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(jì)研究所，蘭州730020)

　　摘要：農(nóng)村戶用沼氣工程是中國(guó)可再生能源建設(shè)的重點(diǎn)項(xiàng)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(shì)。該文根據(jù)國(guó)際通用的減排量計(jì)算方法，對(duì)中國(guó)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(jìn)行了計(jì)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(wàn)t，減少SO₂排放2.13～6.20萬(wàn)t。通過(guò)對(duì)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(cè)，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(lái)源于人類活動(dòng)，過(guò)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(guó)目前每年CO2的排放量已占全球總排放量的13%以上^[2]，同時(shí)以煤炭為主的能源消費(fèi)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(guó)家農(nóng)村能源和環(huán)境問題已經(jīng)成為國(guó)際能源環(huán)境問題的一個(gè)重要組成部分。中國(guó)農(nóng)村社會(huì)經(jīng)濟(jì)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(guó)農(nóng)村商品能源的消費(fèi)水平很低，家庭能源消費(fèi)大多數(shù)是非商品能源，且以當(dāng)?shù)乜色@得的生物質(zhì)能源為主，生物質(zhì)能在中國(guó)近年的農(nóng)村能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)中約占15%以上[2]，而生物質(zhì)在燃燒過(guò)程中通常會(huì)排放大量的CO₂和其他有害氣體。近些年來(lái)，國(guó)家加強(qiáng)了對(duì)可再生能源的開發(fā)建設(shè)力度，以緩解中國(guó)農(nóng)村能源供需緊張的狀況和由此帶來(lái)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(duì)中國(guó)農(nóng)村戶用沼氣工程建設(shè)對(duì)減排CO₂和SO₂的貢獻(xiàn)進(jìn)行分析及預(yù)測(cè)，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(jī)廢棄物進(jìn)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(wú)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(shí)現(xiàn)持續(xù)生產(chǎn)。利用沼氣高發(fā)熱率的特點(diǎn)，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(guó)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(guó)農(nóng)村生活能源消費(fèi)及戶用沼氣的發(fā)展

　　1.1農(nóng)村生活能源消費(fèi)現(xiàn)狀

　　農(nóng)村家庭生活用能與當(dāng)?shù)刭Y源的種類、可獲得量、經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平及商品能源的供給密切相關(guān)。中國(guó)農(nóng)村家庭能源消費(fèi)約占國(guó)家一次性能源消費(fèi)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(guò)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(jī)質(zhì)下降等現(xiàn)象。近年來(lái)中國(guó)農(nóng)村生活能源消費(fèi)情況，見表1。

　　中國(guó)是世界上少數(shù)幾個(gè)以煤為主要能源的國(guó)家，煤炭的消費(fèi)量占能源消費(fèi)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(fèi)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(duì)商品能源的需求日益增加，煤炭消費(fèi)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(fèi)量分別為14144.29萬(wàn)t和22038.32萬(wàn)t，折標(biāo)準(zhǔn)煤10099萬(wàn)t和15735萬(wàn)t，以年均7.67%的速度增長(zhǎng)，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(fèi)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(guó)大氣污染的主要污染物，近年來(lái)全國(guó)酸雨區(qū)面積約占國(guó)土面積的30%，而且有逐步蔓延的趨勢(shì)。據(jù)估算，全國(guó)每年因酸雨造成的直接經(jīng)濟(jì)損失約為當(dāng)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(jì)90年代以來(lái)，在發(fā)酵原料充足、用能分散的中國(guó)農(nóng)村地區(qū)，戶用沼氣建設(shè)發(fā)展迅速，為中國(guó)農(nóng)村能源、環(huán)境和經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展做出了貢獻(xiàn)。1996年全國(guó)農(nóng)村戶用沼氣為489.12萬(wàn)戶，經(jīng)過(guò)7年的推廣應(yīng)用，到2003年發(fā)展到1228.60萬(wàn)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(wàn)m3和460590.27萬(wàn)m³，折標(biāo)準(zhǔn)煤113.20萬(wàn)t和330.21萬(wàn)t^[4]，戶均年產(chǎn)氣量達(dá)400m³，沼氣消費(fèi)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(shí)的熱效率一般可以達(dá)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(hù)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(fèi)結(jié)構(gòu)，見表2。

　　2中國(guó)農(nóng)村戶用沼氣建設(shè)對(duì)減排CO₂和SO₂的貢獻(xiàn)

　　2.1 CO₂和SO₂排放量的計(jì)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(jì)算方法為依據(jù)，計(jì)算了中國(guó)農(nóng)村戶用沼氣工程建設(shè)帶來(lái)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(jì)算方法為

　　2.2中國(guó)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(jì)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(jì)算得出的中國(guó)農(nóng)村生活用能的CO₂和SO₂排放量，見表3。

　　1996至2003年間，中國(guó)農(nóng)村秸稈、薪柴和煤炭在傳統(tǒng)消費(fèi)方式下所排放的CO2年均分別為37314.58萬(wàn)t、24054.11萬(wàn)t和26461.64萬(wàn)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(guó)生活用能SO₂排放量已由1998的497.00萬(wàn)t下降至2003年的367.30萬(wàn)t^[10]，但是在農(nóng)村因煤炭消費(fèi)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(zhǎng)，由1998年的215.75萬(wàn)t增加至2003年的295.47萬(wàn)t，分別占全國(guó)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(wàn)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(wàn)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(jì)性僅次于液化石油氣。若不計(jì)沼氣燃燒時(shí)的熱轉(zhuǎn)換效率和沼氣灶的熱效率損失，根據(jù)中國(guó)農(nóng)村生物質(zhì)能源的消費(fèi)情況和本文2.1采用的計(jì)算方法，利用各種能源折標(biāo)煤的系數(shù)，即沼氣、秸稈、薪柴和煤炭的折標(biāo)煤系數(shù)分別為標(biāo)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(shí)物量分別為423.94萬(wàn)t、318.41萬(wàn)t和254.73萬(wàn)t，分別占年均能源消費(fèi)量的1.43%、1.93%和1.43%，替代后的CO₂年減排量在39.76～419.39萬(wàn)t，SO₂年減排量在2.13～6.20萬(wàn)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(fèi)的CO₂和SO₂減排量，見表4。

　　盡管農(nóng)村能源的消費(fèi)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(lái)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(wàn)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(wàn)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(wàn)t，占同期農(nóng)村生活年均排放量的1.39%。根據(jù)目前中國(guó)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(dāng)于年均替代薪柴和煤炭的消費(fèi)量分別為127.36萬(wàn)t和152.84萬(wàn)t，分別折標(biāo)準(zhǔn)煤72.78萬(wàn)t和109.17萬(wàn)t，可使炊事時(shí)產(chǎn)生的CO₂年排放量減少69.40～204.34萬(wàn)t，SO₂年排放量減少1.28～3.72萬(wàn)t。沼氣按照上述比例同時(shí)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(biāo)軸表示沼氣折標(biāo)煤量及CO₂減排量，右側(cè)縱坐標(biāo)軸表示SO₂減排量)。

　　2.4未來(lái)沼氣需求及其CO₂和SO₂減排效益預(yù)測(cè)

　　在未來(lái)的幾十年，中國(guó)生物質(zhì)能源的直接消費(fèi)將繼續(xù)下降，秸稈氣化等技術(shù)將得到進(jìn)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(guó)農(nóng)村能源需求預(yù)測(cè)的常規(guī)方案^[12]中各種能源的消費(fèi)情況，預(yù)計(jì)中國(guó)農(nóng)村生活CO₂排放量將從2003年的105163.15萬(wàn)t下降至2010年的85385.58萬(wàn)t、2020年的83767.48萬(wàn)t和2050年的76989.53萬(wàn)t，而SO₂的排放量到2050年將會(huì)增至543.95萬(wàn)t，是2003年的1.84倍。在此預(yù)測(cè)方案中沼氣產(chǎn)氣量到2010、2020和2050年將分別達(dá)到595000、1169000和3500000萬(wàn)m³，分別折標(biāo)準(zhǔn)煤425、835和2500萬(wàn)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(cè)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(wàn)t之間，SO₂年減排量將在7.97～46.90萬(wàn)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(fèi)的減排效益常規(guī)預(yù)測(cè)，見表5。

　　若依據(jù)需求預(yù)測(cè)的加強(qiáng)方案^[12]中各種能源的消費(fèi)情況，到2050年農(nóng)村生活用能中秸稈的消費(fèi)量將降為0，薪柴和煤炭折標(biāo)煤分別降至1434萬(wàn)t、18841萬(wàn)t，預(yù)計(jì)相應(yīng)的CO₂排放量將會(huì)減少到54516.85萬(wàn)t，SO₂排放量相對(duì)于常規(guī)方案下降為366.18萬(wàn)t。在此預(yù)測(cè)方案中，沼氣在2010和2050年的產(chǎn)氣量將分別達(dá)到978600萬(wàn)m³和7378000萬(wàn)m³，折標(biāo)煤分別為699萬(wàn)t和5270萬(wàn)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(wàn)t，SO₂年排放量將減少13.11～98.87萬(wàn)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(fèi)的減排效益加強(qiáng)預(yù)測(cè)情況，見表6。

　　3結(jié)語(yǔ)

　　中國(guó)農(nóng)村人口占全國(guó)人口的絕大多數(shù)，而能源消費(fèi)水平卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于城市，在農(nóng)村生活能源消費(fèi)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(guó)農(nóng)村戶用沼氣池年均產(chǎn)氣量達(dá)255479.695萬(wàn)m³，折標(biāo)準(zhǔn)煤182.41萬(wàn)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(wàn)t，SO₂的年減排量在1.73～6.20萬(wàn)t。預(yù)計(jì)中國(guó)未來(lái)的農(nóng)村戶用沼氣工程建設(shè)將會(huì)給農(nóng)村生態(tài)環(huán)境帶來(lái)更大的減排效益。根據(jù)農(nóng)村生活用能的加強(qiáng)預(yù)測(cè)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(wàn)t，SO₂年排放減少13.11～98.87萬(wàn)t。

　　農(nóng)村戶用沼氣工程建設(shè)可以有效促進(jìn)中國(guó)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(xiàn)，可部分減緩全球變暖的趨勢(shì)。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(guó)應(yīng)加強(qiáng)農(nóng)村戶用沼氣工程的建設(shè)，對(duì)原有沼氣池進(jìn)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(jì)和技術(shù)支持，以促進(jìn)中國(guó)農(nóng)村生產(chǎn)、生活環(huán)境的保護(hù)和改善。

　　[參考文獻(xiàn)]

　　[1]國(guó)家氣候變化對(duì)策協(xié)調(diào)小組辦公室，中國(guó)21世紀(jì)議程管理中心.全球氣候變化-人類面臨的挑戰(zhàn)[M].北京：商務(wù)印書館，2004.

　　[2]戴彥德，任東明.從中國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展所面臨的能源問題看可再生能源發(fā)展的地位和利用[J].可再生能源，2005，2：4-8.

　　[3]王效華，馮禎民.中國(guó)農(nóng)村生物質(zhì)能源消費(fèi)及其對(duì)環(huán)境的影響[J].南京農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2004，27(1)：108-110.

　　[4]中華人民共和國(guó)農(nóng)業(yè)部.中國(guó)農(nóng)業(yè)統(tǒng)計(jì)資料1996-2003[M].北京：中國(guó)農(nóng)業(yè)出版社，1996～2003.

　　[5]中國(guó)農(nóng)村能源年鑒編輯委員會(huì).中國(guó)農(nóng)村能源年鑒1997[Z].北京：中國(guó)農(nóng)業(yè)出版社，1998.

　　[6]中國(guó)農(nóng)村能源年鑒編輯委員會(huì).中國(guó)農(nóng)村能源年鑒1998～1999[Z].北京：中國(guó)農(nóng)業(yè)出版社，1999.

　　[7]張艷麗.中國(guó)農(nóng)村沼氣建設(shè)現(xiàn)狀發(fā)展對(duì)策[J].可再生能源，2004，4：5-8.

　　[8]吳創(chuàng)之，馬隆龍.生物質(zhì)能現(xiàn)代化利用技術(shù)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2003，105-107.

　　[9]王革華.農(nóng)村能源建設(shè)對(duì)減排SO2和CO2貢獻(xiàn)分析方法[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，1999，15(1)：169-172.

　　[10]中國(guó)環(huán)境年鑒編輯委員會(huì).中國(guó)環(huán)境年鑒(2004)[Z].北京：中國(guó)環(huán)境年鑒社，2004.

　　[11]王效華，馮禎民.中國(guó)農(nóng)村家庭能源消費(fèi)研究-消費(fèi)水平與影響因素[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2001，17(5)：88-91.

　　[12]鄧可蘊(yùn)，賀亮.中國(guó)農(nóng)村地區(qū)中長(zhǎng)期能源需求預(yù)測(cè)[J].中國(guó)工程科學(xué)，2000，2(7)：16-21.