甘肅省大中型沼氣集中供氣系統碳足跡分析及過程優化研究

仲 聲

(蘭州交通大學 經濟管理學院，蘭州 730070)

目前，隨著農業產業化水平的提升，集約化的產業化農場和畜牧場不斷建設，產生了大量的農業有機廢料亟待處理，這對農村生物質能的規模化集中開發創造了條件[1]。同時，中國農村地區開始大規模推進基礎設施建設，對炊事能源的集中供應提出了強烈的需求，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比較優勢[2]，因此沼氣的應用模式發生了新的變化:大中型沼氣集中供氣[3]。大中型沼氣集中供氣系統具有顯著的環境和社會正外部性，可以通過為農村居民集中供應沼氣替代傳統炊事能源有效減少溫室氣體和環境污染物的排放[4]。但通過調研發現，甘肅省許多試點項目并沒有充分發揮這種正外部性，尤其是碳減排效應十分有限，其內在原因值得探究。碳足跡的定義源自于生態足跡[5]，常被用來評價某一經濟活動產生的溫室氣體對環境的影響程度。國外關于碳足跡的研究已經被廣泛應用于環境評價領域，例如Ching-Chih Chang[6]等人利用生命周期評價去分析臺灣義竹鄉生態水產農場的碳足跡分布；而Treu H[7]等人則對德國傳統食材和有機食材土地利用的碳足跡進行了全面研究。中國學者也進行了許多關于經濟部門碳足跡的研究，例如王占彪[8]等人做了關于華北平原農業生產碳足跡的研究；侯彩霞[9]等人則以張掖市為例，做了不同升級方式農戶的碳足跡研究。關于生物質能開發、沼氣及沼氣系統應用的碳足跡，也有少量學者進行了相關研究，例如Okoko A[10]等人對肯尼亞和坦桑尼亞利用生物質能進行炊事活動的碳足跡進行了研究；王藝鵬等人則對我國1995年～2014年農作物秸稈沼氣化碳足跡進行了全面分析，研究結果顯示1995年～2014年秸稈沼氣燃燒的碳足跡年均減少2.08億t，較秸稈直接燃燒減排46.8%，并認為秸稈沼氣化能顯著減少溫室氣體排放量，發展潛力巨大[11]；此外，鄧舟[5]等人重點關注了沼氣利用技術的碳足跡分布，認為采用PSA(Pressure Swing Adsorption)沼氣提純工藝技術，不僅能極大地降低溫室氣體排放，還能通過能量的回收替代傳統能源，具有理想的碳減排效益。

總的來看，關于碳足跡的研究雖多，但大中型集中供氣系統作為農村地區沼氣發展的新趨勢，相關研究較少；此外，研究內容上結合替代效益進行碳足跡分析的研究鮮有涉及。該文通過生命周期梳理出各系統各環節的碳排放足跡，找出存在問題和可優化的環節，并結合比較優勢分析和替代效益分析，提出碳足跡優化的解決方案，以期能夠為大中型沼氣集中供氣系統正外部性的充分發揮提供一些參考建議，促進農村大中型沼氣項目的有效推廣。

1 研究基礎

1.1 資料來源

為了獲取研究所需數據和資料，團隊分別實地調研了甘肅省平涼市莊浪縣和武威市涼州區兩個地方共9個大中型沼氣集中供氣試點項目。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，收集到研究所需的數據和信息資料(見表1)。

表1 調研區各項目基本調研參數

目前這些項目都是處于試驗階段的項目，目的是進行項目推廣的試驗參考和過程優化。

1.2 基本原理與系統邊界

1.2.1 基本原理

大中型沼氣集中供氣系統的基本原理(見圖1)是：集中收集畜禽糞便或者農作物秸稈作為原料，在經過預處理之后輸入發酵池(罐)內進行發酵[12-13]。產生沼氣之后，通過脫硫脫水等凈化設備進行凈化，之后輸入儲氣罐，由儲氣罐通過管道將沼氣輸送到用戶的使用設備中，供應作為農戶的炊事能源。如果輸送距離較遠，還需要增壓風機進行增壓輸送[12]。除此之外，在北方，特別是西北地區，為了保障全年穩定供應，還需要配置恒溫設備對發酵罐進行保溫[14]。而系統的發酵殘留物沼渣沼液，則經過風干壓縮之后，可作為有機肥施入農田，或者進一步提純作為商業有機肥出售，獲得利潤[12-13]。

圖1 大中型沼氣集中供氣系統原理簡圖

1.2.2 邊界條件與系統組成

該文研究大中型沼氣系統原始狀態下的碳足跡分布及過程優化，因此研究的邊界條件設定為：

(1)忽略大中型沼氣項目建設階段的環境影響；

(2)發酵原料就地取材，忽略關于存儲和運輸的環境影響；

(3)沼渣沼液就地使用，忽略關于運輸的環境影響；

(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全部出售給當地農戶使用；

(6)沼渣沼液僅作為有機肥全部出售給當地農戶。

基于上述條件設定系統邊界如圖2。

圖2 大中型沼氣系統的原始系統邊界

大中型沼氣系統的生產過程可分為3個階段：輸入階段、生產階段和輸出階段。輸入階段也可被稱為預備發酵階段，主要進行發酵生產之前原料、能源和勞動力的準備，這一階段主要的碳排放源有恒溫燃料全生命周期碳排放、設備用電全生命周期碳排放2處[12-13]。生產階段即發酵階段，主要的碳排放源有原材料預處理、發酵和沼氣儲存過程中的物理泄露1處。輸出階段是產品使用及廢料處理階段，這一階段的碳排放源有沼氣燃燒、沼渣沼液存貯二次反應2處[13]。

2 數據處理與結果分析

2.1 碳足跡清單分析

對大中型沼氣系統3個階段的碳足跡進行清單分析。

在此之前，首先根據聯合國氣候變化國家間專家委員會(IPCC)公布的參數[15]，確定研究所涉及能源的碳排放系數(見表2)：

表2 各能源的排放系數 (kg·tce-1)

(1)輸入階段碳排放

輸入階段的碳足跡源為設備運行用電和恒溫用煤全生命周期內的碳排放。

結合表1中各系統的電能消耗量和表2中火電的排放系數，核算出各系統所用電能生命周期碳排放情況如表3。

表3 各系統用電生命周期碳排放 (kg·a-1)

設備運行所用電能全生命周期碳排放以CO2為主，CH4和N2O相對較少，以柏樹莊社區氣站為例，用電環節的碳足跡總量為每年15.21萬CO2-eq.。

大中型沼氣集中供氣系統要求全年穩定產氣，因此需要配備恒溫設備，目前各系統恒溫設備的主要利用能源為煤炭，結合表1中各系統的煤炭消耗量和表2中煤炭的排放系數，在整個系統內煤炭生命周期的碳排放情況如下表4：

表4 各系統恒溫所用煤炭生命周期碳排放 (kg·a-1)

恒溫設備所用煤炭全生命周期內CO2的排放量更大，仍以柏樹莊社區氣站為例，恒溫環節的碳足跡總量為每年23.47萬CO2-eq.。

(2)生產階段碳排放

由于系統存在物理泄露，因此在生產階段還存在多個碳排放源，其中主要有：原料預處理環節、厭氧發酵環節和儲存環節。根據聯合國氣候變化框架公約(UNFCCC)清潔發展機制(CDM)的AMS III.D(Methane recovery in animal manure management systems)方法學，系統在預處理、生產、儲存及輸送過程中的物理泄露量為沼氣總產量(見表1)的1%[16-17]，泄露到空氣中的沼氣，其主要成分為CH4(50%～70%)和CO2(30%～50%)，分別取60%和35%(沼氣氣體中含有約5%的NH3和H2S)，根據CH4(16 g·mol-1)和CO2(44 g·mol-1)的分子量，計算出1 m3沼氣的質量約為1.15 kg，因此生產階段碳排放源的排放因子和排放系數也可以以此來確定，分別為CO20.69 kg·m-3和CH40.43 kg·m-3，據此，核算出生產階段的碳排放情況(見表5)。

表5 各系統生產階段碳排放 (kg·a-1)

生產階段CH4的排放量較大，柏樹莊社區氣站能達到每年5.30萬CO2-eq.。

(3)輸出階段碳排放

輸出階段的碳排放源主要為沼氣的燃燒和沼渣沼液的存貯。

各系統所產沼氣年總消耗量的碳排放情況如表6。

表6 各系統沼氣燃燒環節碳排放 (kg·a-1)

單純來看，整個系統中沼氣燃燒環節的碳足跡總量是最大的，柏樹莊社區氣站碳足跡總量可達到每年26.87萬CO2-eq.。

沼渣沼液儲存到沼液池中會產生二次反應，產生少量沼氣逸散到大氣中，由于沼渣沼液的單位產氣量十分有限，逸散量約為沼氣總產量的0.5%左右[16-17]；而沼渣沼液作為有機肥施用到農田和果園中，或者作為殺蟲劑噴灑到農作物上時主要會產生富營養化和環境酸化污染物，幾乎不會產生碳排放(見表7)。

表7 沼渣沼液貯存的碳排放 (kg·a-1)

沼渣沼液存貯環節CH4的排放量亦較大，柏樹莊社區氣站CH4能達到每年2.65萬CO2-eq.的排放總量。

2.2 碳足跡總量及分布

(1)碳排放總量

各系統3個階段的碳排放總量，公式如下：

式中，EGHG為碳足跡總量；IPi為輸入環節碳排放；PPi為生產環節i排放因子的排放；OPi為輸出環節i排放因子的排放。碳排放總量以CO2為當量，CH4，N2O對CO2的當量系數分別為25，298[18]。

各系統碳排放以CO2為主，等當量計算，CO2排放量平均能達到系統碳排放總量的87.12%；CH4和N2O排放量要小得多，分別僅有系統碳排放總量的12.05%和0.83%(見表8)。

表8 各系統的碳排放總量 (kg·a-1)

(2)碳足跡分布

各系統運營周期的碳足跡分布狀況如表9。

表9 各系統碳足跡分布狀況 (kgCO2·a-1)

系統碳足跡分布量最大的是輸入階段，平均占總量的55.25%，主要來源于系統能源材料的輸入；其次是輸出階段，平均占總量的37.61%，主要來源于沼氣的燃燒；分布量最小的是生產階段，平均僅占總量的7.14%，來源于系統在預處理、生產、儲存及輸送過程中的物理泄露量。

2.3 碳足跡替代效應分析

目前，甘肅省農村地區主要的炊事能源仍以煤炭和秸稈為主，此外還有部分薪柴、電能、LPG和沼氣。以供應800戶的天馬社區氣站為樣本進行比較優勢分析。天馬社區氣站800戶居民年總耗氣量為401500 m3，等熱值折算標煤量為286 tce，根據折標量，結合各能源的碳排放系數(見表2)，可計算出等熱值條件下各能源結構的碳排放情況(見表10)。

表10 等熱值條件下各炊事能源結構的碳排放比較

可以看出，在各種炊事能源結構中，碳排放總量僅略高于LPG，遠低于其他各種炊事能源，且LPG在其全生命周期內的實際碳排放要遠高于沼氣，因此沼氣具有碳足跡比較優勢。

來源于大中型沼氣集中供氣系統的沼氣炊事能源結構，實際上是替代了以秸稈薪柴和煤炭為主的傳統炊事能源結構，因此理論上它應該產生十分顯著的碳減排替代效應。筆者團隊于2006年對甘肅農村炊事能源消費結構進行了調研，以此確定甘肅省農村傳統炊事能源的類型和比重。假設調研中各項目服務范圍內的農戶使用傳統的用能結構，基于傳統炊事能源結構比重，按照調研中的各氣站供應的農村家庭總戶數，得出范圍內一年炊事活動所用的各種能源的用量(見表11)。

表11 傳統炊事能源結構

結合比重和用量，計算出傳統炊事能源結構下的碳足跡總量，并與來源于大中型集中供氣系統的沼氣替代結構進行對比(見表12)。

表12 沼氣結構下的替代效益

可以看出實際上大中型沼氣替代結構相比傳統能源結構的碳減排優勢并不十分顯著，碳足跡總量僅下降了24.32%。分排放因子來看，CO2和N2O總體分別減排29.26%和31.59%，而CH4則負減排，可見還有很大地優化空間。

2.4 碳足跡過程優化分析

上述研究可知，現實情況下的沼氣替代結構相比傳統能源結構的碳減排優勢并不十分顯著，因此可以通過對部分碳排放源進行控制和處理來進行大中型沼氣系統碳排放源的過程優化。

2.4.1 確定優化點

由圖2可知大中型沼氣系統的碳排放源共有5處，分別為：輸入階段恒溫燃料的全生命周期、設備用電的全生命周期2處；生產階段原材料預處理、發酵和沼氣儲存過程中的物理泄露1處；輸出階段沼氣燃燒、沼渣沼液存貯二次反應逸散2處。其中，設備運行所用電能要求較高，必須來自于穩定的電網供電，而電網電的來源相對固定，且短時期內不會發生太大變化，基本沒有可優化的空間。此外，沼氣燃燒環節的碳減排也相對固定，沒有優化空間。因此，可以進行優化的碳排放源僅有3處，分別為：

(1)輸入階段恒溫燃料；

(2)生產階段的物理泄露；

(3)輸出階段的沼渣沼液存貯。

2.4.2 優化方案制定

根據各階段不同的可優化碳排放源，制定優化方案。

2.4.2.1 輸入階段恒溫燃料替換為清潔能源

目前，系統碳足跡分布量最大的是輸入階段，因此該階段需要首先優化，而優化的關鍵在于輸入能源清潔化。具體方案是將系統恒溫環節的燃料選擇替換為更為清潔的燃料，例如自產沼氣、生物質固體成型燃料等，特別是生物質固體成型燃料，具有價格較低、便于存儲、環境友好等諸多優勢，完全可以實現對煤炭恒溫的替代，減少恒溫環節的碳排放。此方案設定將恒溫燃料替換為生物質固體成型燃料。

2.4.2.2 生產階段減少物理泄露

生產階段的碳排放情況相對較好，只存在于少量的物理泄露和逸散過程，但這僅限于理想狀態高精度成熟發酵系統的前提下，例如全封閉發酵罐和儲氣罐系統。而目前有很多系統的發酵過程在不封閉或半封閉的發酵池內進行，這不可避免會造成相當量的物理泄露和逸散，產生不良環境影響。因此從這個角度來說，建議大中型沼氣系統在條件允許的情況下，盡量選擇技術水準較高的發酵工藝和發酵設備，即盡量使用全封閉的發酵和儲氣設備，最大程度降低生產階段的碳排放。此方案設定在進行技術和設備更新升級之后，物理泄露量減少到0.5%。

2.4.2.3 輸出階段提升沼渣沼液的處理效率

輸出階段的碳排放總量僅次于輸入環節，主要的碳排放源是沼氣燃燒環節，而沼氣燃燒環節的碳排放相對固定，幾乎沒有可優化的空間。因此，這一階段只能通過解決沼渣沼液儲存中產生二次反應的問題即可在此階段進行最大程度的碳足跡優化。具體措施除技術層面的更新升級外，最重要的還是做好管理維護，及時處理發酵殘渣；同時為沼渣沼液找好銷售和使用的渠道，避免長時間存貯甚至隨意棄置，降低系統二次污染帶來的碳排放。此方案設定提升沼渣沼液處理效率之后，逸散量下降到0.1%。

2.4.3 優化結果分析

2.4.3.1 系統碳排放情況

按照優化方案，計算優化后大中型沼氣系統的碳排放情況如表13。

表13 優化后各系統的碳排放情況

可以看出，優化后各系統N2O排放略有上升，而CO2和CH4的排放量明顯減少，平均下降幅度分別達29.59%和60.66%，碳排放總量則平均下降了31.31%。

2.4.3.2 碳足跡替代效應

以天馬社區氣站為例，優化后來源于大中型集中供氣系統的沼氣結構與傳統能源結構進行對比，結果如表14。

表14 優化后的碳足跡替代效益

可見，優化后系統的碳足跡替代效應更加顯著，CO2的減排程度從29.26%上升到47.84%；CH4則更是從負減排，上升到減排42.53%；而N2O則出現了負減排，但由于N2O的總排放量較小，因此對最終碳排放總量的影響很小。等當量計算，優化后系統的碳足跡替代效應從原始系統的24.32%，上升到44.13%。

3 結論

基于上述分析和討論，將結論總結如下：

(1)各系統碳排放以CO2為主，等當量計算，CO2排放量平均能達到系統碳排放總量的87.12%；CH4和N2O排放量要小得多，分別僅有系統碳排放總量的12.05%和0.83%。

(2)系統碳足跡分布量最大的是輸入階段，平均占總量的55.25%，主要來源于系統運行所耗的非清潔能源；其次是輸出階段，平均占總量的37.61%，主要來源于沼氣的燃燒；分布量最小的是生產階段，平均僅占總量的7.14%，來源于系統在預處理、生產、儲存及輸送過程中的物理泄露。

(3)沼氣在碳排放上具有比較優勢，來源于大中型集中供氣系統的沼氣炊事能源結構，實際上是替代了以秸稈薪柴和煤炭為主的傳統炊事能源結構，沼氣替代結構相比傳統能源結構有更為顯著的碳減排優勢，但在原始系統下，這種優勢沒有被完全凸顯，碳足跡總量僅下降了24.32%，需要進行過程優化。

(4)研究從輸入階段恒溫燃料替換為清潔能源，生產階段減少物理泄露，輸出階段提升沼渣沼液的處理效率3個方面制定優化方案。優化后各系統CO2和CH4的排放量明顯減少，平均下降幅度分別達29.59%和60.66%，碳排放總量則平均下降了31.31%。碳足跡替代效應也從24.32%上升到44.13%。