本文主要采集了2010~2018年发表的中国废弃生物质能源化利用经济效益文献数据,分析了10种能源转化途径的成本、收入和利润。其中,6种废弃生物质能源转化途径表现盈利。作物秸秆生产固体成型燃料的成本利润率最高,达46.59%;其次为畜禽粪便生产沼气、秸秆直燃发电以及作物秸秆气化发电,成本利润率分别为41.88%、40.85%和38.89%;第三为林业剩余物生产固体成型燃料,成本利润率为17.84%;最后为废弃油脂制生物柴油略微盈利,成本利润率是6.01%。另外4种途径则亏损,作物秸秆、餐饮垃圾和污水污泥生产沼气亏损最严重,成本利润率分别为−41.50%,−39.63%和−35.90%;作物秸秆生产燃料乙醇亏损较少,成本利润率为−18.17%。综上,建议优化国家配套政策,加强废弃生物质能源化技术研发和创新,促进生物质能源行业健康发展。 Based on data from the Chinese literature for 2010~2018 on the economic benefit of bio-waste conversions to energy, the cost, income, and profit for the 10 pathways of bio-waste conversions to energy were analysed. 6 out of the 10 pathways are profitable. The pathway of crop residue conversion to pellet fuel exhibits the highest profit-to-cost ratio (46.59%), followed by the conversions of animal manure digestion for biogas, crop residue direct combustion for electricity and crop residue gasification for electricity, with the ratios of 41.88%, 40.85% and 38.89%, respectively. The ratios for the pathways of pellet fuel production from forestry residue and conversion of waste oil to biodiesel are 17.84% and 6.01%. The other 4 pathways incur a deficit. The conversion from crop residue, restaurant waste and sewage sludge to biogas all display a heavy economic loss, with the ratios of −41.50%, −39.63%, and −35.90%, and the conversion of crop residue to ethanol has a slightly better ratio of −18.17%. Based on the findings, it is suggested to strengthen further technical know-how research and innovations, and optimize policy interventions, in order to promote a healthy development of the bio-waste conversions to energy industries.
张祎旋1,2*,傅童成1,2,周方圆1,2,李蒙1,2,周圣坤2,3#,谢光辉1,2
1中国农业大学农学院,北京
2国家能源非粮生物质原料研发中心,北京
3中国农业大学人文与发展学院,北京
收稿日期:2020年3月30日;录用日期:2020年4月17日;发布日期:2020年4月24日
本文主要采集了2010~2018年发表的中国废弃生物质能源化利用经济效益文献数据,分析了10种能源转化途径的成本、收入和利润。其中,6种废弃生物质能源转化途径表现盈利。作物秸秆生产固体成型燃料的成本利润率最高,达46.59%;其次为畜禽粪便生产沼气、秸秆直燃发电以及作物秸秆气化发电,成本利润率分别为41.88%、40.85%和38.89%;第三为林业剩余物生产固体成型燃料,成本利润率为17.84%;最后为废弃油脂制生物柴油略微盈利,成本利润率是6.01%。另外4种途径则亏损,作物秸秆、餐饮垃圾和污水污泥生产沼气亏损最严重,成本利润率分别为−41.50%,−39.63%和−35.90%;作物秸秆生产燃料乙醇亏损较少,成本利润率为−18.17%。综上,建议优化国家配套政策,加强废弃生物质能源化技术研发和创新,促进生物质能源行业健康发展。
关键词 :畜禽粪便,餐饮垃圾,污水污泥,燃料乙醇,生物柴油,成型燃料,沼气
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废弃生物质种类多、资源丰富 [
本研究针对作物秸秆、林业剩余物、畜禽粪便、餐饮垃圾、废弃油脂和污水污泥等废弃生物质,分析了10种能源化利用途径的经济效益,包括秸秆生产燃料乙醇、生产成型燃料、直燃发电、气化发电、生产沼气,以及林业剩余物加工成型燃料、畜禽粪便生产沼气、餐饮垃圾生产沼气和生物柴油、污水污泥生产沼气。经济效益参考技术经济学定义,成本包括原料成本和生产运营成本。原料成本为生产中购买废弃生物质原料及收储运成本,生产运营成本为能源转化过程中的生产费用和期间费用。期间费用是指与生产直接相关的固定资产折旧、管理费用、财务费用和销售费用 [
本文通过文献查阅获得中国企业实例或模拟研究报道,主要从2010~2018年间发表和出版的原创性研究报道中采集原料成本、运营成本、收入和利润数据。为了保证数据的准确性和科学性,按以下规则筛选文献:1) 所报道的废弃生物质能源化利用研究范围符合本文的研究范围;2) 所用的技术经济学定义符合本文所述定义;3) 废弃生物质原料可收集性较好,能源产品已规模化或有规模化生产潜力,生产工艺有代表性;4) 经济分析数据完整且合理。
目前,国内纤维素乙醇尚处于产业化前期研究阶段 [
工艺和研究方法 | 生产规模(t/年) | 原料成本(元/t) | 运营成本(元/t) | 总成本(元/t) | 收入(元/t) | 利润(元/t) | 数据来源 |
---|---|---|---|---|---|---|---|
稀酸–模拟 | 35,000 | 4400 | 8100 | 12,500 | 6733 | −5767 | [ |
稀酸–模拟 | 75,000 | 2800 | 5236 | 8036 | 6733 | −1303 | [ |
稀酸–模拟 | 37,000 | 2800 | 6734 | 9534 | 6733 | −2801 | [ |
稀酸–模拟 | 50,000 | 3600 | 4825 | 8425 | 8676 | 251 | [ |
稀酸–中试模拟 | 300 | 1550 | 5835 | 7385 | 7224 | −161 | [ |
汽爆–中试模拟 | 300 | 1445 | 5620 | 7065 | 7224 | 159 | [ |
平均 | 2765.83 | 6058.33 | 8824.17 | 7220.50 | −1603.67 |
表1. 玉米秸秆以酶解法生产燃料乙醇的经济效益(基于每t燃料乙醇)
共查到具有数据的相关文献7篇(见表2)。对于年产2万t成型燃料来说,其年利润为194万元,约3年收回投资 [
原料 | 研究方法 | 生产规模(t/年) | 原料成本(元/t) | 运营成本(元/t) | 总成本(元/t) | 收入(元/t) | 利润(元/t) | 数据来源 |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|
玉米秸秆 | 模拟 | 2500 | 59 | 95 | 154 | 500 | 346 | [ |
秸秆 | 模拟 | 50,000 | 136 | 154 | 290 | 400 | 110 | [ |
秸秆 | 模拟 | 20,000 | 155 | 148 | 303 | 400 | 97 | [ |
秸秆 | 模拟 | 1015 | 111 | 143 | 254 | n/a | n/a | [ |
玉米秸秆 | 模拟 | 10,000 | 100 | 223 | 323 | 480 | 157 | [ |
玉米秸秆 | 模拟 | 10,000 | 135 | 215.5 | 350.5 | 500 | 149.5 | [ |
秸秆 | 实例 + 模拟 | 9000 | 325 | 260.1 | 585.1 | 660 | 74.9 | [ |
平均 | 151.67 | 182.60 | 334.27 | 490.00 | 155.73 |
表2. 秸秆生产成型燃料的经济效益(基于每t成型燃料)
n/a:原文献中未见该数据,计算利润平均值未考虑该文献数据。
秸秆直燃发电的利润范围为0.07~0.36元/kW·h,平均利润为0.19元/kW·h (见表3)。其中,马秋颖 [
原料 | 研究方法 | 装机容量 (MW) | 原料成本 (元/kW·h) | 运营成本 (元/kW·h) | 总成本 (元/kW·h) | 收入 (元/kW·h) | 利润 (元/kW·h) | 数据来源 |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|
玉米秸秆 | 实例 | 30 | 0.38 | 0.30 | 0.68 | 0.75 | 0.07 | [ |
混合秸秆 | 模拟 | 24 | 0.27 | 0.21 | 0.48 | 0.75 | 0.27 | [ |
秸秆 | 模拟 | 6 | 0.24 | 0.12 | 0.36 | 0.50 | 0.14 | [ |
秸秆 | 模拟 | 24 | 0.20 | 0.12 | 0.32 | 0.50 | 0.18 | [ |
秸秆 | 模拟 | 30 | 0.29 | 0.10 | 0.39 | 0.75 | 0.36 | [ |
秸秆 | 模拟 | 30 | 0.37 | 0.24 | 0.61 | 0.75 | 0.14 | [ |
平均 | 0.29 | 0.18 | 0.47 | 0.67 | 0.19 |
表3. 秸秆直燃发电的经济效益(基于每单位发电量kW·h)
生物质气化发电企业规模以中小型为主,装机容量为0.6~6 MW的7例秸秆气化发电利润为0.11~0.26元/kW·h,平均利润为0.16元/kW·h (见表4)。李蓓蓓等[
原料 | 工艺和研究方法 | 装机容量 (MW) | 原料成本 (元/kW·h) | 运营成本 (元/kW·h) | 总成本 (元/kW·h) | 收入 (元/kW·h) | 利润 (元/kW·h) | 数据来源 |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|
农林生物质 | 简单气化–内燃机–实例 | 2 | 0.38 | 0.20 | 0.58 | 0.75 | 0.17 | [ |
农林生物质 | 内燃机–蒸汽轮机 联合循环系统–实例 | 6 | 0.31 | 0.18 | 0.49 | 0.75 | 0.26 | [ |
秸秆 | 联合循环系统–模拟 | 0.6 | 0.23 | 0.16 | 0.39 | 0.50 | 0.11 | [ |
秸秆 | 联合循环系统–模拟 | 1 | 0.23 | 0.15 | 0.38 | 0.50 | 0.12 | [ |
秸秆 | 联合循环系统–模拟 | 2 | 0.21 | 0.14 | 0.35 | 0.50 | 0.15 | [ |
秸秆 | 联合循环系统–模拟 | 3 | 0.21 | 0.12 | 0.33 | 0.50 | 0.17 | [ |
平均 | 0.26 | 0.16 | 0.42 | 0.58 | 0.16 |
表4. 秸秆气化发电的经济效益(基于每单位发电量kW·h)
查得的7个实例研究显示利用秸秆生产沼气的利润全部为负值,即亏损0.05~2.36元/m3,平均亏损0.96元/m3 (见表5)。朱利群等 [
原料 | 工艺和研究方法 | 生产规模 (万m3/年) | 原料成本 (元/m3) | 运营成本 (元/m3) | 总成本 (元/m3) | 收入 (元/m3) | 利润 (元/m3) | 数据来源 |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|
混合秸秆 | 混合发酵–实例 | n/a | 0.92 | 0.63 | 1.55 | 1.50 | −0.05 | [ |
玉米秸秆 | 混合发酵–实例 | 10.20 | 0.60 | 1.40 | 2.00 | 1.50 | −0.50 | [ |
玉米秸秆 | 混合发酵–实例 | 18.40 | 0.60 | 1.50 | 2.10 | 1.50 | −0.60 | [ |
玉米秸秆 | 干发酵–实例 | 13.14 | 0.60 | 1.58 | 2.18 | 1.00 | −1.18 | [ |
玉米秸秆 | 横向推流–实例 | 10.95 | 1.00 | 0.84 | 1.84 | 1.00 | −0.84 | [ |
水稻秸秆 | 混合发酵–实例 | 15.33 | 0.75 | 1.96 | 2.71 | 1.50 | −1.21 | [ |
混合秸秆 | 竖向推流–实例 | 5.00 | 2.20 | 1.66 | 3.86 | 1.50 | −2.36 | [ |
平均 | 0.95 | 1.37 | 2.32 | 1.36 | −0.96 |
表5. 秸秆生产沼气的经济效益(基于每m3沼气)
n/a:原文献中未见数据。
研究林业剩余物生产成型燃料经济效益的文献只包括2篇硕士论文,其生产规模差异较大,但成本构成和收入相似,利润也相似,平均为138.89元/t (见表6)。其中,吕林 [
原料 | 研究方法 | 生产规模 (t/年) | 原料成本 (元/t) | 运营成本 (元/t) | 总成本 (元/t) | 收入 (元/t) | 利润 (元/t) | 数据来源 |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|
锯末 | 模拟 | 300,000 | 550.00 | 215.95 | 765.95 | 900.00 | 134.05 | [ |
林业剩余物 | 模拟 | 27,500 | 571.42 | 219.85 | 791.27 | 935.00 | 143.73 | [ |
平均 | 560.71 | 217.90 | 778.61 | 917.50 | 138.89 |
表6. 林业剩余物生产成型燃料的经济效益分析(基于每t成型燃料)
实例或模拟研究畜禽粪便生产沼气经济效益的报道共3例,其利润范围是0.25~0.61元/m3,平均利润为0.45元/m3(见表7)。其中两例原料成本为零,另一例为0.60元/m3。由于很多工程配套建设在养殖场内,利用畜禽粪便生产沼气,因此多数情况不需支付原料成本 [
原料 | 研究方法 | 生产规模 (万m3/年) | 原料成本 (元/m3) | 运营成本 (元/m3) | 总成本 (元/m3) | 收入 (元/m3) | 利润 (元/m3) | 数据来源 |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|
畜禽粪便 | 模拟 | 912 | 0.60 | 0.89 | 1.59 | 2.20 | 0.61 | [ |
畜禽粪便 | 模拟 | 25 | 0.00 | 1.18 | 1.18 | 1.66 | 0.48 | [ |
猪粪便 | 实例 | 24.64 | 0.00 | 0.43 | 0.43 | 0.68 | 0.25 | [ |
平均 | 0.20 | 0.83 | 1.07 | 1.51 | 0.45 |
表7. 畜禽粪便厌氧发酵生产沼气的经济效益(基于每m3沼气)
废弃油脂生产生物柴油的经济效益案例中,由于时间不同,3个案例的原料成本差异较大(见表8),而运营成本差异不大,利润范围从−150元/t到700元/t,平均盈利345.67元/t。这3个案例盈利的差异是技术和经营水平不同引起的。技术水平低和经营不善导致亏损的企业不少,但是,行业专家认为亏损不是行业普遍现象,废弃油脂生产生物柴油产业总体是盈利的。有的企业每吨生物柴油亏损500~800元/t [
工艺和研究方法 | 生产规模 (万t/年) | 原料成本 (元/t) | 运营成本 (元/t) | 总成本 (元/t) | 收入 (元/t) | 利润 (元/t) | 数据来源 |
---|---|---|---|---|---|---|---|
超/近临界甲醇醇解–模拟 | 6 | 4704.00 | 1446.00 | 6150.00 | 6000.00 | −150.00 | [ |
预酯化和酯交换–模拟 | 0.9 | 3555.00 | 1458.00 | 5013.00 | 5500.00 | 487.00 | [ |
2019年先进工艺实例总结 | 4900.00 | 1200.00 | 6100.00 | 6800.00 | 700.00 | 行业专家a | |
平均 | 4386.33 | 1368.00 | 5754.33 | 6100.00 | 345.67 |
表8. 废弃油脂生产生物柴油的经济效益(基于每t生物柴油)
a由于该类研究报道较少,本研究咨询了全国生物柴油行业协作组专家委员会常务副主任宁守俭高级工程师。
关于餐饮垃圾制沼气的经济分析研究较少,仅查得沈超青等 [
经查阅获得2个污水污泥能源化生产沼气实例。污水污泥属于污水处理厂的废料,其原料成本可忽略不计 [
研究方法 | 生产规模 (m3/d) | 成本 (元/m3) | 收入 (元/m3) | 利润 (元/m3) | 文献 |
---|---|---|---|---|---|
实例 | 15,000 | 1.90 | 1.50 | −0.40 | [ |
实例 | 6240 | 2.78 | 1.50 | −1.28 | [ |
平均 | 2.34 | 1.50 | −0.84 |
表9. 污水污泥生产沼气的经济效益(基于每m3沼气)
从各类废弃生物质能源化利用的经济效益分析结果汇总来看,基于当前国家产业政策,秸秆生产成型燃料、秸秆直燃发电、秸秆气化发电、林业剩余物生产成型燃料、畜禽粪便生产沼气以及废弃油脂制生物柴油共6种能源化利用途径实现了盈利(见表10)。秸秆生产成型燃料的平均成本利润率最高,达46.59%;其次为畜禽粪便生产沼气、秸秆直燃发电和秸秆气化发电,成本利润率均为分别为41.88%、40.85%和38.89%;林业剩余物生产成型燃料,利润率为17.84%;废弃油脂生产生物柴油途径略有盈利,利润率为6.01%。另外4种废弃生物质能源化利用途径全都亏损,其中,秸秆、餐饮垃圾和污水污泥生产沼气亏损最多,平均成本利润率分别为−41.50%、−39.63%和−35.90%;秸秆生产燃料乙醇亏损较少,利润率为−18.17%。
原料类型 | 能源化产品 | 平均成本 | 平均收入 | 利润 | 平均成本利润率(%) | |
---|---|---|---|---|---|---|
范围 | 平均 | |||||
作物秸秆 | 燃料乙醇(元/t) | 8824.17 | 7220.50 | −5767.00~251.00 | −1603.67 | −18.17 |
成型燃料(元/t) | 334.27 | 490.00 | 74.90~346.00 | 155.73 | 46.59 | |
直燃发电(元/kW·h) | 0.47 | 0.67 | 0.07~0.36 | 0.19 | 40.85 | |
气化发电(元/kW·h) | 0.42 | 0.58 | 0.11~0.26 | 0.16 | 38.89 | |
沼气(元/m3) | 2.32 | 1.36 | −2.36~−0.05 | −0.96 | −41.50 | |
林业剩余物 | 成型燃料(元/t) | 778.61 | 917.50 | 134.05~143.73 | 138.89 | 17.84 |
畜禽粪便 | 沼气(元/m3) | 1.07 | 1.51 | 0.25~0.61 | 0.45 | 41.88 |
废弃油脂 | 生物柴油(元/t) | 5754.33 | 6100.00 | −150.00~700.00 | 345.67 | 6.01 |
餐饮垃圾 | 沼气(元/m3) | 2.70 | 1.63 | -1.07 | −1.07 | −39.63 |
污水污泥 | 沼气(元/m3) | 2.34 | 1.50 | −1.28~−0.40 | −0.84 | −35.90 |
表10. 废弃生物质能源化利用经济效益汇总(基于单位能源化产品,未扣除国家补贴)
在可盈利的能源化利用的6条途径中,废弃油脂生产生物柴油、秸秆和林业剩余物生产成型燃料这3条途径获得国家财税补贴政策支持最少或者几乎没有,依靠市场发展已成了相对完整的体系。但是,因此存在扩大规模难、亏损风险大的问题,处理废弃物的量有限,给国家可再生能源贡献比例很小,远没有实现应有的潜力。另外3条途径依靠国家补贴才能盈利。在畜禽粪便生产沼气项目上,国家对工程建设进行了补贴,在秸秆直燃发电和秸秆气化发电工程上,国家统一执行标杆上网电价(0.75元/kW·h)。如果执行当地电价0.318元/kW·h,华北地区装机容量1~3 MW生物质气化发电项目与火电相比没有竞争力 [
秸秆、餐饮垃圾和污水污泥生产沼气、秸秆生产燃料乙醇共4种途径均表现不同程度的亏损。餐饮垃圾和污水污泥生产沼气能源化途径已有研究很少,产业化发展还需要很多探索。秸秆生产燃料乙醇产业途径一是受制于原料收储运费用高,二是生产所需降解酶的价格高,使得盈利性很差。秸秆制沼气技术工艺还处于起步阶段,产气率较低,导致盈利较低 [
当前多数废弃生物质能源化途径技术成熟度不高,相比较看,秸秆直燃发电技术成熟度较好,是当前我国大规模利用秸秆的理想选择。但是,秸秆直燃发电技术工艺还面临一定的问题,如锅炉容易形成结焦等。与直燃发电相比,气化发电的工艺流程方案还很不成熟,燃气净化流程复杂,尤其是脱除烟气中焦油等杂质成分的成本高,尚缺乏工程经验,因而其大规模工业应用仍需时日 [
首先,能源化利用是废弃生物质循环处理最有效的途径,国家相关政策制订顶层设计要立足于发挥废弃生物质能源化产业巨大的环境效益潜力。第二,建立长久稳定的财税扶持政策,抵消一部分本应由财政支付的环境治理成本,生物质能源产业在市场上才有平等的经济竞争力,才能实现其环境效益。第三,生物质能作为一种新兴绿色产业,亟待加强科学研究及技术创新,形成大批有自主知识产权的关键技术。虽然原料资源量大,但是很分散,政府和行业协会应该组织研究,形成完善的生物质原料收储运体系。第四,制订全国废弃生物质区划,结合各区域的农业发展,建立“生态能源农业示范区”,形成完整循环产业链。
全国生物柴油行业协作组专家委员会常务副主任宁守俭高级工程师对废弃油脂生产生物柴油经济效益的文献分析提出了宝贵建议,并提供了当前产业经济效益现状的重要资料,特致谢忱。
国家发展与改革委员会气候司中国清洁发展机制基金赠款项目(2014083)。
张祎旋,傅童成,周方圆,李 蒙,周圣坤,谢光辉. 中国废弃生物质能源化利用经济效益评价Evaluation on Economic Benefits of Biowaste Conversion Pathways to Energy in China[J]. 电力与能源进展, 2020, 08(02): 38-47. https://doi.org/10.12677/AEPE.2020.82005