大中型沼氣集中供氣系統(tǒng)優(yōu)化模擬及經(jīng)濟(jì)環(huán)境效益評(píng)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(tǒng)優(yōu)化模擬及經(jīng)濟(jì)環(huán)境效益評(píng)估

仲 聲，牛叔文※，邱 欣，王義鵬

（1. 西部環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，蘭州 730000； 2. 蘭州大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，蘭州 730000）

大中型沼氣集中供氣系統(tǒng)能夠?yàn)檗r(nóng)村居民集中供應(yīng)穩(wěn)定清潔的炊事能源，是中國農(nóng)村能源發(fā)展的方向。該文首先對(duì)大中型沼氣集中供氣系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)環(huán)境效益進(jìn)行核算，然后根據(jù)各系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)效益內(nèi)部收益率的大小將原始系統(tǒng)分層。結(jié)果顯示，原始狀態(tài)下，系統(tǒng)的環(huán)境效益普遍較好且具有規(guī)模效應(yīng)，但經(jīng)濟(jì)效益差異較大，體現(xiàn)出規(guī)模越大越不經(jīng)濟(jì)的狀況。以貼現(xiàn)率0.08和原點(diǎn)0為分層點(diǎn)，依據(jù)各系統(tǒng)的內(nèi)部收益率將原始系統(tǒng)分為3層進(jìn)行優(yōu)化。根據(jù)不同層級(jí)系統(tǒng)的規(guī)模、效益、條件和優(yōu)化必要性，從替換發(fā)酵罐恒溫燃料、配置沼氣發(fā)電設(shè)備為沼氣系統(tǒng)供電、建設(shè)循環(huán)農(nóng)業(yè)系統(tǒng)3個(gè)方面靈活選擇制定符合不同層級(jí)現(xiàn)實(shí)需求的優(yōu)化措施。優(yōu)化后各系統(tǒng)的綜合效益均得到不同程度的提升。系統(tǒng)優(yōu)化后，一級(jí)系統(tǒng)的2個(gè)項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)效益變化不大，環(huán)境效益提升顯著，分別提升了112.88%和134.43%。二級(jí)系統(tǒng)的4個(gè)項(xiàng)目在優(yōu)化后內(nèi)部收益率都達(dá)到或超過了貼現(xiàn)率8%，經(jīng)濟(jì)效益由一般升級(jí)為良好；同時(shí)，環(huán)境效益分別提升了88.16%、100.02%、103.22%和109.09%。三級(jí)系統(tǒng)的3個(gè)項(xiàng)目內(nèi)部收益率都為負(fù)值，屬于不具備經(jīng)濟(jì)效益的項(xiàng)目，優(yōu)化之后，其中的2個(gè)項(xiàng)目內(nèi)部收益率已經(jīng)轉(zhuǎn)正，經(jīng)濟(jì)效益由無升級(jí)為一般，同時(shí)，環(huán)境效益分別提升了116.36%、123.92%和101.19%。優(yōu)化的主要措施是削減運(yùn)營成本，但現(xiàn)實(shí)情況更為復(fù)雜，各地應(yīng)該因地制宜，靈活選擇優(yōu)化措施。大型系統(tǒng)需要在建設(shè)時(shí)積極參考國家大中型沼氣工程建設(shè)規(guī)劃，嚴(yán)格控制成本。

沼氣；環(huán)境控制；大中型沼氣集中供氣系統(tǒng)；炊事能源；多層次優(yōu)化；綜合效益

0 引 言

目前，農(nóng)村家庭能源消費(fèi)和可再生能源發(fā)展是能源領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)[1-2]。其中沼氣作為農(nóng)村可再生能源推廣、利用和消費(fèi)的重要內(nèi)容[3-4]，已經(jīng)引起了廣泛關(guān)注。中國農(nóng)村戶用沼氣的建設(shè)始于20個(gè)世紀(jì)50年代末期，但建設(shè)步伐緩慢，幾近停滯。直到1979年以后，隨著國家經(jīng)濟(jì)狀況的好轉(zhuǎn)和技術(shù)水平的成熟，戶用沼氣穩(wěn)步發(fā)展，年均增長率達(dá)到4%。到2000年底，農(nóng)村戶用沼氣池已達(dá)到了848萬戶[5-6]。2000年以后，隨著中國政府對(duì)“三農(nóng)”問題的重視，中國農(nóng)村沼氣建設(shè)事業(yè)進(jìn)入了快速發(fā)展期，到2010年底，中國農(nóng)村戶用沼氣池保有量已超過4 000萬戶。但此時(shí)，由于農(nóng)業(yè)機(jī)械化水平的提升和農(nóng)村勞動(dòng)力的外流，導(dǎo)致戶用型沼氣發(fā)展受阻。與此同時(shí)，中國農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)化的不斷推進(jìn)，產(chǎn)生了大量的農(nóng)業(yè)有機(jī)廢料亟待處理和利用，這對(duì)沼氣規(guī)?；募猩a(chǎn)創(chuàng)造了條件[7]。同時(shí)，隨著國家“建設(shè)社會(huì)主義新農(nóng)村”運(yùn)動(dòng)的推廣，中國農(nóng)村地區(qū)開始大規(guī)模推進(jìn)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)。這對(duì)能源項(xiàng)目的集中供應(yīng)提出了要求。在天然氣還無法覆蓋農(nóng)村地區(qū)的前提下，沼氣具有集中化供應(yīng)的相對(duì)優(yōu)勢(shì)[8]。因此，沼氣發(fā)展的模式發(fā)生了新的變化和新的趨勢(shì)——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(tǒng)取得了長足的發(fā)展，但在實(shí)際推廣過程中還出現(xiàn)了很多問題。其中最大的問題是經(jīng)濟(jì)效益較差，這個(gè)問題也引起了許多國內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注。Markus等[10]分析評(píng)估了使用奶牛糞便進(jìn)行農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和利用沼氣發(fā)電和供熱的經(jīng)濟(jì)可行性，認(rèn)為一個(gè)經(jīng)濟(jì)上可行的厭氧消化工廠至少需要每個(gè)農(nóng)場(chǎng)3 000頭奶牛，這在無形之中就限制了很多大中型沼氣系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)效益的穩(wěn)定；而Rácz等[11]在丹麥沼氣集中供氣項(xiàng)目生產(chǎn)率和效率的研究結(jié)果中認(rèn)為，沼氣集中產(chǎn)氣系統(tǒng)沒有經(jīng)濟(jì)效益，因此對(duì)其進(jìn)行推廣是不劃算的。Wang等[12]則從政府補(bǔ)貼的角度得出結(jié)論，認(rèn)為沒有任何補(bǔ)貼政策的沼氣項(xiàng)目是不可行的，而即便是政府對(duì)其進(jìn)行補(bǔ)貼和政策優(yōu)惠，其經(jīng)濟(jì)效益也十分微弱。沼氣集中供氣系統(tǒng)微弱的經(jīng)濟(jì)效益是限制它進(jìn)一步推廣的主要原因，但從另一個(gè)角度來說，其又具有良好的環(huán)境效益和社會(huì)效益，這是它相對(duì)于傳統(tǒng)生物質(zhì)能和化石能源的優(yōu)勢(shì)。而這方面也得到了許多學(xué)者的關(guān)注。Rana 等[13]認(rèn)為大中型沼氣集中供氣項(xiàng)目能夠減少溫室氣體排放和環(huán)境污染物排放，顯著改善農(nóng)村地區(qū)的室內(nèi)環(huán)境和室外環(huán)境；得到同樣結(jié)論的還有瑞典學(xué)者Olsson，他在關(guān)于瑞典沼氣生產(chǎn)與利用的社會(huì)技術(shù)分析的研究中指出，大規(guī)模利用沼氣可使瑞典公路運(yùn)輸產(chǎn)生的溫室氣體排放量減少25%，顯著改善空氣質(zhì)量[14]；而Subedi等[15-16]則分別得出結(jié)論，認(rèn)為利用沼氣產(chǎn)生的環(huán)境效益不僅體現(xiàn)在對(duì)溫室氣體的減排上，還體現(xiàn)在通過替代化肥而提升土壤土質(zhì)和通過替代傳統(tǒng)生物質(zhì)能對(duì)生態(tài)環(huán)境的保護(hù)上。從國內(nèi)外研究現(xiàn)狀可以看出，現(xiàn)有研究對(duì)大中型沼氣集中供氣系統(tǒng)技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境、社會(huì)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(shí)地調(diào)研和問卷調(diào)查的形式，通過采樣分析發(fā)酵原料、沼渣和沼液樣品的養(yǎng)分含量、糞大腸菌群數(shù)、銅、鋅、砷、鉛等指標(biāo)，從技術(shù)層面了解了北京市大中型沼氣工程冬季運(yùn)行情況及發(fā)酵剩余物理化特性；李金平等[18]以生命周期評(píng)價(jià)法為基礎(chǔ)，對(duì)發(fā)酵出料直接排放及固液分離后排放2種情況進(jìn)行對(duì)比，在此基礎(chǔ)上從經(jīng)濟(jì)、能效和環(huán)境影響3個(gè)方面評(píng)價(jià)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(duì)沼氣系統(tǒng)未來的發(fā)展和優(yōu)化提出了一些構(gòu)思，但也僅限于一些政策性建議和措施。目前還沒有對(duì)現(xiàn)有大中型沼氣集中供氣系統(tǒng)進(jìn)行全面優(yōu)化，針對(duì)不同規(guī)模、效益和現(xiàn)實(shí)條件提出相應(yīng)解決方案的相關(guān)研究。

此次研究的目的，是基于上述背景，通過對(duì)大中型沼氣集中供氣系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)環(huán)境效益的核算，綜合考量不同層級(jí)系統(tǒng)的規(guī)模、效益、條件和優(yōu)化必要性，制定符合不同層級(jí)現(xiàn)實(shí)需求的優(yōu)化措施，并追蹤系統(tǒng)在優(yōu)化過程中經(jīng)濟(jì)環(huán)境效益的變動(dòng)，以此來確定系統(tǒng)優(yōu)化的有效性和可操作性。在持續(xù)發(fā)揮系統(tǒng)環(huán)境優(yōu)勢(shì)的同時(shí)，致力于系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)效益這個(gè)最大短板的提升，使其實(shí)現(xiàn)綜合效益最大化，為沼氣集中供氣系統(tǒng)的優(yōu)化和市場(chǎng)化推廣提供有力支撐。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

為了獲取研究所需數(shù)據(jù)和資料，分別于2016年7月和2016年8月實(shí)地訪談了甘肅省平?jīng)鍪星f浪縣和武威市涼州區(qū)2個(gè)地區(qū)的5個(gè)農(nóng)村大中型沼氣集中供氣項(xiàng)目。除此之外，還遠(yuǎn)程訪談了涼州區(qū)柏樹莊社區(qū)、天馬社區(qū)，莊浪縣上寨村、連王村4個(gè)沼氣集中供氣項(xiàng)目。在訪談過程中，對(duì)項(xiàng)目的生產(chǎn)過程、投入產(chǎn)出的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行了逐項(xiàng)的清查，收集到了各項(xiàng)目物質(zhì)投入、人力消耗、生產(chǎn)經(jīng)營等的全部數(shù)據(jù)和信息資料（表1）。

表1 各系統(tǒng)基本參數(shù)Table 1 Basic parameters of each system

目前這幾個(gè)項(xiàng)目都是新建的，處于試驗(yàn)階段的項(xiàng)目。目的是通過這些項(xiàng)目對(duì)大中型沼氣集中供氣項(xiàng)目的建設(shè)和運(yùn)營進(jìn)行試驗(yàn)參考和過程優(yōu)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(tǒng)的全部成本和效益來評(píng)估系統(tǒng)運(yùn)營價(jià)值的方法，主要包含的經(jīng)濟(jì)效益、環(huán)境效益和社會(huì)效益3個(gè)方面的量化評(píng)估。由于社會(huì)效益難以量化，文章在研究過程中只量化了項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益。

1）經(jīng)濟(jì)效益量化

經(jīng)濟(jì)效益通過凈現(xiàn)值（NPV）、內(nèi)部收益率（IRR）和投資回收期（Pt）進(jìn)行量化。凈現(xiàn)值為[19]

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

內(nèi)部收益率為[19]

式中IRR為內(nèi)部收益率，其將作為分層優(yōu)化的依據(jù)。

投資回收期為[19]

式中為項(xiàng)目各年累計(jì)凈現(xiàn)金流量出現(xiàn)正值或零的年數(shù)，從投產(chǎn)當(dāng)年開始計(jì)算。

2）環(huán)境效益量化

環(huán)境效益通過計(jì)算環(huán)境影響因子的減排量來進(jìn)行量化，具體是通過核算替代能源（沼氣）和被替代能源（傳統(tǒng)能源結(jié)構(gòu)）之間環(huán)境影響因子排放量的差額來實(shí)現(xiàn)，公式模擬如下

式中EB是環(huán)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(shù)，是種被替代能源在傳統(tǒng)能源結(jié)構(gòu)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(shù)；表示排放因子的數(shù)量，表示傳統(tǒng)能源結(jié)構(gòu)中的能源數(shù)量。

2 研究過程與結(jié)果分析

2.1 系統(tǒng)原始狀態(tài)

優(yōu)化前，各項(xiàng)目的系統(tǒng)運(yùn)營狀況處于最原始的狀況，在此情境下，系統(tǒng)的邊界設(shè)定為：

1）忽略沼氣項(xiàng)目建設(shè)階段的環(huán)境影響；

2）發(fā)酵原料就地取材，沼渣沼液就地使用，忽略關(guān)于原料和產(chǎn)品運(yùn)輸?shù)沫h(huán)境影響；

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

4）恒溫所用燃料為煤炭，設(shè)備運(yùn)行所用電能為火電；

5）沼氣僅作為炊事能源供應(yīng)農(nóng)戶燃燒；

6）沼渣沼液僅作為有機(jī)肥施用在農(nóng)田中。

基于此，優(yōu)化前沼氣系統(tǒng)的成本支出點(diǎn)、收益點(diǎn)和環(huán)境污染物排放點(diǎn)分布狀況如圖1。

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

優(yōu)化前沼氣系統(tǒng)的主要特征有：運(yùn)營周期成本支出點(diǎn)較多，特別是輸入階段和生產(chǎn)階段存在多個(gè)成本支出點(diǎn)；運(yùn)營周期收益點(diǎn)較少，只存在于輸出階段；運(yùn)營周期會(huì)產(chǎn)生一定的環(huán)境影響，部分環(huán)節(jié)會(huì)排放環(huán)境影響因子（溫室氣體和環(huán)境污染物），其中輸入階段的恒溫燃料使用和設(shè)備用電環(huán)節(jié)，以及輸出階段的沼氣燃燒環(huán)節(jié)都是主要的排放源。

2.2 原始狀態(tài)效益核算

2.2.1 經(jīng)濟(jì)效益

系統(tǒng)優(yōu)化前，成本支出點(diǎn)主要有6處，其中原料支出是最大的成本支出點(diǎn)。目前收益點(diǎn)只有2個(gè)，分別為沼氣和沼渣沼液的銷售。沼氣系統(tǒng)雖然收益點(diǎn)較少，但都具有一定的盈利能力，可以維持系統(tǒng)的日常運(yùn)營。

由成本支出額和收益額（表2），并以設(shè)備運(yùn)營期20 a為周期，列出現(xiàn)金流量表，以此計(jì)算出各項(xiàng)目的內(nèi)部收益率（IRR）和投資回收期（Pt）。

從結(jié)果可以看出，系統(tǒng)優(yōu)化前，中小規(guī)模的系統(tǒng)具有較好的經(jīng)濟(jì)效益（表3），普遍能在有效運(yùn)行期內(nèi)收回初始投資，但規(guī)模較大的系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)效益則相對(duì)越差，難以收回投資。

表2 優(yōu)化前各系統(tǒng)主要成本和收入情況

注：*1牛糞的單位產(chǎn)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(chǎn)量按照理論最大產(chǎn)量計(jì)算；*3沼氣和沼渣沼液的價(jià)格按照調(diào)研當(dāng)?shù)氐膶?shí)際出售價(jià)格計(jì)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(yōu)化前各系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)效益

2.2.2 環(huán)境效益

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

表4 主要炊事能源的氣候變化因子及排放系數(shù)

注：單位為千克每噸標(biāo)煤。

Note: Unit is kg per ton coal equivalent.

在傳統(tǒng)能源結(jié)構(gòu)下，煤炭和秸稈是農(nóng)村地區(qū)最主要的炊事能源，這種能源結(jié)構(gòu)會(huì)排放大量的溫室氣體和環(huán)境污染物，沼氣正是由于替代了這種傳統(tǒng)的能源結(jié)構(gòu)，所以產(chǎn)生了較強(qiáng)的環(huán)境正外部性。

表5顯示了傳統(tǒng)能源結(jié)構(gòu)組合的多樣性。

假設(shè)調(diào)研中各系統(tǒng)服務(wù)范圍內(nèi)的農(nóng)戶使用傳統(tǒng)的炊事用能結(jié)構(gòu)，按照調(diào)研中的各氣站供應(yīng)的農(nóng)村家庭總戶數(shù)，得出各氣站服務(wù)范圍內(nèi)一年炊事活動(dòng)所用的各種能源用量，并基于此計(jì)算出傳統(tǒng)能源結(jié)構(gòu)下溫室氣體和環(huán)境污染物的排放量（表6）。

表5 傳統(tǒng)炊事能源結(jié)構(gòu)

表6 傳統(tǒng)能源結(jié)構(gòu)下的環(huán)境影響因子及排放量

沼氣替代結(jié)構(gòu)也會(huì)產(chǎn)生一定的環(huán)境影響，主要存在于發(fā)酵罐恒溫所用燃料的燃燒、沼氣燃燒、沼肥施用等環(huán)節(jié)。沼氣結(jié)構(gòu)下的環(huán)境影響因子排放情況如表7。

表7 沼氣替代結(jié)構(gòu)下的環(huán)境影響因子及排放量

通過比較傳統(tǒng)和現(xiàn)在的炊事能源結(jié)構(gòu)，可以核算出大中型沼氣集中供氣系統(tǒng)相對(duì)于傳統(tǒng)能源結(jié)構(gòu)的環(huán)境影響因子減排量，即原始狀態(tài)下沼氣系統(tǒng)的環(huán)境效益（表8）。

表8 優(yōu)化前各系統(tǒng)的環(huán)境效益

注： * CO2當(dāng)量，CH4為21，N2O為298。

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

從結(jié)果可以看出，原始系統(tǒng)的環(huán)境效益較為理想，特別是對(duì)溫室氣體和PM的減排效應(yīng)十分顯著，而且體現(xiàn)出規(guī)模效應(yīng)，規(guī)模越大的系統(tǒng)環(huán)境效益越顯著。

2.2.3 小 節(jié)

系統(tǒng)原始狀態(tài)下，經(jīng)濟(jì)效益隨系統(tǒng)規(guī)模的增大有急劇下降的趨勢(shì)。中小規(guī)模的系統(tǒng)具有較好的經(jīng)濟(jì)效益，普遍能在有效運(yùn)行期內(nèi)快速收回初始投資，但規(guī)模較大的系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)效益則相對(duì)較差，甚至不具備經(jīng)濟(jì)效益，很難收回投資。環(huán)境效益則普遍較為理想，特別是對(duì)溫室氣體和PM的減排效應(yīng)十分顯著，而且體現(xiàn)出規(guī)模效應(yīng)，規(guī)模越大的系統(tǒng)環(huán)境效益越顯著?？傮w來看，原始系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)效益差異較大，但環(huán)境效益普遍較好且具有規(guī)模效應(yīng)，由于其良好的環(huán)境效益帶來的社會(huì)效應(yīng)也比較顯著，因此多數(shù)原始系統(tǒng)的綜合效益還是比較理想的。但對(duì)于一個(gè)自負(fù)盈虧的項(xiàng)目而言，具有一定的經(jīng)濟(jì)效益是這些項(xiàng)目得以穩(wěn)定運(yùn)營的前提，也是這些得以最大化地發(fā)揮它的綜合效益的必要條件。因此，需要對(duì)現(xiàn)有大中型沼氣系統(tǒng)項(xiàng)目進(jìn)行優(yōu)化，致力于提升它們的經(jīng)濟(jì)效益，以確保它們能夠穩(wěn)定運(yùn)營。

2.3 優(yōu)化情景模擬及分析

2.3.1 劃分優(yōu)化層級(jí)

不同層級(jí)的系統(tǒng)有不同的規(guī)模、效益、條件和優(yōu)化必要性，因此需要制定符合不同層級(jí)現(xiàn)實(shí)需求的優(yōu)化措施，并追蹤系統(tǒng)在優(yōu)化過程中經(jīng)濟(jì)環(huán)境效益的變動(dòng)，以此來確定系統(tǒng)優(yōu)化的有效性和可操作性。

此處根據(jù)系統(tǒng)內(nèi)部收益率，以貼現(xiàn)率0.08和原點(diǎn)0為分層點(diǎn)，將系統(tǒng)分為3層：

1）一級(jí)系統(tǒng)：內(nèi)部收益率≥8%，共有野趙村和小果園村2個(gè)項(xiàng)目。

2）二級(jí)系統(tǒng)：0≤內(nèi)部收益率<8%，共有石陽村、岳堡村、連王村和上寨村4個(gè)項(xiàng)目。

3）三級(jí)系統(tǒng)：內(nèi)部收益率<0，共有天馬社區(qū)、南安社區(qū)、柏樹莊社區(qū)3個(gè)項(xiàng)目。

各層根據(jù)其經(jīng)濟(jì)效益表現(xiàn)的差異，采取不同的優(yōu)化措施。

2.3.2 一級(jí)系統(tǒng)的優(yōu)化情景

該情景下的野趙村和小果園村2個(gè)沼氣集中供氣系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)效益較好，不僅能夠在有效運(yùn)行期內(nèi)回收投資，還能夠產(chǎn)生較為可觀的收益；但這2個(gè)系統(tǒng)由于規(guī)模較小，環(huán)境效益不十分顯著。因此，該情景下的優(yōu)化原則和優(yōu)化措施如下：

1）優(yōu)化原則：保持經(jīng)濟(jì)效益穩(wěn)定的前提下，持續(xù)提升系統(tǒng)環(huán)境效益。

2）優(yōu)化措施：將恒溫燃料由煤炭替換為生物質(zhì)固體成型燃料。

優(yōu)化后，一級(jí)系統(tǒng)2個(gè)項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益都發(fā)生了變化，如表9所示。

首先，可以看出優(yōu)化后一級(jí)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益有略微下降，相比原始系統(tǒng)，2個(gè)項(xiàng)目純收益分別下降了1.50%和1.51%，這是由于生物質(zhì)固體成型燃料單價(jià)比煤炭略高，導(dǎo)致成本有小幅上升。但總體上下降幅度很小，基本保持穩(wěn)定，對(duì)于經(jīng)濟(jì)效益較高的野趙村和小果園村的沼氣集中供氣系統(tǒng)幾乎不會(huì)產(chǎn)生影響。相比之下，優(yōu)化后環(huán)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(huán)境效益顯著提升。綜上，優(yōu)化后系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)效益保持穩(wěn)定，環(huán)境效益顯著提升，達(dá)成了優(yōu)化目的。

表9 優(yōu)化后一級(jí)系統(tǒng)的環(huán)境和經(jīng)濟(jì)效益變動(dòng)

2.3.3 二級(jí)系統(tǒng)的優(yōu)化情景

該情景下石陽村、岳堡村、連王村、上寨村都屬于經(jīng)濟(jì)效益一般的系統(tǒng)，勉強(qiáng)能在有效運(yùn)行期內(nèi)回收投資，但盈利能力較低，抗市場(chǎng)風(fēng)險(xiǎn)能力較弱。因此，該情景下的優(yōu)化原則和優(yōu)化措施如下：

1）優(yōu)化原則：保持系統(tǒng)環(huán)境優(yōu)勢(shì)的前提下，提升系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)效益。

2）優(yōu)化措施：保持一級(jí)優(yōu)化的措施；配置發(fā)電機(jī)組利用剩余沼氣發(fā)電滿足用電需求。

原始狀態(tài)下，沼氣系統(tǒng)普遍對(duì)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(huì)產(chǎn)生大量的溫室氣體和環(huán)境污染物，會(huì)實(shí)際影響系統(tǒng)的環(huán)境效益。因此，在二級(jí)優(yōu)化情景下，建議配置發(fā)電機(jī)組利用所產(chǎn)沼氣內(nèi)部供電，以取代對(duì)外購電。這樣，一方面節(jié)省了購電支出，一方面可以進(jìn)一步提升系統(tǒng)的環(huán)境效益。配置發(fā)電設(shè)備后，按照2 kWh/m3的單位發(fā)電量，滿足系統(tǒng)的用電需求，而配置發(fā)電機(jī)組的支出算作系統(tǒng)設(shè)備投資，并計(jì)入折舊。優(yōu)化后，二級(jí)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益都發(fā)生了變化（表10）。

表10 優(yōu)化后二級(jí)系統(tǒng)的環(huán)境和經(jīng)濟(jì)效益變動(dòng)

可以看出，二級(jí)系統(tǒng)經(jīng)過優(yōu)化后，經(jīng)濟(jì)效益得到了較大幅度的提升。4個(gè)項(xiàng)目的內(nèi)部收益率已經(jīng)達(dá)到或者超過8%，意味著不僅能夠在有效運(yùn)行期內(nèi)收回投資，還具有相當(dāng)?shù)挠芰?，市?chǎng)競(jìng)爭力和抗風(fēng)險(xiǎn)能力都相應(yīng)提高。這主要是由于配置發(fā)電機(jī)組內(nèi)部供電，節(jié)省了購電支出，雖然同時(shí)會(huì)產(chǎn)生發(fā)電機(jī)組的設(shè)備支出，但是這部分支出計(jì)入折舊之后對(duì)成本總額提升的影響很小。因此，二級(jí)系統(tǒng)的4個(gè)項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)效益都得到了提升。環(huán)境上，延續(xù)一級(jí)系統(tǒng)的優(yōu)化措施，將恒溫燃料替換為生物質(zhì)固體成型燃料，同時(shí)取消了對(duì)外購電（火電為主），使二級(jí)系統(tǒng)在優(yōu)化之后的環(huán)境效益也得到了顯著提升，環(huán)境效益分別提升88.16%、100.02%、103.22%、109.09%。綜上，優(yōu)化后二級(jí)系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)效益有較大幅度的提升，具有一定的盈利能力和抗風(fēng)險(xiǎn)能力。此外，環(huán)境效益也顯著提升，達(dá)成了優(yōu)化目標(biāo)。

2.3.4 三級(jí)系統(tǒng)的優(yōu)化情景

該情景下柏樹莊、南安社區(qū)、天馬社區(qū)的沼氣集中供氣系統(tǒng)都屬于大型系統(tǒng)，規(guī)模大、成本高、收入低，不具備經(jīng)濟(jì)效益，不能在有效運(yùn)行期內(nèi)回收投資，盈利能力和抗市場(chǎng)風(fēng)險(xiǎn)能力都很差。因此，對(duì)于三級(jí)系統(tǒng)的優(yōu)化，重點(diǎn)在于提升經(jīng)濟(jì)效益：

1）優(yōu)化原則：盡力提升經(jīng)濟(jì)效益，使其綜合效益最大化。

2）優(yōu)化措施：保持一級(jí)和二級(jí)優(yōu)化的措施；建設(shè)循環(huán)農(nóng)業(yè)系統(tǒng)，穩(wěn)定系統(tǒng)原料供應(yīng)和產(chǎn)品銷售。

原始狀態(tài)下，大中型沼氣系統(tǒng)都是獨(dú)立運(yùn)營的，原料需要從外收購，沼渣沼液也必須投入市場(chǎng)銷售。這種狀態(tài)下，一方面大幅提高了沼氣系統(tǒng)的成本負(fù)擔(dān)（主要有原料支出和運(yùn)輸支出），另一方面無法確保沼渣沼液的穩(wěn)定銷售，進(jìn)而影響系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益。而這個(gè)不足，對(duì)規(guī)模較大的系統(tǒng)尤為突出。因此，對(duì)于那些規(guī)模比較大的系統(tǒng)，建議建設(shè)循環(huán)農(nóng)業(yè)系統(tǒng)，配合畜牧養(yǎng)殖場(chǎng)和果蔬農(nóng)場(chǎng)。畜牧養(yǎng)殖場(chǎng)為大中型沼氣系統(tǒng)供應(yīng)原料，節(jié)省系統(tǒng)的原料支出和運(yùn)輸成本；大中型沼氣系統(tǒng)的沼渣沼液則為果蔬農(nóng)場(chǎng)免費(fèi)提供新鮮優(yōu)質(zhì)的有機(jī)肥料；同時(shí)養(yǎng)殖場(chǎng)和農(nóng)場(chǎng)的部分運(yùn)營收益用來補(bǔ)貼大中型沼氣系統(tǒng)，提升大中型沼氣系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益。在此研究中，假設(shè)養(yǎng)殖場(chǎng)和農(nóng)場(chǎng)各自每年能夠?yàn)榇笾行驼託庀到y(tǒng)補(bǔ)貼10萬元，則此情景下三級(jí)系統(tǒng)的環(huán)境和經(jīng)濟(jì)效益變動(dòng)情況如表11。

表11 優(yōu)化后三級(jí)系統(tǒng)的環(huán)境和經(jīng)濟(jì)效益變動(dòng)

三級(jí)系統(tǒng)優(yōu)化后，經(jīng)濟(jì)效益得到了相當(dāng)程度的提升。南安社區(qū)和天馬社區(qū)的沼氣系統(tǒng)已經(jīng)從沒有經(jīng)濟(jì)效益升級(jí)為低經(jīng)濟(jì)效益。也就是說，這2個(gè)系統(tǒng)在經(jīng)過優(yōu)化后，具有了一定的盈利能力，可以勉強(qiáng)在有效運(yùn)行期內(nèi)回收投資，但抗風(fēng)險(xiǎn)能力仍舊很弱，易受政策和市場(chǎng)風(fēng)險(xiǎn)的影響。而柏樹莊的沼氣系統(tǒng)由于規(guī)模過大，投資過高，雖然經(jīng)過優(yōu)化收入水平有了提升，但仍舊屬于不具備經(jīng)濟(jì)效益的系統(tǒng)，對(duì)于這類系統(tǒng)必須在優(yōu)化前就做好規(guī)劃，控制成本。環(huán)境上，繼續(xù)延續(xù)之前的優(yōu)化措施，使三級(jí)系統(tǒng)在優(yōu)化之后的環(huán)境效益也得到了顯著提升，環(huán)境效益分別提升了116.36%、123.92%和101.19%。綜上，三級(jí)系統(tǒng)在優(yōu)化之后，經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益都得到了提升，綜合效益也更為顯著，基本達(dá)成了優(yōu)化目標(biāo)。

2.3.5 建 議

針對(duì)現(xiàn)階段大中型沼氣建設(shè)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(yōu)化措施

在此研究中，假設(shè)了一種理想狀態(tài)，設(shè)定所有的系統(tǒng)都能夠滿負(fù)荷運(yùn)行，所有的產(chǎn)品都能全部銷售轉(zhuǎn)化為運(yùn)營收益。因此，優(yōu)化系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)效益就完全依靠削減運(yùn)營成本來實(shí)現(xiàn)。但實(shí)際上，對(duì)于大中型沼氣系統(tǒng)而言，沼氣的銷售相對(duì)穩(wěn)定，而沼渣沼液的銷售并不穩(wěn)定。調(diào)研中的多數(shù)項(xiàng)目沼渣沼液的銷售都不理想，這個(gè)收益點(diǎn)并沒有完全發(fā)揮作用。因此，在實(shí)際的優(yōu)化中應(yīng)該考慮擴(kuò)寬沼渣沼液的銷售渠道，例如可以進(jìn)行風(fēng)干壓縮的初級(jí)加工，并進(jìn)行簡單包裝對(duì)外銷售，一方面使用戶易于接受，另一方面也能大幅減少運(yùn)輸成本，確保沼渣沼液的穩(wěn)定銷售，充分獲得沼渣沼液的銷售收入。此外，現(xiàn)有的優(yōu)化措施中，更換恒溫燃料和配置發(fā)電機(jī)組對(duì)于多數(shù)沼氣系統(tǒng)都較容易實(shí)現(xiàn)，但建設(shè)循環(huán)農(nóng)業(yè)系統(tǒng)則難度相對(duì)較大，不僅前期投入更多，而且日常管護(hù)更為復(fù)雜。因此，各地應(yīng)該根據(jù)本地的現(xiàn)實(shí)需求，靈活地選擇優(yōu)化措施。發(fā)展基礎(chǔ)較好，市場(chǎng)前景相對(duì)廣闊的地區(qū)可以采取程度較深的三級(jí)優(yōu)化措施；而發(fā)展基礎(chǔ)較弱，市場(chǎng)前景不佳的地區(qū)則建議采取一、二級(jí)優(yōu)化措施。

2）做好規(guī)劃，建立嚴(yán)格的成本控制機(jī)制

規(guī)模較大的沼氣集中供氣系統(tǒng)，由于其本身就沒有經(jīng)濟(jì)效益，而在優(yōu)化之后，雖然收益能力有所提升，但經(jīng)濟(jì)效益仍舊十分微弱，一旦政策和市場(chǎng)發(fā)生不利于大中型沼氣集中供氣系統(tǒng)發(fā)展和推廣的變動(dòng)，這些系統(tǒng)就會(huì)受到嚴(yán)重影響，導(dǎo)致無法在有效運(yùn)行期內(nèi)回收投資。此外，還有一些大型系統(tǒng)在項(xiàng)目建設(shè)期間，由于可行性論證不夠深入，沒有控制好成本，導(dǎo)致投資過高，雖然經(jīng)過深入優(yōu)化，收入水平有了提升，但仍舊沒有經(jīng)濟(jì)效益。按照國家《全國農(nóng)村沼氣發(fā)展“十三五”規(guī)劃》制定的投資預(yù)算參考，發(fā)酵容量1 000 m3的沼氣系統(tǒng)工程，投資應(yīng)該控制在450萬人民幣左右。三級(jí)系統(tǒng)均是發(fā)酵容量在1000 m3左右的項(xiàng)目，但投資均遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過《全國農(nóng)村沼氣發(fā)展“十三五”規(guī)劃》的參考預(yù)算，因此這類系統(tǒng)必須在建設(shè)的時(shí)候積極參考國家沼氣發(fā)展規(guī)劃和標(biāo)準(zhǔn)，在規(guī)劃建設(shè)之前就做好設(shè)計(jì)方案，建立嚴(yán)格的成本控制機(jī)制，保證大型系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展和推廣。

3 結(jié) 論

基于上述分析，此次研究得出如下結(jié)論：

1）系統(tǒng)原始的經(jīng)濟(jì)效益有很大差異，隨項(xiàng)目規(guī)模從大到小，各項(xiàng)目的內(nèi)部收益率分別為-7%、-3%、-3%、7%、6%、5%、7%、14%、12%，體現(xiàn)出規(guī)模越大越不經(jīng)濟(jì)的趨勢(shì)。環(huán)境效益則普遍較為理想，特別是對(duì)溫室氣體的減排效應(yīng)十分顯著，隨項(xiàng)目規(guī)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(xiàn)出規(guī)模效應(yīng)，規(guī)模越大的系統(tǒng)環(huán)境效益越顯著。

2）根據(jù)系統(tǒng)內(nèi)部收益率，以貼現(xiàn)率0.08和原點(diǎn)0為分層點(diǎn)，將系統(tǒng)分為3層。根據(jù)不同層級(jí)系統(tǒng)的規(guī)模、效益、條件和優(yōu)化必要性，從替換發(fā)酵罐恒溫燃料、配置沼氣發(fā)電設(shè)備為沼氣系統(tǒng)供電、建設(shè)循環(huán)農(nóng)業(yè)系統(tǒng)3個(gè)方面靈活選擇制定符合不同層級(jí)現(xiàn)實(shí)需求的優(yōu)化措施，并追蹤系統(tǒng)在優(yōu)化過程中經(jīng)濟(jì)環(huán)境效益的變動(dòng)，以此來確定系統(tǒng)優(yōu)化的有效性和可操作性。

3）系統(tǒng)優(yōu)化后，一級(jí)系統(tǒng)的2個(gè)項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)效益分別下降了1.50%和1.51%，但這2個(gè)項(xiàng)目本身經(jīng)濟(jì)效益就較好（內(nèi)部收益率分別為14%和12%），因此對(duì)其經(jīng)濟(jì)效益影響不大；其環(huán)境效益提升顯著，分別提升了112.88%和134.43%，整體的優(yōu)化結(jié)果十分顯著。二級(jí)系統(tǒng)的4個(gè)項(xiàng)目在優(yōu)化后內(nèi)部收益率都達(dá)到或超過了貼現(xiàn)率8%，經(jīng)濟(jì)效益由一般升級(jí)為良好；同時(shí)，環(huán)境效益分別提升了88.16%、100.02%、103.22%和109.09%，優(yōu)化結(jié)果同樣較為顯著。三級(jí)系統(tǒng)的3個(gè)項(xiàng)目內(nèi)部收益率都為負(fù)值，屬于不具備經(jīng)濟(jì)效益的項(xiàng)目。優(yōu)化之后，其中的2個(gè)項(xiàng)目內(nèi)部收益率已經(jīng)轉(zhuǎn)正，經(jīng)濟(jì)效益由無升級(jí)為一般。同時(shí)，環(huán)境效益分別提升了116.36%、123.92%和101.19%，整體的優(yōu)化結(jié)果相對(duì)顯著。值得注意的是規(guī)模最大的柏樹莊社區(qū)項(xiàng)目，經(jīng)過了程度最深的三級(jí)優(yōu)化，經(jīng)濟(jì)效益還是無法轉(zhuǎn)正，對(duì)于這類項(xiàng)目，必須在建設(shè)之前就做好規(guī)劃，嚴(yán)格控制成本和規(guī)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(tǒng)優(yōu)化模擬及經(jīng)濟(jì)環(huán)境效益評(píng)估[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，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(xué)“一帶一路”專項(xiàng)項(xiàng)目（2018ldbryb031）

仲 聲，博士生，主要從事能源經(jīng)濟(jì)與可持續(xù)發(fā)展方向研究。 Email：wywybz@163.com

牛叔文，研究員，教授，博士，博士生導(dǎo)師，主要從事人地關(guān)系地域系統(tǒng)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