甘蔗葉干法連續厭氧發酵氣肥聯產技術的經濟適應性分析

馮芹+萬年青

摘要 當前，生物質能源的開發利用研究逐漸成為熱點。甘蔗葉作為我國南方地區豐富的可利用生物質能源，有著廣泛的用途和利用價值。近來年農業部中國熱帶農業科學院農業機械研究所首次以風干的甘蔗葉為主要原料，加入干的豬糞便，通過干法連續厭氧發酵技術，開展了相關甘蔗葉氣肥聯產試驗研究，取得了很好的研究進展。本文依據相關研究進展，對其厭氧發酵技術的經濟前景進行簡單的分析探討。

關鍵詞 甘蔗葉；干法連續厭氧發酵；氣肥聯產；經濟適應性

中圖分類號 S216.4 文獻標識碼 A 文章編號 1007-5739（2017）22-0215-02

2 Agricultural Product Processing Research Institute，Chinese Academy of Tropical Agricultural Sciences）

Abstract At present，the development and utilization of biomass energy has gradually become a research hotspot.Sugarcane leaves，which are abundant and available biomass energy in southern China，exhibit wide applications and useful values.Recently，the studies of biogas-fertilizer coproduction from dry continuous anaerobic digestion of dried sugarcane leaves by adding dried pig manure were first conducted with great progress being made in the Institute of Agricultural Machinery of Chinese Academy of Tropical Agricultural Sciences under Ministry of Agriculture of China. Based on the related research progress，a simple analysis of the economic adaptability of anaerobic digestion technology of sugarcane leaves were conducted in this paper.

Key words sugarcane leave；continuous anaerobic digestion；biogas-fertilizer coproduction；economic adaptability

甘蔗葉是指甘蔗采收后遺棄在田間的甘蔗葉片和甘蔗梢。我國甘蔗年種植面積為160萬hm2左右，產區從南方11個省區逐步向桂中南、滇西南、粵西—瓊北等3個優勢產業帶集中，集中度為95%左右，年生產甘蔗葉總量2 500萬t以上[1]。由于甘蔗葉總量巨大，以甘蔗葉為原料，利用干法厭氧發酵技術制備沼氣，并通過沼氣提純、發電等，將為甘蔗葉開展大規模有效利用和替代傳統能源產業等提供廣闊的發展前景。

1 甘蔗葉干法連續厭氧發酵氣肥聯產研究進展

厭氧發酵是區別于好氧發酵的一種發酵方法，其主要特征是發酵過程不需要空氣參與，僅在密閉條件下進行。近年來，農業部中國熱帶農業科學院農業機械研究所以風干的甘蔗葉為主要原料，同時加入干的豬糞便，通過干法連續厭氧發酵技術進行氣肥聯產試驗研究，取得了很好的研究進展。

該技術不僅采用了目前國內較為先進的干法厭氧發酵技術，而且在厭氧發酵過程首次利用太陽能加熱實現了連續發酵和換料，并通過甘蔗葉和豬糞混合物的發酵實現了氣肥聯產，提高了沼氣工程的效率。同時，由于干法發酵無沼液消納問題，因而最大限度地降低了二次污染。該技術將廢棄甘蔗葉轉化為清潔的生物能源，探索了一條有益的途徑，該技術的特性決定了其經濟性特點。

1.1 較高的容積產氣率為項目發展奠定了基礎

容積產氣率又稱池容產氣率，指單位體積在單位時間的產氣量，是沼氣工程系統運行好壞的一個重要指標。

容積產氣率=產氣量/容積；

產氣量=投料量×原料產氣率×原料消化率。

從上述公式可以看出，相對于濕法發酵，干法發酵解決了部分沼液的消納問題，在其他因素特別是容積一定的情況下，由于發酵原料的增加，單位容積產氣率自然獲得了增加。

目前，國內濕法厭氧發酵下的單位容積產氣率一般在0.8～1.2 m3/（m3·d）之間，而在理想試驗條件下，通過干法連續厭氧發酵技術，單位容積產氣率可達到4.0 m3/（m3·d）左右；在工程模擬試驗上，單位容積產氣率也達到1.5～2.5 m3/（m3·d），且沼氣中CH4含量在50%～60%之間[2]，有著較好的經濟效益前景。

1.2 連續式進料能夠保證沼氣的產出和節能減耗

甘蔗葉連續式干法厭氧發酵氣肥聯產技術的另一個特點是用連續式進出料替代傳統的批式間歇式換料。傳統沼氣發酵罐在發酵原料生產一段時間后，由于沼氣生產水平大幅下降，必須停止生產并進行批式換料處理，俗稱清池。清池不僅費事費神，而且增加運行中的換料成本，更主要的是中斷了沼氣生產過程。其換料過程的成本及產氣能力的損耗根據沼氣工程規模的不同而不同，工程規模越大，換料時間越長，所產生的損耗越大。

連續式進料在設計上克服了間歇式換料的缺點。在換料時，將經過粉碎、均質混料、調溫處理等的甘蔗葉和豬糞原料，定時通過反應器的一端均勻向反應器中布料，通過反應器自壓按層次順序推壓前行并達到定時出料的目的，由布料間隔控制原料發酵和出料的間隔。這種工藝使原料的沼氣發酵過程達到連續穩定地進行，克服了間歇式批量進料沼氣發酵產氣過程的間斷和不均衡問題，從而將沼氣產業化生產過程變得可控、高效和穩定。除此之外，這一工藝還可以通過調節原料布料量、多個單元組合等措施，滿足不同的甘蔗葉處理量及用氣需求。endprint

1.3 太陽能增溫、保溫措施進一步減少了能耗

在我國北方地區，受冬季日照不足的影響，目前大部分規模化沼氣工程一般是通過電加熱膜增溫保溫系統加熱或是利用工程自產沼氣，通過鍋爐水循環沼氣池增溫保溫系統實現沼氣反應裝置的溫度控制，達到提高原料消化率和容積產氣率的目的。但無論是電加熱膜增溫保溫系統還是鍋爐水循環沼氣池增溫保溫系統，都增加了工程的資源能耗。

根據甘蔗主產區四季日照較為充足的特點，從節約能耗和控制沼氣裝置反應溫度出發，項目組開發出了太陽能熱水器水循環沼氣池升溫系統等節能型增溫、保溫措施，在確保發酵溫度控制、達到常年高效穩定產氣的同時，有效降低了發酵增溫保溫系統的二次能耗。

1.4 氣肥聯產增加了產出效益比重

“氣肥聯產”目前并沒有統一定義。由于沼氣工程一般在沼氣生產的同時，會產生許多富含植物生長所需微量元素的沼渣附產物，通過對沼渣進行簡單處理，即可得到富含營養的沼渣肥，從而實現沼氣工程的附加效益，提高沼氣產業的經濟效益和環境效益。因此，行業內將這種沼氣、沼渣同時實現社會經濟效益的過程稱之為“氣肥聯產”。

試驗表明，由于甘蔗葉加入豬糞后的發酵，使沼渣富含有機質、腐植酸及氮、磷、鉀等植物生所需的微量元素。通過試驗計算，本項目1 t沼氣干混合發酵原料可生產沼渣原肥1.08 t，可替代堆漚有機肥1.79 t[3]。氣肥聯用技術顯著提高了工藝的經濟效益和環境效益，能夠帶動當地經濟發展，促進農民增收，具有較好的產業發展前景。

2 甘蔗葉連續式干法厭氧發酵技術的經濟適應性分析

基于以上技術特點，甘蔗葉連續式干法厭氧發酵技術的經濟適應性主要包括以下幾點。

2.1 項目節能效果顯示了良好的經濟性

除了項目本身是利用生物質廢棄物資源（甘蔗葉、豬糞）進行再生產的節能過程，還在工藝研究過程中諸如太陽能加溫節能、干法連續發酵原料節能以及收貯節能等環節上進行了許多有益的探索，節能效果顯著。

按照項目組干法連續厭氧發酵工藝，年產45萬m3沼氣工程規模，用電量180 kW·h，用水量3 000 m3，則節能折合標準煤279.22 t/年（折合系數來源[4]），項目沼氣產量相當于每年節約683 t標準煤，減少二氧化碳排放1 161 t[5-6]，項目節能經濟性顯著。

2.2 成本構成特點顯示項目良好的適應性

甘蔗葉干法連續厭氧發酵制備沼氣工程的成本構成主要包括3個方面，即原料成本、工程成本（發酵裝備和各類基礎設施）及運營管理成本。原料主要是甘蔗葉、鮮豬糞的混合物及少量碳酸氫銨等。甘蔗葉和鮮豬糞作為項目投產運行后主要的成本因素，由于其地域集中性、廣泛性和易收集、耐儲存等特點[7]，能夠較好地保證不同類型沼氣工程的運行需求并降低運行成本。

2.3 項目中試實踐說明項目推廣的經濟可行性

研究實踐中，項目課題組以580 m3發酵裝置、年產45萬m3氣規模的大中型（偏向中型）進行了實際的經濟成本研究：項目投資成本520萬元，其中靜態建設投資515.39萬元，鋪底流動資金5.27萬元。靜態建設投資515.39萬元包括建筑工程投資241.10萬元，設備購置費207.80萬元及其他投資66.49萬元。項目年總收入83.50萬元，其中沼氣收入73萬元，沼渣收入10.50萬元，以項目15年為周期計算年均總成本83.37萬元。

按照項目投資理論，項目在財務內部收益率（FIRR）2.81%、動態投資回收期12.82年、財務凈現值（FNPV）34.23萬元、盈虧平衡分析（BEP）57.85%，價格及容積產氣率敏感性系數4.29。上述指標均不樂觀，但卻基本能夠維持項目運行，而這已經是目前類似生物質能源項目經濟性的最佳表現。如果同時考慮中央財政對發展規模化大型沼氣工程的補助，則項目能夠實現穩定的經濟效益。

另外，項目的推廣也將為我國甘蔗主產區（廣西、云南、粵西）農民和社會生產帶來直接的經濟效益，即通過甘蔗葉回收、發展沼氣產業、推廣沼渣有機肥等達到促進農民增收和當地社會經濟發展的目的。

2.4 環境與社會效益對項目經濟性起到補充作用

甘蔗葉干法連續厭氧發酵氣肥聯產項目的推廣，其環境與社會生態效益主要體現為以下2點：一是對節約資源、改善區域自然生態環境具有借鑒意義，項目的推廣能夠廣泛地降低廢棄甘蔗葉因傳統田間焚燒處理方式造成的環境污染，減少區域煙塵及有害氣體排放[8]；二是為貫徹落實國家建設生態文明、發展生物質廢棄物綜合利用戰略尋求到一條有利的途徑。

3 結語

甘蔗葉干法連續厭氧發酵氣肥聯產技術目前單從氣肥聯產的角度分析，雖然具有廣泛的適應性和一定的經濟效益，但事實上無論是國外還是國內，目前大規模利用農業廢棄物等生物質資源發展沼氣工程，并單純通過直供方式用于民用，并非該產業發展的方向。通過沼氣工程進行沼氣發電、沼氣提純生物天然氣等，逐漸成為沼氣技術先進國家發展大規模沼氣工程的普遍模式，也為技術的經濟性帶來了可靠的延伸。

4 參考文獻

[1] 李喬仙，高月娥，尚德林，等.云南甘蔗稍飼用現狀及其青貯營養成分測定[J].養殖與飼料，2011（10）：45-47.

[2] 焦靜，王金麗，張勁，等.甘蔗葉干法厭氧發酵正交試驗[J].農業機械學報，2012，43（10）：110-113.

[3] 續有林.助推循環農業發展的沼氣輔產物：沼渣[J].農民致富之友，2015（2）：288.

[4] 王江涌.創建綠色肉食雞深加工項目經濟效益分析[D].濟南：山東大學，2011.

[5] 劉宇，匡耀求，黃寧生.農村沼氣開發與溫室氣體減排[J].中國人口·資源與環境，2008，18（3）：48-53.

[6] 趙玲，劉慶玉，牛衛生，等.沼氣工程發展現狀與問題探討[J].農機化研究，2011（4）：242-245.

[7] 王剛.甘蔗葉集中利用原料供應系統的收儲運研究[D].武漢：華中科技大學，2015.

[8] 周丹丹.我國首個利用甘蔗葉進行直燃發電電項目在廣西投產[EB/OL].（2010-02-26）[2017-07-29].http：//news.163.com/10/0226/17/60FFD00 P00014 6BC.html.endprint