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張培棟1，2，王剛1
(1.蘭州大學(xué)生命科學(xué)院，蘭州730000；2.蘭州商學(xué)院環(huán)境與生態(tài)經(jīng)濟研究所，蘭州730020)
摘要：農(nóng)村戶用沼氣工程是中國可再生能源建設(shè)的重點項目，可為農(nóng)村居民生活提供清潔的可再生能源，該工程的建設(shè)能減輕農(nóng)村環(huán)境污染，有助于部分緩解全球氣候變暖的趨勢。該文根據(jù)國際通用的減排量計算方法，對中國農(nóng)村戶用沼氣替代傳統(tǒng)生物質(zhì)能和煤炭所產(chǎn)生的CO2和SO2的減排量進行了計算分析，為制定農(nóng)村能源發(fā)展戰(zhàn)略和農(nóng)村環(huán)境發(fā)展規(guī)劃提供參考。研究結(jié)果表明，在1996～2003年間，每年可減少CO2排放39.76～419.39萬t，減少SO2排放2.13～6.20萬t。通過對2010、2020和2050年沼氣替代農(nóng)村傳統(tǒng)能源減排CO2和SO2量的預(yù)測，證明農(nóng)村戶用沼氣工程的建設(shè)可以有效減少CO2和SO2的排放。
0引言
大氣中溫室氣體的增加主要來源于人類活動，過去20年，全球排放到大氣中的CO2有75%是由化石燃料燃燒造成的，此間CO2的年均增加速率是0.4%[1]。中國目前每年CO2的排放量已占全球總排放量的13%以上[2]，同時以煤炭為主的能源消費結(jié)構(gòu)也使SO2排放的年均增加速率在10%以上。發(fā)展中國家農(nóng)村能源和環(huán)境問題已經(jīng)成為國際能源環(huán)境問題的一個重要組成部分。中國農(nóng)村社會經(jīng)濟的發(fā)展和農(nóng)民生活水平的提高依賴于能源的充分供給，但由于中國農(nóng)村商品能源的消費水平很低，家庭能源消費大多數(shù)是非商品能源，且以當?shù)乜色@得的生物質(zhì)能源為主，生物質(zhì)能在中國近年的農(nóng)村能源消費結(jié)構(gòu)中約占15%以上[2]，而生物質(zhì)在燃燒過程中通常會排放大量的CO2和其他有害氣體。近些年來，國家加強了對可再生能源的開發(fā)建設(shè)力度，以緩解中國農(nóng)村能源供需緊張的狀況和由此帶來的環(huán)境壓力，努力減少溫室氣體和有害氣體的排放。
目前有關(guān)此方面的研究尚不成熟，相關(guān)研究成果較少。本文對中國農(nóng)村戶用沼氣工程建設(shè)對減排CO2和SO2的貢獻進行分析及預(yù)測，為制定農(nóng)村能源發(fā)展戰(zhàn)略和農(nóng)村環(huán)境規(guī)劃提供參考。沼氣技術(shù)利用日常生活、生產(chǎn)中的有機廢棄物進行厭氧發(fā)酵，所產(chǎn)氣體成分以甲烷為主，使用方便，清潔無污染，其發(fā)酵殘余物可用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，是優(yōu)質(zhì)的飼料和肥料，而且只要原料充足，條件適宜，就可以實現(xiàn)持續(xù)生產(chǎn)。利用沼氣高發(fā)熱率的特點，替代秸稈、薪柴和煤炭作為日常生活燃料，可以減少農(nóng)村CO2、SO2的排放量，凈化室內(nèi)外空氣，降低農(nóng)村居民患呼吸道疾病的發(fā)病率。因此，建設(shè)農(nóng)村戶用沼氣工程是解決中國農(nóng)村能源供給問題行之有效的措施之一，也有利于減少農(nóng)村地區(qū)溫室氣體和有害氣體的排放。
1中國農(nóng)村生活能源消費及戶用沼氣的發(fā)展
1.1農(nóng)村生活能源消費現(xiàn)狀
農(nóng)村家庭生活用能與當?shù)刭Y源的種類、可獲得量、經(jīng)濟發(fā)展水平及商品能源的供給密切相關(guān)。中國農(nóng)村家庭能源消費約占國家一次性能源消費的16.7%，廣大農(nóng)村地區(qū)由于難以獲得商品性能源，農(nóng)村居民66.7%以上的生活用能依靠傳統(tǒng)的生物質(zhì)能[3]，導(dǎo)致生物質(zhì)能源的過度消耗，造成了難以逆轉(zhuǎn)的水土流失、生態(tài)環(huán)境破壞和土壤有機質(zhì)下降等現(xiàn)象。近年來中國農(nóng)村生活能源消費情況，見表1。
中國是世界上少數(shù)幾個以煤為主要能源的國家，煤炭的消費量占能源消費總量的70%以上[3]，其中工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)占絕大部分，生活消費主要在農(nóng)村地區(qū)。隨著農(nóng)村生活水平的提高，農(nóng)民對商品能源的需求日益增加，煤炭消費在農(nóng)村生活用能中所占的比例也逐年上升，但煤炭燃燒排放大量的CO2及SO2等影響環(huán)境和人體健康的有害氣體。1996年和2002年用于農(nóng)村生活的煤炭消費量分別為14144.29萬t和22038.32萬t，折標準煤10099萬t和15735萬t，以年均7.67%的速度增長，占農(nóng)村生活用能的比例由29.64%上升到34.70%。2003年，由于能源利用率的不斷提高和新能源的廣泛應(yīng)用，農(nóng)村生活的煤炭消費量與上年相比下降了2.7%[4]。SO2是造成酸雨的主要原因，也是造成中國大氣污染的主要污染物，近年來全國酸雨區(qū)面積約占國土面積的30%，而且有逐步蔓延的趨勢。據(jù)估算，全國每年因酸雨造成的直接經(jīng)濟損失約為當年GDP的1%～2%，其潛在的損失可能在4%以上[3]。
1.2農(nóng)村戶用沼氣的開發(fā)與建設(shè)
20世紀90年代以來，在發(fā)酵原料充足、用能分散的中國農(nóng)村地區(qū)，戶用沼氣建設(shè)發(fā)展迅速，為中國農(nóng)村能源、環(huán)境和經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展做出了貢獻。1996年全國農(nóng)村戶用沼氣為489.12萬戶，經(jīng)過7年的推廣應(yīng)用，到2003年發(fā)展到1228.60萬戶，以年均14.06%的速度增加。1996年和2003年農(nóng)村戶用沼氣產(chǎn)氣量分別為158644萬m3和460590.27萬m3，折標準煤113.20萬t和330.21萬t[4]，戶均年產(chǎn)氣量達400m3，沼氣消費量占農(nóng)村生活用能的比例由0.33%上升至0.72%。
在正常使用的情況下，沼氣燃燒時的熱效率一般可以達到50%，修建一口8m3的沼氣池，可為農(nóng)民提供80%以上的生活燃料，每年節(jié)柴2000kg以上，可保護2331m2的林木免受砍伐，減少水土流失3.2t[7]。沼氣灶的出現(xiàn)改變了農(nóng)村婦女惡劣的炊事環(huán)境，沼氣燈可以提供日常生活照明。有研究表明，煤炭燃燒造成室內(nèi)CO、SO2、CO2、TSP的濃度分別比使用沼氣的用能方式濃度高出73.94%、83.8%、27%、77%[8]。農(nóng)村主要生活能源消費結(jié)構(gòu)，見表2。
2中國農(nóng)村戶用沼氣建設(shè)對減排CO2和SO2的貢獻
2.1 CO2和SO2排放量的計算
秸稈、薪柴和煤炭燃燒是農(nóng)村生活CO2、SO2的主要排放源。本文以王革華等人[9]的CO2、SO2排放量的計算方法為依據(jù)，計算了中國農(nóng)村戶用沼氣工程建設(shè)帶來的減排效益，即沼氣替代的秸稈、薪柴或煤炭的燃燒排放量與沼氣燃燒排放量之差。
沼氣燃燒的CO2排放量計算方法為
2.2中國農(nóng)村生活用能的CO2、SO2排放現(xiàn)狀
農(nóng)村生活中除用于取暖、炊事、燒水和飼養(yǎng)而燃燒的秸稈、薪柴和煤炭外，其它產(chǎn)CO2、SO2的生活用能(液化石油氣、天然氣、煤氣等)僅占農(nóng)村生活用能總量的0.52%～1.33%，故其燃燒排放的CO2、SO2量在本文中未被計入農(nóng)村生活用能的總排放量之中。根據(jù)2.1采用的方法，計算得出的中國農(nóng)村生活用能的CO2和SO2排放量，見表3。
1996至2003年間，中國農(nóng)村秸稈、薪柴和煤炭在傳統(tǒng)消費方式下所排放的CO2年均分別為37314.58萬t、24054.11萬t和26461.64萬t，大約占農(nóng)村生活排放量的97%以上，其中秸稈占42%。據(jù)調(diào)查，全國生活用能SO2排放量已由1998的497.00萬t下降至2003年的367.30萬t[10]，但是在農(nóng)村因煤炭消費量的不斷增加，SO2的排放量不僅沒有減少，反而以每年6.49%的速度增長，由1998年的215.75萬t增加至2003年的295.47萬t，分別占全國生活SO2排放量的43.41%和80.44%。2003年，用于農(nóng)村生活的秸稈、薪柴和煤炭的CO2排放量分別為41520.20、29259.36和31874.28萬t，占農(nóng)村生活排放量的比例分別為39.48%、27.82%、30.31%，SO2排放量為287.23萬t，占農(nóng)村生活排放量的97.21%。
2.3農(nóng)村戶用沼氣的COO2和SO2減排效益分析
沼氣熱值較高，熱效率比較穩(wěn)定，使用方便，其技術(shù)經(jīng)濟性僅次于液化石油氣。若不計沼氣燃燒時的熱轉(zhuǎn)換效率和沼氣灶的熱效率損失，根據(jù)中國農(nóng)村生物質(zhì)能源的消費情況和本文2.1采用的計算方法，利用各種能源折標煤的系數(shù)，即沼氣、秸稈、薪柴和煤炭的折標煤系數(shù)分別為標煤0.714kg/m3、0.429kg/kg、0.571kg/kg和0.714kg/kg。假設(shè)以1996至2003年每年所產(chǎn)的全部沼氣分別替代秸稈、薪柴或煤炭作為日常生活用能，則年均凈替代秸稈、薪柴或煤炭的實物量分別為423.94萬t、318.41萬t和254.73萬t，分別占年均能源消費量的1.43%、1.93%和1.43%，替代后的CO2年減排量在39.76～419.39萬t，SO2年減排量在2.13～6.20萬t，占同期農(nóng)村年生活排放量的比例分別為0.048%～0.40%和1.10%～2.10%。沼氣替代農(nóng)村傳統(tǒng)生活能源消費的CO2和SO2減排量，見表4。
盡管農(nóng)村能源的消費結(jié)構(gòu)已發(fā)生變化，但炊事仍然是農(nóng)村家庭用能的主導(dǎo)，占生活用能量的40%～60%[11]。使用沼氣的用戶，通常以沼氣作為炊事燃料替代原來使用的薪柴或煤炭。在1996至2003年間，若用每年所產(chǎn)的全部沼氣替代薪柴，則CO2年排放量可以減少98.72～289.78萬t，占同期農(nóng)村生活CO2排放量的0.13%～0.28%；若全部替代煤炭，則CO2年排放量減少49.86～147.39萬t，占同期農(nóng)村生活排放量的0.06%～0.14%；SO2的年均排放量減少3.4萬t，占同期農(nóng)村生活年均排放量的1.39%。根據(jù)目前中國農(nóng)村的日常用能方式，假設(shè)此間以40%的沼氣替代薪柴，其余60%替代煤炭，相當于年均替代薪柴和煤炭的消費量分別為127.36萬t和152.84萬t，分別折標準煤72.78萬t和109.17萬t，可使炊事時產(chǎn)生的CO2年排放量減少69.40～204.34萬t，SO2年排放量減少1.28～3.72萬t。沼氣按照上述比例同時替代薪柴和煤炭的CO2、SO2減排情況，見圖1(圖中，左側(cè)縱坐標軸表示沼氣折標煤量及CO2減排量，右側(cè)縱坐標軸表示SO2減排量)。
2.4未來沼氣需求及其CO2和SO2減排效益預(yù)測
在未來的幾十年，中國生物質(zhì)能源的直接消費將繼續(xù)下降，秸稈氣化等技術(shù)將得到進一步推廣，秸稈等不再作為傳統(tǒng)生活燃料直接燃燒。根據(jù)中國農(nóng)村能源需求預(yù)測的常規(guī)方案[12]中各種能源的消費情況，預(yù)計中國農(nóng)村生活CO2排放量將從2003年的105163.15萬t下降至2010年的85385.58萬t、2020年的83767.48萬t和2050年的76989.53萬t，而SO2的排放量到2050年將會增至543.95萬t，是2003年的1.84倍。在此預(yù)測方案中沼氣產(chǎn)氣量到2010、2020和2050年將分別達到595000、1169000和3500000萬m3，分別折標準煤425、835和2500萬t。沼氣將被更廣泛的應(yīng)用于農(nóng)村家庭生活，因秸稈等不再直接燃燒，故不考慮沼氣替代秸稈的減排量(下同)，僅分析預(yù)測其替代薪柴和煤炭的減排量。據(jù)此方案，CO2年減排量，將在187.13～2178.75萬t之間，SO2年減排量將在7.97～46.90萬t之間，大約占同期農(nóng)村生活排放量的比例分別為0.22%～2.83%和1.94%～8.62%。農(nóng)村地區(qū)沼氣需求及其替代傳統(tǒng)生活能源消費的減排效益常規(guī)預(yù)測，見表5。
若依據(jù)需求預(yù)測的加強方案[12]中各種能源的消費情況，到2050年農(nóng)村生活用能中秸稈的消費量將降為0，薪柴和煤炭折標煤分別降至1434萬t、18841萬t，預(yù)計相應(yīng)的CO2排放量將會減少到54516.85萬t，SO2排放量相對于常規(guī)方案下降為366.18萬t。在此預(yù)測方案中，沼氣在2010和2050年的產(chǎn)氣量將分別達到978600萬m3和7378000萬m3，折標煤分別為699萬t和5270萬t[12]，若用其替代薪柴和煤炭將使CO2年排放量在40年間減少307.77～4592.80萬t，SO2年排放量將減少13.11～98.87萬t，分別占同期農(nóng)村生活排放量的0.39%～8.42%和3.6%～27%。農(nóng)村地區(qū)沼氣需求及其替代傳統(tǒng)生活能源消費的減排效益加強預(yù)測情況，見表6。
3結(jié)語
中國農(nóng)村人口占全國人口的絕大多數(shù)，而能源消費水平卻遠遠低于城市，在農(nóng)村生活能源消費中，傳統(tǒng)的生物質(zhì)能占60%以上，其燃燒產(chǎn)生的CO2、SO2等有害氣體直接威脅到人體健康和環(huán)境安全。秸稈、薪柴和煤炭是農(nóng)村生活的主要能源，每年造成的CO2排放占農(nóng)村生活排放量的97%以上。1996至2003年間，中國農(nóng)村戶用沼氣池年均產(chǎn)氣量達255479.695萬m3，折標準煤182.41萬t。此間用每年所產(chǎn)的全部沼氣分別替代秸稈、薪柴或煤炭作為農(nóng)村家庭日常生活用能，替代后的CO2年減排量在39.76～419.39萬t，SO2的年減排量在1.73～6.20萬t。預(yù)計中國未來的農(nóng)村戶用沼氣工程建設(shè)將會給農(nóng)村生態(tài)環(huán)境帶來更大的減排效益。根據(jù)農(nóng)村生活用能的加強預(yù)測方案，在2010～2050年間，沼氣替代生物質(zhì)能和煤炭可使CO2年排放減少307.77～4592.80萬t，SO2年排放減少13.11～98.87萬t。
農(nóng)村戶用沼氣工程建設(shè)可以有效促進中國可再生能源的發(fā)展，緩解農(nóng)村能源需求的壓力，為CO2、SO2的減排做出了貢獻，可部分減緩全球變暖的趨勢。農(nóng)村戶用沼氣工程建設(shè)有效利用了農(nóng)村生活、生產(chǎn)中的廢棄物，改善了農(nóng)村居民的生活環(huán)境。中國應(yīng)加強農(nóng)村戶用沼氣工程的建設(shè)，對原有沼氣池進行技術(shù)改造，提高產(chǎn)氣率，積極引導(dǎo)農(nóng)戶修建沼氣池，并為其提供經(jīng)濟和技術(shù)支持，以促進中國農(nóng)村生產(chǎn)、生活環(huán)境的保護和改善。
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