一種基于管道燃氣的農村能源供應模式

摘 要

摘要：對我國農村能源消費現狀進行了分析，并對農村生物質能資源及其產沼氣潛力進行了計算評估。針對大部分地區產沼原料不能滿足農民全年生活用氣需求的現狀，提出一種將生物質能
摘要：對我國農村能源消費現狀進行了分析，并對農村生物質能資源及其產沼氣潛力進行了計算評估。針對大部分地區產沼原料不能滿足農民全年生活用氣需求的現狀，提出一種將生物質能與商品能源有機結合的供能模式——沼氣摻混LPG的管道供應。該供能模式可通過調節LPG的摻混比例滿足不同地區、不同階段的農村用能需求；初步分析了管道供應摻混燃氣的技術經濟可行性。
關鍵詞：城鎮化；農村能源；沼氣；LPG；摻混燃氣
A Pipeline Gas-based Mode for Energy Supply in Rural Areas
College of Mechanical Engineering，Tongji University Li Zhenqun，Qin Chaokui，Dai Wanneng，Guo Jiasheng
Abstract：The status of energy consumption in rural areas was analyzed. The biomass resources available and potential to provide biogas was calculated and estimated. A new energy supply mode，pipeline biogas blended with LPG，was put forward for those areas where biogas production can not satisfy domestic energy requirement. The blended LPG percentage can be adjusted to satisfy domestic energy consumption in different areas at different development levels. Also discussed was the technical feasibility of pipeline blended gases.
Keywords：urbanization；rural energy；biogas；LPG；mixture gas
1 前言
    我國經濟近30年來的快速發展伴隨著大量的能源消耗。1980年以來中國能源總消耗量每年增長約5%，是世界平均增長率的近3倍。自2001年起能源生產增長速度持續低于能源消費增長速度，能源缺口越來越大[1]。2009年原油凈進口1.99億t，對外依存度首度超過50%的“國際警戒線”，國家能源安全形勢嚴峻。
    城鎮化建設持續高速推動著農村生活方式向城市轉變和農村能源消費的急劇增加。我國農業人口達8億，農村能源作為國家整個能源系統不可分割的重要組成部分，其不斷增長的供應與消費量必然加劇我國能源形勢的嚴峻性。因此，如何充分利用農村自有資源優勢、尤其是生物質能資源，盡量減少商品能源消耗，尋求合理可靠的農村能源供應模式顯得尤為重要。本文通過對我國農村能源消費現狀及生物質資源量進行分析，提出一種新的農村能源供應模式——沼氣摻混LPG模式，并探討了管道供應摻混燃氣的技術經濟可行性。
2 農村能源消費及生物質利用現狀
2.1 能源消費現狀
    2008年我國商品能源一次能源消費總量為27.5億t標煤，農村能源消費量為9.25億t標煤，其中商品能源占57%，非商品能源占43%；生活用能占63%，生活用能主要以秸稈薪柴和煤炭為主，共占68%[2]。
 
    近幾年農村生活用能的結構變化見圖1。秸稈薪柴、煤炭消費比重雖呈下降趨勢，2008年仍各占41%和27%。秸稈薪柴的直接燃燒不但嚴重污染環境、危害農民健康，且能源利用率只有10%～15%，煤炭屬高污染傳統不可再生能源；屬可再生能源的沼氣、太陽能各自所占比例一直維持在1%，反而是商品能源LPG所占比例急劇增加到22%，有接近于煤炭消費比例的趨勢。隨著經濟水平的提高，農民對生活品質的要求也相應提高，與煙熏火燎的秸稈燃燒相比他們更傾向于方便、衛生、快捷的LPG。如果任由農民自發性地選擇能源消費，農村大量的秸稈資源將被廢棄，農村商品能耗的急劇增長將嚴重增加我國能源負荷。因此，提高農村能源利用率，調整和優化農村能源結構、減少商品能源消耗量對緩解我國能源壓力和實現能源可持續發展有重大意義。
2.2 生物質利用關鍵技術及發展趨勢
    在利用生物質能解決農民生活用能問題上我國嘗試過兩種途徑：秸稈氣化和沼氣。1996年秸稈氣化技術出現，1998年開始在全國推廣，但一直發展緩慢且報廢率高[3]。據農業部統計：2006年全國報廢量為130處，相當于同年全國新建數量(193處)的67%。秸稈氣化技術還需解決一些關鍵問題，如燃氣中焦油及灰塵含量超標，引發氣化設備、管網、灶具等一系列問題；所產氣體熱值低、CO量高，存在安全隱患等[4]。
    在我國政府的資金支持下農村戶用沼氣池數量持續增長，但實際使用效果不佳，政府惠農行動并沒有達到預期效果。2007年初農村戶用沼氣池共2174萬口，年新增沼氣池482萬口，年報廢量33.4萬口[5]。農業與農村發展研究專家的調查顯示：農村戶用沼氣池實際能持續使用的不到20%[6]。戶用沼氣池主要存在以下問題[7]：
    (1) 農民缺乏操作技能、疏于管理，如進出料不及時，脫硫裝置不更換等。
    (2) 綜合利用率低，沼液沼渣未能得到有效利用，形成二次污染和資源浪費。
    (3) 非養殖農戶存在原料短缺問題，養殖戶的養殖數量受市場經濟影響變動大。
    (4) 后續服務跟不上，故障維修不及時。
    可見戶用沼氣應用的瓶頸不是技術問題，而是管理問題。
    對于新農村建設下統一規劃、村落整齊的自然村，有專業技術人員管理的沼氣集中供氣系統消除了戶用沼氣池管理上的所有缺點。從長遠發展趨向看，農村能源必將呈現出產業化、生態化、科學化、商品化、競爭化等特點，沼氣集中供氣系統實現了一定程度上的規模化及產業化，順應了農村能源的發展趨勢，也是農村沼氣發展的方向。
3 農村生活用能源供需分析
    生物質主要包括農業廢棄物、畜業廢棄物、林業廢棄物、生活污水和工業有機廢水、城市固體有機廢棄物，我國農村地區就地可取材的沼氣發酵原料主要是農業廢棄物和畜業廢棄物兩大類。然而這些發酵原料是否滿足農民全年持續穩定的生活用氣需求呢？下面就農村生活用能(僅包括炊事用能和生活熱水用能，不包括照明、家電、采暖空調等)供需量進行分析論證。
3.1 農村生活用能供應能力
3.1.1農村畜禽糞便量和秸稈量的計算
    畜禽年度糞便產生量計算公式為[8]：
    F=N×T×P
    式中：F——年度糞便產生量；N——飼養量：T——飼養期；P——排泄系數
    目前不乏我國畜禽糞便資源量的估算研究，但由于飼養量、飼養期以及排泄系數的選取不同導致估算結果各異。綜合參考已有研究[2，9～12]，合理確定各種畜禽的糞便排泄系數(見表2)、飼養數及飼養周期，其中飼養數的確定是關鍵。豬的飼養周期一般為199天，飼養數按出欄量計算；家禽中肉雞的飼養周期為55天，蛋雞的飼養周期為210天，二者均按出欄量計算；牛、馬、羊、驢、騾一般當年不出欄，按存欄量計算，兔的飼養期為90天，按出欄數計算。各種畜禽的出欄數及存欄數來自《中國畜牧業年鑒2008》中有關統計數據。將不同地區、不同畜別糞便量分別進行計算，可得我國人畜糞便年產量為13.33億t實物。
    秸稈資源量通常是根據農作物產量和草谷比系數進行估算，其中，草谷比系數(Residue to Product Ratio，縮寫為RPR)指作物的地上非籽粒部分與籽粒部分的重量比，該系數存在地區、年際、品種、大田管理及收獲方式等多方面的差異[13]。這里草谷比采用科技部星火計劃《農作物秸稈合理利用途徑研究報告》中的數據(表1)。根據各地區主要農作物產量[14]及相應的草谷比估算各地區農作物秸稈產量，并得全國農作物秸稈理論年產量為6.82億t實物。在我國秸稈用途較多，可用作肥料、飼料、造紙、秸稈還田等，因此，秸稈不應該只考慮作為燃料用，計算中按我國50%的秸稈資源即3.41億t可用來發酵產沼氣。
表1 主要農作物草谷比(RPR)
 
稻谷
小麥
玉米
薯類
油料
棉花
麻類
糖料
草谷比
0.952
1.28
1.247
0.5
2.212
3.316
1.7
0.1
3.1.2農村畜禽糞便和秸稈資源理論產沼氣量
    沼氣的產量與沼氣池內的溫度、pH值、接種物等發酵工藝條件有關，因此不同資料顯示的各種原料產氣量存在些許差異。這里確定農村沼氣發酵原料的產氣量、含水量等參數如表2所示。表中產氣量是發酵溫度為35℃時的值，計算時取沼氣池年平均溫度為20℃，此時產氣量為表2中的60%[11]。計算中將各種農作物秸稈的單位干物質產氣量統一為0.41m3/kg，含水量為20%。沼氣產量按下式計算：
   Q=∑Fi×Xi×(1-Yi)
式中：Q——沼氣產量；F——發酵原料；X——產氣率；Y——含水率；i——第i種發酵原料。各地區秸稈和人畜糞便理論產沼氣量(人均值)的最終計算結果如圖2所示。
表2 不同原料的產氣量、含水量和排泄系數[2，11，12]
原料
TS產氣量(m3/kg)
含水量(%)
排泄系數(kg/d)
原料
TS產氣量(m3/kg)
含水量(%)
排泄系數(kg/d)
人糞
0.43
80
0.5
羊糞
0.33
68
1
豬糞
0.43
82
2.6
馬糞
0.33
78
16
奶牛糞
0.21
83
5
驢糞
0.33
78
13.6
肉牛糞
0.21
83
15
騾糞
0.33
78
13.6
肉雞糞
0.31
70
0.3
兔糞
0.30
75
0.11
蛋雞糞
0.31
83
0.1
秸稈
0.41
20
 
注：TS指單位固體量；發酵溫度為35℃；發酵周期：秸稈為50d，糞便為60d。
 
3.2 農村生活用氣需求量
    農村生活用氣主要包括炊事用氣和生活熱水用氣兩大項。在農村每人每天炊事用沼氣量約0.28m3～0.42m3[15]，取0.4m3進行計算。參考上海地區人均每年洗澡150次[16]，假設現階段農村地區每人每年洗澡120次，每次用水量40L，則：
   人均年炊事用氣量=0.4×365=146(m3/a)
   人均年生活熱水用氣量按下式計算：
   cm/(t2-t1)·n=ηVH1
 式中：c=4.18kJ/kg·℃，為水的比熱；m=40kg，為洗澡用水量；t1為熱水器進水溫度(取當地年平均干球溫度見圖3)；t2=40℃為熱水器出水溫度；n=120為洗澡次數；η=80%，為熱水器效率；H1=20.4MJ/m3，為沼氣的低熱值(取沼氣成分為CH460%，CO240%)。各地區人均沼氣需求量即炊事用氣和生活熱水用氣之和，結果見圖2，圖中可以看出，西藏、內蒙、吉林、黑龍江、青海、新疆、遼寧、山東、寧夏、河南等10個農業或畜牧大省的沼氣理論產量能滿足農民持續用氣需求。沼氣富余地區可以考慮發展沼氣采暖，沼氣不足地區則需要其他能源的補充。
4 持續穩定的農村生活用能供應模式
4.1 摻混供氣模式的優勢
    當前由于農村地區生活用能的多樣性和不確定性，許多農村住宅不得不置備多套炊事灶具，如沼氣灶、液化氣灶、煤球爐、傳統柴灶，甚至還有秸稈氣化灶，然而任何一種用能方式都沒有實現持續提供穩定可靠的優質能源及服務、進而實現城鄉居民能源公平這一建設社會主義新農村的必要目標。多種炊具不僅影響室內環境且不利于農村能源的產業化發展。
    對于生物質資源量較低地區，沼氣供應生活用氣的缺口勢必需要其他商品能源來填補。中國人的傳統飲食習慣(即對明火的需求)決定了電力終究是農村的輔助炊事能源；LPG是當前最受農民歡迎的高效清潔商品能源，2008年農村生活用能中LPG的比重比2005年提高了21個百分點，也充分說明了這一點。基于生物質能與LPG有機融合的可持續發展策略，在新建村鎮沼氣站中可設置一套混合裝置，根據各地區用氣缺口量向沼氣中摻混一定比例的LPG，經由儲氣罐混合穩壓后通過管網輸送到用戶。這樣就將沼氣和LPG兩種優質燃氣的利用結合起來，一套管網、一套灶具和熱水器便可解決農民用氣需求。
 
表3 沼氣-LPG摻混供氣模式與2008年我國農村實際生活用能消費比較
用能模式
農村秸稈薪柴總耗量
農村LPG總耗量
農村沼氣總耗量
實物(108m3)
折合標煤(108t)
實物(108m3)
折合標煤(108t)
實物(108m3)
折合標煤(108t)
2008年實際情況
—
2.39
394.51
1.282
81.62
0.058
摻混供能模式
O
0
54.87
0.178
1009.8
0.721
    根據沼氣需求量與產氣量的差值，可計算出全國所需LPG摻混總量。表3將沼氣-LPG摻混供氣模式與農村實際生活用能消費進行了比較。摻混供能模式中全國農村炊事和生活熱水用能全部由沼氣和LPG承擔，其中沼氣耗量為1009.8億m3，折合0.721億t標煤，是2008年農村實際沼氣耗量的12倍，LPG耗量為54.87億m3，折合0.178億t標煤，是2008年農村實際LPG耗量的1/7。換言之，在充分利用農村生物質資源發酵制沼氣的基礎上，再將2008年LPG消費量的1/7摻混到沼氣中，即可滿足我國農民的炊事、熱水用氣需求。因此，摻混供能模式在大大提高生物質能利用率的同時極大地降低了農村LPG等商品能耗量。
4.2 摻混供氣模式的可行性
    城鎮化進程中，農民生活水平和農村文明程度的不斷提高，伴隨著農村能源需求量的動態增長變化，農村炊事、生活熱水甚至室內采暖等生活指標將逐步接近或達到城市居民水平。摻混供氣模式可通過調節沼氣和LPG的混合比來提高管輸燃氣的熱值，進而滿足城鎮化進程中不同階段農民生活用氣量動態增長的變化需求。
當前沼氣集中供氣工程在我國已得到一定程度的推廣，技術相對成熟。摻混供氣模式在其基礎上添加一套燃氣混合裝置如引射器或比例式混合器(圖4)，摻混燃氣熱值的提高將在一定程度上降低輸配系統的管材費用，LPG比例越大，惰性氣體含量越低，輸配系統的經濟性越好。因此，摻混供氣模式的經濟性視選用的混合設備的費用及摻混比例而定。另外，在沼氣中摻混LPG相當于稀釋了沼氣，各種發酵工藝條件改變等因素引起的沼氣成分波動繼而引起的末端設備燃燒不穩定概率降低，摻混氣的熱值及燃燒勢都有所提高，燃燒火焰狀況有所改善，灶具功率也相應提高。
 
5 結論
    中國農村落后、低效率的生活用能模式嚴重制約著國家能源的可持續發展，尋求適合農村發展的高效能源利用模式迫在眉睫。本文通過分析農村現有生物質資源產沼氣能力和生活用能潛在需求之間的關系，指出我國大部分農村存在沼氣發酵原料不足的問題，提出通過氣體混合裝置向沼氣中摻混一定比例的LPG，再通過管網輸送到用戶。
   對摻混供氣模式和農村實際用能模式進行比較，發現摻混供氣模式的能源利用率高、商品能源消耗量小，LPG使用量可降低為2008年實際耗量的1/7。而且通過調節摻混比例可以滿足農村生活用能的動態增長變化需求。農村沼氣站實現摻混燃氣管道供應是集規模化、高效低耗以及可持續發展為一體的農村能源供能模式，可為農村生活用能發展及政策研究提供一定的理論參考。
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16 姜正侯.燃氣工程技術手冊[M].上海：同濟大學出版社，1997：506
 
(本文作者：李振群 秦朝葵 戴萬能 郭甲生 同濟大學機械工程學院 201804)