一種基于管道燃?xì)獾霓r(nóng)村能源供應(yīng)模式

摘 要

摘要：對我國農(nóng)村能源消費(fèi)現(xiàn)狀進(jìn)行了分析，并對農(nóng)村生物質(zhì)能資源及其產(chǎn)沼氣潛力進(jìn)行了計(jì)算評估。針對大部分地區(qū)產(chǎn)沼原料不能滿足農(nóng)民全年生活用氣需求的現(xiàn)狀，提出一種將生物質(zhì)能
摘要：對我國農(nóng)村能源消費(fèi)現(xiàn)狀進(jìn)行了分析，并對農(nóng)村生物質(zhì)能資源及其產(chǎn)沼氣潛力進(jìn)行了計(jì)算評估。針對大部分地區(qū)產(chǎn)沼原料不能滿足農(nóng)民全年生活用氣需求的現(xiàn)狀，提出一種將生物質(zhì)能與商品能源有機(jī)結(jié)合的供能模式——沼氣摻混LPG的管道供應(yīng)。該供能模式可通過調(diào)節(jié)LPG的摻混比例滿足不同地區(qū)、不同階段的農(nóng)村用能需求；初步分析了管道供應(yīng)摻混燃?xì)獾募夹g(shù)經(jīng)濟(jì)可行性。
關(guān)鍵詞：城鎮(zhèn)化；農(nóng)村能源；沼氣；LPG；摻混燃?xì)?/span>
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(jīng)濟(jì)近30年來的快速發(fā)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(chǎn)增長速度持續(xù)低于能源消費(fèi)增長速度，能源缺口越來越大[1]。2009年原油凈進(jìn)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(yán)峻。
    城鎮(zhèn)化建設(shè)持續(xù)高速推動著農(nóng)村生活方式向城市轉(zhuǎn)變和農(nóng)村能源消費(fèi)的急劇增加。我國農(nóng)業(yè)人口達(dá)8億，農(nóng)村能源作為國家整個(gè)能源系統(tǒng)不可分割的重要組成部分，其不斷增長的供應(yīng)與消費(fèi)量必然加劇我國能源形勢的嚴(yán)峻性。因此，如何充分利用農(nóng)村自有資源優(yōu)勢、尤其是生物質(zhì)能資源，盡量減少商品能源消耗，尋求合理可靠的農(nóng)村能源供應(yīng)模式顯得尤為重要。本文通過對我國農(nóng)村能源消費(fèi)現(xiàn)狀及生物質(zhì)資源量進(jìn)行分析，提出一種新的農(nóng)村能源供應(yīng)模式——沼氣摻混LPG模式，并探討了管道供應(yīng)摻混燃?xì)獾募夹g(shù)經(jīng)濟(jì)可行性。
2 農(nóng)村能源消費(fèi)及生物質(zhì)利用現(xiàn)狀
2.1 能源消費(fèi)現(xiàn)狀
    2008年我國商品能源一次能源消費(fèi)總量為27.5億t標(biāo)煤，農(nóng)村能源消費(fèi)量為9.25億t標(biāo)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(nóng)村生活用能的結(jié)構(gòu)變化見圖1。秸稈薪柴、煤炭消費(fèi)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(yán)重污染環(huán)境、危害農(nóng)民健康，且能源利用率只有10%～15%，煤炭屬高污染傳統(tǒng)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(fèi)比例的趨勢。隨著經(jīng)濟(jì)水平的提高，農(nóng)民對生活品質(zhì)的要求也相應(yīng)提高，與煙熏火燎的秸稈燃燒相比他們更傾向于方便、衛(wèi)生、快捷的LPG。如果任由農(nóng)民自發(fā)性地選擇能源消費(fèi)，農(nóng)村大量的秸稈資源將被廢棄，農(nóng)村商品能耗的急劇增長將嚴(yán)重增加我國能源負(fù)荷。因此，提高農(nóng)村能源利用率，調(diào)整和優(yōu)化農(nóng)村能源結(jié)構(gòu)、減少商品能源消耗量對緩解我國能源壓力和實(shí)現(xiàn)能源可持續(xù)發(fā)展有重大意義。
2.2 生物質(zhì)利用關(guān)鍵技術(shù)及發(fā)展趨勢
    在利用生物質(zhì)能解決農(nóng)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(shù)出現(xiàn)，1998年開始在全國推廣，但一直發(fā)展緩慢且報(bào)廢率高[3]。據(jù)農(nóng)業(yè)部統(tǒng)計(jì)：2006年全國報(bào)廢量為130處，相當(dāng)于同年全國新建數(shù)量(193處)的67%。秸稈氣化技術(shù)還需解決一些關(guān)鍵問題，如燃?xì)庵薪褂图盎覊m含量超標(biāo)，引發(fā)氣化設(shè)備、管網(wǎng)、灶具等一系列問題；所產(chǎn)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(nóng)村戶用沼氣池?cái)?shù)量持續(xù)增長，但實(shí)際使用效果不佳，政府惠農(nóng)行動并沒有達(dá)到預(yù)期效果。2007年初農(nóng)村戶用沼氣池共2174萬口，年新增沼氣池482萬口，年報(bào)廢量33.4萬口[5]。農(nóng)業(yè)與農(nóng)村發(fā)展研究專家的調(diào)查顯示：農(nóng)村戶用沼氣池實(shí)際能持續(xù)使用的不到20%[6]。戶用沼氣池主要存在以下問題[7]：
    (1) 農(nóng)民缺乏操作技能、疏于管理，如進(jìn)出料不及時(shí)，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(fèi)。
    (3) 非養(yǎng)殖農(nóng)戶存在原料短缺問題，養(yǎng)殖戶的養(yǎng)殖數(shù)量受市場經(jīng)濟(jì)影響變動大。
    (4) 后續(xù)服務(wù)跟不上，故障維修不及時(shí)。
    可見戶用沼氣應(yīng)用的瓶頸不是技術(shù)問題，而是管理問題。
    對于新農(nóng)村建設(shè)下統(tǒng)一規(guī)劃、村落整齊的自然村，有專業(yè)技術(shù)人員管理的沼氣集中供氣系統(tǒng)消除了戶用沼氣池管理上的所有缺點(diǎn)。從長遠(yuǎn)發(fā)展趨向看，農(nóng)村能源必將呈現(xiàn)出產(chǎn)業(yè)化、生態(tài)化、科學(xué)化、商品化、競爭化等特點(diǎn)，沼氣集中供氣系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了一定程度上的規(guī)模化及產(chǎn)業(yè)化，順應(yīng)了農(nóng)村能源的發(fā)展趨勢，也是農(nóng)村沼氣發(fā)展的方向。
3 農(nóng)村生活用能源供需分析
    生物質(zhì)主要包括農(nóng)業(yè)廢棄物、畜業(yè)廢棄物、林業(yè)廢棄物、生活污水和工業(yè)有機(jī)廢水、城市固體有機(jī)廢棄物，我國農(nóng)村地區(qū)就地可取材的沼氣發(fā)酵原料主要是農(nóng)業(yè)廢棄物和畜業(yè)廢棄物兩大類。然而這些發(fā)酵原料是否滿足農(nóng)民全年持續(xù)穩(wěn)定的生活用氣需求呢？下面就農(nóng)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(diào)等)供需量進(jìn)行分析論證。
3.1 農(nóng)村生活用能供應(yīng)能力
3.1.1農(nóng)村畜禽糞便量和秸稈量的計(jì)算
    畜禽年度糞便產(chǎn)生量計(jì)算公式為[8]：
    F=N×T×P
    式中：F——年度糞便產(chǎn)生量；N——飼養(yǎng)量：T——飼養(yǎng)期；P——排泄系數(shù)
    目前不乏我國畜禽糞便資源量的估算研究，但由于飼養(yǎng)量、飼養(yǎng)期以及排泄系數(shù)的選取不同導(dǎo)致估算結(jié)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(shù)(見表2)、飼養(yǎng)數(shù)及飼養(yǎng)周期，其中飼養(yǎng)數(shù)的確定是關(guān)鍵。豬的飼養(yǎng)周期一般為199天，飼養(yǎng)數(shù)按出欄量計(jì)算；家禽中肉雞的飼養(yǎng)周期為55天，蛋雞的飼養(yǎng)周期為210天，二者均按出欄量計(jì)算；牛、馬、羊、驢、騾一般當(dāng)年不出欄，按存欄量計(jì)算，兔的飼養(yǎng)期為90天，按出欄數(shù)計(jì)算。各種畜禽的出欄數(shù)及存欄數(shù)來自《中國畜牧業(yè)年鑒2008》中有關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。將不同地區(qū)、不同畜別糞便量分別進(jìn)行計(jì)算，可得我國人畜糞便年產(chǎn)量為13.33億t實(shí)物。
    秸稈資源量通常是根據(jù)農(nóng)作物產(chǎn)量和草谷比系數(shù)進(jìn)行估算，其中，草谷比系數(shù)(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(shù)存在地區(qū)、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(jì)劃《農(nóng)作物秸稈合理利用途徑研究報(bào)告》中的數(shù)據(jù)(表1)。根據(jù)各地區(qū)主要農(nóng)作物產(chǎn)量[14]及相應(yīng)的草谷比估算各地區(qū)農(nóng)作物秸稈產(chǎn)量，并得全國農(nóng)作物秸稈理論年產(chǎn)量為6.82億t實(shí)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(yīng)該只考慮作為燃料用，計(jì)算中按我國50%的秸稈資源即3.41億t可用來發(fā)酵產(chǎn)沼氣。
表1 主要農(nóng)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(nóng)村畜禽糞便和秸稈資源理論產(chǎn)沼氣量
    沼氣的產(chǎn)量與沼氣池內(nèi)的溫度、pH值、接種物等發(fā)酵工藝條件有關(guān)，因此不同資料顯示的各種原料產(chǎn)氣量存在些許差異。這里確定農(nóng)村沼氣發(fā)酵原料的產(chǎn)氣量、含水量等參數(shù)如表2所示。表中產(chǎn)氣量是發(fā)酵溫度為35℃時(shí)的值，計(jì)算時(shí)取沼氣池年平均溫度為20℃，此時(shí)產(chǎn)氣量為表2中的60%[11]。計(jì)算中將各種農(nóng)作物秸稈的單位干物質(zhì)產(chǎn)氣量統(tǒng)一為0.41m3/kg，含水量為20%。沼氣產(chǎn)量按下式計(jì)算：
   Q=∑Fi×Xi×(1-Yi)
式中：Q——沼氣產(chǎn)量；F——發(fā)酵原料；X——產(chǎn)氣率；Y——含水率；i——第i種發(fā)酵原料。各地區(qū)秸稈和人畜糞便理論產(chǎn)沼氣量(人均值)的最終計(jì)算結(jié)果如圖2所示。
表2 不同原料的產(chǎn)氣量、含水量和排泄系數(shù)[2，11，12]
原料
TS產(chǎn)氣量(m3/kg)
含水量(%)
排泄系數(shù)(kg/d)
原料
TS產(chǎn)氣量(m3/kg)
含水量(%)
排泄系數(shù)(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(fā)酵溫度為35℃；發(fā)酵周期：秸稈為50d，糞便為60d。
 
3.2 農(nóng)村生活用氣需求量
    農(nóng)村生活用氣主要包括炊事用氣和生活熱水用氣兩大項(xiàng)。在農(nóng)村每人每天炊事用沼氣量約0.28m3～0.42m3[15]，取0.4m3進(jìn)行計(jì)算。參考上海地區(qū)人均每年洗澡150次[16]，假設(shè)現(xiàn)階段農(nóng)村地區(qū)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(jì)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(jìn)水溫度(取當(dāng)?shù)啬昶骄汕驕囟纫妶D3)；t2=40℃為熱水器出水溫度；n=120為洗澡次數(shù)；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(qū)人均沼氣需求量即炊事用氣和生活熱水用氣之和，結(jié)果見圖2，圖中可以看出，西藏、內(nèi)蒙、吉林、黑龍江、青海、新疆、遼寧、山東、寧夏、河南等10個(gè)農(nóng)業(yè)或畜牧大省的沼氣理論產(chǎn)量能滿足農(nóng)民持續(xù)用氣需求。沼氣富余地區(qū)可以考慮發(fā)展沼氣采暖，沼氣不足地區(qū)則需要其他能源的補(bǔ)充。
4 持續(xù)穩(wěn)定的農(nóng)村生活用能供應(yīng)模式
4.1 摻混供氣模式的優(yōu)勢
    當(dāng)前由于農(nóng)村地區(qū)生活用能的多樣性和不確定性，許多農(nóng)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(tǒng)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(shí)現(xiàn)持續(xù)提供穩(wěn)定可靠的優(yōu)質(zhì)能源及服務(wù)、進(jìn)而實(shí)現(xiàn)城鄉(xiāng)居民能源公平這一建設(shè)社會主義新農(nóng)村的必要目標(biāo)。多種炊具不僅影響室內(nèi)環(huán)境且不利于農(nóng)村能源的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。
    對于生物質(zhì)資源量較低地區(qū)，沼氣供應(yīng)生活用氣的缺口勢必需要其他商品能源來填補(bǔ)。中國人的傳統(tǒng)飲食習(xí)慣(即對明火的需求)決定了電力終究是農(nóng)村的輔助炊事能源；LPG是當(dāng)前最受農(nóng)民歡迎的高效清潔商品能源，2008年農(nóng)村生活用能中LPG的比重比2005年提高了21個(gè)百分點(diǎn)，也充分說明了這一點(diǎn)?；谏镔|(zhì)能與LPG有機(jī)融合的可持續(xù)發(fā)展策略，在新建村鎮(zhèn)沼氣站中可設(shè)置一套混合裝置，根據(jù)各地區(qū)用氣缺口量向沼氣中摻混一定比例的LPG，經(jīng)由儲氣罐混合穩(wěn)壓后通過管網(wǎng)輸送到用戶。這樣就將沼氣和LPG兩種優(yōu)質(zhì)燃?xì)獾睦媒Y(jié)合起來，一套管網(wǎng)、一套灶具和熱水器便可解決農(nóng)民用氣需求。
 
表3 沼氣-LPG摻混供氣模式與2008年我國農(nóng)村實(shí)際生活用能消費(fèi)比較
用能模式
農(nóng)村秸稈薪柴總耗量
農(nóng)村LPG總耗量
農(nóng)村沼氣總耗量
實(shí)物(108m3)
折合標(biāo)煤(108t)
實(shí)物(108m3)
折合標(biāo)煤(108t)
實(shí)物(108m3)
折合標(biāo)煤(108t)
2008年實(shí)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(jù)沼氣需求量與產(chǎn)氣量的差值，可計(jì)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(nóng)村實(shí)際生活用能消費(fèi)進(jìn)行了比較。摻混供能模式中全國農(nóng)村炊事和生活熱水用能全部由沼氣和LPG承擔(dān)，其中沼氣耗量為1009.8億m3，折合0.721億t標(biāo)煤，是2008年農(nóng)村實(shí)際沼氣耗量的12倍，LPG耗量為54.87億m3，折合0.178億t標(biāo)煤，是2008年農(nóng)村實(shí)際LPG耗量的1/7。換言之，在充分利用農(nóng)村生物質(zhì)資源發(fā)酵制沼氣的基礎(chǔ)上，再將2008年LPG消費(fèi)量的1/7摻混到沼氣中，即可滿足我國農(nóng)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(zhì)能利用率的同時(shí)極大地降低了農(nóng)村LPG等商品能耗量。
4.2 摻混供氣模式的可行性
    城鎮(zhèn)化進(jìn)程中，農(nóng)民生活水平和農(nóng)村文明程度的不斷提高，伴隨著農(nóng)村能源需求量的動態(tài)增長變化，農(nóng)村炊事、生活熱水甚至室內(nèi)采暖等生活指標(biāo)將逐步接近或達(dá)到城市居民水平。摻混供氣模式可通過調(diào)節(jié)沼氣和LPG的混合比來提高管輸燃?xì)獾臒嶂担M(jìn)而滿足城鎮(zhèn)化進(jìn)程中不同階段農(nóng)民生活用氣量動態(tài)增長的變化需求。
當(dāng)前沼氣集中供氣工程在我國已得到一定程度的推廣，技術(shù)相對成熟。摻混供氣模式在其基礎(chǔ)上添加一套燃?xì)饣旌涎b置如引射器或比例式混合器(圖4)，摻混燃?xì)鉄嶂档奶岣邔⒃谝欢ǔ潭壬辖档洼斉湎到y(tǒng)的管材費(fèi)用，LPG比例越大，惰性氣體含量越低，輸配系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性越好。因此，摻混供氣模式的經(jīng)濟(jì)性視選用的混合設(shè)備的費(fèi)用及摻混比例而定。另外，在沼氣中摻混LPG相當(dāng)于稀釋了沼氣，各種發(fā)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(shè)備燃燒不穩(wěn)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(yīng)提高。
 
5 結(jié)論
    中國農(nóng)村落后、低效率的生活用能模式嚴(yán)重制約著國家能源的可持續(xù)發(fā)展，尋求適合農(nóng)村發(fā)展的高效能源利用模式迫在眉睫。本文通過分析農(nóng)村現(xiàn)有生物質(zhì)資源產(chǎn)沼氣能力和生活用能潛在需求之間的關(guān)系，指出我國大部分農(nóng)村存在沼氣發(fā)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(wǎng)輸送到用戶。
   對摻混供氣模式和農(nóng)村實(shí)際用能模式進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)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(shí)際耗量的1/7。而且通過調(diào)節(jié)摻混比例可以滿足農(nóng)村生活用能的動態(tài)增長變化需求。農(nóng)村沼氣站實(shí)現(xiàn)摻混燃?xì)夤艿拦?yīng)是集規(guī)模化、高效低耗以及可持續(xù)發(fā)展為一體的農(nóng)村能源供能模式，可為農(nóng)村生活用能發(fā)展及政策研究提供一定的理論參考。
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(本文作者：李振群 秦朝葵 戴萬能 郭甲生 同濟(jì)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 201804)