北方平原地區(qū)農(nóng)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(nóng)村新能源開發(fā)項(xiàng)目辦公室， 河北 石家莊 050021； 2.中國人民財(cái)產(chǎn)保險(xiǎn)股份有限公司石家莊市分公司， 河北 石家莊 050021； 3.河北省農(nóng)業(yè)科技發(fā)展中心， 河北 石家莊 050021)

大力發(fā)展綠色清潔能源逐漸替代傳統(tǒng)化石能源已成為全球共識[1]。目前我國應(yīng)用較為廣泛的生物質(zhì)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(jìn)大型沼氣工程建設(shè)。目前常見的大型沼氣工程規(guī)模都在1000 m3以上，而特大型生物天然氣工程規(guī)模多在2萬立方米以上。黨中央和國務(wù)院圍繞大氣污染防治，改善生態(tài)環(huán)境，推進(jìn)生態(tài)文明建設(shè)制定了一系列政策措施，將開展農(nóng)作物秸稈和畜禽糞污等農(nóng)業(yè)廢棄物資源化利用，農(nóng)村冬季取暖“氣代煤”等作為重大舉措進(jìn)行強(qiáng)力推進(jìn)。北方地區(qū)在實(shí)施清潔取暖中，多項(xiàng)并舉鼓勵(lì)及支持農(nóng)村地區(qū)使用生物質(zhì)氣、沼氣、輕烴燃?xì)獾刃履茉慈∨娲鷤鹘y(tǒng)燃煤取暖。

1 沼氣代煤取暖現(xiàn)狀

根據(jù)國家發(fā)布的《北方地區(qū)冬季清潔取暖規(guī)劃(2017～2021)》，到2019年，北方地區(qū)清潔取暖率將達(dá)50%，到2021年清潔取暖率將達(dá)70%。為持續(xù)深入推進(jìn)以農(nóng)村散煤治理和冬季清潔取暖為重點(diǎn)的大氣污染防治攻堅(jiān)行動，堅(jiān)決打贏藍(lán)天保衛(wèi)戰(zhàn)，不斷提高人民群眾生活質(zhì)量水平。按照黨中央、國務(wù)院決策部署，河北省制定了《2019年農(nóng)村地區(qū)冬季清潔取暖工作方案》[2]。全省安排及鼓勵(lì)“多元化推進(jìn)可再生能源取暖”。根據(jù)資源稟賦情況，鼓勵(lì)實(shí)施生物質(zhì)氣、沼氣、輕烴燃?xì)獾瓤稍偕茉慈∨?按照依托管道氣和燃?xì)馓卦S經(jīng)營企業(yè)實(shí)施氣代煤的總體要求，在電代煤不能覆蓋的平原農(nóng)村居民住戶推廣戶用燃?xì)獠膳?，同時(shí)解決炊事用氣。

經(jīng)統(tǒng)計(jì)2018年河北省天然氣消費(fèi)139.35億方。從用向看，城鎮(zhèn)和農(nóng)村居民炊事采暖用氣76.7億方、占50%(其中農(nóng)村煤改氣39.5億方，占28.3%)。全省大力發(fā)展以沼氣為紐帶的生態(tài)農(nóng)業(yè)模式，建設(shè)規(guī)模和水平居全國前列。截至2019年12月，累計(jì)建成規(guī)模化大型沼氣工程297處，總池容52.22萬立方米，年產(chǎn)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(chǎn)氣量約1304萬立方米，年處理畜禽糞污321.9萬t、秸稈等農(nóng)業(yè)廢棄物約69.84萬t[3]。經(jīng)統(tǒng)計(jì)計(jì)算2019年河北省生物質(zhì)燃?xì)?僅含沼氣及生物天然氣)僅生產(chǎn)代煤量為6.47萬t。統(tǒng)計(jì)匯總結(jié)果如表1所示。

表1 2019年河北省生物質(zhì)燃?xì)獯呵闆r

2 沼氣供暖實(shí)例分析

2.1 沼氣生產(chǎn)及利用案例簡介

近年來，隨著秸稈沼氣技術(shù)日益成熟，我國多個(gè)地區(qū)均建立了不同規(guī)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(jīng)驗(yàn)[5]。本文以河北省中南部平原地區(qū)，農(nóng)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(jié)合北方地區(qū)清潔取暖政策，形成“廢棄物+清潔能源+有機(jī)肥料”的沼氣生態(tài)循環(huán)模式。在參照氣代煤政策給予一定補(bǔ)貼優(yōu)惠基礎(chǔ)上，介紹了沼氣清潔取暖在實(shí)際工程及農(nóng)村地區(qū)的應(yīng)用情況。

選取案例為建設(shè)規(guī)模2萬m3的特大型沼氣工程，工程自2018年11月初投入運(yùn)行至今穩(wěn)定，首批供戶1000戶并實(shí)現(xiàn)了冬季沼氣取暖。沼氣生產(chǎn)引進(jìn)了德國原料預(yù)處理水解技術(shù)，芬蘭高溫車庫發(fā)酵成套設(shè)備，并在傳統(tǒng)豎向推流式厭氧消化(VPF)工藝上增設(shè)了攪拌裝置等工藝技術(shù)。工程主要設(shè)計(jì)參數(shù)見表2。

表2 案例沼氣工程主要設(shè)計(jì)參數(shù)

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(chǎn)約沼氣533萬m3，主要工藝見圖1。工程每年生產(chǎn)3.0萬t沼渣生物有機(jī)顆粒肥、5.0萬t沼液有機(jī)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(jī)糧食種植基地提供有機(jī)肥。產(chǎn)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(qū)沼氣發(fā)電，形成了冬季供氣，春夏秋3季發(fā)電的高效應(yīng)用模式。項(xiàng)目實(shí)施年減排二氧化碳2166 t，解決了附近居民生活用氣，促進(jìn)有機(jī)物質(zhì)高效轉(zhuǎn)化和能源高效循環(huán)。

圖1 案例工藝流程圖

2.2 沼氣應(yīng)用市場及經(jīng)濟(jì)效益分析

基于以上案例沼氣工程，在不考慮原料成本，設(shè)計(jì)比對了三種不同方式的沼氣應(yīng)用情況，方案信息見表3。方案1：單純供應(yīng)炊事用戶，項(xiàng)目所產(chǎn)沼氣僅用于農(nóng)戶炊事用氣，設(shè)計(jì)戶數(shù)為20000戶；方案2：供應(yīng)炊事用戶和發(fā)電，項(xiàng)目所產(chǎn)沼氣除用于炊事用氣外還進(jìn)行并網(wǎng)發(fā)電，設(shè)計(jì)供戶數(shù)量為1000戶，同時(shí)配備2000 kW發(fā)電機(jī)組進(jìn)行發(fā)電；方案3：供應(yīng)炊事、采暖用戶和發(fā)電，項(xiàng)目所產(chǎn)沼氣將用于炊事用氣，冬季采暖以及并網(wǎng)發(fā)電，設(shè)計(jì)供戶數(shù)量1000戶，同時(shí)配備2000 kW發(fā)電機(jī)組進(jìn)行發(fā)電。針對3種典型案例，在未考慮項(xiàng)目補(bǔ)貼及稅收等因素情況前提下，進(jìn)行經(jīng)濟(jì)分析，測算了不同市場方案下項(xiàng)目的投資、運(yùn)行成本、收益和利潤，致力于反映不同市場環(huán)境下的經(jīng)濟(jì)效益差別。

表3 典型案例不同市場方案信息

經(jīng)濟(jì)分析結(jié)果顯示，典型案例的3個(gè)市場方案中，經(jīng)濟(jì)效益最高的是方案3，即供應(yīng)炊事、采暖用戶和發(fā)電，其利潤達(dá)到2.81元·m-3，經(jīng)濟(jì)效益最低的是供應(yīng)炊事用戶和發(fā)電，利潤為2.42元·m-3，而單純供應(yīng)炊事利潤為2.50元·m-3，管道投入成本及維護(hù)費(fèi)用較高。以此分析而得，承擔(dān)供暖任務(wù)的沼氣企業(yè)，發(fā)展多元市場方案后經(jīng)濟(jì)效益有小幅提升，更加有利企業(yè)持續(xù)經(jīng)營。

2.3 案例點(diǎn)沼氣供氣取暖及補(bǔ)貼情況

河北省于2017年制定了到2020年，全省農(nóng)村日常炊事和冬季取暖全部實(shí)行“氣代煤”、“電代煤”的政策措施，并對各市縣下達(dá)了相應(yīng)的指令性政策指標(biāo)。案例縣指令性計(jì)劃中，要求承擔(dān)1000戶農(nóng)戶冬季取暖任務(wù)。通過該2萬方沼氣工程，為分布在2個(gè)村的1000戶農(nóng)戶提供清潔能源，共計(jì)鋪設(shè)站外管網(wǎng)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(zhí)行的農(nóng)村氣代煤運(yùn)行補(bǔ)助標(biāo)準(zhǔn)為：給予采暖季農(nóng)戶用氣1.2元·m-3補(bǔ)貼，每戶最高補(bǔ)貼氣量800立方米、最高補(bǔ)貼960元。目前案例工程已正常運(yùn)行三個(gè)年度日常炊事用氣和兩個(gè)采暖季取暖供氣，供氣百姓比較認(rèn)可。為保障農(nóng)戶穩(wěn)定用氣，供氣公司成立了村級沼氣物業(yè)服務(wù)站，為每戶提供使用指導(dǎo)、管路檢查、灶具及計(jì)量表安裝與維修等服務(wù)。

3 沼氣取暖效益分析

推進(jìn)清潔取暖，一頭牽著百姓溫暖過冬，一頭連著藍(lán)天白云，能否成功關(guān)鍵在于百姓能否用得起[6]。本文首先基于氣代煤補(bǔ)貼政策，進(jìn)行了使用沼氣取暖與使用天然氣取暖效果及費(fèi)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(fèi)用方面分析比較，為相關(guān)工程及供暖項(xiàng)目提供借鑒依據(jù)。

3.1 樣本數(shù)據(jù)來源

針對使用沼氣和天然氣取暖情況的分析，研究使用數(shù)據(jù)來源于課題組成員對案例項(xiàng)目點(diǎn)，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(nóng)戶進(jìn)行調(diào)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(shù)據(jù)來源于案例縣氣代煤改造前市場價(jià)格及農(nóng)戶使用統(tǒng)計(jì)情況。

3.2 經(jīng)濟(jì)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(fèi)用分析。選取項(xiàng)目運(yùn)行期間，農(nóng)戶采用天然氣取暖和采用沼氣取暖效果及費(fèi)用情況進(jìn)行比對分析。結(jié)合當(dāng)?shù)剞r(nóng)戶使用習(xí)慣，分別針對以下2種情況對比，一種是：設(shè)定全天24小時(shí)熱水溫度保持在50℃取暖，另一種是：早8點(diǎn)至下午6點(diǎn)熱水溫度保持在35℃左右取暖。取暖時(shí)間均按100天計(jì)算，戶均用氣量和取暖費(fèi)用見表4。

表4 2種方式取暖情況對比

匯總對比結(jié)果發(fā)現(xiàn)：不論全天候采暖還是僅白天采暖，農(nóng)戶使用天然氣取暖和采用沼氣取暖，在取暖面積相同、室內(nèi)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(shí)，每天使用沼氣量高于使用天然氣量，但由于沼氣價(jià)格較低，僅為天然氣價(jià)格的56%，同時(shí)在享受國家用氣補(bǔ)貼的情況下，農(nóng)戶使用沼氣取暖費(fèi)約占使用天然氣取暖費(fèi)用的73%，使用沼氣取暖費(fèi)用明顯低于使用天然氣取暖費(fèi)用，相對而言，農(nóng)戶使用沼氣取暖比天然氣更省錢、更實(shí)惠。

(2)使用沼氣取暖與使用煤炭取暖比較分析。根據(jù)調(diào)查，按照每戶取暖面積100 m3計(jì)算，1個(gè)取暖季節(jié)3個(gè)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(gè)月2700元，獲得取暖補(bǔ)貼后約1740元。對于煤碳、電能等其他能源[7]，如果支出過大，農(nóng)戶則傾向于轉(zhuǎn)向使用獲得補(bǔ)助后實(shí)際付費(fèi)更低的沼氣，以緩解使用化石能源帶來的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。

通過實(shí)際走訪，進(jìn)行用戶滿意度調(diào)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(yōu)。與縣有關(guān)部門訪談，了解到2020年約120戶農(nóng)民申請自愿接入集中供氣管網(wǎng)，通過沼氣清潔炊事、清潔取暖，提高了農(nóng)村居民生活幸福感指數(shù)。

3.3 社會與環(huán)境效益

根據(jù)工程運(yùn)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(jié)約標(biāo)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(hù)了生態(tài)環(huán)境。

通過特大型沼氣工程把農(nóng)作物秸稈及畜禽糞污轉(zhuǎn)化成為資源和商品，種植基地應(yīng)用沼肥后，不僅經(jīng)濟(jì)效益好，還化害為利、變廢為寶，實(shí)現(xiàn)了農(nóng)業(yè)廢棄物資源化利用與美麗鄉(xiāng)村建設(shè)緊密融合。同時(shí)沼渣沼液有機(jī)肥的投入使用，減少了化肥農(nóng)藥的使用量，使病蟲害得到綠色防控，減少面源污染。

農(nóng)戶通過使用清潔能源，改變了傳統(tǒng)的生活方式，廚房更干凈衛(wèi)生，業(yè)余時(shí)間增加，更積極參加娛樂活動，提升了農(nóng)民的生活水平和文化素養(yǎng)。同時(shí)對農(nóng)村散煤治理，防止大氣污染改善空氣質(zhì)量起到了推波助瀾的作用。

4 結(jié)論及建議

(1)大型沼氣工程增加農(nóng)戶冬季清潔取暖市場應(yīng)用，可更好地提升沼氣項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)效益，建議北方地區(qū)農(nóng)作物廢棄物及畜禽糞污物資源較充足的企業(yè)，優(yōu)先爭取政府冬季取暖規(guī)劃指標(biāo)，即可符合當(dāng)?shù)卣咝枨?，也可更好地增加企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益。同時(shí)，農(nóng)戶使用沼氣取暖相對天然氣及煤碳取暖，更省錢、更實(shí)惠，更具有生存力。

(2)北方地區(qū)形成的“廢棄物+清潔能源+有機(jī)肥料”沼氣生態(tài)循環(huán)發(fā)展模式，對綜合治理因畜禽糞污、農(nóng)作物廢棄物造成的農(nóng)村污染，改善農(nóng)村區(qū)域生態(tài)環(huán)境，優(yōu)化結(jié)構(gòu)方面效果顯著，可在北方地區(qū)大力推廣典型的循環(huán)經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式。大力開展廢棄物資源化利用，農(nóng)村地區(qū)采用沼氣取暖可緩解區(qū)域內(nèi)能源緊張局面，同時(shí)提升了農(nóng)民生活品味，對于農(nóng)村散煤治理，防止大氣污染改善空氣質(zhì)量起到了積極作用，具有深刻的社會和環(huán)境效益。

(3)建議繼續(xù)加強(qiáng)項(xiàng)目扶持政策，加強(qiáng)清潔取暖技術(shù)服務(wù)建設(shè)。加大財(cái)政政策的傾斜力度，繼續(xù)對農(nóng)戶用氣給予補(bǔ)貼，組建強(qiáng)有力的保障隊(duì)伍，使農(nóng)村地區(qū)使用沼氣冬季取暖事業(yè)健康穩(wěn)定發(fā)展。