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張培棟1，2，王剛1
(1.蘭州大學生命科學院，蘭州730000；2.蘭州商學院環境與生態經濟研究所，蘭州730020)
摘要：農村戶用沼氣工程是中國可再生能源建設的重點項目，可為農村居民生活提供清潔的可再生能源，該工程的建設能減輕農村環境污染，有助于部分緩解全球氣候變暖的趨勢。該文根據國際通用的減排量計算方法，對中國農村戶用沼氣替代傳統生物質能和煤炭所產生的CO2和SO2的減排量進行了計算分析，為制定農村能源發展戰略和農村環境發展規劃提供參考。研究結果表明，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年沼氣替代農村傳統能源減排CO2和SO2量的預測，證明農村戶用沼氣工程的建設可以有效減少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構也使SO2排放的年均增加速率在10%以上。發展中國家農村能源和環境問題已經成為國際能源環境問題的一個重要組成部分。中國農村社會經濟的發展和農民生活水平的提高依賴于能源的充分供給，但由于中國農村商品能源的消費水平很低，家庭能源消費大多數是非商品能源，且以當地可獲得的生物質能源為主，生物質能在中國近年的農村能源消費結構中約占15%以上[2]，而生物質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建設力度，以緩解中國農村能源供需緊張的狀況和由此帶來的環境壓力，努力減少溫室氣體和有害氣體的排放。
目前有關此方面的研究尚不成熟，相關研究成果較少。本文對中國農村戶用沼氣工程建設對減排CO2和SO2的貢獻進行分析及預測，為制定農村能源發展戰略和農村環境規劃提供參考。沼氣技術利用日常生活、生產中的有機廢棄物進行厭氧發酵，所產氣體成分以甲烷為主，使用方便，清潔無污染，其發酵殘余物可用于農業生產，是優質的飼料和肥料，而且只要原料充足，條件適宜，就可以實現持續生產。利用沼氣高發熱率的特點，替代秸稈、薪柴和煤炭作為日常生活燃料，可以減少農村CO2、SO2的排放量，凈化室內外空氣，降低農村居民患呼吸道疾病的發病率。因此，建設農村戶用沼氣工程是解決中國農村能源供給問題行之有效的措施之一，也有利于減少農村地區溫室氣體和有害氣體的排放。
1中國農村生活能源消費及戶用沼氣的發展
1.1農村生活能源消費現狀
農村家庭生活用能與當地資源的種類、可獲得量、經濟發展水平及商品能源的供給密切相關。中國農村家庭能源消費約占國家一次性能源消費的16.7%，廣大農村地區由于難以獲得商品性能源，農村居民66.7%以上的生活用能依靠傳統的生物質能[3]，導致生物質能源的過度消耗，造成了難以逆轉的水土流失、生態環境破壞和土壤有機質下降等現象。近年來中國農村生活能源消費情況，見表1。
中國是世界上少數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]，其中工農業生產占絕大部分，生活消費主要在農村地區。隨著農村生活水平的提高，農民對商品能源的需求日益增加，煤炭消費在農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等影響環境和人體健康的有害氣體。1996年和2002年用于農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用，農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，近年來全國酸雨區面積約占國土面積的30%，而且有逐步蔓延的趨勢。據估算，全國每年因酸雨造成的直接經濟損失約為當年GDP的1%～2%，其潛在的損失可能在4%以上[3]。
1.2農村戶用沼氣的開發與建設
20世紀90年代以來，在發酵原料充足、用能分散的中國農村地區，戶用沼氣建設發展迅速，為中國農村能源、環境和經濟的可持續發展做出了貢獻。1996年全國農村戶用沼氣為489.12萬戶，經過7年的推廣應用，到2003年發展到1228.60萬戶，以年均14.06%的速度增加。1996年和2003年農村戶用沼氣產氣量分別為158644萬m3和460590.27萬m3，折標準煤113.20萬t和330.21萬t[4]，戶均年產氣量達400m3，沼氣消費量占農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，可為農民提供80%以上的生活燃料，每年節柴2000kg以上，可保護2331m2的林木免受砍伐，減少水土流失3.2t[7]。沼氣灶的出現改變了農村婦女惡劣的炊事環境，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]。農村主要生活能源消費結構，見表2。
2中國農村戶用沼氣建設對減排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，計算了中國農村戶用沼氣工程建設帶來的減排效益，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中國農村生活用能的CO2、SO2排放現狀
農村生活中除用于取暖、炊事、燒水和飼養而燃燒的秸稈、薪柴和煤炭外，其它產CO2、SO2的生活用能(液化石油氣、天然氣、煤氣等)僅占農村生活用能總量的0.52%～1.33%，故其燃燒排放的CO2、SO2量在本文中未被計入農村生活用能的總排放量之中。根據2.1采用的方法，計算得出的中國農村生活用能的CO2和SO2排放量，見表3。
1996至2003年間，中國農村秸稈、薪柴和煤炭在傳統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，大約占農村生活排放量的97%以上，其中秸稈占42%。據調查，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，占農村生活排放量的97.21%。
2.3農村戶用沼氣的COO2和SO2減排效益分析
沼氣熱值較高，熱效率比較穩定，使用方便，其技術經濟性僅次于液化石油氣。若不計沼氣燃燒時的熱轉換效率和沼氣灶的熱效率損失，根據中國農村生物質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，即沼氣、秸稈、薪柴和煤炭的折標煤系數分別為標煤0.714kg/m3、0.429kg/kg、0.571kg/kg和0.714kg/kg。假設以1996至2003年每年所產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%。沼氣替代農村傳統生活能源消費的CO2和SO2減排量，見表4。
盡管農村能源的消費結構已發生變化，但炊事仍然是農村家庭用能的主導，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，占同期農村生活年均排放量的1.39%。根據目前中國農村的日常用能方式，假設此間以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，左側縱坐標軸表示沼氣折標煤量及CO2減排量，右側縱坐標軸表示SO2減排量)。
2.4未來沼氣需求及其CO2和SO2減排效益預測
在未來的幾十年，中國生物質能源的直接消費將繼續下降，秸稈氣化等技術將得到進一步推廣，秸稈等不再作為傳統生活燃料直接燃燒。根據中國農村能源需求預測的常規方案[12]中各種能源的消費情況，預計中國農村生活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。在此預測方案中沼氣產氣量到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用于農村家庭生活，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)，僅分析預測其替代薪柴和煤炭的減排量。據此方案，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，大約占同期農村生活排放量的比例分別為0.22%～2.83%和1.94%～8.62%。農村地區沼氣需求及其替代傳統生活能源消費的減排效益常規預測，見表5。
若依據需求預測的加強方案[12]中各種能源的消費情況，到2050年農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，預計相應的CO2排放量將會減少到54516.85萬t，SO2排放量相對于常規方案下降為366.18萬t。在此預測方案中，沼氣在2010和2050年的產氣量將分別達到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，分別占同期農村生活排放量的0.39%～8.42%和3.6%～27%。農村地區沼氣需求及其替代傳統生活能源消費的減排效益加強預測情況，見表6。
3結語
中國農村人口占全國人口的絕大多數，而能源消費水平卻遠遠低于城市，在農村生活能源消費中，傳統的生物質能占60%以上，其燃燒產生的CO2、SO2等有害氣體直接威脅到人體健康和環境安全。秸稈、薪柴和煤炭是農村生活的主要能源，每年造成的CO2排放占農村生活排放量的97%以上。1996至2003年間，中國農村戶用沼氣池年均產氣量達255479.695萬m3，折標準煤182.41萬t。此間用每年所產的全部沼氣分別替代秸稈、薪柴或煤炭作為農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。預計中國未來的農村戶用沼氣工程建設將會給農村生態環境帶來更大的減排效益。根據農村生活用能的加強預測方案，在2010～2050年間，沼氣替代生物質能和煤炭可使CO2年排放減少307.77～4592.80萬t，SO2年排放減少13.11～98.87萬t。
農村戶用沼氣工程建設可以有效促進中國可再生能源的發展，緩解農村能源需求的壓力，為CO2、SO2的減排做出了貢獻，可部分減緩全球變暖的趨勢。農村戶用沼氣工程建設有效利用了農村生活、生產中的廢棄物，改善了農村居民的生活環境。中國應加強農村戶用沼氣工程的建設，對原有沼氣池進行技術改造，提高產氣率，積極引導農戶修建沼氣池，并為其提供經濟和技術支持，以促進中國農村生產、生活環境的保護和改善。
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