农林废弃物大型沼气工程“干简联动”模式研究

■ 张永北罗靖郑海东张爱诚黎荣忠陈武

（1.海南省农垦科学院；2.海南北鸥生物能源开发有限公司）

农林废弃物大型沼气工程“干简联动”模式研究

■ 张永北1*罗靖2郑海东2张爱诚2黎荣忠2陈武2

（1.海南省农垦科学院；2.海南北鸥生物能源开发有限公司）

从工程经济视角，优选生物质沼气能源利用方式，并优化干法发酵、可拆装简便沼气发酵装置、集成联网、车载沼气液化罐装等技术，建立“干简联动”大型沼气工程模式，大幅度节省工程建设投入，降低原料、沼渣收储运和运营管理成本，提高产业盈利能力，进而优化创新可持续发展的大型沼气工程模式。

农林废弃物；生物质能源；大型沼气工程；干法发酵；集成联网式；沼气发酵装置；可移动沼气液化灌装设备；“干简联动”模式

0 引言

利用可再生农林废弃物开发生物质能源，是当前新能源产业开发的热点[1]。在多种生物质能源利用模式中，主要成分与天然气相近的提纯沼气作为一种能源载体的开发利用，以其简便、易得、成本低廉、热值较高、资源利用与生态保护相兼顾等优势，越来越受到重视。以农林废弃物生产沼气作为村民生活清洁燃料，在我国已有广泛普及的基础；而作为汽车燃料开发，北欧国家技术领先。我国是农业大国，年产超过7亿t的秸秆资源，是生产沼气的宝贵资源[2]。

农林废弃物生物质能源产业面临原料高度分散、季节过于集中、收储运困难、产业运营成本高、盈利能力弱的难题。但在产业化实践中，要大规模转化提纯沼气商品，尚有原料收储运成本过高、产业盈利能力弱的难题。本文针对生物质能源产业面临的问题，从国情出发，以工程经济视角，优化一种能有效解决问题的模式。

1 产业发展现状

现今推广应用的大型生物质能源产业模式主要有焚烧发电[3-5]、气化燃气[6-9]、成型燃料[10]、燃料乙醇[11]、生物柴油[12,13]、大型沼气[14]等。表1为这几种模式的能源产值、副产品价值、加工成本和原料价格上限情况。

表1列出的是集约化大型工厂处理原料绝干物质的数据，结果表明，目前推广的能源利用模式中，大多数产品附加值不高，将副产品计算在内，利润空间仍较为有限。

表中的加工成本是指加工1 t秸秆的设备折旧、能耗、辅料、人工、管理等总成本。如果秸秆按200元/t进厂收购，则每加工1 t秸秆，多数项目利润仅为14～30元，除生物柴油、成型燃料尚有246元和180元利润外，目前燃料乙醇尚不能盈利。

表中的原料进厂价格上限含农户秸秆运输成本在内的干物质结算价。如果企业放弃盈利，按上限价交易，则农户秸秆销售收入也仅为214～446元。该收入扣除运输成本，再折扣成干物质结算，则收储运秸秆基本无利可图甚至贴本。秸秆发电和大型沼气虽在技术上成熟，但原料收购所能承受价格为200元/t，过低收购价无法刺激农户收集原料的积极性。生物柴油和成型燃料有一定的经济性，但只能由中小型企业采取自产自销运营模式才能盈利。若大型企业经营，留足企业利润，如每加工1 t秸秆，企业盈利200元，则秸秆原料收购所能承受的价格仅为180～246元/t，再折扣成干物质结算，距农户300～400元/t的期望值仍相差不少。

表1 农林废弃物不同能源利用模式吨处理成本和产出一览表

可见，集约化大型工厂的生物质能源生产模式，因产品附加值不高，利润空间不大，原料收购价格浮动空间较小。而资源高度分散、季节过于集中、收集难度大、运输效率低、原料收储运投入资金大、运行成本高，难以控制成本导致产业盈利弱，是大多数项目难以大规模产业化的原因。

因此，必须考虑一种合理的秸秆能源利用工程模式，降低生物质收储运成本大量消耗的方法，使用好生物质资源的同时还能实现盈利，从而维持产业可持续发展。

2 模式优选

大型集约化生物质能源工程模式，无法回避原料收储运难题，优选模式必须跳出大型集约化模式的思维禁锢。从上述能源产品物质形态看，无外乎固态、液态和气态[14]。气态可采用管道运输，从而避开固体运输成本高、难度大的难题。因此，秸秆燃气和沼气模式，值得优先考虑。二者的选择，还需兼顾资源利用与耕地生态保护，以及产品具体用途。作为汽车燃料，提纯沼气主要成分与天然气一致，是较佳选择；而沼气生产有沼渣还田，可兼顾耕地有机质生态维护[2]。因此，生物质沼气模式较秸秆热解燃气更优。

为了破解沼气生产原料收储运难题，必须转变集约化大型工厂的转化方式[15]，以分散就地处理原则，将生物质就地转化沼气，采用管网系统，收集、输送沼气至加工厂，沼渣则作为有机肥就地还田，改变大批量低效率的固体原料和沼渣运输形式，采用方便、高效、易行的管道输送半成品气体，从而以集成联网式管网相连的方法实现低成本、高效率、大规模的沼气生产。

以日产1万Nm3沼气工程为例，表2列出了集成联网模式与大型集约化沼气原料和沼渣收储运的成本支出情况。田间收集的生物质及沼渣一般都是湿料；表中数据原料和沼渣分别以50%和70%含水率测算。按绝干生物质折算，集约化大型工厂的原料收储运各环节均需成本，总计为305.51万元，占年产值的47.15%，较集成联网式增加了164.54万元，合沼气原料收储运成本为0.85元/Nm3；而集成联网式的成本主要为原料收集成本，为140.97万元，占年产值的 21.75%，合沼气的原料收集成本仅为0.39元/Nm3。

由此可见，集成联网式的沼气生产模式大幅降低了原料收储运成本，每吨干物质原料增加了191.98元的利润空间用于增加农户和企业收入，为产业的可持续发展节省成本，创造了足够的利润。

表2 两种日产1万Nm³沼气生产模式原料和沼渣收储运成本估算表（万元）

3 发酵方法优选

沼气发酵有湿法和干法。我国农村普及的主要为湿法发酵，适用于猪粪、牛粪等液体原料；近几年兴起的干法发酵，于上世纪90年代末，在德国通过中试，2002年生产工业级装备并投入运行。2006年引进我国[16]，并有所创新[17-19]。干法发酵与湿法技术相比有下述优点[20]：

1)自耗能低：冬季仅占所产能量的10%～15%；而湿法约占30%，在寒冷地区甚至达到45%，限制了其在北方寒冷区的推广。

2)节省成本：直接处理生物质和城市垃圾等固体有机物，节省预处理成本。

3)省力省工：无需搅拌器和管道，不受塑料、木块、沙石等干扰物影响，无需浪费人工和设备。

4)可靠性高：系统简单且运行可靠性很高。

5)出气率高：产气质量高，含硫量仅50～300 ppm，可不经洗气直接供沼气发动机使用；发酵物出气率高。

6)建筑费低：发酵室占地节省，结构简单，为地面车库型不透气混凝土结构，底部管道暖气供热，土建费用很低。

7)操作简易：发酵室为模块化结构，易扩展。

8)适用于大型工程：规模增长对建设和运营成本投入增长影响较小，尤其是年处理发酵料万吨以上、年产沼气100万Nm3以上的大型沼气工程，建设和运营投资节省。

9)通用性强：进、出料使用通用装载机，设备效率高，通用性强。

10)方便产后处理：发酵物无沼液，无需脱水处理，沼渣经简单过筛和短期堆沤即可用作林、农肥料，后处理和存储费用低，价值高。

11)无污水排放：耗水量少，无污水排放，节省水费和污水处理费。

总之，干法发酵是先进技术，适用于固体原料。由于农林废弃物生物质原料主要为固体，所以应采用此法。

4 发酵装置优化

将干法发酵应用于集成联网模式，需在广阔田野上建设若干沼气发酵装置。建设永久性发酵装置，会长期占用土地，不符合基本农田保护国策，且设施投入成本大，不利于推广。因此，应采用可移动的沼气发酵装置。

目前，大多数可移动发酵装置均采用钢制罐[21-24]、箱[25-27]、槽[28]、池[29]等为主要构件，主要适用于液体发酵，造价高，移动困难。林斌等[30]设计的装置，采用柔性材料制成，造价低，可折叠；但仍是封闭的发酵袋，不适用于固体生物质发酵料。

为解决这一难题，张永北等[31]设计的可拆装简便装置在林斌等[30]设计的基础上进一步优化，发明一种可以随意拆装，便于固体生物质装卸的发酵装置。

该发明的关键点就是采用柔性材料制作相互套合的装置。将发酵袋分为可以拆分又互相套合的天袋和地袋，两袋均为桶形，有与底尺寸一致的敞口。天袋敞口朝下，套合在发酵料堆外面；地袋敞口朝上，套合在天袋外面。在两袋套合的空间里注水，淹没天袋朝下的敞口，形成密闭空间；其内通过调整酸碱度和接种菌剂的发酵料，可发生厌氧发酵生产沼气。沼气暂存在储气袋中，再通过管网系统输送到加工站，以备提纯加工。

该装置用于固体生物质发酵料十分方便。发酵料采用网袋打包，便于整包装卸；料堆由安放于地袋底部基座以上的框架支撑，以防料堆垮塌；天袋像穿套衣那样从上向下从料堆外面套到料堆的底部；垫在料堆基座下的地袋又像穿裤子一样向上套在天袋外面；然后用绳索固定，向地袋注水将发酵料密封。

发酵完成后，解开固定绳索，将套在发酵堆外的地袋像脱裤子一样退到料堆的基部，然后向上脱去天袋，即可将堆垛在框架内的沼渣卸载；然后再装入新的发酵料，进行下批次生产；沼渣则直接整袋搬到附近还田。

生产结束后，所有的框架和基座都可拆分，发酵袋可折叠。装备归置整齐后，只需占用其发酵堆体积1/50的空间即可存放。以一次处理发酵料10 m3的装置为例，只占0.2 m3的空间。

这种装备可随时随地拆装；安装后可容纳大体积的发酵料堆；拆分整理后体积缩小到1/50，十分便于运输和仓储，相应的成本也比常规设备减少50倍。而沼气产率与干法发酵相同。

5 加工设备创新

集成联网模式回避了大批量固体蓬松秸秆原料和沼渣的运输，节省了沼气生产原料储存和运输成本；简便沼气干法发酵装置则提高了设备机动性，大幅减少了沼气集成联网工程建设成本，而沼气产率不减，为沼气产业赢得了较大的盈利空间。但集成联网工程并非无限扩大的系统。由于过大的管网系统设备投入和维护成本较大，一般1个集中连片的农林区按适中规模建1个集成联网系统，相距较远的农林区则不必以管网相连。覆盖面积超过1万亩的集成联网系统可配1个沼气提纯液化罐装工厂。但在田间地头建厂存在建永久性设施征地的困难，而且在规模小而孤立的农林区，由于沼气产量有限，建厂的经济性并不可行。

为此，沼气加工模式还需进一步优化。在“车载沼气冷冻分离机”的发明方案[32]中，将沼气加工装置转变为移动装置，使之变为流动工厂，开发出一种车载型沼气液化分离装置，能够随车移动，在产地就地冷冻、液化、分离、提纯、罐装，进一步降低大规模沼气转化车用燃料的成本，使上述系列难题迎刃而解。

以上生产模式的优化集成组合，可以归纳为“干法+简置+联网+流动加工”模式，或称“干简联动”模式。在“干简联动”集成模式中，优化集成了干法发酵、拆装式简便发酵装置、集成联网、车载型沼气液化罐装等多项技术，建立了完整的农林废弃物转化车用沼气的集成联网系统。在田间地头就地生产沼气，并通过将沼气发酵点连成一体的管网系统，将沼气输送至车载型沼气加工装置，实现车用提纯沼气产品的转化。

6 经济性分析

以日产1万Nm3生物质沼气工程建设和运行为例，表3列出了大型集约化和“干简联动”系统两种模式的工厂建设投资及其运营成本和利润对比。由此可见，“干简联动”系统与大型集约化模式系统在工程建设投资、运行成本、利润额及投资回收期等方面相比，均有较明显优势。

6.1 工程建设投资

“干简联动”模式仅需280.76万元，为大型集约化模式1603万元的17.51%。其中，在土地征用、土建工程和设备购置等方面都大幅度节省成本。尽管在管网系统建设方面投资较大，但在运输车辆、厂房征地和土建等方面无需投入。

6.2 运行成本

“干简联动”模式运行成本为223.05万元，仅为大型集约化模式545.69万元的40.87%。该模式在原料收储运成本、管理成本和设备折旧等方面均大幅度降低了成本。

6.3 盈利能力

“干简联动”模式年利润为424.95万元，为大型集约化模式102.31万元的4.15倍。成本大幅度降低带来的效益是大幅度提高了沼气生产的盈利能力。

6.4 投资回收期

“干简联动”模式投资回收期仅为0.65年，而大型集约化模式至少为15.67年。表明“干简联动”模式有良好的经济性，为大型沼气工程建设提供了新的工程建设优化模式。

7 结论

综上所述，农林废弃物是可再生资源，赋存量巨大，但将其用于生产能源，必须克服其高度分散、季节过于集中、收储运困难、成本大、效益低的难题。因此，大型生物质能源开发亟待创新生产模式，提高产业盈利能力。

1)从能源产品的物质形态考虑，应优先考虑气态产品的开发。如沼气和气化气，可采用管道运输，从而大幅降低运输成本，节约运输设备投入。如果进一步考虑土壤生态的维护和废弃物资源利用相统一，两者的优选，则沼气模式较佳。沼气模式不仅可获得甲烷能源产品，还有沼渣可以还田。

2)由于沼气可采用管道输送，大规模沼气生产可采用分散布局，在田间地头就地发酵沼气，然后采用管道将沼气发酵点连接成网，建立沼气生产的集成联网设施，沼气通过管网输送到加工厂加工，沼渣就地还田，从而大幅降低运输成本。

3)在广阔农林区建永久性发酵设施，并不符合我国基本农田保护政策。目前，适用于液体发酵的常规发酵装备以槽、罐、箱、池等构件为主，多为永久性建筑，不适合在田间建设。优化集成联网式沼气装备应采用干法发酵工艺，可随意拆装的沼气发酵装置也由此应运而生。

4)集成联网设施需有适度规模，以避免管网维护的困难。因此，进一步开拓思路，变固定式的加工厂为流动型加工设施。车载型沼气冷冻液化分离装置实现沼气加工流动作业，在田间地头液化分离提纯和罐装沼气，使沼气加工更加方便灵活。

5)将干法发酵、简便发酵装置、集成联网设施和车载沼气加工设备等多项技术优化集成，建立农林废弃物转化沼气的“干简联动”模式，与现行大型集约化沼气模式相比，其工程建设投资仅需大型集约化沼气模式的17.51%，运行成本仅为大型集约化沼气模式的40.87%，盈利能力提高了4.15倍，投资回收期缩短至0.66年。

表3 两种模式下日产1万Nm³沼气工程建筑与运行成本及利润对比一览表

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2016-05-28

张永北(1964—)，男，博士、地质地理与资源环境研究员，主要从事农林废弃物综合利用方面的研究。zybei@yeah.net