大中型沼氣集中供氣系統優化模擬及經濟環境效益評估

仲 聲，牛叔文，邱 欣，王義鵬

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大中型沼氣集中供氣系統優化模擬及經濟環境效益評估

仲 聲，牛叔文※，邱 欣，王義鵬

（1. 西部環境教育部重點實驗室，蘭州 730000； 2. 蘭州大學資源環境學院，蘭州 730000）

大中型沼氣集中供氣系統能夠為農村居民集中供應穩定清潔的炊事能源，是中國農村能源發展的方向。該文首先對大中型沼氣集中供氣系統經濟環境效益進行核算，然后根據各系統經濟效益內部收益率的大小將原始系統分層。結果顯示，原始狀態下，系統的環境效益普遍較好且具有規模效應，但經濟效益差異較大，體現出規模越大越不經濟的狀況。以貼現率0.08和原點0為分層點，依據各系統的內部收益率將原始系統分為3層進行優化。根據不同層級系統的規模、效益、條件和優化必要性，從替換發酵罐恒溫燃料、配置沼氣發電設備為沼氣系統供電、建設循環農業系統3個方面靈活選擇制定符合不同層級現實需求的優化措施。優化后各系統的綜合效益均得到不同程度的提升。系統優化后，一級系統的2個項目經濟效益變化不大，環境效益提升顯著，分別提升了112.88%和134.43%。二級系統的4個項目在優化后內部收益率都達到或超過了貼現率8%，經濟效益由一般升級為良好；同時，環境效益分別提升了88.16%、100.02%、103.22%和109.09%。三級系統的3個項目內部收益率都為負值，屬于不具備經濟效益的項目，優化之后，其中的2個項目內部收益率已經轉正，經濟效益由無升級為一般，同時，環境效益分別提升了116.36%、123.92%和101.19%。優化的主要措施是削減運營成本，但現實情況更為復雜，各地應該因地制宜，靈活選擇優化措施。大型系統需要在建設時積極參考國家大中型沼氣工程建設規劃，嚴格控制成本。

沼氣；環境控制；大中型沼氣集中供氣系統；炊事能源；多層次優化；綜合效益

0 引 言

目前，農村家庭能源消費和可再生能源發展是能源領域的研究熱點[1-2]。其中沼氣作為農村可再生能源推廣、利用和消費的重要內容[3-4]，已經引起了廣泛關注。中國農村戶用沼氣的建設始于20個世紀50年代末期，但建設步伐緩慢，幾近停滯。直到1979年以后，隨著國家經濟狀況的好轉和技術水平的成熟，戶用沼氣穩步發展，年均增長率達到4%。到2000年底，農村戶用沼氣池已達到了848萬戶[5-6]。2000年以后，隨著中國政府對“三農”問題的重視，中國農村沼氣建設事業進入了快速發展期，到2010年底，中國農村戶用沼氣池保有量已超過4 000萬戶。但此時，由于農業機械化水平的提升和農村勞動力的外流，導致戶用型沼氣發展受阻。與此同時，中國農業產業化的不斷推進，產生了大量的農業有機廢料亟待處理和利用，這對沼氣規模化的集中生產創造了條件[7]。同時，隨著國家“建設社會主義新農村”運動的推廣，中國農村地區開始大規模推進基礎設施建設。這對能源項目的集中供應提出了要求。在天然氣還無法覆蓋農村地區的前提下，沼氣具有集中化供應的相對優勢[8]。因此，沼氣發展的模式發生了新的變化和新的趨勢——大中型沼氣集中供氣[9]。

雖然近年來大中型沼氣集中供氣系統取得了長足的發展，但在實際推廣過程中還出現了很多問題。其中最大的問題是經濟效益較差，這個問題也引起了許多國內外學者的關注。Markus等[10]分析評估了使用奶牛糞便進行農業生產和利用沼氣發電和供熱的經濟可行性，認為一個經濟上可行的厭氧消化工廠至少需要每個農場3 000頭奶牛，這在無形之中就限制了很多大中型沼氣系統經濟效益的穩定；而Rácz等[11]在丹麥沼氣集中供氣項目生產率和效率的研究結果中認為，沼氣集中產氣系統沒有經濟效益，因此對其進行推廣是不劃算的。Wang等[12]則從政府補貼的角度得出結論，認為沒有任何補貼政策的沼氣項目是不可行的，而即便是政府對其進行補貼和政策優惠，其經濟效益也十分微弱。沼氣集中供氣系統微弱的經濟效益是限制它進一步推廣的主要原因，但從另一個角度來說，其又具有良好的環境效益和社會效益，這是它相對于傳統生物質能和化石能源的優勢。而這方面也得到了許多學者的關注。Rana 等[13]認為大中型沼氣集中供氣項目能夠減少溫室氣體排放和環境污染物排放，顯著改善農村地區的室內環境和室外環境；得到同樣結論的還有瑞典學者Olsson，他在關于瑞典沼氣生產與利用的社會技術分析的研究中指出，大規模利用沼氣可使瑞典公路運輸產生的溫室氣體排放量減少25%，顯著改善空氣質量[14]；而Subedi等[15-16]則分別得出結論，認為利用沼氣產生的環境效益不僅體現在對溫室氣體的減排上，還體現在通過替代化肥而提升土壤土質和通過替代傳統生物質能對生態環境的保護上。從國內外研究現狀可以看出，現有研究對大中型沼氣集中供氣系統技術、經濟、環境、社會及綜合效益都有了較為豐富的研究成果。例如，丁京濤等[17]以實地調研和問卷調查的形式，通過采樣分析發酵原料、沼渣和沼液樣品的養分含量、糞大腸菌群數、銅、鋅、砷、鉛等指標，從技術層面了解了北京市大中型沼氣工程冬季運行情況及發酵剩余物理化特性；李金平等[18]以生命周期評價法為基礎，對發酵出料直接排放及固液分離后排放2種情況進行對比，在此基礎上從經濟、能效和環境影響3個方面評價了大型沼氣工程不同沼液處理方式造成的綜合性能差異。其中，也有一些研究對沼氣系統未來的發展和優化提出了一些構思，但也僅限于一些政策性建議和措施。目前還沒有對現有大中型沼氣集中供氣系統進行全面優化，針對不同規模、效益和現實條件提出相應解決方案的相關研究。

此次研究的目的，是基于上述背景，通過對大中型沼氣集中供氣系統經濟環境效益的核算，綜合考量不同層級系統的規模、效益、條件和優化必要性，制定符合不同層級現實需求的優化措施，并追蹤系統在優化過程中經濟環境效益的變動，以此來確定系統優化的有效性和可操作性。在持續發揮系統環境優勢的同時，致力于系統經濟效益這個最大短板的提升，使其實現綜合效益最大化，為沼氣集中供氣系統的優化和市場化推廣提供有力支撐。

1 數據與方法

1.1 數據來源

為了獲取研究所需數據和資料，分別于2016年7月和2016年8月實地訪談了甘肅省平涼市莊浪縣和武威市涼州區2個地區的5個農村大中型沼氣集中供氣項目。除此之外，還遠程訪談了涼州區柏樹莊社區、天馬社區，莊浪縣上寨村、連王村4個沼氣集中供氣項目。在訪談過程中，對項目的生產過程、投入產出的相關參數進行了逐項的清查，收集到了各項目物質投入、人力消耗、生產經營等的全部數據和信息資料（表1）。

表1 各系統基本參數Table 1 Basic parameters of each system

目前這幾個項目都是新建的，處于試驗階段的項目。目的是通過這些項目對大中型沼氣集中供氣項目的建設和運營進行試驗參考和過程優化。

1.2 研究方法

此文在研究的過程中使用了成本效益分析方法。成本效益分析方法是通過比較各系統的全部成本和效益來評估系統運營價值的方法，主要包含的經濟效益、環境效益和社會效益3個方面的量化評估。由于社會效益難以量化，文章在研究過程中只量化了項目的經濟效益和環境效益。

1）經濟效益量化

經濟效益通過凈現值（NPV）、內部收益率（IRR）和投資回收期（Pt）進行量化。凈現值為[19]

式中CI為現金流入量，CO為現金流出量，i為貼現率，(CI?CO)為第年的凈現金流量，為項目年限，按照中國現階段的貼現率，i取值為0.08。

內部收益率為[19]

式中IRR為內部收益率，其將作為分層優化的依據。

投資回收期為[19]

式中為項目各年累計凈現金流量出現正值或零的年數，從投產當年開始計算。

2）環境效益量化

環境效益通過計算環境影響因子的減排量來進行量化，具體是通過核算替代能源（沼氣）和被替代能源（傳統能源結構）之間環境影響因子排放量的差額來實現，公式模擬如下

式中EB是環境效益量化值，EC是種被替代能源的消耗量，f是種被替代能源排放因子的排放系數，是種被替代能源在傳統能源結構中的比例；BG是替代能源的消耗量，f是替代能源排放因子的排放系數；表示排放因子的數量，表示傳統能源結構中的能源數量。

2 研究過程與結果分析

2.1 系統原始狀態

優化前，各項目的系統運營狀況處于最原始的狀況，在此情境下，系統的邊界設定為：

1）忽略沼氣項目建設階段的環境影響；

2）發酵原料就地取材，沼渣沼液就地使用，忽略關于原料和產品運輸的環境影響；

3）所用發酵工藝采用CSTR（Continuous stirred-tank reactor）發酵工藝；

4）恒溫所用燃料為煤炭，設備運行所用電能為火電；

5）沼氣僅作為炊事能源供應農戶燃燒；

6）沼渣沼液僅作為有機肥施用在農田中。

基于此，優化前沼氣系統的成本支出點、收益點和環境污染物排放點分布狀況如圖1。

圖1 原始系統的系統邊界和基本狀況 Fig.1 System boundary and basic condition of primitive system

優化前沼氣系統的主要特征有：運營周期成本支出點較多，特別是輸入階段和生產階段存在多個成本支出點；運營周期收益點較少，只存在于輸出階段；運營周期會產生一定的環境影響，部分環節會排放環境影響因子（溫室氣體和環境污染物），其中輸入階段的恒溫燃料使用和設備用電環節，以及輸出階段的沼氣燃燒環節都是主要的排放源。

2.2 原始狀態效益核算

2.2.1 經濟效益

系統優化前，成本支出點主要有6處，其中原料支出是最大的成本支出點。目前收益點只有2個，分別為沼氣和沼渣沼液的銷售。沼氣系統雖然收益點較少，但都具有一定的盈利能力，可以維持系統的日常運營。

由成本支出額和收益額（表2），并以設備運營期20 a為周期，列出現金流量表，以此計算出各項目的內部收益率（IRR）和投資回收期（Pt）。

從結果可以看出，系統優化前，中小規模的系統具有較好的經濟效益（表3），普遍能在有效運行期內收回初始投資，但規模較大的系統經濟效益則相對越差，難以收回投資。

表2 優化前各系統主要成本和收入情況

注：*1牛糞的單位產氣量為26 m3·t-1，豬糞為22 m3·t-1，雞糞為40 m3·t-1；*2沼氣和沼渣沼液的產量按照理論最大產量計算；*3沼氣和沼渣沼液的價格按照調研當地的實際出售價格計算（沼氣2.00元·m-3，沼渣沼液40.00元·m-3）。

Note: *1. The unit biogas production of raw material: cow dung is 26 m3·t-1, pig dung is 22 m3·t-1, chicken dung is 40 m3·t-1; *2. The output of biogas and biogas residues is calculated according to the maximum theoretical yield; *3. The prices of biogas and biogas residues are calculated on the basis of the actual local sales prices (biogas 2.00 yuan·m-3, biogas residues 40.00 yuan·m-3).

表3 優化前各系統經濟效益

2.2.2 環境效益

沼氣系統具有正的環境外部性，但其是否能彌補經濟效益的不足，主要取決于它所取代的燃料的種類和數量。大中型沼氣系統建成后，原有的炊事能源結構，包括一些分散的戶用型沼氣，將被集中供應的大中型沼氣所替代。此處利用IPCC（聯合國氣候變化國家間專家委員會）公布的氣候變化因子及其排放系數[20-22]（表4），分別計算出傳統能源結構下和沼氣替代結構下環境影響因子（溫室氣體和環境污染物）的排放量，并將二者之差作為沼氣的環境替代效益，即系統的環境效益。

表4 主要炊事能源的氣候變化因子及排放系數

注：單位為千克每噸標煤。

Note: Unit is kg per ton coal equivalent.

在傳統能源結構下，煤炭和秸稈是農村地區最主要的炊事能源，這種能源結構會排放大量的溫室氣體和環境污染物，沼氣正是由于替代了這種傳統的能源結構，所以產生了較強的環境正外部性。

表5顯示了傳統能源結構組合的多樣性。

假設調研中各系統服務范圍內的農戶使用傳統的炊事用能結構，按照調研中的各氣站供應的農村家庭總戶數，得出各氣站服務范圍內一年炊事活動所用的各種能源用量，并基于此計算出傳統能源結構下溫室氣體和環境污染物的排放量（表6）。

表5 傳統炊事能源結構

表6 傳統能源結構下的環境影響因子及排放量

沼氣替代結構也會產生一定的環境影響，主要存在于發酵罐恒溫所用燃料的燃燒、沼氣燃燒、沼肥施用等環節。沼氣結構下的環境影響因子排放情況如表7。

表7 沼氣替代結構下的環境影響因子及排放量

通過比較傳統和現在的炊事能源結構，可以核算出大中型沼氣集中供氣系統相對于傳統能源結構的環境影響因子減排量，即原始狀態下沼氣系統的環境效益（表8）。

表8 優化前各系統的環境效益

注： * CO2當量，CH4為21，N2O為298。

Note: * CO2equivalent, CH4is 21, N2O is 298.

從結果可以看出，原始系統的環境效益較為理想，特別是對溫室氣體和PM的減排效應十分顯著，而且體現出規模效應，規模越大的系統環境效益越顯著。

2.2.3 小 節

系統原始狀態下，經濟效益隨系統規模的增大有急劇下降的趨勢。中小規模的系統具有較好的經濟效益，普遍能在有效運行期內快速收回初始投資，但規模較大的系統經濟效益則相對較差，甚至不具備經濟效益，很難收回投資。環境效益則普遍較為理想，特別是對溫室氣體和PM的減排效應十分顯著，而且體現出規模效應，規模越大的系統環境效益越顯著。總體來看，原始系統經濟效益差異較大，但環境效益普遍較好且具有規模效應，由于其良好的環境效益帶來的社會效應也比較顯著，因此多數原始系統的綜合效益還是比較理想的。但對于一個自負盈虧的項目而言，具有一定的經濟效益是這些項目得以穩定運營的前提，也是這些得以最大化地發揮它的綜合效益的必要條件。因此，需要對現有大中型沼氣系統項目進行優化，致力于提升它們的經濟效益，以確保它們能夠穩定運營。

2.3 優化情景模擬及分析

2.3.1 劃分優化層級

不同層級的系統有不同的規模、效益、條件和優化必要性，因此需要制定符合不同層級現實需求的優化措施，并追蹤系統在優化過程中經濟環境效益的變動，以此來確定系統優化的有效性和可操作性。

此處根據系統內部收益率，以貼現率0.08和原點0為分層點，將系統分為3層：

1）一級系統：內部收益率≥8%，共有野趙村和小果園村2個項目。

2）二級系統：0≤內部收益率<8%，共有石陽村、岳堡村、連王村和上寨村4個項目。

3）三級系統：內部收益率<0，共有天馬社區、南安社區、柏樹莊社區3個項目。

各層根據其經濟效益表現的差異，采取不同的優化措施。

2.3.2 一級系統的優化情景

該情景下的野趙村和小果園村2個沼氣集中供氣系統經濟效益較好，不僅能夠在有效運行期內回收投資，還能夠產生較為可觀的收益；但這2個系統由于規模較小，環境效益不十分顯著。因此，該情景下的優化原則和優化措施如下：

1）優化原則：保持經濟效益穩定的前提下，持續提升系統環境效益。

2）優化措施：將恒溫燃料由煤炭替換為生物質固體成型燃料。

優化后，一級系統2個項目的經濟效益和環境效益都發生了變化，如表9所示。

首先，可以看出優化后一級系統的經濟效益有略微下降，相比原始系統，2個項目純收益分別下降了1.50%和1.51%，這是由于生物質固體成型燃料單價比煤炭略高，導致成本有小幅上升。但總體上下降幅度很小，基本保持穩定，對于經濟效益較高的野趙村和小果園村的沼氣集中供氣系統幾乎不會產生影響。相比之下，優化后環境效益得到了較大程度的提升，特別是碳減排量分別提升112.88%和134.43%，環境效益顯著提升。綜上，優化后系統經濟效益保持穩定，環境效益顯著提升，達成了優化目的。

表9 優化后一級系統的環境和經濟效益變動

2.3.3 二級系統的優化情景

該情景下石陽村、岳堡村、連王村、上寨村都屬于經濟效益一般的系統，勉強能在有效運行期內回收投資，但盈利能力較低，抗市場風險能力較弱。因此，該情景下的優化原則和優化措施如下：

1）優化原則：保持系統環境優勢的前提下，提升系統經濟效益。

2）優化措施：保持一級優化的措施；配置發電機組利用剩余沼氣發電滿足用電需求。

原始狀態下，沼氣系統普遍對外購電，所購電能中火電占比在7成以上，而火電在其生命周期中會產生大量的溫室氣體和環境污染物，會實際影響系統的環境效益。因此，在二級優化情景下，建議配置發電機組利用所產沼氣內部供電，以取代對外購電。這樣，一方面節省了購電支出，一方面可以進一步提升系統的環境效益。配置發電設備后，按照2 kWh/m3的單位發電量，滿足系統的用電需求，而配置發電機組的支出算作系統設備投資，并計入折舊。優化后，二級系統的經濟效益和環境效益都發生了變化（表10）。

表10 優化后二級系統的環境和經濟效益變動

可以看出，二級系統經過優化后，經濟效益得到了較大幅度的提升。4個項目的內部收益率已經達到或者超過8%，意味著不僅能夠在有效運行期內收回投資，還具有相當的盈利能力，市場競爭力和抗風險能力都相應提高。這主要是由于配置發電機組內部供電，節省了購電支出，雖然同時會產生發電機組的設備支出，但是這部分支出計入折舊之后對成本總額提升的影響很小。因此，二級系統的4個項目經濟效益都得到了提升。環境上，延續一級系統的優化措施，將恒溫燃料替換為生物質固體成型燃料，同時取消了對外購電（火電為主），使二級系統在優化之后的環境效益也得到了顯著提升，環境效益分別提升88.16%、100.02%、103.22%、109.09%。綜上，優化后二級系統經濟效益有較大幅度的提升，具有一定的盈利能力和抗風險能力。此外，環境效益也顯著提升，達成了優化目標。

2.3.4 三級系統的優化情景

該情景下柏樹莊、南安社區、天馬社區的沼氣集中供氣系統都屬于大型系統，規模大、成本高、收入低，不具備經濟效益，不能在有效運行期內回收投資，盈利能力和抗市場風險能力都很差。因此，對于三級系統的優化，重點在于提升經濟效益：

1）優化原則：盡力提升經濟效益，使其綜合效益最大化。

2）優化措施：保持一級和二級優化的措施；建設循環農業系統，穩定系統原料供應和產品銷售。

原始狀態下，大中型沼氣系統都是獨立運營的，原料需要從外收購，沼渣沼液也必須投入市場銷售。這種狀態下，一方面大幅提高了沼氣系統的成本負擔（主要有原料支出和運輸支出），另一方面無法確保沼渣沼液的穩定銷售，進而影響系統的經濟效益。而這個不足，對規模較大的系統尤為突出。因此，對于那些規模比較大的系統，建議建設循環農業系統，配合畜牧養殖場和果蔬農場。畜牧養殖場為大中型沼氣系統供應原料，節省系統的原料支出和運輸成本；大中型沼氣系統的沼渣沼液則為果蔬農場免費提供新鮮優質的有機肥料；同時養殖場和農場的部分運營收益用來補貼大中型沼氣系統，提升大中型沼氣系統的經濟效益。在此研究中，假設養殖場和農場各自每年能夠為大中型沼氣系統補貼10萬元，則此情景下三級系統的環境和經濟效益變動情況如表11。

表11 優化后三級系統的環境和經濟效益變動

三級系統優化后，經濟效益得到了相當程度的提升。南安社區和天馬社區的沼氣系統已經從沒有經濟效益升級為低經濟效益。也就是說，這2個系統在經過優化后，具有了一定的盈利能力，可以勉強在有效運行期內回收投資，但抗風險能力仍舊很弱，易受政策和市場風險的影響。而柏樹莊的沼氣系統由于規模過大，投資過高，雖然經過優化收入水平有了提升，但仍舊屬于不具備經濟效益的系統，對于這類系統必須在優化前就做好規劃，控制成本。環境上，繼續延續之前的優化措施，使三級系統在優化之后的環境效益也得到了顯著提升，環境效益分別提升了116.36%、123.92%和101.19%。綜上，三級系統在優化之后，經濟效益和環境效益都得到了提升，綜合效益也更為顯著，基本達成了優化目標。

2.3.5 建 議

針對現階段大中型沼氣建設與推廣中存在的突出問題，提出一些建議如下：

1）因地制宜，靈活選擇優化措施

在此研究中，假設了一種理想狀態，設定所有的系統都能夠滿負荷運行，所有的產品都能全部銷售轉化為運營收益。因此，優化系統經濟效益就完全依靠削減運營成本來實現。但實際上，對于大中型沼氣系統而言，沼氣的銷售相對穩定，而沼渣沼液的銷售并不穩定。調研中的多數項目沼渣沼液的銷售都不理想，這個收益點并沒有完全發揮作用。因此，在實際的優化中應該考慮擴寬沼渣沼液的銷售渠道，例如可以進行風干壓縮的初級加工，并進行簡單包裝對外銷售，一方面使用戶易于接受，另一方面也能大幅減少運輸成本，確保沼渣沼液的穩定銷售，充分獲得沼渣沼液的銷售收入。此外，現有的優化措施中，更換恒溫燃料和配置發電機組對于多數沼氣系統都較容易實現，但建設循環農業系統則難度相對較大，不僅前期投入更多，而且日常管護更為復雜。因此，各地應該根據本地的現實需求，靈活地選擇優化措施。發展基礎較好，市場前景相對廣闊的地區可以采取程度較深的三級優化措施；而發展基礎較弱，市場前景不佳的地區則建議采取一、二級優化措施。

2）做好規劃，建立嚴格的成本控制機制

規模較大的沼氣集中供氣系統，由于其本身就沒有經濟效益，而在優化之后，雖然收益能力有所提升，但經濟效益仍舊十分微弱，一旦政策和市場發生不利于大中型沼氣集中供氣系統發展和推廣的變動，這些系統就會受到嚴重影響，導致無法在有效運行期內回收投資。此外，還有一些大型系統在項目建設期間，由于可行性論證不夠深入，沒有控制好成本，導致投資過高，雖然經過深入優化，收入水平有了提升，但仍舊沒有經濟效益。按照國家《全國農村沼氣發展“十三五”規劃》制定的投資預算參考，發酵容量1 000 m3的沼氣系統工程，投資應該控制在450萬人民幣左右。三級系統均是發酵容量在1000 m3左右的項目，但投資均遠遠超過《全國農村沼氣發展“十三五”規劃》的參考預算，因此這類系統必須在建設的時候積極參考國家沼氣發展規劃和標準，在規劃建設之前就做好設計方案，建立嚴格的成本控制機制，保證大型系統的可持續發展和推廣。

3 結 論

基于上述分析，此次研究得出如下結論：

1）系統原始的經濟效益有很大差異，隨項目規模從大到小，各項目的內部收益率分別為-7%、-3%、-3%、7%、6%、5%、7%、14%、12%，體現出規模越大越不經濟的趨勢。環境效益則普遍較為理想，特別是對溫室氣體的減排效應十分顯著，隨項目規模從大到小，溫室氣體減排量分別可為269 427.94、230 788.18、237 299.61、231 344.26、103 604.36、 81 050.29、79 047.68、90 434.88、36 584.20 kg/a，體現出規模效應，規模越大的系統環境效益越顯著。

2）根據系統內部收益率，以貼現率0.08和原點0為分層點，將系統分為3層。根據不同層級系統的規模、效益、條件和優化必要性，從替換發酵罐恒溫燃料、配置沼氣發電設備為沼氣系統供電、建設循環農業系統3個方面靈活選擇制定符合不同層級現實需求的優化措施，并追蹤系統在優化過程中經濟環境效益的變動，以此來確定系統優化的有效性和可操作性。

3）系統優化后，一級系統的2個項目經濟效益分別下降了1.50%和1.51%，但這2個項目本身經濟效益就較好（內部收益率分別為14%和12%），因此對其經濟效益影響不大；其環境效益提升顯著，分別提升了112.88%和134.43%，整體的優化結果十分顯著。二級系統的4個項目在優化后內部收益率都達到或超過了貼現率8%，經濟效益由一般升級為良好；同時，環境效益分別提升了88.16%、100.02%、103.22%和109.09%，優化結果同樣較為顯著。三級系統的3個項目內部收益率都為負值，屬于不具備經濟效益的項目。優化之后，其中的2個項目內部收益率已經轉正，經濟效益由無升級為一般。同時，環境效益分別提升了116.36%、123.92%和101.19%，整體的優化結果相對顯著。值得注意的是規模最大的柏樹莊社區項目，經過了程度最深的三級優化，經濟效益還是無法轉正，對于這類項目，必須在建設之前就做好規劃，嚴格控制成本和規模。

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Optimization simulation of medium- and large-scale biogas projects and its evaluation of economic and environmental efficiency

Zhong Sheng, Niu Shuwen※, Qiu Xin, Wang Yipeng

(1.(),730000,; 2.,730000,)

At present, with the continuous development of Chinese agricultural industrialization and rural urbanization, the traditional household biogas has been gradually replaced by more efficient medium and large-scale biogas system. Medium and large-scale biogas system can provide biogas as stable and clean cooking energy for rural residents depending on centralized utilization of agricultural organic wastes. It has a good impact on the indoor and outdoor environment in rural areas, and is in line with the requirements of the transformation of China’s rural energy structure. Further, it is a new trend for the development of rural energy in China. In this paper, the cost-benefit analysis method is used to quantify the economic and environmental benefits of these medium and large-scale biogas systems investigated by the author. Then, according to the internal rate of return (IRR) of each original system, these original systems is divided into three levels: the first level system-the better economic benefit (the IRR is greater than the discount rate 0.08), the second level system-the general economic benefit (the IRR is less than the discount rate 0.08, but more than 0), the tertiary level system-poor economic benefits (the IRR is less than 0). After considering the scale, benefits, conditions and the necessity of optimization of different levels of systems, the optimization measures are formulated to meet the needs of reality in different levels. The results show that: 1) The environmental benefit of the original system before optimization is generally good. Among them, carbon emission reduction is the most significant. In order of project scale from large to small (Baishuzhuang community, Nanan community, Tianma community, Shangzhai village, Shiyang village, Lianwang village, Yuepu village, Yezhao village, Xiaoguoyuan village), carbon emission reduction can reach 269 427.94, 230 788.18, 237 299.61, 231 344.26, 103 604.36, 81 050.29, 79 047.68, 90 434.88, 36 584.20 kg per year, respectively. 2) There are great differences in economic benefits before optimization, and the internal rates of return are as follows:-7%, -3%, -3%, 7%, 6%, 5%, 7%, 14%, 12%, which shows that the larger the scale is, the more uneconomical it is. 3) With the discount rate of 0.08 and the 0 as the stratified points, the original system is divided into three levels to optimize according to the internal rates of return of each system. 4) In the first-level system, the economic benefits of the two projects (Yezhao village and Xiaoguoyuan village) are already good. After optimization, the economic benefits decreased by 1.50% and 1.51%, respectively, but the carbon emission reduction increased by 112.88% and 134.43%, respectively. The overall optimization results are remarkable. 5) In the four projects (Shangzhai village, Shiyang village, Lianwang village, Yuepu village) of the second-level system, because the internal rate of return is more than 8%, the economic benefits are upgraded from general to good. In addition, the environmental benefit increased by 88.16%, 100.02%, 103.22%, 109.09%, respectively. The optimization effect is also remarkable. 6) In the third-level system (Baishuzhuang community, Nanan community, Tianma community), the internal rate of return of most projects becomes positive after optimization, and the economic benefits are upgraded from no to general, while the environmental benefit increases by 116.36%, 123.92% and 101.19%, respectively. The overall optimization results are good. 7) The main measure of optimization is to cut down the operating cost, but the reality is more complicated, so the local conditions should be adapted to local conditions, and the optimization measures should be chosen flexibly. 8) Those large-scale systems need to actively refer to the national biogas project construction plan and strictly control the cost when building it.

biogas; environmental control; medium- and large-scale biogas projects; cooking energy; multi-level optimization; comprehensive benefit

仲 聲，牛叔文，邱 欣，王義鵬. 大中型沼氣集中供氣系統優化模擬及經濟環境效益評估[J]. 農業工程學報，2019，35(4)：232－240. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.04.029 http://www.tcsae.org

Zhong Sheng, Niu Shuwen, Qiu Xin, Wang Yipeng. Optimization simulation of medium- and large-scale biogas projects and its evaluation of economic and environmental efficiency[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(4): 232－240. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.04.029 http://www.tcsae.org

2018-11-13

2019-01-28

蘭州大學“一帶一路”專項項目（2018ldbryb031）

仲 聲，博士生，主要從事能源經濟與可持續發展方向研究。 Email：wywybz@163.com

牛叔文，研究員，教授，博士，博士生導師，主要從事人地關系地域系統分析方向研究。Email：shuwenn@lzu.edu.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2019.04.029

S216

A

1002-6819(2019)-04-0232-09