一种在有发展前途的绿色能源

沼气发电产业化可行性分析
颜丽（单位：农业部沼气科学研究所）
沼气工程技术治理环境污染、获取绿色能源更为经济、实用的手段，从我国沼气产量潜力、发电技术水平、市场需求和政策导向的发展趋势来看，沼气发电的产业将有突破性进展。
——编者
我国正面临着巨大的能源与环境压力。矿物能源的资源却在日益耗尽， 2003 年数据：石油可采储量仅为 25 亿吨，煤炭可采储量约 2040 亿吨。按目前开采技术水平的消耗量，我国每年石油进口量至少达到 9100 万吨；同时，矿物能源的无节制使用，引起了日益严重的环境污染问题，导致全球气温变暖、损害臭氧层、破坏生态圈碳平衡、释放有害物质、引起酸雨等自然灾害。
　 开发并生产各种可再生能源，替代煤炭、石油和天然气等化石燃料是世界今后解决能源紧缺的一种有效途径，尤其是发达国家都在致力开发高效、无污染的生物质能利用技术，保护本国的矿物能源资源，为实现国家经济的可持续发展提供保障。
　 沼气归类于绿色能源。国家出于环境保护及开发可再生能源的目的，对于污染治理和绿色电力能源技术的研究和整合十分重视。处于这两者之中的沼气发电技术在经过了 20 余年的完善后，在我国社会、经济蓬勃发展的大环境下，其发展走向已引起人们的关注。
1 发展沼气发电是促进沼气工程推广应用的重要手段
　 沼气工程技术是治理有机废弃物污染、转化有机废弃物为燃气等可利用物质的十分有效的技术，在强调可持续发展的大背景下，大力推广沼气工程显得尤为重要。一项工程技术要得到推广应用，其技术的先进性和适用性，以及工程的投入产出关系必须得到市场的认可，因此提高沼气工程技术水平，提高沼气工程经济效益就成为沼气工程能否得到大量推广应用的关键。
　 沼气是一种具有较高热值的可燃气体，把它作为动力机的燃料，带动发电机运转，将得到高品位的电能。沼气发电技术在沼气工程中的引入，不但提升了沼气工程整体技术水平，而且可以通过出售电能带来较高的资金回报。根据国内几个具有一定规模的沼气发电站的运行情况来看，无论沼电外售或内部消化，均能获得较好的经济效益。
　 下面列举“十五”科技攻关课题《大型高效厌氧沼气发电技术及示范电站》的研究成果。该课题是以污水处理达标和大功率沼气发电机组为课题攻关的突破口，利用污水处理产生的沼气建造沼气发电示范工程。
　 江苏太仓新太酒精有限公司是由新加坡光裕有限公司投资的外商独资企业，以木薯为原料生产食用酒精，年产酒精 5 ～ 6 万吨，日排放酒糟废醪量 1500 ～ 2000 吨，废液中 CODcr5.0 ～ 6.0 万 mg/l ，平均 5.75 万 mg/l ； BOD2.5 ～ 3.0 万 /l ， SS3.0 ～ 2.0 万 mg/l 左右， pH3 ～ 4 ，属于高浓度、高悬浮的酸性有机废水。
　 该公司 1998 年投入了 2000 万元左右建造了污水处理工程（主设单位：原北京轻工环科院），占地面积 1600 平方米。 2002 年～ 2003 年公司根据《大型高级厌氧沼气发电技术及示范电站》课题为实现兆瓦级沼气发电而实施了技术改造又投资 880 万元，使其更趋完善。技改后的污水处理系统不但保证终端出水达标排放，而且废弃物得到资源化利用（污水处理生产沼气、沼气用于发电和锅炉燃料，废渣用做肥料或与煤混合后在锅炉里燃烧），真正做到把废弃物处理与资源化利用相结合。
　 示范工程包括污水处理和发电两部分，总投资 2880 万元，年生产沼气 1200 万立方米，其中发电用气 500 万立方米，其余沼气用于汽锅炉燃料。收益包括销售沼气、发电以及沼渣代替煤。示范工程的经济评估是按设备 1150 万元（使用年限按 10 年计），土建 1730 万元（使用年限按 20 年计），利率为 5% ，贴现率 5% ；运营成本由污水处理部分的运营成本和沼气发电部分的运营成本构成。污水处理部分，年运行成本约 252 万元，年纯收入为 166 万元（沼气收入、沼渣代替煤的年收入）。污水处理部分的现金流量的净现值从第 12 年起才变为正值，也就是说从第 12 年开始赢利，初始投资回收期为 12 年。单纯考虑污水处理，它的赢利能力不是很强，但对保护环境的贡献是：年减排 BOD5 1.50 万吨左右，节约原煤 4950 吨，所产沼气代替原煤第年减少 CO 2 排放量约 3352.6 吨（碳）发电。沼气发电部分，按照沼电售价 0.56 元 /kWh （国家计划内，峰电为 0.68 元 /kWh ，谷电为 0.29 元 /kWh ）、发电气耗率 0.7/m 3 /kWh 、发电机组全年累计工作日数 330 天，沼气收购价 0.25 元 / m 3 （按原煤价计），沼电运行成本 0.18 元 /kWh （含人员年工资、设备的折旧费和维护费、贷款利息等），年运行成本约 203 万元，年纯收入可达 201 万元。沼气发电部分的现金流量的净现值从第 2 年起变为正值，也就是说从第 2 年开始赢利，内部投资益收率 IBR=62.72% ，初始投资回收期为 2 年。可见单独的沼气发电工程的赢利能力非常强。若将污水处理和发电两部分合起来进行经济评估，整体工程的现金流量的净现值从第 6 年起变为正值，说明该示范工程总投资回收期约 6 年。
　 由此可见，通过沼气发电，使沼气工程的运行过程，不但是污染物无害化的过程，废物资源显露化的过程，而且是资源的高水平利用并产生资金回报的过程。因此沼气发电技术的应用必将促进沼气工程的进一步推广，使沼气工程在我国社会经济发展过程中发挥更大的环保、能源效益。
2 国内外沼气和沼气发电技术的发展现状
　 沼气技术即厌氧消化技术，主要用于处理畜禽粪便和高浓度工业有机废水。我国经过几十年的研发应用，在全国兴建了大中型沼气工程 2000 多座；户用农村沼气池 1060 万户，其数量位居世界第一。不论是厌氧消化工艺技术，还是建造、运行管理等都积累了丰富的实践经验，整体技术水平已进入国际先进行列。
　 沼气发电 在发达国家已受到广泛重视和积极推广，如美国的能源农场、德国的可再生能源促进法的颁布、日本的阳光工程、荷兰的绿色能源等。生物质能发电并网在西欧（德国、丹麦、奥地利、芬兰、法国、瑞典等）一些国家的能源总量的比例为 10% 左右，预计本世纪末将增加到 25% 。
　 我国沼气发电研发有 20 多年的历史，特别是“九五”、“十五”期间有一批科研单位、院校和企业先后从事了沼气发电技术的研究及沼气发电设备的开发。在这一领域中，形成了科研、技术骨干队伍，建立了相应的科研、生产基地，积累了较多的成功和失败的经验，为沼气发电技术的应用研究及沼气发电设备质量再上一个台阶奠定了基础，如杭州天子岭引进美国 2 台 970kW 的纯燃沼气发电机组；杭州四堡污水处理厂引进德国 4 台 400kW 的纯燃沼气发电机组；江苏太仓酒精厂使用 1 台国产 600kW 的纯燃沼气发电机组， 2 台 750kW 蒸汽发电机组；天津挂月酒精厂使用 8 台国产 180kW 的纯燃沼气发电机组等。
　 沼气发电设备方面，德国、丹麦、奥地利、美国的纯燃沼气发电机组比较先进，气耗率≤ 0.5 m 3 /kWh （沼气热值≥ 25MJ /m 3 ），价格在 300 ～ 500$/ kWh 。我国在“九五”、“十五”期间研制出 20 ～ 600kW 纯燃沼气发电机组系列产品，气耗率 0.6 ～ 0.8 m 3 /kWh （沼气热值≥ 21MJ /m 3 ），价格在 200 ～ 300$/ kWh ，其性价比有较大的优势，适合我国经济发展状况。
3 动力源的潜力与可持续战略的需求
（ 1 ）沼气生产原料的多样性和可靠性
　 工厂化沼气的生产原料主要来自四个方面：规模畜食养殖场粪污厌氧处理、酿酒制糖业等工业有机废水厌氧处理、城市污水厂的污泥厌氧处理和城市垃圾填埋。
●我国的畜禽产量几乎翻了一番，养殖业的发展呈现两大趋势，一是在农业总产值中占的比重增大，二是向规模化养殖发展。现已有 7000 多家大中型畜禽养殖场，其粪污的处理率不足 10% 。随着入世与国际畜禽养殖业的接轨，畜禽业规模业养殖的覆盖面会越来越大，将会建成大量的规模化畜禽粪污处理沼气工程；
●我国每年排放酒精高农度有机废水约 1200 万吨，味精工业有机废水约 400 万吨，淀粉废水约 1600 万吨，制浆造纸业废水约 40 万吨，这些工业废水的处理达标率还不及 10% ，利用工业有机废水产沼气的潜力巨大；
●据 2001 年数据，全国已建 400 余座城市污水处理厂，但处理率不足于应处理的生活污水量的 20% 。按国家“十五”规划， 2005 年时城市生活污水处理率应达 60% ，可见城市生活污水处理厂的数量将有较大加速度的增大，随之而来的是，污水处理厂的污泥厌氧消化工程数量也将增大；
● 2002 年我国的城市垃圾量达到 1.5 亿吨，垃圾填埋场中蕴藏的沼气资源已被人们认识，目前已有少量垃圾场的沼气被收集起来用于发电，如果所有的垃圾场沼气能被收集起来，将有大量的沼气可用于发电。
　 随着国民经济的发展，未来 10 年的沼气生产潜力远大于目前水平，在国家环保政策的引导下这些潜力将会被逐渐释放出来，作为发电动力燃料的沼气会越来越多，从动力源的角度给沼气发电提供了发展空间。
（ 2 ）沼气发电更适用于大中型沼气工程
　 一般来说，万吨酒精厂、规模化畜禽养殖场、城市生活污水处理厂和城市生活垃圾填埋场既是当地的支柱产业和必要的公益型企业，也是造成污染的大户。对于高浓度有机废水（物）的治理，目前国际上公认首选的技术是厌氧消化（沼气技术）。一个年产 5 万吨酒精的生产厂其处理酒精废液的沼气工程，日产沼气 4~5 万 m 3 ；一座中、小城市的污水处理厂或垃圾填埋场，日产沼气（或垃圾填埋气）近万 m 3 ；一个饲养规模 1 万头猪场和 1000 头的奶牛场粪污处理沼气工程，日产沼气 1000 m 3 以上。由于这些企业多数远离城镇，沼气无法作为城镇居民的生活燃料集中供气（主要是距离远和输气管网的建设费用太高）。若沼气作为锅炉燃料替代原煤直接燃烧，其经济价值很低（ 1 m 3 沼气的热值与 1kg 煤的热值相当）。另外，工厂、污水处理厂或规模化畜禽养殖场又是用电大户，近几年由于国内电力日趋紧张，特别是经济发达地区的企业，经常受到国家电网用电量的限制（每星期停电 1~2 天）或计划外用电需高价购买。因此，许多企业已开始意识到沼气发电既提高了沼气自身的经济价值，又为企业缓解了电力紧缺的矛盾。
（ 3 ）治理污染，开辟可再生能源，是实施可持续发展战略的要求
　 上述几种典型的高浓度有机废水（物）是国内主要污染源，是以牺牲环境为代价的，必须从源头截治。同时也需意识到，它又是可开发利用的宝贵能源。通过科学的处理和加工，便可转化为不可缺少的生产和生活资料。采用以厌氧消化（沼气技术）为核心的综合治理与利用工程技术，既经济（节能、产能），又有效（仅厌氧消化工序有机物的去除率可达到 75% 以上），其厌氧消化的副产物
——沼液、沼渣又是优质有机肥料，为生态农业的种植业所需要。
　 我国已由石油出口国转变为石油进口国， 2000 年，净进口量已达到 7000 万吨。生物质可以通过各种工艺转化为液、气体燃料，直接替代汽油、柴油、天然气等化石燃料。另外， 1999 年我国电力总产量约为 12600 亿 kWh ，人均可用电不到 100kWh/ 人·年，其中人均生活用电不到 110kWh/ 人·年，只是韩国的 1/5 左右。尤其是农村电力供应缺口更大。要实现 2020 年国民经济翻两番的目标，保障可靠的电力供应是必备条件。因地制宜地利用当地生物质能资源生产沼气并发电，建立分散、独立的离网或并网电站拥有广阔的市场前景，也是保护我国的矿物能源资源，为实现国家经济的可持续发展提供保障。
4 沼气发电产业将成为朝阳产业
　 沼气发电是一个系统工程，它包括沼气生产、沼气净化与储存、沼气发电及上网等多项单元技术的优化组合，也涉及到国家对沼气发电的扶持政策和技术法规等。剖析国内已有的沼气发电工程，并借鉴发达国家的沼气发电经验，以及国家对可再生能源的政策导向，笔者认为我国沼气发电产业将在未来的若干年后会有突破性进展，其依据是：
（ 1 ）国家相关政策的出台将为打通包括沼气发电在内的绿色电力上网的瓶颈
　 当一个国家经济实力达到一定程度后，就会把目光更多地投向环保，就会更关注可持续发展问题，就会把资金投向这一领域，就会出台相关的政策来确保可持续发展战略目标的实现。
　 以德国为例。战后的德国经过几十年的经济复苏，已经具备经济能力来处理可持续发展问题。为了保护环境，控制全球变暖和促进能源的可持续供应，德国于 1990 年制定了“输电法”， 2000 年又出台了“可再生能源法”。“输电法”规定公用电网对沼气发电输送来的电力实行优惠收购价，这一政策促进德国沼气发电技术的提高，促成了随后 700 多个沼气工程的建立。而“可再生能源法”提高了可再生能源发电上网的收购价，对于装机达到 500kW 的发电站，输送到电网的电力获得的补贴比 1999 年增加了 37% 。可以预见，这将再一次促进德国的沼气工程的推广。
　 我国关于绿色电力上网和优惠政策的问题已经酝酿了一段时间，其重要性已被充分认识。对于具有一定规模的沼气发电站而言的，能否使发电机组长期在额定负载下工作、以及电价的高低决定着沼气发电能否取得较好的经济效益。如果一个沼气发电站的发电能力不能被较充分地利用，效益从何谈起？在相当一部分沼气工程中，与其产气量相适应的发电站规模远大于内部（沼气工程自身或建设企业）用电总负载，也有内部用电负载装机容量虽大但只是间隙性地达到发电机组额定值的情况，这样一来，这种规模的沼气发电站如果不能向公用电网输送电力，是没有出路的；在地方电力部门方面，一个沼气发电站生产的电量对他们来说实在是微不足道，可要可不要，就是要收购，也得考虑利润，收购价往往让沼气发电站无法接受。所幸的是，国家已下决心要打通包括沼气电力在内的绿色电力上网的瓶颈。
　 国家站在可持续发展的高度，出台促进绿色电力上网政策已为时不远。正在研究和制定的可再生能源发电配额比例、份额标准、绿色证书以及发电上网的优惠政策，会筑造起有利于绿色电力发展的交易平台。
（ 2 ）国内将生产出性价比更好的沼气发电机组系列产品，为沼气发电提供有力的设备支持
　 目前较成熟的国产沼气发电机组的功率规格，主要集中在 100~500kW 这个区段。根据沼气建设发展趋势分析和对沼气发电设备的市场需求调查，对大于和小于这个区段规格的发电机组的需求正在增长。
　 从沼气工程的产气量来看，有不少沼气工程适宜配建 500kW 以上的沼气发电机组。从沼气发电机组的性价来看，在有可以利用的动力原机的情况下，单机功率越大，越利于提高燃料发电效率，越利于降低发电机组单位功率成本，从而获得较理想的性价比。
　 同样从沼气工程的产气量来看以及从用电负荷性质来看， 20kW 以下的发电机组也大有市场。例如一个万头猪场沼气工程，日产沼气 80 立方米，显然不适合发电上网，适宜内部用电。其沼电用途一般为驱动沼气工程污水泵和猪场通风机，照明等，因此宜配备 10kW 左右的发电机组。类似的沼气工程很多，可见，小功率沼气发电机组需求量也不少。
　 鉴于沼气发电广阔的发展前景，国内数家有实力的研究院所和大型企业进行了强强合作，针对市场需求开发出不同规格的沼气发电机组系列产品。在大机组方面，济南柴油机股份有限公司已开发出了全烧沼气内燃机的 600kW 沼气发电机组，并在“十五”科技攻关项目《大型高效厌氧沼气发电技术及示范电站》的工程应用成功。 500~600kW 的沼气发电机组会很快面市。值得一提的是，国内新一轮开发出来的沼气发电机组，已不是过去简单改装内燃机的发电机组。新的发电机组在性能方面已缩小了与国外先进机组的技术指标。在小机组方面，重庆红岩、山东潍坊柴油机的沼气发电机组，已投放市场。因此可以说，在发电设备方面国内已可为沼气发电的实施提供有力支持。
（ 3 ）资金支持和专业化生产会吸引更多的投资主体大中型沼气工程属于环保性质的项目，受益的是全社会。要在投资分滩上，以“谁污染、谁治理”原则为主，辅之以“谁受益、谁分滩”的原则，由政府、地方和企业共同投资。对于初始投资，国家将给与一定支持，如：国家或行业将制定出一系列的优惠的政策，减免工程的税费，减轻企业负担；要广辟资金渠道，帮助建设方获得各类贷款；鼓励社会各界以各种形式投资开发沼气资源化利用项目，以优惠政策调动各投资主体的积极性。
　 以国家、地方和企业共同投资的方式，重点扶持一些专用设备生产企业（沼气生产装置、沼气净化设备、沼气发电机组等），对其进行必要的技术改造；扩大生产规模，提高产品种类和产品质量；建立质量保障体系（售后服务、人员培训、质量监督与检测等）和物业化管理模式。
　 由以上分析可以看出，无论是沼气产量潜力、发电技术水平，还是市场需求、政策导向，都将会催生沼气发电的大发展。一些先行一步的企业已尝到了甜头。若干年后，在我国很可能出现德国的情景，几乎每个沼气工程都要进行发电。可以预见，沼气发电产业的形成热在必行，并有很大的发展空间。