1. 引言
废弃生物质种类多、资源丰富 [1]，其能源化利用不仅可以促进石化资源替代，还能减轻环境污染、有效降低碳排放，符合循环经济的发展理念 [2] [3]。很大部分废弃生物质被废弃或者处理方式不当 [4]，引起很大的环境污染问题，能源化循环利用途径持续受到国家重视 [5]。经济效益是废弃生物质能源化工程可持续发展的重要因素，虽然对废弃生物质经济效益分析文献较多，但是，都是对单一废弃物种类和单一能源化途径的分析，未见对不同废弃生物质种类的不同能源化利用途径经济效益系统梳理。本研究将根据对作物秸秆、林业剩余物、畜禽粪便等主要废弃生物质能源化利用途径进行经济效益评价分析和横向比较，为中国生物质能源产业发展和政策制订提供基础信息和决策依据。
2. 研究方法和数据来源
2.1. 研究范围和有关定义
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 [6]，未考虑税收和贷款利息等。收入按照产品市场价格不含副产品收益，利润为收入和成本的差值，成本利润率为能源产品利润占成本的百分比。
2.2. 数据来源
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。
3. 结果与分析
3.1. 秸秆生产燃料乙醇的经济效益
目前，国内纤维素乙醇尚处于产业化前期研究阶段 [7] [8]，较为成熟的技术是以玉米秸秆为原料应用稀酸预处理加酶解法，但是经济效益表现差异较大(见表1)。朱青等 [9] [10] 以模拟法，分析了生产规模为3.5~7.5万t/年的项目，亏损达1303~5767元/t。姜芹等 [8] 和任天宝 [11] 采用模拟方法，研究生产规模包括50,000 t/年的商业化生产线和300 t/年的中试项目，利润范围为−161~251元/t。这两组报道利润表现差异如此大的原因，一是原料成本相差较大，秸秆产出乙醇的比例在两组分别为7:1和5~6:1；二是运营成本不同，前者 [9] [10] (5236~8100元/t)比后者 [8] [11] (4825~5835元/t)平均高出23.3%。同时，利润为251元/t的案例中燃料乙醇价格比其它高近1500~2000元/t，取值远高于市场价。总的来看，利用秸秆纤维素生产燃料乙醇在当前技术工艺下亏损严重。考虑生产运营的复杂多样性，将这两组研究结果取平均数，即亏损1603元。原料价格是重要影响因素 [8]，所需原料多导致收集半径大，将收集半径控制在合理范围内能降低原料成本 [12]。同时，纤维素酶成本较高，随着工艺的发展可以大幅降低 [11] [13]。
Table 1. Economic benefits of producing fuel ethanol from corn stover by enzymatic hydrolysis (based on per ton of fuel ethanol)
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)
3.2. 秸秆生产成型燃料的经济效益
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 [14]。对于京郊5万t规模的企业来说，约8.2年能够收回投资 [15]。对于小型生产规模企业来说，利润也较高，约2年就能收回全部投资 [16]。所有案例中，运营成本及成型燃料产品收入值均相差不大，但有些原料成本显然设定太低(如59元/t)，导致利润相差较大，为74.9~346元/t。但是，各案例利润表现大体一致性，平均为155.73元/t。其它研究 [17] [18] [19] 结果一致表明，利用秸秆生产成型燃料具有较好的经济可行性。
Table 2. Economic benefits of crop residues conversion to briquette fuel (based on per ton of briquette fuel)
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。
3.3. 秸秆直燃发电的经济效益
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 [21] 研究实例显示，玉米秸秆价格约为220元/t，运输和储存成本为70元/t，发电量为6.5 × 107 kW·h，按国家补贴后的标杆上网电价0.75元/kW·h计算，每年实现利润约427万元。宋艳苹 [22] 的研究中，设置秸秆收购价格为200元/t，按当地一般上网电价0.35元/kW·h有所亏本，但若按现在补贴上网电价0.75元/kW·h计算，则有较好的经济效益。郝德海 [4] 研究中原料秸秆价格分别为156元/t和170元/t，模拟按电价0.5元/kW·h (当时尚没有国家补贴电价)来计算，仍有较高利润，两种发电系统投资回收期分别估算为8~10年。2017年国家进一步推进秸秆发电并网运行和全额保障性收购，落实可再生能源电价政策 [23]。在获得国家上网电价补贴情况下，秸秆直燃发电可以盈利，平均成本和利润分别为0.47元/kW·h和0.19元/kW·h。
Table 3. Economic benefits of generating electricity by crop residues combustion (based on per kW·h)
表3. 秸秆直燃发电的经济效益(基于每单位发电量kW·h)
3.4. 秸秆气化发电的经济效益
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[26]实例研究，原料单价为250元/t，按国家政策补贴上网电价0.75元/kW·h计算实现了盈利，2 MW系统投资回收期为7.8年，6 MW为5.6年。郝德海[4]以原料价格为125元/t进行模拟分析，随着生产规模扩大，原料和运营成本降低，利润增加。
Table 4. Economic benefits of crop residues gasification conversion to power generation (based on per kW·h)
表4. 秸秆气化发电的经济效益(基于每单位发电量kW·h)
3.5. 秸秆生产沼气的经济效益
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 [27] 的研究中秸秆收储运价格230元/t，结果显示成本略高于沼气售价收入。王红彦等 [28] 研究了5个村级秸秆沼气工程，原料玉米秸秆或稻草价格为200~300元/t，年产气量达到10~18万m3，供应户数达280~560，沼气收入只达到年度成本(包括基础设施和设备折旧)约一半。闵师界等 [29] 分析了一个年生产沼气5万m3的村级示范工程，秸秆成本是500元/t，生产成本合计为3.86元/m3，是沼气收入的2.6倍，严重亏损的主要原因在于原料成本价格过高，是其他研究案例 [27] [28] 两倍左右。
Table 5. Economic benefits of producing biogas from crop residues (based on per m3 of biogas)
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。
3.6. 林业剩余物生产成型燃料的经济效益
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 [30] 模拟了一个年产30万t林木成型燃料企业，其建设期3年，生产经营期15年。周媛 [31] 模拟设计了一座年产2.75万t的林木生物质成型燃料加工厂，建设期1年，运营期10年。模拟分析表明，利用林业剩余物生产成型燃料具有较好的经济效益。但对于林业剩余物生产成型燃料，目前最大的难点是林业剩余物可收集性较差 [31]。
Table 6. Economic benefits of forestry residues conversion to briquette fuel (based on per t of briquette fuel)
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)
3.7. 畜禽粪便生产沼气的经济效益
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 [32]，或仅支付原料运输成本 [33]；运营成本为0.43~1.18元/m3。研究案例中沼气主要供应农户用气或发电，根据所在地区不同，出厂价格为0.68~2.20元/m3，这与秸秆生产的沼气价格大体相似，结果显示利用畜禽粪便生产沼气具有较好的经济效益。
Table 7. Economic benefits of biogas production from livestock excrement by anaerobic fermentation (based on per m3 of biogas)
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)
3.8. 废弃油脂生产生物柴油的经济效益
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 [36]，主要原因是原料价格占成本比重过大，已经投产一些企业达不到预期产能，不少项目已暂停生产 [37]。
Table 8. Economic benefits of biodiesel production from waste oil (based on per ton of biodiesel)
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。
3.9. 餐饮垃圾生产沼气的经济效益
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 [40] 估算了其成本为2.70元/m3，其中原料运输成本为1.29元/m3，生产运营成本为1.41元/m3。沼气市场价格1.63元/m3，利润为−1.07元/m3。张淑玲等 [41] 对餐饮垃圾制沼气工程研究得出处理成本为0.56元/m3。餐饮垃圾由市政环境部门负责收集，原料成本仅需支付运输费用，因此建立合理的收储运物流体系可以保证原料供应 [42]，然而，即使如此，以餐饮垃圾生产沼气仍不能盈利。
3.10. 污水污泥生产沼气的经济效益
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 [43] [44]，沼气价格参照天然气2.28元/m3，考虑到沼气市场价格为1~1.5元/m3，本研究取最高值1.5元/m3。但是，沼气收入依然小于成本，亏损分别达到0.40元/m3和1.28元/m3，平均亏损为0.84元/m3 (见表9)。这两个项目工程设计日产气量分别为30,000 m3和25,200 m3，但由于设施和技术等问题致使实际日产气量最多只是设计产能一半，推高了运营成本。
Table 9. Economic benefits of biogas production from sewage sludge (based on per m3 of biogas)
表9. 污水污泥生产沼气的经济效益(基于每m3沼气)
4. 总结及讨论
4.1. 经济效益分析总结
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%。
Table 10. Summary of economic benefits of waste biomass conversions to energy (Based on per unit of energy product, without deducting state subsidies)
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)
4.2. 国家财税补贴政策对实现盈利的作用
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 [45]。
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 [46]。
4.3. 技术创新和优化原料收集对提升经济效益有重要作用
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 [47]。另一方面，原料成本是非常重要的影响因素，在很大程度上直接影响经济效益，几乎所有相关研究都强调合理规划秸秆收集半径，以保证原料供应充足。需要强调的是，在当前国家政策支持下，技术和运营管理水平对废弃生物质能源化是否盈利有重要作用。例如，废弃油脂生产生物柴油几乎没有国家财政补贴，不少企业通过提高技术创新和管理水平能实现盈利；虽然多数畜禽粪便生产沼气在国家补贴下才能盈利，但是，有实例分析表明，一个存栏1260头的养牛场建立的畜禽粪便沼气工程，沼气用来发电，沼液和沼渣作为肥料使用，即使不计国家补贴，内部收益率仍达7.92% [48]，高于火电行业的基准内部收益率6% [45]。
4.4. 建议
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。
致谢
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。
基金项目
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)。