广东省沼气资源潜力与养殖场沼气工程效益分析

沈忠杰,汪 鹏

（1.中国科学技术大学 纳米科学技术学院，江苏 苏州215000；2.中国科学院广州能源研究所，广东 广州510000）

0 引言

沼气作为一种清洁、绿色的可再生能源在中国得到了快速的发展应用。截至2015年底，全国农村沼气工程总池容达到1 892.58万m3，年产沼气22.25亿m3，全国户用沼气达到4 193.3万户。合理利用农村地区禽畜粪便资源，通过厌氧发酵工艺技术生产沼气，不仅有利于解决农村环境保护及生活用能问题，还有助于推动农业无害化生产，建设生态环境友好的新农村。

一些学者针对国内农村养殖场沼气建设的节能减排情况开展了研究。石建福对“气-热-电-肥联产”模式的秸秆沼气工程进行了经济效益分析[1]。苏明山提出了大中型沼气工程的CO2减排量和减排成本的估算方法[2]。路青研究了规模化养牛场沼气工程启动运行问题[3]。然而，目前对农村养殖场沼气潜在资源量与综合效益分析的研究却很少。为了在更大范围推广农村沼气的利用，本文调研了广东省各城市的沼气工程现状，根据畜禽粪污排泄量计算评估了沼气资源量；以广州市花都区大福养殖场为例，基于清洁发展机制（CDM）计算了温室气体的减排量；并以财务净现值（FNPV）、动态投资回收期（N）、财务内部收益率（FIRR）等效益核心评价指标为标准，对该养殖场沼气工程经济效益进行了技术评价。本文为沼气技术的进一步推广提供了案例支持。

1 养殖场沼气工艺流程

图1所示为近几年广东农村地区正在推广应用的一种沼气“热-电-肥”联产工艺。养殖场的粪污和污水经过水解、沉砂前处理后，进入空间密闭的厌氧发酵装置进行厌氧发酵，生产沼气[4]。沼气经过脱水、脱硫装置进行净化处理，以达到沼气内燃机对沼气的燃烧要求；净化处理后的沼气在增压装置的作用下被送到沼气内燃机发电机组发电，供用户使用。厌氧发酵装置中发酵产生的剩余固体、液体，通过分离装置进行再加工，使其达到其它使用的要求[5]。

在该沼气工艺流程中，所利用的热量主要来源于沼气内燃机组冷却换热的余热和排烟余热。冷却换热的余热通过换热装置提供给厌氧发酵罐，用于提高发酵温度，多余的热量直接排向环境；排烟余热可以通过螺杆膨胀动力发电机产生电力[6]。养殖场内的沼气内燃机组产生的电力、排烟余热产生的电力和屋顶光伏组件产生的电力，基本可以满足养殖场内部的用电需求。

图1 沼气“热-电-肥”联产工艺流程Fig.1 Flow chart for cogeneration of heat，power and fertilizer of biogas

2 分析数据来源与研究方法

2.1 数据来源

本文用于评估计算广东省沼气资源量的禽畜饲养量数据来源于广东农村统计年鉴，所研究对象主要为养殖的禽畜，即生猪、奶牛、肉牛、羊、肉鸡和蛋鸡等；研究的时间节点是2016年。2016年广东各地区禽畜统计数据见表1。不同种类的禽畜产排污系数也不同，本文用于计算的产排污系数主要参考已公开发表的文献[7]。各类禽畜的产排污系数列于表2。

表1 2016年广东各地区禽畜统计情况Table 1 Statistics of poultry in cities of Guangdong Province in 2016

表2 各类禽畜的产排污系数Table 2 Pollution production coefficient of poultry

2.2 研究方法

2.2.1禽畜粪便量的计算

禽畜种类不同，饲养形式不同，其饲养周期也不同。生猪、肉鸡的饲养周期通常小于一年。本文根据文献所提出的生猪饲养期为199 d即可达到出栏，肉鸡的饲养周期为49 d的标准进行计算[7]，[8]。猪和肉鸡一般均以出栏量作为饲养量。奶牛、肉牛、羊和蛋鸡的饲养周期一般大于一年，考虑以365 d为饲养周期，以年末存栏量作为饲养量。禽畜粪便量按下式计算：

式中：P为某禽畜饲养周期内总的粪尿量，t；Q为某禽畜的饲养量，万头（只）；s为某禽畜的产排污系数，kg/[头（只）·d]；T为某禽畜的饲养周期，d；W为粪尿量的收集效率，一般取100%[7]。

2.2.2禽畜粪尿生产沼气量计算

不同畜禽粪便的产气率是不同的，猪粪产气率为55～65 m3/t，牛粪产气率为40～50 m3/t，羊粪产气率为62 m3/t，鸡粪产气率为70～90 m3/t[8]。根据此参数，若将粪尿全部进行厌氧发酵，可以计算得出2016年广东省各城市养殖场禽畜粪便产沼气潜力（表3）。

表3 各类禽畜粪便产沼气潜力Table 3 Biogas potential of various types of poultry manure

由表3可知，2016年广东省各地的养殖场沼气资源量相差很大，茂名地区的沼气资源量最大，为34 594.28万m3，深圳地区的沼气资源量最小，为309.12万m3。沼气资源量主要取决于各养殖场的规模，而养殖场的规模主要受一个地区的地理位置、用地成本、经济发展和主导产业等因素影响。例如，深圳等一些经济发展迅速、第三产业需求量大的城市，沼气资源量相对就比较少。另外，由表3还可以看出，2016年广东全省沼气资源量为24.37亿m3，按甲烷气体含量占沼气量的50%计算，全省甲烷资源量约为12.19亿m3。同年广东省天然气的消费量为167.79亿m3，2016年广东省养殖场粪污能源潜力相当于同年广东省天然气消费量的7.3%。

3 养殖场案例分析

3.1 项目概况

2017年建成的大福生猪养殖场位于广州市花都区赤坭镇东升村，养殖场由猪舍区、生产辅助区、污水处理区及员工生活区等组成，占地约146 544 m2，猪存栏量约为6 000头，年出栏商品猪约为12 000头。

该养殖场的沼气工程流程如图1所示。厌氧发酵产生的沼气经净化处理后被送入沼气内燃机组发电，供养殖场内部使用；沼渣被用于生产有机肥料；沼液被无偿提供给周围农民为果园、林园施肥。沼气工程总投资约120万元，其中：土建投资6万元，沼气内燃机组、螺杆膨胀机、厌氧发酵等设备投资110万元，工程设计、预备费等其他投资4万元。项目使用年限为15 a，年成本费用16万元，其中劳动力管理费用12万元，检修维护费用2万元，其他生产费用2万元。

3.2 温室气体减排量计算

本文在计算养殖场温室气体减排量时，主要基于清洁发展机制（CDM）下的方法学。清洁发展机制（CDM）是目前唯一得到国际公认的碳交易机制，基本适用于世界各地的减排计划。如果不用沼气发电替代养殖场用电需求，那么该养殖场将使用南方电网的电力，因此根据该方法学，规模化养殖场沼气工程温室气体的减排量等于基准线情况下的排放量减去项目活动总的排放量，再加上沼气发电替代电网电力所产生的减排量[9]。

式中：ERy为第y年的CO2减排量，t/a；BEy为第y年基准线下的CO2排放量，t/a；PEpl，y为第y年沼气工程因泄露导致的CO2排放量，t/a；PEflare，y为第y年因沼气不完全燃烧产生的CO2排放量，t/a；PEpower，y为第y年沼气工程用电产生的CO2排放量，t/a；BEgrid，y为第y年沼气发电替代养殖场从电网购电所产生的CO2减排量，t/a。

3.2.1基准线排放量

基准线情况下温室气体排放量BEy为蓄粪池处理生猪粪污时温室气体的排放量[10]。

式中：GWPCH4为甲烷增温潜热系数，GWPCH4=21；DCH4为标准状态下甲烷密度，DCH4=0.67 kg/m3；UFb为修正系数，UFb=0.94；MCFj为甲烷排放转化因子，MCFj=0.74；B0为挥发性固体最大甲烷产生潜力，B0=0.29 m3/kg；Ny为第y年生猪存栏量，头；VSy为一头猪在第y年排泄的挥发性固体量，VSy=125 kg/（头·a）；MSBL，j为粪污处理比例，MSBL，j=100%。

3.2.2项目活动总体排放量

项目活动排放量由PEpl，y，PEflare，y，PEpower，y3部分组成。由于本项目不考虑沼气泄露问题，因此PEpl，y为零。在本项目中所有沼气被用于燃烧发电，CMD计算方法学认为，甲烷的摧毁效率为100%，即不完全燃烧排放量PEflare，y为零[9]。由于项目活动所使用的电力来自沼气发电机组，该电力不是来自电网，因此PEpower，y为零。

3.2.3项目活动减排量

该养殖场沼气发电替代电网购电量所产生的减排量BEgrid，y计算式如下[10]：

式中：BEbiogas，y为第y年沼气发电机组的发电量（替代从电网的购电量），BEbiogas，y=120 MW·h；BFCO2为CO2运行边际排放因子EFOM，y和容量边际排放因子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）。

采用以上公式和参数进行计算，得出该项目基于清洁发展机制（CDM）下温室气体的年减排量为2 219.49 t/a。

4 养殖场效益分析评价

养殖场沼气工程项目主要财务指标如下。

（1）财务净现值（FNPV）

财务净现值是考察一个项目在计算期内盈利能力的主要动态指标，若计算结果为正值，则说明该项目能产生收益，其计算式如下[11]：

式中：FNPV为财务净现值，万元；t为时间，a；T为沼气工程使用年限，a；Bt为第t年的收益，万元；Ct为第t年的成本，万元；r为折现率，本项目采用r=10%。

该项目中收益主要包括发电收益、沼渣制肥收益和温室气体减排量收益。沼气工程项目成本和收益列于表4。

1.就地转换模式的应用。为完成消费税正常销售纳税申报项目，笔者设计了三个教学站，其教学内容分别包括手工项目、电子项目和线上学习，同时把学生（全班48人）按照成绩优劣搭配分成三个教学组（每组16人），要求他们分别在上述三种方式之间轮流进行转换，即在第一个时间段内，第一、二和三个教学站分别进行电子项目、手工项目线上学习；第二个时间段内，第一时间段做电子项目的同学开始做手工项目，而做手工项目的同学进行线上学习；第三个时间段，继续顺时针转换。

表4 养殖场沼气工程成本效益分析Table 4 Cost-benefit analysis of farm biogas project

①发电收益

沼气工程采用30 kW沼气内燃机组发电，每天发电约11 h，日最大发电量为329 kW·h，年最大发电量为120MW·h，每年可节约电费8.27万元。

②沼渣制肥收益

养殖场年生猪存栏量6 000头，年出栏量12 000头，将猪粪发酵后加工生产有机肥半成品，年产量约250 t，有机肥按300元/t的价格出售，每年可获益7.5万元。

③温室气体减排量收益

基于清洁发展机制（CDM），本项目参与碳市场交易，按照国际市场碳交易价格，折合人民币约95.46元/t。该养殖场温室气体减排量可获得的环境效益为21.19万元。

（2）动态投资回收期（N）

动态投资回收期是从项目投产的这一年开始算起，用各年的净收益现值将项目初始投资的现值全部收回的时间[11]：

财务内部收益率是指在项目的计算期内，资金流入现值总量与资金流出总量相等、净现值等于零时的折现率[11]。计算式如下：

采用上述计算公式及表4中的数据可得该养殖场沼气项目的财务净现值（FNPV）为39.42万元，说明该项目能取得收益；动态投资回收期（N）为8.92 a，回收期较长；财务内部收益率（FIRR）为15%，高于该沼气项目计算采用的基准收益率。通过计算分析可知，该养殖场沼气项目具有可投资性，但投资回收期较长。

5 结论

通过广东省沼气资源量计算评估得到，2016年全省沼气资源量为24.37亿m3，按沼气中含有50%的甲烷气体计，折合甲烷12.19亿m3，约占广东省同年天然气消费量的7.3%。对这些潜在的沼气资源加以利用，对于能源结构的调整及节能具有重要意义。

基于清洁发展机制（CDM）计算出广州市花都区大福养殖场的温室气体年减排量为2 219.49 t，通过碳交易可获取21.19万元收益，是该养殖场的主要盈利来源。通过CDM可以抵消部分建设和运行资金，还可以提高沼气工程运行管理水平，减少数量可观的温室气体排放。通过社会角度的成本效益分析法得到该项目的财务净现值为39.42万元，动态投资回收期为8.92 a，财务内部收益率为15%，说明该项目具备盈利的能力。

如果单靠补贴政策和沼气工程的发电、沼渣制肥等收益来维持盈利状态是比较困难的。若要大范围推广沼气工程的建设，须考虑温室气体减排等外部的社会效益。