北方平原地區農村居民沼氣冬季取暖典型案例研究

胡 燕， 王彥博， 劉 悅， 趙 凱

(1.河北省利用世行貸款農村新能源開發項目辦公室， 河北 石家莊 050021； 2.中國人民財產保險股份有限公司石家莊市分公司， 河北 石家莊 050021； 3.河北省農業科技發展中心， 河北 石家莊 050021)

大力發展綠色清潔能源逐漸替代傳統化石能源已成為全球共識[1]。目前我國應用較為廣泛的生物質能源包括燃料乙醇、生物甲烷(由沼氣提純獲得)、生物柴油等。自2015年開始，我國開始推進大型沼氣工程建設。目前常見的大型沼氣工程規模都在1000 m3以上，而特大型生物天然氣工程規模多在2萬立方米以上。黨中央和國務院圍繞大氣污染防治，改善生態環境，推進生態文明建設制定了一系列政策措施，將開展農作物秸稈和畜禽糞污等農業廢棄物資源化利用，農村冬季取暖“氣代煤”等作為重大舉措進行強力推進。北方地區在實施清潔取暖中，多項并舉鼓勵及支持農村地區使用生物質氣、沼氣、輕烴燃氣等新能源取暖替代傳統燃煤取暖。

1 沼氣代煤取暖現狀

根據國家發布的《北方地區冬季清潔取暖規劃(2017～2021)》，到2019年，北方地區清潔取暖率將達50%，到2021年清潔取暖率將達70%。為持續深入推進以農村散煤治理和冬季清潔取暖為重點的大氣污染防治攻堅行動，堅決打贏藍天保衛戰，不斷提高人民群眾生活質量水平。按照黨中央、國務院決策部署，河北省制定了《2019年農村地區冬季清潔取暖工作方案》[2]。全省安排及鼓勵“多元化推進可再生能源取暖”。根據資源稟賦情況，鼓勵實施生物質氣、沼氣、輕烴燃氣等可再生能源取暖;按照依托管道氣和燃氣特許經營企業實施氣代煤的總體要求，在電代煤不能覆蓋的平原農村居民住戶推廣戶用燃氣采暖，同時解決炊事用氣。

經統計2018年河北省天然氣消費139.35億方。從用向看，城鎮和農村居民炊事采暖用氣76.7億方、占50%(其中農村煤改氣39.5億方，占28.3%)。全省大力發展以沼氣為紐帶的生態農業模式，建設規模和水平居全國前列。截至2019年12月，累計建成規?；笮驼託夤こ?97處，總池容52.22萬立方米，年產氣量7666.02多萬立方米；小型和中型沼氣工程2025處，總池容17.87萬立方米，年產氣量約1304萬立方米，年處理畜禽糞污321.9萬t、秸稈等農業廢棄物約69.84萬t[3]。經統計計算2019年河北省生物質燃氣(僅含沼氣及生物天然氣)僅生產代煤量為6.47萬t。統計匯總結果如表1所示。

表1 2019年河北省生物質燃氣代煤情況

2 沼氣供暖實例分析

2.1 沼氣生產及利用案例簡介

近年來，隨著秸稈沼氣技術日益成熟，我國多個地區均建立了不同規模的秸稈沼氣工程[4]，取得了良好的社會效益和豐富的管理經驗[5]。本文以河北省中南部平原地區，農作物秸稈和畜禽糞污資源豐富的某一大型沼氣工程為氣源，結合北方地區清潔取暖政策，形成“廢棄物+清潔能源+有機肥料”的沼氣生態循環模式。在參照氣代煤政策給予一定補貼優惠基礎上，介紹了沼氣清潔取暖在實際工程及農村地區的應用情況。

選取案例為建設規模2萬m3的特大型沼氣工程，工程自2018年11月初投入運行至今穩定，首批供戶1000戶并實現了冬季沼氣取暖。沼氣生產引進了德國原料預處理水解技術，芬蘭高溫車庫發酵成套設備，并在傳統豎向推流式厭氧消化(VPF)工藝上增設了攪拌裝置等工藝技術。工程主要設計參數見表2。

表2 案例沼氣工程主要設計參數

該特大型沼氣工程總投資11100萬元，年消耗玉米秸稈4萬多噸，年處理畜禽糞污5萬多噸，年產約沼氣533萬m3，主要工藝見圖1。工程每年生產3.0萬t沼渣生物有機顆粒肥、5.0萬t沼液有機沖施肥及葉面肥，可為附近6萬畝無公害果蔬基地、10萬畝綠色有機糧食種植基地提供有機肥。產生的沼氣除供1000戶居民炊事及冬季取暖用氣外，其余沼氣用于場區沼氣發電，形成了冬季供氣，春夏秋3季發電的高效應用模式。項目實施年減排二氧化碳2166 t，解決了附近居民生活用氣，促進有機物質高效轉化和能源高效循環。

圖1 案例工藝流程圖

2.2 沼氣應用市場及經濟效益分析

基于以上案例沼氣工程，在不考慮原料成本，設計比對了三種不同方式的沼氣應用情況，方案信息見表3。方案1：單純供應炊事用戶，項目所產沼氣僅用于農戶炊事用氣，設計戶數為20000戶；方案2：供應炊事用戶和發電，項目所產沼氣除用于炊事用氣外還進行并網發電，設計供戶數量為1000戶，同時配備2000 kW發電機組進行發電；方案3：供應炊事、采暖用戶和發電，項目所產沼氣將用于炊事用氣，冬季采暖以及并網發電，設計供戶數量1000戶，同時配備2000 kW發電機組進行發電。針對3種典型案例，在未考慮項目補貼及稅收等因素情況前提下，進行經濟分析，測算了不同市場方案下項目的投資、運行成本、收益和利潤，致力于反映不同市場環境下的經濟效益差別。

表3 典型案例不同市場方案信息

經濟分析結果顯示，典型案例的3個市場方案中，經濟效益最高的是方案3，即供應炊事、采暖用戶和發電，其利潤達到2.81元·m-3，經濟效益最低的是供應炊事用戶和發電，利潤為2.42元·m-3，而單純供應炊事利潤為2.50元·m-3，管道投入成本及維護費用較高。以此分析而得，承擔供暖任務的沼氣企業，發展多元市場方案后經濟效益有小幅提升，更加有利企業持續經營。

2.3 案例點沼氣供氣取暖及補貼情況

河北省于2017年制定了到2020年，全省農村日常炊事和冬季取暖全部實行“氣代煤”、“電代煤”的政策措施，并對各市縣下達了相應的指令性政策指標。案例縣指令性計劃中，要求承擔1000戶農戶冬季取暖任務。通過該2萬方沼氣工程，為分布在2個村的1000戶農戶提供清潔能源，共計鋪設站外管網64.8千米，入戶安裝氣電兩用采暖爐和沼氣壁掛爐1000套。2019年案例市執行的農村氣代煤運行補助標準為：給予采暖季農戶用氣1.2元·m-3補貼，每戶最高補貼氣量800立方米、最高補貼960元。目前案例工程已正常運行三個年度日常炊事用氣和兩個采暖季取暖供氣，供氣百姓比較認可。為保障農戶穩定用氣，供氣公司成立了村級沼氣物業服務站，為每戶提供使用指導、管路檢查、灶具及計量表安裝與維修等服務。

3 沼氣取暖效益分析

推進清潔取暖，一頭牽著百姓溫暖過冬，一頭連著藍天白云，能否成功關鍵在于百姓能否用得起[6]。本文首先基于氣代煤補貼政策，進行了使用沼氣取暖與使用天然氣取暖效果及費用方面的分析探討；其次針對使用沼氣取暖與使用煤碳取暖費用方面分析比較，為相關工程及供暖項目提供借鑒依據。

3.1 樣本數據來源

針對使用沼氣和天然氣取暖情況的分析，研究使用數據來源于課題組成員對案例項目點，各選取10戶、取暖面積均為100 m3、取暖爐具分別為天然氣壁掛爐和沼氣壁掛爐的農戶進行調查，采取面對面訪談獲得問卷信息；對于使用沼氣和煤取暖比較分析，研究數據來源于案例縣氣代煤改造前市場價格及農戶使用統計情況。

3.2 經濟效益分析

(1)使用沼氣冬季清潔取暖與使用天然氣取暖效果及費用分析。選取項目運行期間，農戶采用天然氣取暖和采用沼氣取暖效果及費用情況進行比對分析。結合當地農戶使用習慣，分別針對以下2種情況對比，一種是：設定全天24小時熱水溫度保持在50℃取暖，另一種是：早8點至下午6點熱水溫度保持在35℃左右取暖。取暖時間均按100天計算，戶均用氣量和取暖費用見表4。

表4 2種方式取暖情況對比

匯總對比結果發現：不論全天候采暖還是僅白天采暖，農戶使用天然氣取暖和采用沼氣取暖，在取暖面積相同、室內溫度相同、取暖效果相同的情況下，沼氣甲烷含量約為天然氣含量的70%時，每天使用沼氣量高于使用天然氣量，但由于沼氣價格較低，僅為天然氣價格的56%，同時在享受國家用氣補貼的情況下，農戶使用沼氣取暖費約占使用天然氣取暖費用的73%，使用沼氣取暖費用明顯低于使用天然氣取暖費用，相對而言，農戶使用沼氣取暖比天然氣更省錢、更實惠。

(2)使用沼氣取暖與使用煤炭取暖比較分析。根據調查，按照每戶取暖面積100 m3計算，1個取暖季節3個月，用煤碳需要2～3噸約2300元，用沼氣取暖每天約需15～20 m3，每天約30元左右，3個月2700元，獲得取暖補貼后約1740元。對于煤碳、電能等其他能源[7]，如果支出過大，農戶則傾向于轉向使用獲得補助后實際付費更低的沼氣，以緩解使用化石能源帶來的經濟負擔。

通過實際走訪，進行用戶滿意度調查，95%的群眾普遍反映沼氣取暖效果較好，其中小戶型取暖更優。與縣有關部門訪談，了解到2020年約120戶農民申請自愿接入集中供氣管網，通過沼氣清潔炊事、清潔取暖，提高了農村居民生活幸福感指數。

3.3 社會與環境效益

根據工程運行核算以1000 m3秸稈沼氣工程為例，每戶每天使用秸稈沼氣，可減少燃燒秸稈5 kg，1000戶居民每年減少直接燃燒秸稈1825噸，節約標煤260 噸,減排CO2676 噸，減排SO22.21 噸,減排氮氧化物1.92噸，減排粉塵0.31 噸，減少大氣污染，有效的保護了生態環境。

通過特大型沼氣工程把農作物秸稈及畜禽糞污轉化成為資源和商品，種植基地應用沼肥后，不僅經濟效益好，還化害為利、變廢為寶，實現了農業廢棄物資源化利用與美麗鄉村建設緊密融合。同時沼渣沼液有機肥的投入使用，減少了化肥農藥的使用量，使病蟲害得到綠色防控，減少面源污染。

農戶通過使用清潔能源，改變了傳統的生活方式，廚房更干凈衛生，業余時間增加，更積極參加娛樂活動，提升了農民的生活水平和文化素養。同時對農村散煤治理，防止大氣污染改善空氣質量起到了推波助瀾的作用。

4 結論及建議

(1)大型沼氣工程增加農戶冬季清潔取暖市場應用，可更好地提升沼氣項目經濟效益，建議北方地區農作物廢棄物及畜禽糞污物資源較充足的企業，優先爭取政府冬季取暖規劃指標，即可符合當地政策需求，也可更好地增加企業經濟效益。同時，農戶使用沼氣取暖相對天然氣及煤碳取暖，更省錢、更實惠，更具有生存力。

(2)北方地區形成的“廢棄物+清潔能源+有機肥料”沼氣生態循環發展模式，對綜合治理因畜禽糞污、農作物廢棄物造成的農村污染，改善農村區域生態環境，優化結構方面效果顯著，可在北方地區大力推廣典型的循環經濟發展模式。大力開展廢棄物資源化利用，農村地區采用沼氣取暖可緩解區域內能源緊張局面，同時提升了農民生活品味，對于農村散煤治理，防止大氣污染改善空氣質量起到了積極作用，具有深刻的社會和環境效益。

(3)建議繼續加強項目扶持政策，加強清潔取暖技術服務建設。加大財政政策的傾斜力度，繼續對農戶用氣給予補貼，組建強有力的保障隊伍，使農村地區使用沼氣冬季取暖事業健康穩定發展。