農(nóng)林廢棄物大型沼氣工程“干簡聯(lián)動”模式研究

■ 張永北羅靖鄭海東張愛誠黎榮忠陳武

（1.海南省農(nóng)墾科學院；2.海南北鷗生物能源開發(fā)有限公司）

農(nóng)林廢棄物大型沼氣工程“干簡聯(lián)動”模式研究

■ 張永北1*羅靖2鄭海東2張愛誠2黎榮忠2陳武2

（1.海南省農(nóng)墾科學院；2.海南北鷗生物能源開發(fā)有限公司）

從工程經(jīng)濟視角，優(yōu)選生物質沼氣能源利用方式，并優(yōu)化干法發(fā)酵、可拆裝簡便沼氣發(fā)酵裝置、集成聯(lián)網(wǎng)、車載沼氣液化罐裝等技術，建立“干簡聯(lián)動”大型沼氣工程模式，大幅度節(jié)省工程建設投入，降低原料、沼渣收儲運和運營管理成本，提高產(chǎn)業(yè)盈利能力，進而優(yōu)化創(chuàng)新可持續(xù)發(fā)展的大型沼氣工程模式。

農(nóng)林廢棄物；生物質能源；大型沼氣工程；干法發(fā)酵；集成聯(lián)網(wǎng)式；沼氣發(fā)酵裝置；可移動沼氣液化灌裝設備；“干簡聯(lián)動”模式

0 引言

利用可再生農(nóng)林廢棄物開發(fā)生物質能源，是當前新能源產(chǎn)業(yè)開發(fā)的熱點[1]。在多種生物質能源利用模式中，主要成分與天然氣相近的提純沼氣作為一種能源載體的開發(fā)利用，以其簡便、易得、成本低廉、熱值較高、資源利用與生態(tài)保護相兼顧等優(yōu)勢，越來越受到重視。以農(nóng)林廢棄物生產(chǎn)沼氣作為村民生活清潔燃料，在我國已有廣泛普及的基礎；而作為汽車燃料開發(fā)，北歐國家技術領先。我國是農(nóng)業(yè)大國，年產(chǎn)超過7億t的秸稈資源，是生產(chǎn)沼氣的寶貴資源[2]。

農(nóng)林廢棄物生物質能源產(chǎn)業(yè)面臨原料高度分散、季節(jié)過于集中、收儲運困難、產(chǎn)業(yè)運營成本高、盈利能力弱的難題。但在產(chǎn)業(yè)化實踐中，要大規(guī)模轉化提純沼氣商品，尚有原料收儲運成本過高、產(chǎn)業(yè)盈利能力弱的難題。本文針對生物質能源產(chǎn)業(yè)面臨的問題，從國情出發(fā)，以工程經(jīng)濟視角，優(yōu)化一種能有效解決問題的模式。

1 產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀

現(xiàn)今推廣應用的大型生物質能源產(chǎn)業(yè)模式主要有焚燒發(fā)電[3-5]、氣化燃氣[6-9]、成型燃料[10]、燃料乙醇[11]、生物柴油[12,13]、大型沼氣[14]等。表1為這幾種模式的能源產(chǎn)值、副產(chǎn)品價值、加工成本和原料價格上限情況。

表1列出的是集約化大型工廠處理原料絕干物質的數(shù)據(jù)，結果表明，目前推廣的能源利用模式中，大多數(shù)產(chǎn)品附加值不高，將副產(chǎn)品計算在內，利潤空間仍較為有限。

表中的加工成本是指加工1 t秸稈的設備折舊、能耗、輔料、人工、管理等總成本。如果秸稈按200元/t進廠收購，則每加工1 t秸稈，多數(shù)項目利潤僅為14～30元，除生物柴油、成型燃料尚有246元和180元利潤外，目前燃料乙醇尚不能盈利。

表中的原料進廠價格上限含農(nóng)戶秸稈運輸成本在內的干物質結算價。如果企業(yè)放棄盈利，按上限價交易，則農(nóng)戶秸稈銷售收入也僅為214～446元。該收入扣除運輸成本，再折扣成干物質結算，則收儲運秸稈基本無利可圖甚至貼本。秸稈發(fā)電和大型沼氣雖在技術上成熟，但原料收購所能承受價格為200元/t，過低收購價無法刺激農(nóng)戶收集原料的積極性。生物柴油和成型燃料有一定的經(jīng)濟性，但只能由中小型企業(yè)采取自產(chǎn)自銷運營模式才能盈利。若大型企業(yè)經(jīng)營，留足企業(yè)利潤，如每加工1 t秸稈，企業(yè)盈利200元，則秸稈原料收購所能承受的價格僅為180～246元/t，再折扣成干物質結算，距農(nóng)戶300～400元/t的期望值仍相差不少。

表1 農(nóng)林廢棄物不同能源利用模式噸處理成本和產(chǎn)出一覽表

可見，集約化大型工廠的生物質能源生產(chǎn)模式，因產(chǎn)品附加值不高，利潤空間不大，原料收購價格浮動空間較小。而資源高度分散、季節(jié)過于集中、收集難度大、運輸效率低、原料收儲運投入資金大、運行成本高，難以控制成本導致產(chǎn)業(yè)盈利弱，是大多數(shù)項目難以大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化的原因。

因此，必須考慮一種合理的秸稈能源利用工程模式，降低生物質收儲運成本大量消耗的方法，使用好生物質資源的同時還能實現(xiàn)盈利，從而維持產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。

2 模式優(yōu)選

大型集約化生物質能源工程模式，無法回避原料收儲運難題，優(yōu)選模式必須跳出大型集約化模式的思維禁錮。從上述能源產(chǎn)品物質形態(tài)看，無外乎固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)[14]。氣態(tài)可采用管道運輸，從而避開固體運輸成本高、難度大的難題。因此，秸稈燃氣和沼氣模式，值得優(yōu)先考慮。二者的選擇，還需兼顧資源利用與耕地生態(tài)保護，以及產(chǎn)品具體用途。作為汽車燃料，提純沼氣主要成分與天然氣一致，是較佳選擇；而沼氣生產(chǎn)有沼渣還田，可兼顧耕地有機質生態(tài)維護[2]。因此，生物質沼氣模式較秸稈熱解燃氣更優(yōu)。

為了破解沼氣生產(chǎn)原料收儲運難題，必須轉變集約化大型工廠的轉化方式[15]，以分散就地處理原則，將生物質就地轉化沼氣，采用管網(wǎng)系統(tǒng)，收集、輸送沼氣至加工廠，沼渣則作為有機肥就地還田，改變大批量低效率的固體原料和沼渣運輸形式，采用方便、高效、易行的管道輸送半成品氣體，從而以集成聯(lián)網(wǎng)式管網(wǎng)相連的方法實現(xiàn)低成本、高效率、大規(guī)模的沼氣生產(chǎn)。

以日產(chǎn)1萬Nm3沼氣工程為例，表2列出了集成聯(lián)網(wǎng)模式與大型集約化沼氣原料和沼渣收儲運的成本支出情況。田間收集的生物質及沼渣一般都是濕料；表中數(shù)據(jù)原料和沼渣分別以50%和70%含水率測算。按絕干生物質折算，集約化大型工廠的原料收儲運各環(huán)節(jié)均需成本，總計為305.51萬元，占年產(chǎn)值的47.15%，較集成聯(lián)網(wǎng)式增加了164.54萬元，合沼氣原料收儲運成本為0.85元/Nm3；而集成聯(lián)網(wǎng)式的成本主要為原料收集成本，為140.97萬元，占年產(chǎn)值的 21.75%，合沼氣的原料收集成本僅為0.39元/Nm3。

由此可見，集成聯(lián)網(wǎng)式的沼氣生產(chǎn)模式大幅降低了原料收儲運成本，每噸干物質原料增加了191.98元的利潤空間用于增加農(nóng)戶和企業(yè)收入，為產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展節(jié)省成本，創(chuàng)造了足夠的利潤。

表2 兩種日產(chǎn)1萬Nm3沼氣生產(chǎn)模式原料和沼渣收儲運成本估算表（萬元）

3 發(fā)酵方法優(yōu)選

沼氣發(fā)酵有濕法和干法。我國農(nóng)村普及的主要為濕法發(fā)酵，適用于豬糞、牛糞等液體原料；近幾年興起的干法發(fā)酵，于上世紀90年代末，在德國通過中試，2002年生產(chǎn)工業(yè)級裝備并投入運行。2006年引進我國[16]，并有所創(chuàng)新[17-19]。干法發(fā)酵與濕法技術相比有下述優(yōu)點[20]：

1)自耗能低：冬季僅占所產(chǎn)能量的10%～15%；而濕法約占30%，在寒冷地區(qū)甚至達到45%，限制了其在北方寒冷區(qū)的推廣。

2)節(jié)省成本：直接處理生物質和城市垃圾等固體有機物，節(jié)省預處理成本。

3)省力省工：無需攪拌器和管道，不受塑料、木塊、沙石等干擾物影響，無需浪費人工和設備。

4)可靠性高：系統(tǒng)簡單且運行可靠性很高。

5)出氣率高：產(chǎn)氣質量高，含硫量僅50～300 ppm，可不經(jīng)洗氣直接供沼氣發(fā)動機使用；發(fā)酵物出氣率高。

6)建筑費低：發(fā)酵室占地節(jié)省，結構簡單，為地面車庫型不透氣混凝土結構，底部管道暖氣供熱，土建費用很低。

7)操作簡易：發(fā)酵室為模塊化結構，易擴展。

8)適用于大型工程：規(guī)模增長對建設和運營成本投入增長影響較小，尤其是年處理發(fā)酵料萬噸以上、年產(chǎn)沼氣100萬Nm3以上的大型沼氣工程，建設和運營投資節(jié)省。

9)通用性強：進、出料使用通用裝載機，設備效率高，通用性強。

10)方便產(chǎn)后處理：發(fā)酵物無沼液，無需脫水處理，沼渣經(jīng)簡單過篩和短期堆漚即可用作林、農(nóng)肥料，后處理和存儲費用低，價值高。

11)無污水排放：耗水量少，無污水排放，節(jié)省水費和污水處理費。

總之，干法發(fā)酵是先進技術，適用于固體原料。由于農(nóng)林廢棄物生物質原料主要為固體，所以應采用此法。

4 發(fā)酵裝置優(yōu)化

將干法發(fā)酵應用于集成聯(lián)網(wǎng)模式，需在廣闊田野上建設若干沼氣發(fā)酵裝置。建設永久性發(fā)酵裝置，會長期占用土地，不符合基本農(nóng)田保護國策，且設施投入成本大，不利于推廣。因此，應采用可移動的沼氣發(fā)酵裝置。

目前，大多數(shù)可移動發(fā)酵裝置均采用鋼制罐[21-24]、箱[25-27]、槽[28]、池[29]等為主要構件，主要適用于液體發(fā)酵，造價高，移動困難。林斌等[30]設計的裝置，采用柔性材料制成，造價低，可折疊；但仍是封閉的發(fā)酵袋，不適用于固體生物質發(fā)酵料。

為解決這一難題，張永北等[31]設計的可拆裝簡便裝置在林斌等[30]設計的基礎上進一步優(yōu)化，發(fā)明一種可以隨意拆裝，便于固體生物質裝卸的發(fā)酵裝置。

該發(fā)明的關鍵點就是采用柔性材料制作相互套合的裝置。將發(fā)酵袋分為可以拆分又互相套合的天袋和地袋，兩袋均為桶形，有與底尺寸一致的敞口。天袋敞口朝下，套合在發(fā)酵料堆外面；地袋敞口朝上，套合在天袋外面。在兩袋套合的空間里注水，淹沒天袋朝下的敞口，形成密閉空間；其內通過調整酸堿度和接種菌劑的發(fā)酵料，可發(fā)生厭氧發(fā)酵生產(chǎn)沼氣。沼氣暫存在儲氣袋中，再通過管網(wǎng)系統(tǒng)輸送到加工站，以備提純加工。

該裝置用于固體生物質發(fā)酵料十分方便。發(fā)酵料采用網(wǎng)袋打包，便于整包裝卸；料堆由安放于地袋底部基座以上的框架支撐，以防料堆垮塌；天袋像穿套衣那樣從上向下從料堆外面套到料堆的底部；墊在料堆基座下的地袋又像穿褲子一樣向上套在天袋外面；然后用繩索固定，向地袋注水將發(fā)酵料密封。

發(fā)酵完成后，解開固定繩索，將套在發(fā)酵堆外的地袋像脫褲子一樣退到料堆的基部，然后向上脫去天袋，即可將堆垛在框架內的沼渣卸載；然后再裝入新的發(fā)酵料，進行下批次生產(chǎn)；沼渣則直接整袋搬到附近還田。

生產(chǎn)結束后，所有的框架和基座都可拆分，發(fā)酵袋可折疊。裝備歸置整齊后，只需占用其發(fā)酵堆體積1/50的空間即可存放。以一次處理發(fā)酵料10 m3的裝置為例，只占0.2 m3的空間。

這種裝備可隨時隨地拆裝；安裝后可容納大體積的發(fā)酵料堆；拆分整理后體積縮小到1/50，十分便于運輸和倉儲，相應的成本也比常規(guī)設備減少50倍。而沼氣產(chǎn)率與干法發(fā)酵相同。

5 加工設備創(chuàng)新

集成聯(lián)網(wǎng)模式回避了大批量固體蓬松秸稈原料和沼渣的運輸，節(jié)省了沼氣生產(chǎn)原料儲存和運輸成本；簡便沼氣干法發(fā)酵裝置則提高了設備機動性，大幅減少了沼氣集成聯(lián)網(wǎng)工程建設成本，而沼氣產(chǎn)率不減，為沼氣產(chǎn)業(yè)贏得了較大的盈利空間。但集成聯(lián)網(wǎng)工程并非無限擴大的系統(tǒng)。由于過大的管網(wǎng)系統(tǒng)設備投入和維護成本較大，一般1個集中連片的農(nóng)林區(qū)按適中規(guī)模建1個集成聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，相距較遠的農(nóng)林區(qū)則不必以管網(wǎng)相連。覆蓋面積超過1萬畝的集成聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)可配1個沼氣提純液化罐裝工廠。但在田間地頭建廠存在建永久性設施征地的困難，而且在規(guī)模小而孤立的農(nóng)林區(qū)，由于沼氣產(chǎn)量有限，建廠的經(jīng)濟性并不可行。

為此，沼氣加工模式還需進一步優(yōu)化。在“車載沼氣冷凍分離機”的發(fā)明方案[32]中，將沼氣加工裝置轉變?yōu)橐苿友b置，使之變?yōu)榱鲃庸S，開發(fā)出一種車載型沼氣液化分離裝置，能夠隨車移動，在產(chǎn)地就地冷凍、液化、分離、提純、罐裝，進一步降低大規(guī)模沼氣轉化車用燃料的成本，使上述系列難題迎刃而解。

以上生產(chǎn)模式的優(yōu)化集成組合，可以歸納為“干法+簡置+聯(lián)網(wǎng)+流動加工”模式，或稱“干簡聯(lián)動”模式。在“干簡聯(lián)動”集成模式中，優(yōu)化集成了干法發(fā)酵、拆裝式簡便發(fā)酵裝置、集成聯(lián)網(wǎng)、車載型沼氣液化罐裝等多項技術，建立了完整的農(nóng)林廢棄物轉化車用沼氣的集成聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)。在田間地頭就地生產(chǎn)沼氣，并通過將沼氣發(fā)酵點連成一體的管網(wǎng)系統(tǒng)，將沼氣輸送至車載型沼氣加工裝置，實現(xiàn)車用提純沼氣產(chǎn)品的轉化。

6 經(jīng)濟性分析

以日產(chǎn)1萬Nm3生物質沼氣工程建設和運行為例，表3列出了大型集約化和“干簡聯(lián)動”系統(tǒng)兩種模式的工廠建設投資及其運營成本和利潤對比。由此可見，“干簡聯(lián)動”系統(tǒng)與大型集約化模式系統(tǒng)在工程建設投資、運行成本、利潤額及投資回收期等方面相比，均有較明顯優(yōu)勢。

6.1 工程建設投資

“干簡聯(lián)動”模式僅需280.76萬元，為大型集約化模式1603萬元的17.51%。其中，在土地征用、土建工程和設備購置等方面都大幅度節(jié)省成本。盡管在管網(wǎng)系統(tǒng)建設方面投資較大，但在運輸車輛、廠房征地和土建等方面無需投入。

6.2 運行成本

“干簡聯(lián)動”模式運行成本為223.05萬元，僅為大型集約化模式545.69萬元的40.87%。該模式在原料收儲運成本、管理成本和設備折舊等方面均大幅度降低了成本。

6.3 盈利能力

“干簡聯(lián)動”模式年利潤為424.95萬元，為大型集約化模式102.31萬元的4.15倍。成本大幅度降低帶來的效益是大幅度提高了沼氣生產(chǎn)的盈利能力。

6.4 投資回收期

“干簡聯(lián)動”模式投資回收期僅為0.65年，而大型集約化模式至少為15.67年。表明“干簡聯(lián)動”模式有良好的經(jīng)濟性，為大型沼氣工程建設提供了新的工程建設優(yōu)化模式。

7 結論

綜上所述，農(nóng)林廢棄物是可再生資源，賦存量巨大，但將其用于生產(chǎn)能源，必須克服其高度分散、季節(jié)過于集中、收儲運困難、成本大、效益低的難題。因此，大型生物質能源開發(fā)亟待創(chuàng)新生產(chǎn)模式，提高產(chǎn)業(yè)盈利能力。

1)從能源產(chǎn)品的物質形態(tài)考慮，應優(yōu)先考慮氣態(tài)產(chǎn)品的開發(fā)。如沼氣和氣化氣，可采用管道運輸，從而大幅降低運輸成本，節(jié)約運輸設備投入。如果進一步考慮土壤生態(tài)的維護和廢棄物資源利用相統(tǒng)一，兩者的優(yōu)選，則沼氣模式較佳。沼氣模式不僅可獲得甲烷能源產(chǎn)品，還有沼渣可以還田。

2)由于沼氣可采用管道輸送，大規(guī)模沼氣生產(chǎn)可采用分散布局，在田間地頭就地發(fā)酵沼氣，然后采用管道將沼氣發(fā)酵點連接成網(wǎng)，建立沼氣生產(chǎn)的集成聯(lián)網(wǎng)設施，沼氣通過管網(wǎng)輸送到加工廠加工，沼渣就地還田，從而大幅降低運輸成本。

3)在廣闊農(nóng)林區(qū)建永久性發(fā)酵設施，并不符合我國基本農(nóng)田保護政策。目前，適用于液體發(fā)酵的常規(guī)發(fā)酵裝備以槽、罐、箱、池等構件為主，多為永久性建筑，不適合在田間建設。優(yōu)化集成聯(lián)網(wǎng)式沼氣裝備應采用干法發(fā)酵工藝，可隨意拆裝的沼氣發(fā)酵裝置也由此應運而生。

4)集成聯(lián)網(wǎng)設施需有適度規(guī)模，以避免管網(wǎng)維護的困難。因此，進一步開拓思路，變固定式的加工廠為流動型加工設施。車載型沼氣冷凍液化分離裝置實現(xiàn)沼氣加工流動作業(yè)，在田間地頭液化分離提純和罐裝沼氣，使沼氣加工更加方便靈活。

5)將干法發(fā)酵、簡便發(fā)酵裝置、集成聯(lián)網(wǎng)設施和車載沼氣加工設備等多項技術優(yōu)化集成，建立農(nóng)林廢棄物轉化沼氣的“干簡聯(lián)動”模式，與現(xiàn)行大型集約化沼氣模式相比，其工程建設投資僅需大型集約化沼氣模式的17.51%，運行成本僅為大型集約化沼氣模式的40.87%，盈利能力提高了4.15倍，投資回收期縮短至0.66年。

表3 兩種模式下日產(chǎn)1萬Nm3沼氣工程建筑與運行成本及利潤對比一覽表

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2016-05-28

張永北(1964—)，男，博士、地質地理與資源環(huán)境研究員，主要從事農(nóng)林廢棄物綜合利用方面的研究。zybei@yeah.net