天津市纤维素乙醇替代传统化石能源费用效益分析

□ 冯 炘 李 玲 解玉红

一、研究背景

能源是一个城市或地区经济发展的基础，天津市能源消费总量呈现逐年上升的趋势，且年增长率较大;能源消耗主要集中于高耗能、高污染的重工业和制造业。尽管天津市实施一系列措施促进新能源的开发和利用，以改善能源利用结构，但能源消费效率的提升仍旧有限。天津市能源生产结构较为单一，能源生产以石油为主，平均占到每年生产总量的95%;天然气占5%［1］。2010年后，天津市加大新能源的开发和利用，尽管风能、太阳能等新能源的比例有所增加，但年生产量不足1%。从天津市的能源消费结构来看，天津市能源消费主要为煤炭和石油，天然气等清洁能源使用量不足5%。因此，研究纤维素乙醇替代传统化石能源，探索纤维素乙醇的发展开发利用具有重要意义。

二、研究方法

(一)弹性系数法。采用弹性系数法对天津市能源消费量进行预测。

(二)费用效益法。应我国可持续发展战略的要求，我国的所有项目均应尽可能地符合可持续发展的要求，纤维素乙醇的开发利用同样如此。纤维素乙醇的开发利用不仅仅是个环境问题，同样也是社会和经济问题，单纯地只考虑某一方面，都不能客观评价纤维素乙醇与传统化石能源的优劣。为了客观全面地分析天津市农业固体废弃物秸秆合理的资源化开发利用形式，从而对秸秆的开发利用提出指导意见，本文以秸秆作为研究对象，通过费用效益法对秸秆的三种能源化利用途径进行分析，对比分析后得到秸秆能源化利用的开发方向，以此提出天津市秸秆资源化的开发策略。

三、能源消费量预测

对于一个地区而言，其能源消费量和GDP之间必然存在相关性，可用一定的函数关系来描述它们。模型建立过程中采用的数据是从1986年至2009年为止的24年的生产总值和能源消费量，数据来源于《2010年天津市统计年鉴》［1］。由年鉴可以看到1986年至2009年，可比价GDP呈稳步上升的趋势，与之相应的能源消费量也在不断增加。通过弹性系数法模型预测后，得到的2011年～2020年的可比价GDP和能源消费量如表1所示。由表1可知，可比价GDP和能源消费量都在逐年上升，并且随着经济的发展，能源消费量增长率逐年增加，但GDP增加的幅度比能源消费量增加的幅度大很多，因此，能源强度逐年递减，和天津市目前逐步加大对第三产业的投入、加大对新能源的研发力度以及即将到来的2018年从俄国引进天然气的政策相符合。

表1 2011年～2020年的可比价GDP和能源消费量

四、纤维素乙醇替代传统能源的费用效益分析

在对化石能源进行费用效益分析时，除了要考虑热值和硫分外，还要综合考虑经济效益、环境效益和社会效益。因此选取了硫分、热值、市场售价、开发成本、运输成本、各环境污染物单位排放量以及各种能源相对煤炭的环境污染物削减率作为评价指标，对天津市各种能源消费及纤维素乙醇进行分析。其中，天津市煤炭主要来自于内蒙古和山西，运输成本中距离以天津距内蒙古和山西的平均距离为准;石油的运输距离以天津市南北最长189公里为准。根据调查可知，其中60%采用铁路运输，运费为120元/吨;40%采用公路运输，运费每吨300元。计算可知，煤炭每吨运输成本为192元，石油每吨运输成本为80元，具体费用效益分析情况见表2。

(一)环境污染排放物方面。从环境污染排放物来看，1吨煤炭燃烧产生 SO211．5kg［2］，SO2排放因子取 81．3%［3］，石油硫分取世界加权平均硫含量，约1．2%［4］，1t石油可产生CO23．524t，石油的单位 CO 排放为 0．167kg/t［5］，单位 NOx排放为7．24kg/t［6］;而纤维素乙醇全生命周期中的 SO2主要来自秸秆运输期间石油的使用，每生产1t秸秆大致产生0．04kg SO2，NOx 排放为 0．0825kg，CO 排放量为0．0321 kg，CO2排放量为0．6935t/t;1吨煤炭燃烧产生 CO 2．22 kg，CO2为2．532 t;天然气的密度大致为0．68066 kg/m3，每立方米天然气燃烧释放的CO2约为3．46kg。

(二)环境排放物方面。从环境排放物来看，产生等量的能量时，以煤炭的排放量为基准，对SO2排放量而言，石油削减47．8%，天然气削减99．15%，纤维素乙醇削减约99．9%;碳氢化合物石油比煤炭增加1．9%，天然气和纤维素乙醇均削减99．9%;从氮氧化物来看，石油削减63．6%，天然气削减88．57%，而纤维素乙醇削减99．6%;由于CO主要由不完全氧化造成，石油对CO削减率为96．2%，天然气为89．75%，纤维素乙醇为99．4%;CO2排放量中，石油削减率为30．4%，天然气为25．97%，而纤维素乙醇为89．3%;因此，可以从环境排放方面看出，纤维素乙醇优于天津市目前使用的煤、石油、天然气等现有能源。

(三)社会效益方面。从社会效益方面来看，煤、石油、天然气都属于不可再生资源，尽管天然气为清洁能源，但同样面临着资源枯竭的危机。煤炭在开发过程中还会造成地表沉降、水污染、煤矸石废置、自燃引起的环境问题，还会有瓦斯爆炸引起人员伤亡等隐患;石油的海上开采也会因为石油散逸造成海洋环境污染，输油管道也会对生态环境造成影响。另外，炼油过程中也会造成废气废渣排放;天然气虽然是清洁能源，但是管道输送也会造成环境生态的影响，另外，天然气的密度比空气小，极易散逸到空气中，引发安全隐患。与之相对，纤维素乙醇作为玉米、小麦等农业废弃物加工而成的清洁能源，不仅可以增加农民收入，提高农民环保意识和积极性，从而有效减少秸秆焚烧，减少环境污染物排放，而且有利于提高农业的科学技术水平，提升在国民心目中的地位。

综上所述，纤维素乙醇从环境和社会效益方面来看，均优于天津市现有能源，因此具有开发的必要性。

五、纤维素乙醇替代传统能源的规模分析

对于一个工程或项目的评价，固定资产投资和投资回报期往往会成为政府或投资者考虑的重要因素，也会成为其考查项目经济效益的重要因素。本文通过类比国内外各规模的纤维素乙醇生产工厂，以2020年为例，对比天津市各开发规模的纤维素乙醇工厂的费用效益，以指导天津市纤维素乙醇开发策略。

由天津市能源消费量预测模型和秸秆可收集量预测模型可知，天津市2020年能源消费量为9，933万吨标准煤，秸秆量为224万吨，根据纤维素乙醇微型工厂可知，每万吨秸秆可产生乙醇约0．2733万吨。由此，对纤维素乙醇不同规模工厂的费用效益进行分析。其中，各规模的固定成本投资分别参照目前同规模的纤维素乙醇规模的生产工厂，如500t参照我国中粮生化能源(肇东)有限公司，3，000t规模参照河南天冠集团，年产7．5万吨则参照杜邦丹尼斯克纤维素乙醇公司(DDCE)进行［7］，年产20万吨规模参照湖北宜昌远安县政府规划。根据目前国家政策，每吨乙醇补贴1，000元，售价以石油价格的0．9111倍计算。其中，替代比例的计算公式如下:

其中，A——替代比例;Q，q——纤维素乙醇产量及纤维素乙醇的热值;E——为2020年天津市能源消费量。

开发比例的计算公式如下:

其中，B——秸秆开发比例;Q——纤维素乙醇年产量;C——2020年秸秆可收集量。

投资回收期计算方法如下:

其中，N——投资回收期;T——固定资产投资;Q——纤维素乙醇年产量;p，c，m——分别为纤维素乙醇的吨销售价、吨生产成本、吨补贴。

本文主要着重对经济方面的研究和分析，具体情况如表3所示。

表2 天津市现有能源及纤维素乙醇经济和环境效益分析

表3 不同规模纤维素乙醇生产工厂的费用效益分析

2020年，天津市纤维素乙醇开发规模分别达到500t、3，000t、7．5 万 t、20 万 t，秸秆开发比例由 0．0817% 升到 32．67%，替代传统能源的比例由0．00092%到0．368%，从经济角度来看，开发规模越大，由于技术更加成熟、先进，生产模式可以更大程度地得到不断优化，成本呈不断减小的趋势，但是变化相对不大，由表3可以看到，尽管投资额大幅增长到15亿元，但投资回收期在大幅降低，说明开发规模越大，替代规模越大时，投资回收期越短，越早实现盈利，可行性越大。

(一)环境方面。从环境方面，单位产能污染物削减率来看，随着开发规模的增大，生产的废水废气等污染物可以采用先进的技术进行处理，大型污染物处理设备可以得到充分利用，环境排放物随着开发规模的增大有所减小。

(二)社会效益方面。从社会效益方面来看，纤维素乙醇的规模越大，秸秆开发比例越大，农业废弃物减少，农民可以通过出售秸秆获得效益，从侧面减少了焚烧秸秆的量，减少了焚烧秸秆产生的环境污染物，改善了生活环境;另外，提高了农民的环保意识和环保习惯，提高了农民的种植积极性;纤维素乙醇工厂的建立，增加了就业岗位，提高了人们学习专业技能的机会，整体提高了工作人员的技术水平，农民有可能参与纤维素乙醇的生产过程，提高了农民当家作主的自豪感。

六、结语

本文以天津市目前能源结构和现状为基础，对能源消费量进行了预测，通过纤维素乙醇与天津市能源消费结构中占比较大的煤炭、石油、天然气等不可再生能源的比较可知，纤维素乙醇除了开发成本较高，社会效益和环境效益远远优于其他化石能源，是一种可再生的清洁能源;而后以2020年为研究时间点，根据能源消费量和秸秆可收集量的预测，通过纤维素乙醇不同规模开发以替代不同比例的化石能源的类比分析，根据费用效益分析方法得到，纤维素乙醇的开发规模越大，对化石能源的替代比例越大，从而环境效益越好;另一方面，开发规模越大，虽然项目初期的固定投资大幅增大，但是投资回收期骤减。并且，纤维素乙醇的大规模开发，更有利于秸秆利用过程中的技术方法以及体系的完善，从经济、社会和环境三方面来看，规模越大综合效益越好。因此，应通过各方面努力，积极主动地开展对纤维素乙醇的研究和推广，积极稳步推进纤维素乙醇开发的发展，逐步形成规模化生产，以应对不断衰竭的能源和不断增加的能源需求。

［1］天津市统计年鉴 2010［Z］．

［2］王庆一．中国煤炭工业:演变及前景(上)［J］．中国煤炭，2001，27(1):6 ～12

［3］王志轩．中国火电厂二氧化硫排放控制综合对策建议［J］．中国电力，2002，35(1):60～63

［4］陈蕊．未来原油品质变化趋势及其对炼油行业的影响［J］．国际石油经济，2012，5:39 ～43

［5］Hougton JT，Meira FilhoLG，Lim B，et al．Revised 1996 IPCC Guidelines for National Greenhouse Gas Inventories:Reference Manual(Volume3)［M］．Bracknell:UK Meteorological Office，1997

［6］KatoN，Akimoto H．Anthropogenic．Emissions of SO2and NOx in Asia:E －mission Inventories［J］．Atmospheric Environment，1992，26:2997 ～3017

［7］http://www．projectbidding．cn/xiangmu/dongtai/20111021/1304230626．html