北方平原地区农村居民沼气冬季取暖典型案例研究

胡 燕， 王彦博， 刘 悦， 赵 凯

(1.河北省利用世行贷款农村新能源开发项目办公室， 河北 石家庄 050021； 2.中国人民财产保险股份有限公司石家庄市分公司， 河北 石家庄 050021； 3.河北省农业科技发展中心， 河北 石家庄 050021)

大力发展绿色清洁能源逐渐替代传统化石能源已成为全球共识[1]。目前我国应用较为广泛的生物质能源包括燃料乙醇、生物甲烷(由沼气提纯获得)、生物柴油等。自2015年开始，我国开始推进大型沼气工程建设。目前常见的大型沼气工程规模都在1000 m3以上，而特大型生物天然气工程规模多在2万立方米以上。党中央和国务院围绕大气污染防治，改善生态环境，推进生态文明建设制定了一系列政策措施，将开展农作物秸秆和畜禽粪污等农业废弃物资源化利用，农村冬季取暖“气代煤”等作为重大举措进行强力推进。北方地区在实施清洁取暖中，多项并举鼓励及支持农村地区使用生物质气、沼气、轻烃燃气等新能源取暖替代传统燃煤取暖。

1 沼气代煤取暖现状

根据国家发布的《北方地区冬季清洁取暖规划(2017～2021)》，到2019年，北方地区清洁取暖率将达50%，到2021年清洁取暖率将达70%。为持续深入推进以农村散煤治理和冬季清洁取暖为重点的大气污染防治攻坚行动，坚决打赢蓝天保卫战，不断提高人民群众生活质量水平。按照党中央、国务院决策部署，河北省制定了《2019年农村地区冬季清洁取暖工作方案》[2]。全省安排及鼓励“多元化推进可再生能源取暖”。根据资源禀赋情况，鼓励实施生物质气、沼气、轻烃燃气等可再生能源取暖;按照依托管道气和燃气特许经营企业实施气代煤的总体要求，在电代煤不能覆盖的平原农村居民住户推广户用燃气采暖，同时解决炊事用气。

经统计2018年河北省天然气消费139.35亿方。从用向看，城镇和农村居民炊事采暖用气76.7亿方、占50%(其中农村煤改气39.5亿方，占28.3%)。全省大力发展以沼气为纽带的生态农业模式，建设规模和水平居全国前列。截至2019年12月，累计建成规模化大型沼气工程297处，总池容52.22万立方米，年产气量7666.02多万立方米；小型和中型沼气工程2025处，总池容17.87万立方米，年产气量约1304万立方米，年处理畜禽粪污321.9万t、秸秆等农业废弃物约69.84万t[3]。经统计计算2019年河北省生物质燃气(仅含沼气及生物天然气)仅生产代煤量为6.47万t。统计汇总结果如表1所示。

表1 2019年河北省生物质燃气代煤情况

2 沼气供暖实例分析

2.1 沼气生产及利用案例简介

近年来，随着秸秆沼气技术日益成熟，我国多个地区均建立了不同规模的秸秆沼气工程[4]，取得了良好的社会效益和丰富的管理经验[5]。本文以河北省中南部平原地区，农作物秸秆和畜禽粪污资源丰富的某一大型沼气工程为气源，结合北方地区清洁取暖政策，形成“废弃物+清洁能源+有机肥料”的沼气生态循环模式。在参照气代煤政策给予一定补贴优惠基础上，介绍了沼气清洁取暖在实际工程及农村地区的应用情况。

选取案例为建设规模2万m3的特大型沼气工程，工程自2018年11月初投入运行至今稳定，首批供户1000户并实现了冬季沼气取暖。沼气生产引进了德国原料预处理水解技术，芬兰高温车库发酵成套设备，并在传统竖向推流式厌氧消化(VPF)工艺上增设了搅拌装置等工艺技术。工程主要设计参数见表2。

表2 案例沼气工程主要设计参数

该特大型沼气工程总投资11100万元，年消耗玉米秸秆4万多吨，年处理畜禽粪污5万多吨，年产约沼气533万m3，主要工艺见图1。工程每年生产3.0万t沼渣生物有机颗粒肥、5.0万t沼液有机冲施肥及叶面肥，可为附近6万亩无公害果蔬基地、10万亩绿色有机粮食种植基地提供有机肥。产生的沼气除供1000户居民炊事及冬季取暖用气外，其余沼气用于场区沼气发电，形成了冬季供气，春夏秋3季发电的高效应用模式。项目实施年减排二氧化碳2166 t，解决了附近居民生活用气，促进有机物质高效转化和能源高效循环。

图1 案例工艺流程图

2.2 沼气应用市场及经济效益分析

基于以上案例沼气工程，在不考虑原料成本，设计比对了三种不同方式的沼气应用情况，方案信息见表3。方案1：单纯供应炊事用户，项目所产沼气仅用于农户炊事用气，设计户数为20000户；方案2：供应炊事用户和发电，项目所产沼气除用于炊事用气外还进行并网发电，设计供户数量为1000户，同时配备2000 kW发电机组进行发电；方案3：供应炊事、采暖用户和发电，项目所产沼气将用于炊事用气，冬季采暖以及并网发电，设计供户数量1000户，同时配备2000 kW发电机组进行发电。针对3种典型案例，在未考虑项目补贴及税收等因素情况前提下，进行经济分析，测算了不同市场方案下项目的投资、运行成本、收益和利润，致力于反映不同市场环境下的经济效益差别。

表3 典型案例不同市场方案信息

经济分析结果显示，典型案例的3个市场方案中，经济效益最高的是方案3，即供应炊事、采暖用户和发电，其利润达到2.81元·m-3，经济效益最低的是供应炊事用户和发电，利润为2.42元·m-3，而单纯供应炊事利润为2.50元·m-3，管道投入成本及维护费用较高。以此分析而得，承担供暖任务的沼气企业，发展多元市场方案后经济效益有小幅提升，更加有利企业持续经营。

2.3 案例点沼气供气取暖及补贴情况

河北省于2017年制定了到2020年，全省农村日常炊事和冬季取暖全部实行“气代煤”、“电代煤”的政策措施，并对各市县下达了相应的指令性政策指标。案例县指令性计划中，要求承担1000户农户冬季取暖任务。通过该2万方沼气工程，为分布在2个村的1000户农户提供清洁能源，共计铺设站外管网64.8千米，入户安装气电两用采暖炉和沼气壁挂炉1000套。2019年案例市执行的农村气代煤运行补助标准为：给予采暖季农户用气1.2元·m-3补贴，每户最高补贴气量800立方米、最高补贴960元。目前案例工程已正常运行三个年度日常炊事用气和两个采暖季取暖供气，供气百姓比较认可。为保障农户稳定用气，供气公司成立了村级沼气物业服务站，为每户提供使用指导、管路检查、灶具及计量表安装与维修等服务。

3 沼气取暖效益分析

推进清洁取暖，一头牵着百姓温暖过冬，一头连着蓝天白云，能否成功关键在于百姓能否用得起[6]。本文首先基于气代煤补贴政策，进行了使用沼气取暖与使用天然气取暖效果及费用方面的分析探讨；其次针对使用沼气取暖与使用煤碳取暖费用方面分析比较，为相关工程及供暖项目提供借鉴依据。

3.1 样本数据来源

针对使用沼气和天然气取暖情况的分析，研究使用数据来源于课题组成员对案例项目点，各选取10户、取暖面积均为100 m3、取暖炉具分别为天然气壁挂炉和沼气壁挂炉的农户进行调查，采取面对面访谈获得问卷信息；对于使用沼气和煤取暖比较分析，研究数据来源于案例县气代煤改造前市场价格及农户使用统计情况。

3.2 经济效益分析

(1)使用沼气冬季清洁取暖与使用天然气取暖效果及费用分析。选取项目运行期间，农户采用天然气取暖和采用沼气取暖效果及费用情况进行比对分析。结合当地农户使用习惯，分别针对以下2种情况对比，一种是：设定全天24小时热水温度保持在50℃取暖，另一种是：早8点至下午6点热水温度保持在35℃左右取暖。取暖时间均按100天计算，户均用气量和取暖费用见表4。

表4 2种方式取暖情况对比

汇总对比结果发现：不论全天候采暖还是仅白天采暖，农户使用天然气取暖和采用沼气取暖，在取暖面积相同、室内温度相同、取暖效果相同的情况下，沼气甲烷含量约为天然气含量的70%时，每天使用沼气量高于使用天然气量，但由于沼气价格较低，仅为天然气价格的56%，同时在享受国家用气补贴的情况下，农户使用沼气取暖费约占使用天然气取暖费用的73%，使用沼气取暖费用明显低于使用天然气取暖费用，相对而言，农户使用沼气取暖比天然气更省钱、更实惠。

(2)使用沼气取暖与使用煤炭取暖比较分析。根据调查，按照每户取暖面积100 m3计算，1个取暖季节3个月，用煤碳需要2～3吨约2300元，用沼气取暖每天约需15～20 m3，每天约30元左右，3个月2700元，获得取暖补贴后约1740元。对于煤碳、电能等其他能源[7]，如果支出过大，农户则倾向于转向使用获得补助后实际付费更低的沼气，以缓解使用化石能源带来的经济负担。

通过实际走访，进行用户满意度调查，95%的群众普遍反映沼气取暖效果较好，其中小户型取暖更优。与县有关部门访谈，了解到2020年约120户农民申请自愿接入集中供气管网，通过沼气清洁炊事、清洁取暖，提高了农村居民生活幸福感指数。

3.3 社会与环境效益

根据工程运行核算以1000 m3秸秆沼气工程为例，每户每天使用秸秆沼气，可减少燃烧秸秆5 kg，1000户居民每年减少直接燃烧秸秆1825吨，节约标煤260 吨,减排CO2676 吨，减排SO22.21 吨,减排氮氧化物1.92吨，减排粉尘0.31 吨，减少大气污染，有效的保护了生态环境。

通过特大型沼气工程把农作物秸秆及畜禽粪污转化成为资源和商品，种植基地应用沼肥后，不仅经济效益好，还化害为利、变废为宝，实现了农业废弃物资源化利用与美丽乡村建设紧密融合。同时沼渣沼液有机肥的投入使用，减少了化肥农药的使用量，使病虫害得到绿色防控，减少面源污染。

农户通过使用清洁能源，改变了传统的生活方式，厨房更干净卫生，业余时间增加，更积极参加娱乐活动，提升了农民的生活水平和文化素养。同时对农村散煤治理，防止大气污染改善空气质量起到了推波助澜的作用。

4 结论及建议

(1)大型沼气工程增加农户冬季清洁取暖市场应用，可更好地提升沼气项目经济效益，建议北方地区农作物废弃物及畜禽粪污物资源较充足的企业，优先争取政府冬季取暖规划指标，即可符合当地政策需求，也可更好地增加企业经济效益。同时，农户使用沼气取暖相对天然气及煤碳取暖，更省钱、更实惠，更具有生存力。

(2)北方地区形成的“废弃物+清洁能源+有机肥料”沼气生态循环发展模式，对综合治理因畜禽粪污、农作物废弃物造成的农村污染，改善农村区域生态环境，优化结构方面效果显著，可在北方地区大力推广典型的循环经济发展模式。大力开展废弃物资源化利用，农村地区采用沼气取暖可缓解区域内能源紧张局面，同时提升了农民生活品味，对于农村散煤治理，防止大气污染改善空气质量起到了积极作用，具有深刻的社会和环境效益。

(3)建议继续加强项目扶持政策，加强清洁取暖技术服务建设。加大财政政策的倾斜力度，继续对农户用气给予补贴，组建强有力的保障队伍，使农村地区使用沼气冬季取暖事业健康稳定发展。