甘蔗叶干法连续厌氧发酵气肥联产技术的经济适应性分析

冯芹+万年青

摘要 当前，生物质能源的开发利用研究逐渐成为热点。甘蔗叶作为我国南方地区丰富的可利用生物质能源，有着广泛的用途和利用价值。近来年农业部中国热带农业科学院农业机械研究所首次以风干的甘蔗叶为主要原料，加入干的猪粪便，通过干法连续厌氧发酵技术，开展了相关甘蔗叶气肥联产试验研究，取得了很好的研究进展。本文依据相关研究进展，对其厌氧发酵技术的经济前景进行简单的分析探讨。

关键词 甘蔗叶；干法连续厌氧发酵；气肥联产；经济适应性

中图分类号 S216.4 文献标识码 A 文章编号 1007-5739（2017）22-0215-02

2 Agricultural Product Processing Research Institute，Chinese Academy of Tropical Agricultural Sciences）

Abstract At present，the development and utilization of biomass energy has gradually become a research hotspot.Sugarcane leaves，which are abundant and available biomass energy in southern China，exhibit wide applications and useful values.Recently，the studies of biogas-fertilizer coproduction from dry continuous anaerobic digestion of dried sugarcane leaves by adding dried pig manure were first conducted with great progress being made in the Institute of Agricultural Machinery of Chinese Academy of Tropical Agricultural Sciences under Ministry of Agriculture of China. Based on the related research progress，a simple analysis of the economic adaptability of anaerobic digestion technology of sugarcane leaves were conducted in this paper.

Key words sugarcane leave；continuous anaerobic digestion；biogas-fertilizer coproduction；economic adaptability

甘蔗叶是指甘蔗采收后遗弃在田间的甘蔗叶片和甘蔗梢。我国甘蔗年种植面积为160万hm2左右，产区从南方11个省区逐步向桂中南、滇西南、粤西—琼北等3个优势产业带集中，集中度为95%左右，年生产甘蔗叶总量2 500万t以上[1]。由于甘蔗叶总量巨大，以甘蔗叶为原料，利用干法厌氧发酵技术制备沼气，并通过沼气提纯、发电等，将为甘蔗叶开展大规模有效利用和替代传统能源产业等提供广阔的发展前景。

1 甘蔗叶干法连续厌氧发酵气肥联产研究进展

厌氧发酵是区别于好氧发酵的一种发酵方法，其主要特征是发酵过程不需要空气参与，仅在密闭条件下进行。近年来，农业部中国热带农业科学院农业机械研究所以风干的甘蔗叶为主要原料，同时加入干的猪粪便，通过干法连续厌氧发酵技术进行气肥联产试验研究，取得了很好的研究进展。

该技术不仅采用了目前国内较为先进的干法厌氧发酵技术，而且在厌氧发酵过程首次利用太阳能加热实现了连续发酵和换料，并通过甘蔗叶和猪粪混合物的发酵实现了气肥联产，提高了沼气工程的效率。同时，由于干法发酵无沼液消纳问题，因而最大限度地降低了二次污染。该技术将废弃甘蔗叶转化为清洁的生物能源，探索了一条有益的途径，该技术的特性决定了其经济性特点。

1.1 较高的容积产气率为项目发展奠定了基础

容积产气率又称池容产气率，指单位体积在单位时间的产气量，是沼气工程系统运行好坏的一个重要指标。

容积产气率=产气量/容积；

产气量=投料量×原料产气率×原料消化率。

从上述公式可以看出，相对于湿法发酵，干法发酵解决了部分沼液的消纳问题，在其他因素特别是容积一定的情况下，由于发酵原料的增加，单位容积产气率自然获得了增加。

目前，国内湿法厌氧发酵下的单位容积产气率一般在0.8～1.2 m3/（m3·d）之间，而在理想试验条件下，通过干法连续厌氧发酵技术，单位容积产气率可达到4.0 m3/（m3·d）左右；在工程模拟试验上，单位容积产气率也达到1.5～2.5 m3/（m3·d），且沼气中CH4含量在50%～60%之间[2]，有着较好的经济效益前景。

1.2 连续式进料能够保证沼气的产出和节能减耗

甘蔗叶连续式干法厌氧发酵气肥联产技术的另一个特点是用连续式进出料替代传统的批式间歇式换料。传统沼气发酵罐在发酵原料生产一段时间后，由于沼气生产水平大幅下降，必须停止生产并进行批式换料处理，俗称清池。清池不仅费事费神，而且增加运行中的换料成本，更主要的是中断了沼气生产过程。其换料过程的成本及产气能力的损耗根据沼气工程规模的不同而不同，工程规模越大，换料时间越长，所产生的损耗越大。

连续式进料在设计上克服了间歇式换料的缺点。在换料时，将经过粉碎、均质混料、调温处理等的甘蔗叶和猪粪原料，定时通过反应器的一端均匀向反应器中布料，通过反應器自压按层次顺序推压前行并达到定时出料的目的，由布料间隔控制原料发酵和出料的间隔。这种工艺使原料的沼气发酵过程达到连续稳定地进行，克服了间歇式批量进料沼气发酵产气过程的间断和不均衡问题，从而将沼气产业化生产过程变得可控、高效和稳定。除此之外，这一工艺还可以通过调节原料布料量、多个单元组合等措施，满足不同的甘蔗叶处理量及用气需求。endprint

1.3 太阳能增温、保温措施进一步减少了能耗

在我国北方地区，受冬季日照不足的影响，目前大部分规模化沼气工程一般是通过电加热膜增温保温系统加热或是利用工程自产沼气，通过锅炉水循环沼气池增温保温系统实现沼气反应装置的温度控制，达到提高原料消化率和容积产气率的目的。但无论是电加热膜增温保温系统还是锅炉水循环沼气池增温保温系统，都增加了工程的资源能耗。

根据甘蔗主产区四季日照较为充足的特点，从节约能耗和控制沼气装置反应温度出发，项目组开发出了太阳能热水器水循环沼气池升温系统等节能型增温、保温措施，在确保发酵温度控制、达到常年高效稳定产气的同时，有效降低了发酵增温保温系统的二次能耗。

1.4 气肥联产增加了产出效益比重

“气肥联产”目前并没有统一定义。由于沼气工程一般在沼气生产的同时，会产生许多富含植物生长所需微量元素的沼渣附产物，通过对沼渣进行简单处理，即可得到富含营养的沼渣肥，从而实现沼气工程的附加效益，提高沼气产业的经济效益和环境效益。因此，行业内将这种沼气、沼渣同时实现社会经济效益的过程称之为“气肥联产”。

试验表明，由于甘蔗叶加入猪粪后的发酵，使沼渣富含有机质、腐植酸及氮、磷、钾等植物生所需的微量元素。通过试验计算，本项目1 t沼气干混合发酵原料可生产沼渣原肥1.08 t，可替代堆沤有机肥1.79 t[3]。气肥联用技术显著提高了工艺的经济效益和环境效益，能够带动当地经济发展，促进农民增收，具有较好的产业发展前景。

2 甘蔗叶连续式干法厌氧发酵技术的经济适应性分析

基于以上技术特点，甘蔗叶连续式干法厌氧发酵技术的经济适应性主要包括以下几点。

2.1 项目节能效果显示了良好的经济性

除了项目本身是利用生物质废弃物资源（甘蔗叶、猪粪）进行再生产的节能过程，还在工艺研究过程中诸如太阳能加温节能、干法连续发酵原料节能以及收贮节能等环节上进行了许多有益的探索，节能效果显著。

按照项目组干法连续厌氧发酵工艺，年产45万m3沼气工程规模，用电量180 kW·h，用水量3 000 m3，则节能折合标准煤279.22 t/年（折合系数来源[4]），项目沼气产量相当于每年节约683 t标准煤，减少二氧化碳排放1 161 t[5-6]，项目节能经济性显著。

2.2 成本构成特点显示项目良好的适应性

甘蔗叶干法连续厌氧发酵制备沼气工程的成本构成主要包括3个方面，即原料成本、工程成本（发酵装备和各类基础设施）及运营管理成本。原料主要是甘蔗叶、鲜猪粪的混合物及少量碳酸氢铵等。甘蔗叶和鲜猪粪作为项目投产运行后主要的成本因素，由于其地域集中性、广泛性和易收集、耐储存等特点[7]，能够较好地保证不同类型沼气工程的运行需求并降低运行成本。

2.3 项目中试实践说明项目推广的经济可行性

研究实践中，项目课题组以580 m3发酵装置、年产45万m3气规模的大中型（偏向中型）进行了实际的经济成本研究：项目投资成本520万元，其中静态建设投资515.39万元，铺底流动资金5.27万元。静态建设投资515.39万元包括建筑工程投资241.10万元，设备购置费207.80万元及其他投资66.49万元。项目年总收入83.50万元，其中沼气收入73万元，沼渣收入10.50万元，以项目15年为周期计算年均总成本83.37万元。

按照项目投资理论，项目在财务内部收益率（FIRR）2.81%、动态投资回收期12.82年、财务净现值（FNPV）34.23万元、盈亏平衡分析（BEP）57.85%，价格及容积产气率敏感性系数4.29。上述指标均不乐观，但却基本能够维持项目运行，而这已经是目前类似生物质能源项目经济性的最佳表现。如果同时考虑中央财政对发展规模化大型沼气工程的补助，则项目能够实现稳定的经济效益。

另外，项目的推广也将为我国甘蔗主产区（广西、云南、粤西）农民和社会生产带来直接的经济效益，即通过甘蔗叶回收、发展沼气产业、推广沼渣有机肥等达到促进农民增收和当地社会经济发展的目的。

2.4 环境与社会效益对项目经济性起到补充作用

甘蔗叶干法连续厌氧发酵气肥联产项目的推广，其环境与社会生态效益主要体现为以下2点：一是对节约资源、改善区域自然生态环境具有借鉴意义，项目的推广能够广泛地降低废弃甘蔗叶因传统田间焚烧处理方式造成的环境污染，减少区域烟尘及有害气体排放[8]；二是为贯彻落实国家建设生态文明、发展生物质废弃物综合利用战略寻求到一条有利的途径。

3 结语

甘蔗叶干法连续厌氧发酵气肥联产技术目前单从气肥联产的角度分析，虽然具有广泛的适应性和一定的经济效益，但事实上无论是国外还是国内，目前大规模利用农业废弃物等生物质资源发展沼气工程，并单纯通过直供方式用于民用，并非该产业发展的方向。通过沼气工程进行沼气发电、沼气提纯生物天然气等，逐渐成为沼气技术先进国家发展大规模沼气工程的普遍模式，也为技术的经济性带来了可靠的延伸。

4 参考文献

[1] 李乔仙，高月娥，尚德林，等.云南甘蔗稍饲用现状及其青贮营养成分测定[J].养殖与饲料，2011（10）：45-47.

[2] 焦静，王金丽，张劲，等.甘蔗叶干法厌氧发酵正交试验[J].农业机械学报，2012，43（10）：110-113.

[3] 续有林.助推循环农业发展的沼气辅产物：沼渣[J].农民致富之友，2015（2）：288.

[4] 王江涌.创建绿色肉食鸡深加工项目经济效益分析[D].济南：山东大学，2011.

[5] 刘宇，匡耀求，黄宁生.农村沼气开发与温室气体减排[J].中国人口·资源与环境，2008，18（3）：48-53.

[6] 赵玲，刘庆玉，牛卫生，等.沼气工程发展现状与问题探讨[J].农机化研究，2011（4）：242-245.

[7] 王剛.甘蔗叶集中利用原料供应系统的收储运研究[D].武汉：华中科技大学，2015.

[8] 周丹丹.我国首个利用甘蔗叶进行直燃发电电项目在广西投产[EB/OL].（2010-02-26）[2017-07-29].http：//news.163.com/10/0226/17/60FFD00 P00014 6BC.html.endprint