秸秆基生物天然气生产成本分析

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作者:无, 字数:12194

  摘 要:通过广泛的文献调研和专家咨询,构建了秸秆基生物天然气生产成本估算模型,并依据中国市场行情对秸秆基生物天然气生产成本进行估算。结果表明,目前中国以秸秆为原料制备生物天然气经济成本仍较高,单独生产成本可达4.2元/m3,其中47%集中在原料采购方面。在生产过程也产出良好的副产品收益,抵扣副产品收益后秸秆基生物天然气经济成本可达到2.7元/m3。基于现行技术水平和市场条件,不具备与石化天然气进行市场价格竞争的能力,必须依靠政府从补贴、税费、本行业以及其他关联行业等多方面进行扶持与管理,才能推动产业快速发展。同时也发现,产气率是影响秸秆基生物天然气生产成本的最显著因素,加强技术研发和产业化示范、优化产业链条中各项生产设计参数、提升秸秆产气率是降低生物天然气生产成本的重要途径,也是生物天然气产业长远发展必由之路。
  关键词:秸秆;生物天然气;生产成本
  中图分类号:TK6      文献标志码:A      文章编号:1673-291X(2020)26-0136-03
  生物天然气是指以畜禽粪便、农作物秸秆、城镇生活垃圾等为原料,经厌氧发酵和净化提纯后与常规天然气成分、热值等基本一致的绿色低碳、清洁环保的可再生燃气。生物天然气是缓解天然气供需矛盾的重要补充[1]。国家能源局在2019 年修订发布的《关于促进生物天然气产业化发展指导意见》(以下简称《指导意见》)指出,到 2025年我国生物天然气年产量要超过 100亿m3,到2030年超过200亿m3,规模位居世界前列。而目前生物天然气产量不足1亿m3,未来10年左右时间由1亿m3到200亿m3,可是说生物质天然气即将迎来井喷式发展阶段。但目前生物天然气产业属于刚起步阶段,生产运营成本仍高居不下[2],必须依靠政府补贴才能正常运营。但补贴并不是常态,持续通过技术路线优化降低生产运营成本才是生物天然气产业发展的关键所在。本研究拟通过广泛的文献调研和专家咨询,构建生物天然气生产成本估算模型,并依据中国市场行情对秸秆基生物天然气的生产成本进行估算,分析其主要影响因素,以期为中国生物天然气产业健康发展提供理论参考。
  一、技术路线
  生物天然气生产工艺流程主要分为原料预处理、厌氧发酵、沼气净化及提纯系统、固液分离、有机肥生产系统等[2],具体技术路线如图1所示。
  原料。目前生物天然气工程常用的原料有秸秆(黄贮/青贮)、禽畜粪便等。综合比较,本文以秸秆为原料;收集方式采用与秸秆经纪人签订协议,直接送至厂内存料场。
  秸秆预处理。因化学处理易造成二次环境污染,所以目前常用的预处理方法仍为物理研磨法[3]。使用机器为揉搓机,在揉搓过程中需要消耗电力,并添加预处理剂(碳酸氢铵、草木灰等)。
  厌氧发酵。采用混合均浆泵进料,钢制罐体发酵,发酵工艺为完全混合厌氧发酵(CSTR)、中温,顶置升降搅拌器。物料投入包括电力、水、营养辅助剂。
  净化提纯。脱硫采用生物粗脱硫+干法脱硫工艺。脫碳采用变压吸附法,过程中需要消耗脱硫剂、吸附剂和电力。
  固液分离。采用固液分离机将出料沉淀中的水分脱出得到沼渣制备为有机肥销售,沼液经处理后以有机营养液形式还田。
  二、研究方法
  一般来说,产品理论成本包括生产成本和非生产成本。其中,生产成本主要包括材料消耗成本、人力投入以及设备折旧与维修费用;非生产成本又称期间成本,主要包括销售成本、财务成本和管理成本[4]。
  1.秸秆。秸秆质地疏松、收集运输困难,且价格易浮动变化。根据调研情况显示,1吨秸秆(含水率15%)收购价格在200—300元间,本文假定收购价格为250元/吨。另外,假定秸秆天然气产率125m3/吨(沼气产率250m3/吨,提纯率50%)。
  2.水耗。水的消耗主要发生在预处理和厌氧发酵环节。按照8%的固液混合比进行估算,处理1吨秸秆约需7吨水。
  3.能耗。发生在预处理、发酵、净化提纯、固液分离等环节的电耗,经文献调研和类比分析发现,1吨秸秆在预处理、发酵、固液分离等环节中累计耗电量约为142kW.h[5],沼气净化提纯环节耗电系数约为0.25kWh/m3(天然气)[6]。
  4.化学试剂消耗。在整个生产链条中,需多种化学试剂充当酸碱调和剂、吸附剂、反应剂等。在预处理环节需要碳酸氢铵和草木灰作为酸碱调和剂,吨秸秆消耗量约为12.5kg和15kg[5]。在净化提纯环节,需要氧化铁、活性炭作为吸附剂,可循环利用。
  (二)人力成本
  生物天然气生产人力成本主要集中在生产运营环节。以集中式沼气工程运营过程中的人力消耗类比分析可得:1吨秸秆人力消耗为0.001人[7]。年工作时间10个月,工资5 000元/月。
  (三)设备折旧和维修成本
  设备折旧主要采用直线折旧法,固定资产净残差率为5%。
  其中,Cdepreciation:年设备折旧成本;Passets:设备投资总额;n:折旧年限,其中房屋及建筑物按30年折旧,机器设备按15年折旧,电子及运输设备按5年折旧。
  设备维修费一般按设备投资的2%估算。
  以一个年产2万m3生物天然气项目投资情况进行概算,平均生产1m3生物天然气的设备折旧成本约为0.6元,设备维修费约为0.08元/m3。
  (四)期间成本
  期间成本主要包括管理成本、财务成本和销售成本。其中,管理成本包括无形资产及开办费摊销、公司经费、劳动保护费、土地使用费、房产税、业务招待费和其他费用,财务成本包括固定资产投资贷款利息和流动资金贷款利息,销售成本包括产品运输费、广告费等。此部分成本主要与企业管理运作水平有关,在技术与管理水平一定的情况下,其所占比例不会发生实质性变动。参考其他生物能源企业运营情况,假定期间成本占总成本的9%左右。   (五)副产品收益
  生物天然气副产品主要为沼渣制作的有机肥,据文献调研显示:平均1m3天然气可附带产出2—3kg有机肥[8]。本研究假定有机肥产出率2.5kg/m3,售价0.6元/kg。
  三、结果讨论
  上述核算结果显示,生物天然气生产成本4.2元/m3左右,如抵扣有机肥收益,生产成本可降至2.7元/m3左右,较2019年新调整的天然气基站价格高出0.7~1.7元/m3(最高为北京市、上海市的2.04元/m3,最低为新疆的1.03元/m3)。在总成本中,原料成本占据重要地位,占比可达47%。由此可见,生物天然气产业是一个原料依赖型产业,项目布局设计必须首先考虑原料的因素;其次为电耗和设备折旧,分别占比17%和14%。这一方面说明生物天然气产业初期投资较大,另一方面也说明生物天然气产业也是一个耗能产业。因此,在项目设计中过程不仅需要考虑经济成本,能量产出效率及其综合环境影响也需着重考虑。
  为寻求降低生物天然气成本的有效策略,本研究以参数变化±20%时对总成本的影响为指标,观察指标对总成本的敏感性,结果显示,生物天然气总成本对产气率、秸秆价格等参数较为敏感。排在第一位的是产气率。在产气率提升20%,达到150m3/t的情况下,生物天然气成本可降低至2.18元/m3(抵扣有机肥收益后),下降率达到19.7%;但如果产气率下降20%,生产成本将快速提升,增长13%左右。这主要是由于产气率的高低一方面决定了所需原料的数量,同时原料数量也决定了转化过程中水、电、试剂等物料的投入数量,关系到全过程的物料投入情况。排在第二位的是秸秆价格。当秸秆价格上下浮动20%时,生物天然气生产成本将随之升降,变化率在10%左右。根据敏感性分析可知,降低生物天然氣生产成本最为有效的途径是提高厌氧发酵效率,提升生物天然气产气率。假定其他条件不变,当秸秆产气率达到160m3/t以上时,生物天然气成本可与北京、上海等地的石化天然气基站价格竞争;当产气率达到250m3/t以上时才能与新疆石化天然气基站价格竞争。但若在山东省布设项目,产气率需达到175m3/t以上才有可能与石化天然气基站价格竞争。
  四、结论与建议
  生物天然气是目前发展最为迅速的生物能源,但由于其生产技术和产业发展模式各方面均不是完全成熟,导致现阶段生物天然气生产成本仍较高,扣除副产品效益之后,仍可达2.7元/m3左右。与石化天然气0.8—1.2元/m3的开采成本或入境进口成本相比,生物天然气无法进行产业竞争,因此,必须深入推进生物天然气全产业链条式发展,并依靠财政补贴或税费优惠等措施进行扶持。对生物天然气生产成本最为敏感的影响因素是产气率和秸秆价格。据此可看出,加大研发投入、提升秸秆发酵效率、获得更高的秸秆产气量,是目前降低生物天然气生产成本最关键的途径;同时,还需根据市场行情探索更为稳妥的秸秆收储运模式,保证稳定的原料供应渠道和市场价格。
  此外,为推动生物天然气产业持续快速发展,提出以下几点建议。(1)科学规划产业链条与生产布局,严格执行行业准许审核。随着《指导意见》的实施,生物天然气产业将迎来井喷式发展,必须依据区域资源条件、市场条件、交通运输等多种因素,科学进行空间布局规划与评价,合理进行项目审批,严防冒进上马,避免原料市场出现激烈竞争。(2)建立多元化灵活的财税扶持制度。在项目建设期设置基建补贴,在运营期根据入网气量进行产品差价补贴,在化石能源利用领域征收环保税、碳税;还可鼓励企业加入碳市场,以碳交易方式提升产业经济效益。(3)加大技术研发和产业化示范力度。优化生物天然气产业链条中的各项工艺参数,提升秸秆产气率。
  参考文献:
  [1]  李砚飞,厚汝丽,潘洪战,等.秸秆沼气产业化综合利用模式的探讨——以青县模式为例[J].食品与发酵工业,2018,44(6):277-280.
  [2]  王建萍,冯连勇.基于我国生物天然气项目的补贴政策模拟分析[J].再生资源与循环经济,2018,11(8):13-15.
  [3]  王利军.生物天然气工艺技术研究与应用[J].再生资源与循环经济,2019,12(11):38-42.
  [4]  梁靓.生物质能源的成本分析——以燃料乙醇为例[D].南京:南京林业大学,2008.
  [5]  陈恒杰.稻草秸秆干发酵产沼气的生命周期评价[D].昆明:昆明理工大学,2013.
  [6]  田晓艳.沼气提纯生产生物甲烷的主要技术及其优缺点[J].现代农业,2017,(6):68-69.
  [7]  俞建良,熊强,刘晓峰,等.我国秸秆沼气行业发展模式探讨[J].中国沼气,2019,37(6):74-79.
  [8]  吴媛媛,常旭宁,张佳维.基于LCA方法的秸秆沼气发电和制备生物天然气的环境排放评价[J].中国沼气,2020,38(1):59-65.

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