中国农村户用沼气工程建设对减排CO2、SO2的贡献

时间：2021-04-08 15:05:24 作者：本站整理来源：网络

张培栋1，2，王刚1

(1.兰州大学生命科学院，兰州730000；2.兰州商学院环境与生态经济研究所，兰州730020)

　　摘要：农村户用沼气工程是中国可再生能源建设的重点项目，可为农村居民生活提供清洁的可再生能源，该工程的建设能减轻农村环境污染，有助于部分缓解全球气候变暖的趋势。该文根据国际通用的减排量计算方法，对中国农村户用沼气替代传统生物质能和煤炭所产生的CO2和SO2的减排量进行了计算分析，为制定农村能源发展战略和农村环境发展规划提供参考。研究结果表明，在1996～2003年间，每年可减少CO2排放39.76～419.39万t，减少SO2排放2.13～6.20万t。通过对2010、2020和2050年沼气替代农村传统能源减排CO2和SO2量的预测，证明农村户用沼气工程的建设可以有效减少CO2和SO2的排放。

　　0引言

　　大气中温室气体的增加主要来源于人类活动，过去20年，全球排放到大气中的CO2有75%是由化石燃料燃烧造成的，此间CO2的年均增加速率是0.4%[1]。中国目前每年CO2的排放量已占全球总排放量的13%以上[2]，同时以煤炭为主的能源消费结构也使SO2排放的年均增加速率在10%以上。发展中国家农村能源和环境问题已经成为国际能源环境问题的一个重要组成部分。中国农村社会经济的发展和农民生活水平的提高依赖于能源的充分供给，但由于中国农村商品能源的消费水平很低，家庭能源消费大多数是非商品能源，且以当地可获得的生物质能源为主，生物质能在中国近年的农村能源消费结构中约占15%以上[2]，而生物质在燃烧过程中通常会排放大量的CO2和其他有害气体。近些年来，国家加强了对可再生能源的开发建设力度，以缓解中国农村能源供需紧张的状况和由此带来的环境压力，努力减少温室气体和有害气体的排放。

　　目前有关此方面的研究尚不成熟，相关研究成果较少。本文对中国农村户用沼气工程建设对减排CO2和SO2的贡献进行分析及预测，为制定农村能源发展战略和农村环境规划提供参考。沼气技术利用日常生活、生产中的有机废弃物进行厌氧发酵，所产气体成分以甲烷为主，使用方便，清洁无污染，其发酵残余物可用于农业生产，是优质的饲料和肥料，而且只要原料充足，条件适宜，就可以实现持续生产。利用沼气高发热率的特点，替代秸秆、薪柴和煤炭作为日常生活燃料，可以减少农村CO2、SO2的排放量，净化室内外空气，降低农村居民患呼吸道疾病的发病率。因此，建设农村户用沼气工程是解决中国农村能源供给问题行之有效的措施之一，也有利于减少农村地区温室气体和有害气体的排放。

　　1中国农村生活能源消费及户用沼气的发展

　　1.1农村生活能源消费现状

　　农村家庭生活用能与当地资源的种类、可获得量、经济发展水平及商品能源的供给密切相关。中国农村家庭能源消费约占国家一次性能源消费的16.7%，广大农村地区由于难以获得商品性能源，农村居民66.7%以上的生活用能依靠传统的生物质能[3]，导致生物质能源的过度消耗，造成了难以逆转的水土流失、生态环境破坏和土壤有机质下降等现象。近年来中国农村生活能源消费情况，见表1。

　　中国是世界上少数几个以煤为主要能源的国家，煤炭的消费量占能源消费总量的70%以上[3]，其中工农业生产占绝大部分，生活消费主要在农村地区。随着农村生活水平的提高，农民对商品能源的需求日益增加，煤炭消费在农村生活用能中所占的比例也逐年上升，但煤炭燃烧排放大量的CO2及SO2等影响环境和人体健康的有害气体。1996年和2002年用于农村生活的煤炭消费量分别为14144.29万t和22038.32万t，折标准煤10099万t和15735万t，以年均7.67%的速度增长，占农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断提高和新能源的广泛应用，农村生活的煤炭消费量与上年相比下降了2.7%[4]。SO2是造成酸雨的主要原因，也是造成中国大气污染的主要污染物，近年来全国酸雨区面积约占国土面积的30%，而且有逐步蔓延的趋势。据估算，全国每年因酸雨造成的直接经济损失约为当年GDP的1%～2%，其潜在的损失可能在4%以上[3]。

　　1.2农村户用沼气的开发与建设

　　20世纪90年代以来，在发酵原料充足、用能分散的中国农村地区，户用沼气建设发展迅速，为中国农村能源、环境和经济的可持续发展做出了贡献。1996年全国农村户用沼气为489.12万户，经过7年的推广应用，到2003年发展到1228.60万户，以年均14.06%的速度增加。1996年和2003年农村户用沼气产气量分别为158644万m3和460590.27万m3，折标准煤113.20万t和330.21万t[4]，户均年产气量达400m3，沼气消费量占农村生活用能的比例由0.33%上升至0.72%。

　　在正常使用的情况下，沼气燃烧时的热效率一般可以达到50%，修建一口8m3的沼气池，可为农民提供80%以上的生活燃料，每年节柴2000kg以上，可保护2331m2的林木免受砍伐，减少水土流失3.2t[7]。沼气灶的出现改变了农村妇女恶劣的炊事环境，沼气灯可以提供日常生活照明。有研究表明，煤炭燃烧造成室内CO、SO2、CO2、TSP的浓度分别比使用沼气的用能方式浓度高出73.94%、83.8%、27%、77%[8]。农村主要生活能源消费结构，见表2。

　　2中国农村户用沼气建设对减排CO2和SO2的贡献

　　2.1 CO2和SO2排放量的计算

　　秸秆、薪柴和煤炭燃烧是农村生活CO2、SO2的主要排放源。本文以王革华等人[9]的CO2、SO2排放量的计算方法为依据，计算了中国农村户用沼气工程建设带来的减排效益，即沼气替代的秸秆、薪柴或煤炭的燃烧排放量与沼气燃烧排放量之差。

　　沼气燃烧的CO2排放量计算方法为

　　2.2中国农村生活用能的CO2、SO2排放现状

　　农村生活中除用于取暖、炊事、烧水和饲养而燃烧的秸秆、薪柴和煤炭外，其它产CO2、SO2的生活用能(液化石油气、天然气、煤气等)仅占农村生活用能总量的0.52%～1.33%，故其燃烧排放的CO2、SO2量在本文中未被计入农村生活用能的总排放量之中。根据2.1采用的方法，计算得出的中国农村生活用能的CO2和SO2排放量，见表3。

　　1996至2003年间，中国农村秸秆、薪柴和煤炭在传统消费方式下所排放的CO2年均分别为37314.58万t、24054.11万t和26461.64万t，大约占农村生活排放量的97%以上，其中秸秆占42%。据调查，全国生活用能SO2排放量已由1998的497.00万t下降至2003年的367.30万t[10]，但是在农村因煤炭消费量的不断增加，SO2的排放量不仅没有减少，反而以每年6.49%的速度增长，由1998年的215.75万t增加至2003年的295.47万t，分别占全国生活SO2排放量的43.41%和80.44%。2003年，用于农村生活的秸秆、薪柴和煤炭的CO2排放量分别为41520.20、29259.36和31874.28万t，占农村生活排放量的比例分别为39.48%、27.82%、30.31%，SO2排放量为287.23万t，占农村生活排放量的97.21%。

　　2.3农村户用沼气的COO2和SO2减排效益分析

　　沼气热值较高，热效率比较稳定，使用方便，其技术经济性仅次于液化石油气。若不计沼气燃烧时的热转换效率和沼气灶的热效率损失，根据中国农村生物质能源的消费情况和本文2.1采用的计算方法，利用各种能源折标煤的系数，即沼气、秸秆、薪柴和煤炭的折标煤系数分别为标煤0.714kg/m3、0.429kg/kg、0.571kg/kg和0.714kg/kg。假设以1996至2003年每年所产的全部沼气分别替代秸秆、薪柴或煤炭作为日常生活用能，则年均净替代秸秆、薪柴或煤炭的实物量分别为423.94万t、318.41万t和254.73万t，分别占年均能源消费量的1.43%、1.93%和1.43%，替代后的CO2年减排量在39.76～419.39万t，SO2年减排量在2.13～6.20万t，占同期农村年生活排放量的比例分别为0.048%～0.40%和1.10%～2.10%。沼气替代农村传统生活能源消费的CO2和SO2减排量，见表4。

　　尽管农村能源的消费结构已发生变化，但炊事仍然是农村家庭用能的主导，占生活用能量的40%～60%[11]。使用沼气的用户，通常以沼气作为炊事燃料替代原来使用的薪柴或煤炭。在1996至2003年间，若用每年所产的全部沼气替代薪柴，则CO2年排放量可以减少98.72～289.78万t，占同期农村生活CO2排放量的0.13%～0.28%；若全部替代煤炭，则CO2年排放量减少49.86～147.39万t，占同期农村生活排放量的0.06%～0.14%；SO2的年均排放量减少3.4万t，占同期农村生活年均排放量的1.39%。根据目前中国农村的日常用能方式，假设此间以40%的沼气替代薪柴，其余60%替代煤炭，相当于年均替代薪柴和煤炭的消费量分别为127.36万t和152.84万t，分别折标准煤72.78万t和109.17万t，可使炊事时产生的CO2年排放量减少69.40～204.34万t，SO2年排放量减少1.28～3.72万t。沼气按照上述比例同时替代薪柴和煤炭的CO2、SO2减排情况，见图1(图中，左侧纵坐标轴表示沼气折标煤量及CO2减排量，右侧纵坐标轴表示SO2减排量)。

　　2.4未来沼气需求及其CO2和SO2减排效益预测

　　在未来的几十年，中国生物质能源的直接消费将继续下降，秸秆气化等技术将得到进一步推广，秸秆等不再作为传统生活燃料直接燃烧。根据中国农村能源需求预测的常规方案[12]中各种能源的消费情况，预计中国农村生活CO2排放量将从2003年的105163.15万t下降至2010年的85385.58万t、2020年的83767.48万t和2050年的76989.53万t，而SO2的排放量到2050年将会增至543.95万t，是2003年的1.84倍。在此预测方案中沼气产气量到2010、2020和2050年将分别达到595000、1169000和3500000万m3，分别折标准煤425、835和2500万t。沼气将被更广泛的应用于农村家庭生活，因秸秆等不再直接燃烧，故不考虑沼气替代秸秆的减排量(下同)，仅分析预测其替代薪柴和煤炭的减排量。据此方案，CO2年减排量，将在187.13～2178.75万t之间，SO2年减排量将在7.97～46.90万t之间，大约占同期农村生活排放量的比例分别为0.22%～2.83%和1.94%～8.62%。农村地区沼气需求及其替代传统生活能源消费的减排效益常规预测，见表5。

　　若依据需求预测的加强方案[12]中各种能源的消费情况，到2050年农村生活用能中秸秆的消费量将降为0，薪柴和煤炭折标煤分别降至1434万t、18841万t，预计相应的CO2排放量将会减少到54516.85万t，SO2排放量相对于常规方案下降为366.18万t。在此预测方案中，沼气在2010和2050年的产气量将分别达到978600万m3和7378000万m3，折标煤分别为699万t和5270万t[12]，若用其替代薪柴和煤炭将使CO2年排放量在40年间减少307.77～4592.80万t，SO2年排放量将减少13.11～98.87万t，分别占同期农村生活排放量的0.39%～8.42%和3.6%～27%。农村地区沼气需求及其替代传统生活能源消费的减排效益加强预测情况，见表6。

　　3结语

　　中国农村人口占全国人口的绝大多数，而能源消费水平却远远低于城市，在农村生活能源消费中，传统的生物质能占60%以上，其燃烧产生的CO2、SO2等有害气体直接威胁到人体健康和环境安全。秸秆、薪柴和煤炭是农村生活的主要能源，每年造成的CO2排放占农村生活排放量的97%以上。1996至2003年间，中国农村户用沼气池年均产气量达255479.695万m3，折标准煤182.41万t。此间用每年所产的全部沼气分别替代秸秆、薪柴或煤炭作为农村家庭日常生活用能，替代后的CO2年减排量在39.76～419.39万t，SO2的年减排量在1.73～6.20万t。预计中国未来的农村户用沼气工程建设将会给农村生态环境带来更大的减排效益。根据农村生活用能的加强预测方案，在2010～2050年间，沼气替代生物质能和煤炭可使CO2年排放减少307.77～4592.80万t，SO2年排放减少13.11～98.87万t。

　　农村户用沼气工程建设可以有效促进中国可再生能源的发展，缓解农村能源需求的压力，为CO2、SO2的减排做出了贡献，可部分减缓全球变暖的趋势。农村户用沼气工程建设有效利用了农村生活、生产中的废弃物，改善了农村居民的生活环境。中国应加强农村户用沼气工程的建设，对原有沼气池进行技术改造，提高产气率，积极引导农户修建沼气池，并为其提供经济和技术支持，以促进中国农村生产、生活环境的保护和改善。

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