秸稈能源化工程原料運輸半徑經濟和環境評價

馬 放，張曉先，王 立

（城市水資源與水環境國家重點實驗室（哈爾濱工業大學），150090哈爾濱）

秸稈能源化工程原料運輸半徑經濟和環境評價

馬 放，張曉先，王 立

（城市水資源與水環境國家重點實驗室（哈爾濱工業大學），150090哈爾濱）

根據區域特點和工程類型提出秸稈能源化工程原料運輸半徑，對推進工程的應用、原料穩定供應、提高經濟收益以及改善生態環境具有重要意義.以秸稈能源化工程原料運輸半徑為核心，提出秸稈能源轉化密度、工程經濟和環境效益評價模型，評價指標包括單位經濟效益、溫室氣體和PM2.5減排潛能.對哈爾濱地區發展秸稈能源化工程的運輸半徑進行了經濟和環境評價，結果表明：哈爾濱地區是黑龍江省發展秸稈能源化工程的優勢區域，在發展秸稈沼氣、乙醇、熱電聯產和成型燃料工程時，經濟效益最優原料運輸半徑分別為37、35、22和4 km；此時，4類能源化工程的環境效益從高到低依次為秸稈沼氣、乙醇、熱電聯產和成型燃料工程.

秸稈能源化工程；運輸半徑；經濟評價；環境評價；黑龍江

秸稈能源化［1］是促進農產品質量提高、推進農業可持續發展、緩解能源危機和改善生態環境的重要手段.隨著資源和環境矛盾的加劇，秸稈能源化已得到普遍重視，我國已將秸稈能源化技術的研究列入863、973等科技支撐計劃，并在全國范圍內開展了試點工程［2］.

秸稈分布廣、能量密度低及體積大的特點使得其收儲運困難并且進廠費用高，從而制約了其規模化應用.目前，國內外學者已從收儲運［3-4］、預處理、收集路線優化［5］和收集范圍［6-14］等方面對秸稈能源化技術和工程的應用進行了有益的探討.以上研究以秸稈能源化全流程的各個環節為研究和分析對象，不適合不同類型能源化途徑間的綜合比較和分析.另外，面對種類繁多的能源化技術，如何有效地對其規模和選址做出決策也是目前的重要問題.為此，提出了秸稈能源化工程運輸半徑的定量優化模型，包括秸稈能源化發展潛能評價、工程經濟和環境效益分析模型.并對黑龍江省哈爾濱地區秸稈能源化工程的選址、原料收集半徑規劃進行了研究.為推進區域秸稈能源化工程的應用及綜合效益的提高提供了理論指導.

1 區域秸稈能源化發展潛能評價

不同類型秸稈間成分的差異，導致相同預處理和生產條件下，不同秸稈的可更新能源轉化率不同.以沼氣發酵為例，相同條件下玉米秸產氣率約390 m3·t-1，而稻秸和麥秸僅為345和320 m3·t-1［15-20］.因此，秸稈密度相同的區域其可更新能源的潛能未必一致.在估測區域秸稈能源化潛能時，現有的研究指標如秸稈總量、秸稈資源密度［13，21］無法精確反應秸稈類型不同造成的可更新能源產量差異.為完善區域秸稈能源化潛能評價指標，提出秸稈能源轉化密度的概念，即在秸稈密度的基礎上引入了秸稈能源密度指標，單位面積不同類型秸稈的可能源化量與其能源轉化率乘積之和即區域的秸稈能源密度，公式為：

式中：ED為區域可更新能源密度（J·km-2）；EDi為區域內 i類秸稈轉化為可更新能源的密度（J·km-1）；CYi為第i種作物年產量（t）；RP Ri為第i種作物草谷比；CRi為第i種秸稈可收集率（%）；WRi為第i種秸稈的含水率（%）；EDRi為第i種秸稈能源化利用量占可收集量的比例（%）；ETRij為i類秸稈轉化為j類可更新能源的量（J·t-1＆m3·t-1）（文中秸稈質量均為干質量）；A為區域面積（km2）.

2 原料收集半徑經濟評價模型

2.1 基本假設

研究基于如下假設：1）原料運輸區域呈圓形，工廠位于圓心位置［3，11，22］；2）各種作物在區域內均勻分布，忽略作物生長的季節性特點［4］；3）秸稈呈資源島式分布，在島內進行打捆處理后運輸［4，22］；4）研究范圍按照資源島采購秸稈→資源島運輸至工廠→工廠生產→產品銷售的順序進行；5）秸稈收集到資源島并在島中打包壓縮，資源島到工廠的理論距離為工程原料收集半徑.

2.2 模型推導

盈虧平衡分析 （cost-volume-profit analysis，CVP）是一種重要的會計管理工具，可揭示系統中影響盈虧狀況的變量及變量之間的依存關系，其公式為：凈利潤=銷售收入-（變動成本+固定成本）［23］，當變動和固定成本之和最小時，工程凈利潤最大.

秸稈能源化工程可變成本主要包括秸稈采購成本（包括秸稈資源島內收集及壓縮費用［11］）.運輸成本即將秸稈運輸至工廠的費用，僅考慮資源島到加工廠運費［11］；其與工程原料運輸面積內總的秸稈質量（π·R2·D）、秸稈質量運費（Pt／ρ）和運輸距離（R·β）相關，其中

表示區域單位面積秸稈產量.采購成本即收購秸稈需付給農民的費用，由收集區域內秸稈總量（π·R2·D）和單位秸稈的收購價格（Ps）決定.固定成本即工程固定資產投資，由設備、廠房、勞動力等投資構成.銷售收入主要由產品產量和其市場售價Pj的乘積決定.依據此理論構建了秸稈能源化工程的凈利潤模型，即

式中：Pt為秸稈體積運輸費率（元·m-3·km-1），取0.45元·m-3；R為秸稈從資源島至工廠的理論半徑（km）；ρ為秸稈密度，在0.7～1.3 t·m-3；β為道路曲折因子，一般取1.5；Ps為秸稈收購價格（元·t-1）；x為工程生產規模，即年產量；T為工程設計使用壽命（a）；y為工程總固定資產投資（元），y=εxа［13］，а為工程的規模系數（0＜а≦1），ε為工程的規模因子；秸稈能源化工程銷售收入（元·a-1），表示產出可更新能源的經濟收益，由可更新能源產品的產出率和市場價格決定；P為單位可更新能源市場售價.

根據秸稈能源化工程可行性研究數據［23-26］，擬合得到工程年產量和固定投資的關系公式，即

擬合公式的單位分別為：x乙醇（萬 t）、x燃料（萬t）、x沼氣（萬m3）和x熱電（萬kW·h），工程年利潤（y）單位均為萬元.秸稈能源化工程生產規模和工程固定資產投資呈指數關系.規模因子表示隨工程生產規模的增加對工程固定資產投資的影響［13］.4類工程的規模因子從低到高依次為乙醇、沼氣、成型燃料、熱電聯產工程，均在0.4～0.9.可知，隨運輸半徑（即生產規模）的增加，工程的單位固定資產投資呈不同程度的降低.

秸稈能源化工程年凈利潤=工程銷售收入-（運輸成本+采購成本+工程固定資產）=

在發展秸稈能源化工程時，隨生產規模的增加，工程年產量及利潤會相應增加，因此，工程的年利潤無法反映不同規模工程經濟效益的優劣.以工程單位凈利潤對原料運輸半徑求導，當導數等于零時，工程的單位收益最大，此時的運輸半徑對應的工程單位凈利潤最大，稱此半徑為最優半徑，即

3 原料收集半徑的環境評價模型

3.1 基本假設

針對我國面臨的主要環境問題提出了包括溫室氣體和PM2.5兩相指標的環境減排模型，以期對秸稈能源化途徑的環境效益進行比較，從環保角度對秸稈能源化工程的決策提供理論參考.模型基于如下假設：1）對比不同秸稈能源化途徑間的環境效益，忽略秸稈收集、壓縮及儲藏等相同或相似環節的污染排放差異；2）忽略工程生產規模對污染物排放因子的影響；3）可更新能源使用過程中污染物排放忽略不計.

3.2 模型推導

秸稈能源化工程產業鏈較長，一般包括原料收儲運、原料預處理和加工、產品配送及使用環節.對于不同秸稈能源化工程，其原料收儲運環節基本一致，污染物主要來自原料生產加工以及產品使用環節.發展秸稈能源化工程，能避免秸稈焚燒帶來的環境污染，也能通過減少對化石能源的需求量而降低其生產和使用中污染物的排放.綜上，秸稈能源化工程環境污染物主要來自秸稈收集、運輸、生產環節的排放以及減少秸稈焚燒、替代化石能源的污染物減排.單位環境減排量即工程的污染物排放量與其年可更新能源產量之比.公式如下：

式中：W為單位可更新能源的污染物排放量；fck為秸稈收集過程k種污染物排放因子（g·t-1）；flk為l種機動車排放k種污染物排放因子（g·km-1·輛-1）；wl為l種機動車運輸秸稈質量（t·輛-1）；ETRj為秸稈生產j類可更新能源的平均轉化率（J·t-1或 m3·t-1）；fjk為單位秸稈生產j類可更新能源時k種污染物排放因子（g·t-1或 g·m-3）；fsk為秸稈露天焚燒時k種污染物排放因子（g·t-1）；ej為j類可更新能源的熱值（GJ·t-1或 GJ·m-3）；eu為 u類化石能源的熱值（GJ·t-1）；fuk為u類化石能源生產及使用過程中 k種污染物排放因子（g·t-1）.

4 哈爾濱地區秸稈能源化工程運輸半徑評價及建議

數據來源：作物年產量和耕作面積數據參考《黑龍江統計年鑒》［27］；草谷比［21］、可收集率［21］、能源化比例［21］、秸稈的沼氣轉化率［17-20］、能源化工程可行性研究數據［24-26］均參考已發表文獻；溫室氣體和PM2.5排放因子參考美國［28］、歐盟［29］環境數據庫數據以及我國的污染物排放系數手冊［30］.其他數據以研究常用數據或經驗值為依據.

4.1 哈爾濱地區秸稈能源化潛能評價

對黑龍江省13個行政區域的秸稈沼氣、乙醇、成型燃料和熱電聯產工程的單位發展潛能進行了分析（僅考慮水稻、小麥、玉米和大豆4類主要作物）.依據沼氣、乙醇、成型燃料和電能的熱值，將4類能源物質統一單位后得到圖1.

黑龍江省不同行政區域間，各類秸稈能源化工程的單位潛能發展趨勢相同，即從高到低依次為沼氣、熱電聯產、成型燃料和乙醇工程.這主要受能源化工程工藝發展水平和可更新能源的熱值影響.因此，從能源利用最大化角度，應優先發展秸稈沼氣和熱電聯產工程.按照單位秸稈能源化發展潛能，將黑龍江省分為：1）沼氣高潛能區域，包括綏化和哈爾濱地區，其單位能源轉化密度均在1.00E+12 J·km-2以上；2）乙醇高潛能區域，包括綏化、哈爾濱、齊齊哈爾和大慶地區，其單位能源轉化密度均在5.00E+ 05 J·km-2以上；3）成型燃料高潛能區域，包括綏化、哈爾濱、齊齊哈爾、佳木斯和大慶地區，其單位能源轉化密度均在1.00E+05 J·km-2以上；4）熱電高潛能區域，包括綏化、哈爾濱、齊齊哈爾、佳木斯和大慶地區，其單位能源轉化密度均在2.00E+11 J·km-2以上（圖1）.

4.2 原料運輸半徑經濟評價

利用式（13），并以文獻中和生產實際的數據為參考（見表1），對哈爾濱地區發展秸稈熱電聯產、乙醇、沼氣和成型燃料工程的半徑（Rj）進行經濟評價.4類能源化工程的最優半徑從大到小依次為沼氣（37 km）、乙醇（35 km）、熱電聯產（22 km）和成型燃料（4 km）（見圖2）.某區域在進行秸稈能源化工程決策時，為實現單位產品的利潤最大，應綜合區域的面積和運輸路線等情況選擇適合的工程類型.

道路交通、秸稈類型、農作物產量、技術水平等因素的變化，必然導致秸稈能源化工程投資和生產效率的改變.自然和人為因素可對秸稈能源化工程的最優半徑產生一定影響.由式（5）～（8）可知T、β、Pt和最優半徑成反比，ρ、ε與最優半徑成正比；ETR、D、α對最優半徑的影響如圖3.ETR與最優半徑成正比（圖3（b）），D與最優半徑成反比（圖3（c）），且在4類秸稈能源化工程中變化趨勢均相同；除成型燃料工程外最優半徑隨α（在0～1［31］）的增大呈顯著增加后緩慢降低的變化趨勢（圖3（a）），成型燃料工程的最優半徑隨工程規模系數的增加而逐漸降低.α的變化對秸稈沼氣工程最優半徑的影響最大，其次為乙醇、熱電和成型燃料工程；ETR的變化對秸稈沼氣工程最優半徑的影響最大，其次為熱電、乙醇和成型燃料工程；D的變化對乙醇工程最優半徑的影響最大，其次為沼氣、熱電和成型燃料工程（圖3）.在應用中需根據指標的變化適當調整工程的最優半徑.

隨著化石能源的減少和秸稈能源化工程應用的推廣，秸稈能源化將面臨秸稈運費、工程單位投資、秸稈可能源化量、工程使用年限等因素的改變，這些變化必然導致工程最優半徑與最初規劃的范圍有出入.但是，E TR、ED對最優半徑不會造成實質性影響，工程技術和生產工藝的提高是影響工程收集半徑的主要因素.

4.3 原料運輸半徑環境評價

哈爾濱地區秸稈能源化工程溫室氣體和PM2.5減排分析，重點探討了秸稈能源化全流程中3類主要溫室氣體（CO2、CH4和NO2）排放情況.CO2、CH4和NO2的全球增溫潛能（global warming potential，GWP）分別為1、21和310.由式（19）可知：相同秸稈能源化工程，其單位環境效益和運輸半徑成反比，隨運輸半徑增加，單位產品運輸過程中污染物的排放量增加.

表2為工程單位經濟效益最優時（即最優半徑）溫室氣體和PM2.5減排情況.乙醇和沼氣發酵工程的溫室氣體和PM2.5減排效果明顯優于熱電聯產和成型燃料工程，這是由于乙醇和沼氣發酵工程的最優半徑較其他兩類工程大，其秸稈的年處理量也較高，而工程溫室氣體和PM2.5減排量的主要決定因素為可更新能源產量和秸稈利用量.

假設哈爾濱地區預期在15 km的收集半徑內發展秸稈能源化工程，得到表3的溫室氣體和PM2.5排放數據.運輸半徑（即原料供應量）相同時，成型燃料工程的溫室氣體減排量最低，PM2.5減排量最高；溫室氣體減排最高為乙醇工程，其次為沼氣和熱電聯產工程（表3）.由于4類能源化工程的PM2.5減排總量相差不大，建議實際應用中以溫室氣體減排為主要參考因素，即當區域面積固定時，以發展秸稈乙醇、沼氣和熱電聯產工程為主.秸稈能源化過程中，原料收集環節的溫室氣體排放量最大，溫室氣體減排量主要來自節約的化石能源.綜上，提高秸稈收集效率和能源轉化率是提高工程溫室氣體減排潛能的重要途徑.PM2.5的減排量主要由減少秸稈焚燒提供，其他生產環節與此相比數量非常小，可忽略不計.秸稈焚燒是PM2.5的主要貢獻源，只要對秸稈進行適當的能源化利用均會顯著提高PM2.5的減排量.

5 結 論

1）提出了秸稈能源轉化密度的概念，構建了秸稈能源化工程原料運輸半徑的經濟和環境評價模型，在保障工程原料高效供應的基礎上，綜合考察了不同原料運輸半徑間的經濟和環境效益，為區域秸稈能源化工程的規劃和決策提供了新的理論視角.

2）由黑龍江省哈爾濱地區的秸稈能源化工程運輸半徑經濟和環境評價結果可知，哈爾濱地區秸稈沼氣化潛能較高，位于黑龍江省第2位僅次于綏化地區，約為52 500 m3·km-2；哈爾濱地區在建設沼氣、乙醇、熱電聯產和成型燃料工程時，運輸半徑分別為37、35、22和4 km左右，此時工程的單位利潤最大；秸稈能源化工程的溫室氣體和PM2.5減排的主要貢獻均來自秸稈禁焚，秸稈沼氣和乙醇發酵工程的溫室氣體減排效果最佳，成型燃料和熱電聯產工程PM2.5減排最佳.

3）工程生產技術提高是影響運輸半徑的主要因素，在實際應用中應根據技術和自然等環境的變化，對工程實施方案及時調整.

［1］王仲穎，任東明，高虎，等.原料運輸半徑與裝機規模［J］.電力建設，2011，32（3）：72-75.

［2］于曉東，樊峰鳴.秸稈發電燃料收加儲運過程模擬分析［J］.農業工程學報，2009，25（10）：215-219.

［3］劉華財，陰秀麗，吳創之.秸稈供應成本分析研究［J］.農業機械學報，2011，42（1）：106-112.

［4］曹溢，沈輝.秸稈發電過程中原料收集的成本分析［J］.電力與能源，2012，33（5）：463-466.

［5］張展，王利生，張培棟，等.區域秸稈資源最優化收集路徑與運輸成本分析［J］.可再生能源，2009，27（3）：102-106.

［6］劉鋼，黃明皎.秸稈發電廠燃料運輸半徑與裝機規模［J］.電力建設，2011，32（3）：72-75.

［7］張寶林.秸稈發電運輸半徑分析［D］.新鄉：河南科技學院，2009.

［8］陳雙，李季.生物質發電廠燃料收儲站的選址與優化［J］.江西農業學報，2007，19（7）：124-126.

［9］陳聰，李薇.生物質發電廠優化選址建模及決策研究［J］.農業工程學報，2011，27（1）：255-260.

［10］趙琳.秸稈電廠規劃選址方法研究［D］.北京：華北電力大學，2011.

［11］邢愛華，劉罡，王垚，等.生物質資源運輸過程成本、能耗及環境影響分析［J］.過程工程報，2008，8（2）：305-313.

［12］楊樹華，雷廷宙，何曉峰，等.生物質致密冷成型原料最優運輸半徑的研究［J］.農業工程學報，2006，22（1）：132-134.

［13］DIEP N Q，FUJIMOTO S，MINOWA T，et al.Estimation of the potential of rice straw for ethanol production and the optimum facility size for different regions in Vietnam［J］.Applied Energy，2012，93：205-211.

［14］MATT K，GRIFFIN W M，MATTHEWSH S.Impacts of facility size and location decisions on ethanol production cost［J］.Energy Policy，2011，39：47-56.

［15］田宜水，趙立欣，孟海波，等.中國農村生物質能利用技術和經濟評價［J］.農業工程學報，2011，27（S1）：1-5.

［16］王德元，陳漢平，楊海平，等.生物質能利用技術綜合評價研究［J］.能源工程，2009（1）：29-33.

［17］楊立，張婷，王永澤，等.不同秸稈厭氧發酵產沼氣效果的比較［J］.可再生能源，2008，26（5）：46-49.

［18］覃文能，魏世清，李金懷.不同秸稈原料發酵產沼氣試驗研究［J］.廣西林業科學，2009，38（3）：150-154.

［19］劉德江，邱桃玉，饒曉娟，等.小麥、玉米秸稈不同預處理產沼氣試驗研究［J］.中國沼氣，2012，30（3）：34-37.

［20］宋明芝，繆則學，劉淑環，等.吉林省農村常用沼氣發酵原料產氣潛力及特性研究［J］.吉林農業科學，1986，3：78-83.

［21］蔡亞慶，仇煥廣，徐志剛.中國各區域秸稈資源可能源化利用的潛力分析［J］.自然資源學報，2011，26（10）：1637-1646.

［22］趙希強，馬春元，王濤，等.生物質秸稈預處理工藝及經濟性分析［J］.電站系統工程，2008，24（2）：30-33.

［23］熊飛龍，朱洪光，石惠嫻，等.關于農村沼氣集中供氣工程沼氣價格分析［J］.中國沼氣，2011，29（4）：16-19.

［24］齊天宇，張希良，歐訓民，等.我國生物質直燃發電區域成本及發展潛力分析［J］.可再生能源，2011，29（2）：115-119.

［25］李平，蔡鳴，陳正明，等.生物質固體成型燃料技術研究進展及應用效益分析［J］.安徽農業科學，2012，40（14）：8284-8286，8306.

［26］DIEP N Q，FUJIMOTO S，YANAGIDA T，et al.Comparison of the potential for ethanol production from rice straw in Vietnam and Japan via techno-economic evaluation［J］.International Energy Journal，2012，13：113-122.

［27］黑龍江省統計局.黑龍江統計年鑒2012［R］.哈爾濱：中國統計出版社，2012.

［28］US Environmental Protection Agency.The US Environmental Protection Industry：the technical document（EPA 230-R-95-012）［EB／OL］.1995.http：／／www.epa.gov／ttn／chief／ap42／index.html.

［29］The Co-ordinated European Program on Particulate Matter Emission Inventories，Projections and Guidance（CEPMEIP）.CEPMEIP Database-Emission Factors［EB／OL］.http：／／www.air.sk／tno／cepmeip／.

［30］第一次全國污染源普查資料編纂委員會.第一次全國污染源普查工業污染源產排污系數手冊［M］.北京：中國環境科學出版社，2011.

［31］白潔瑞，賀春強，王虎琴，等.秸稈沼氣集中供氣工程溫室氣體減排效益分析［J］.農業工程技術產業，2011（6）：21-22.

（編輯 劉 彤）

Economic and environmental evaluation of straw transportation radius for straw-energy engineering

MA Fang，ZHANG Xiaoxian，WANG Li

（State Key Laboratory of Urban Water Resource and Environment（Harbin Institute of Technology），150090 Harbin，China）

The concept of material transportation radius for straw-energy engineering，proposed in line with the regional characteristics and project types，is of great significance in promoting engineering economic efficiency and ecological environmental protection.Taking the concept as the core，straw energy conversion density and the evaluation model for engineering economy and environmental efficiency have been put forward，with the evaluation indicators including economic units and the reduction potentials in the emission of greenhouse gases and PM 2.5.An economic and environmentalevaluation ofthe straw transportation radius in Harbin region has fully demonstrated that Harbin，the most advantageous region in Heilongjiang Province in developing straw-energy engineering，embraces the economically optimized straw transportation radiuses of37，35，22 km，and 4 km respectively for the development of straw-gasification，-ethanol，-based heat and power cogeneration and-briquetting production projects.Meanwhile，in view of environmental benefits，the descending order of the 4 types of energy engineering are straw-gasification，-ethanol，-based heat and power cogeneration and-briquetting production projects.

straw-energy engineering；transportation radius；economic benefits；environmental benefits；Heilongjiang Province

X321

A

0367-6234（2015）08-0048-06

10.11918／j.issn.0367-6234.2015.08.010

2014-10-13.

國家自然科學基金（51179041）；黑龍江省自然科學基金（E201206）；哈爾濱市科技創新人才研究專項基金（2012RFLXS026）.

馬 放（1963—），男，教授，博士生導師.

王 立，wli＠hit.edu.cn.