力成本。项目总装机容量60 kW，可利用数为5 760 h/a，当地电价为0.62元/kWh。本项目沼气发电用于养殖场的日常运行，可以节省公司的电力成本。表4和表5是对项目活动的投资分析结果。

项目收入包括节约购电的收入、出售沼液和沼渣的收入，但不包括出售CERs的收入。IRR低于行业基准收益率8%，因此，本项目财务上缺少吸引力。如果项目能从出售CERs(假设CERs价格为9欧元/tCO2，假设1欧元=8.6元人民币，计入期10年)获得收入，IRR则可以提高到11.47%，超过基准收益率，从而在财务上对投资者变得具有吸引力。

表4 拟议项目不作为CDM项目的投资分析/元

表5 拟议项目作为CDM项目的投资分析/元

4 沼气工程的碳减排效益分析

规模化养猪场沼气工程是对养猪废弃物综合处理工程，具有显著的环保效益、社会效益和一定的经济效益[3-5]。具体体现在以下几点。

4.1减少污染物排放

沼气工程，包括前期处理和后续处理，不仅能大大降低有机污染，避免或者减少污染地表水源和地下水，达到国家环保要求，还可以减少病菌滋生，蚊蝇繁殖，改善环境状况。一般管理良好的沼气工程可以减少有机物排放的80%以上。

4.2减少温室气体排放

高温室效应潜值的沼气(GWP=21)通过发电机转变为温室效应潜值较低的二氧化碳(GWP=1)，可以大大减少温室气体排放，降低全球温室效应。通过计算，本沼气工程可以减少二氧化碳排放7 032 t/a。

4.3回收有用的能源

沼气(主要成分是甲烷)是一种高热值的燃料，可以用于养猪场供热、沼气池保温、居民炊事燃料、锅炉燃料、提纯压缩作天然气等各种用途。相对于化石燃料，其在提供热能的同时，可以有效减少污染物的排放。

5 影响沼气工程碳减排效益实现的障碍分析

规模化养猪场沼气工程具有良好的的碳减排效益，但目前也存在如下的障碍，影响其碳减排效益的实现如下[6-8]。

5.1沼气工程建设资金不足

目前国内养猪场以民营企业为主，且普遍规模偏小。受猪肉价格波动周期影响，相当一部分的养猪场业主缺乏长期稳定经营的信心，环保工程则是得过且过，无资金实力或信心投资建设沼气工程。部分建成的沼气工程，由于工艺技术落后、原料不足、管理不善等，导致工程废置造成浪费。

5.2沼气工程施工质量不高

沼气是易燃易爆的危险气体，施工不规范、操作不当等都能引起设备爆炸、甲烷中毒等事故。沼气工程的施工质量还关乎日后运行效益、维护成本和环境效益。目前国内部分沼气工程的建设单位资质和经验不足，施工质量不高，造成沼气工程无法正常使用或发挥碳减排效益。

5.3沼气、沼液和沼渣的利用途径不畅

养猪场为了避免与周围居民发生环境纠纷，选址一般与村庄有一定的距离，大大增加了沼气管网配送建设成本，大多数的沼气只供养殖场内部使用，多余的沼气只能直接点燃或排放。沼液和沼渣如果缺乏土地配套消纳，极易造成二次污染。

5.4碳减排指标市场价值未得到体现

在规范运行、前景可期的碳市场机制下，沼气工程的碳减排指标可以出售，换取相应的经济回报，进而改善沼气工程经济效益，在目前国际碳市场价格疲软、前景不明、国内碳市场尚未建立的情况下，沼气工程的碳减排指标无法变现。

6 结论与建议

1)规模化养猪场沼气工程除具有良好的环境效益和社会效益外，还具有很好的碳减排效益，如果能够实现资源综合利用，也具有一定的经济效益。

2)目前制约规模化养猪场沼气工程碳减排效益发挥作用的主要障碍是：沼气工程设计不合理、沼气工程运行维护管理不到位、沼气利用途径不通畅、碳减排市场吸引力不足等。

3)政府应在加强环境监察、构建碳减排市场、加强沼气工程设计施工管理等方面助力规模化养猪场沼气工程碳减排效益的实现。

4)规模养殖企业应重视沼气工程的建设和维护，确保其正常运行，产生满足碳市场 “可监测、可报告、可验证”标准的碳信用额。

[1] 规模养猪场沼气发电项目可行性研究报告[R].

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

[3]董仁杰,田世杰.养猪场发展沼气工程效益探讨[J].猪业科学,2011(6):50-51.

[4]邓舟,耿欣,张丽颖,等.沼气利用方式的碳足迹分析[J].环境卫生工程,2010,18(5):23-26.

[5]徐庆贤,官雪芳,林斌.福建省规模化养猪场资源量及温室气体减排效益评估分析[J].农业与技术,2011,31(1):37-40.

[6]魏敦满.南平市规模化养猪场沼气工程调查与探析[J].中国沼气,2013,31(5):53-57.

[7]陈景全.规模猪场沼气工程建设与粪污无害化处理及综合利用技术-宜兴市兴望农牧种猪场大型沼气发电工程建设纪实[J].养猪,2012(6):81-84.

[8]林斌.规模化养猪场沼气工程发展的影响因素研究-以福建为案例[D].福州:福建农林大学,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

王贺礼(1982-)，男，河南南阳人，硕士，助理研究员，从事低碳能源规划研究工作。

江西省高校人文社会科学重点研究基地2011年度研究项目(JD1182)；“十二五”国家科技支撑计划项目(2012BAC20B09)；江西省科学院青年科技创新项目(2013-YQC-4)。

10.13990/j.issn1001-3679.2014.05.021

S828.4

A

1001-3679(2014)05-0674-05