農作物秸稈生物炭技術的經濟、固碳和農業效益分析?
——以威海地區為例

崔福君， 鄭 浩， 陳丕偉， 王震宇??

(1.中國海洋大學環境科學與工程學院，山東 青島 266100； 2.中國海洋大學數學科學學院，山東 青島 266100)

農作物秸稈生物炭技術是我國農作物秸稈資源開發利用的新興技術，其生產的生物炭施入土壤后具有修復土壤、節能減排等重要作用。生物炭生產企業建設是農作物秸稈生物炭技術應用的一個重要途徑，而經濟效益是建設生物炭企業必須考慮的關鍵因素。同時政府是環境責任的主體，農作物秸稈生物炭施入土壤后帶來的碳封存效益和農業增產效益明顯，政府可以通過碳交易獲得碳封存產生的經濟收益，調節生物炭生產企業和農戶(場)的收益。

農作物秸稈分布廣泛，但能源密度低，運輸成本高，本文根據前人研究基礎以及作者建立的農作物秸稈收購半徑數學模型，以威海地區為例，計算獲得了威海地區農作物秸稈最優收購半徑，并在最優半徑內建設生物炭企業，分析生物炭企業產生的經濟效益、固炭效益和農業效益，為我國農業產區建設生物炭企業的經濟可行性提供借鑒。

1 農作物秸稈收購最優半徑計算

1.1 方法和參數

為了便于分析，采用盈虧平衡分析模型(I=P×Q-VC×Q-FC)，對影響生物炭生產企業的銷售收入、變動成本和固定成本作如下歸類：

(1)單位質量農作物秸稈轉化為生物炭的相關銷售總收入為a；

(2)單位質量單位距離農作物秸稈的運輸總費用為b；

(3)單位質量農作物秸稈變動總成本為c；

(4)生物炭生產固定資產總投資為d。

上述參數提到的秸稈的質量可由農作物秸稈分布的面密度ρ(即單位面積秸稈的質量)與秸稈的分布面積確定。本文我們假定秸稈均勻分布，即ρ為常數。

根據農作物秸稈收購半徑數學模型[1]，區域內任意一點農作物秸稈到達生物炭企業距離為r，取值范圍為[0，R]。

為求最大利潤，令

I′(R)=2(a-c)ρπR-2bρπR2=0。

得I(R)的最大值點為

(1)

從而，最大利潤為

(2)

1.2 最優半徑計算

生物炭產品加工需要原料壓縮后高溫熱解炭化，這個過程需要一定的能量消耗，本文采用生物質自加熱熱解系統(Auto-thermal system)，生產過程中產生的副產物合成氣和生物油通過回收作為系統能源使用，因此整個加熱系統不需要額外耗能[2-3]。同時，根據相關文獻[4-7]，作a、b、c相關參數設置如下：

與a相關參數：生物炭價格P生物炭(單位為元/t)。

《農業廢棄物(秸稈、糞便)綜合利用技術成果匯編》發布生物炭價格1 300～1 600 元/t，IBI(International Biochar Initiative)行業報告中報道中國生物炭價格為3 194.8元/t。實際調研國內市場生物炭價格為1 800～3 000元/t。本文選取生物炭實際市場最低價1 800元/t進行效益分析，在生物炭價格最低的情況下分析其經濟效益和固碳效益有利于示范推廣。

與b相關參數：單位質量單位距離農作物秸稈運輸費用P運(單位為元/(t·km))。

本文假設農作物秸稈運輸成本3元/(t·km)，但運輸原料需要按照往返計算里程，即P運=6元/(t·km)。

與c相關參數：

①單位質量秸稈的收購費用P秸稈收購(單位為元/t)：根據調研威海地區農作物秸稈收購價格確定為260元/t；

②單位質量秸稈的裝卸車、整備費用P其他(單位為元/t)：裝卸車整備等P其他為20元/t；

③單位質量秸稈加工人員成本費用P人工生產(單位為元/t)：工人工資每年38 989元/人(全國社會平均工資中位數)，每個碳化爐6人，單個炭化爐年處理能力7 200 t，計算得出工人成本32元/t，即P人工生產為32元/t；

④農作物秸稈預處理成本P壓縮，為了提高效率，統一尺寸，即打捆壓縮形成規范大小、便于工廠化處理，假設壓縮投入為100元/t，即P壓縮為100元/t；

⑤生物炭產率：按照慢速熱解方式計算，生物炭占熱解產物的35%(即農作物秸稈生物炭轉化率為E=35%)。

通過以上分析獲得：

a為P生物炭，P生物炭=1 800元/t，單位質量農作物秸稈生物炭產量為35%；

b為P運，P運=2×3元/(t·km)=6元/(t·km)；

c為P秸稈收購+P壓縮+P其他+P人工生產，P秸稈收購+P壓縮+P其他+P人工生產=260元/t+100元/t+20元/t+32元/t。

將以上數據帶入農作物秸稈收購半徑公式(1)，

由此獲得，農作物秸稈均勻分布時，以生物炭企業為圓心，以兩年三熟輪作的小麥-玉米-花生秸稈為研究對象，計算得出生物炭企業農作物秸稈收購最大半徑R為36.3 km。

2 經濟、固炭、農業效益計算

2.1 生物炭企業經濟效益計算

2.1.1 固定資產計算 一定半徑R內農作物秸稈產量Ms為：

Ms=ρπR2，

(3)

將ρ0=271.9 t/km2，R=36.3 km代入公式(3)，得出每年生物炭生產企業收購半徑內的農作物秸稈數量為：Ms=ρπR2=112.5萬t。

年農作物秸稈處理能力Y，需要生物炭爐數n：

n=Ms/Y，

(4)

根據調研和文獻[7]獲知，單個炭化爐設備投資為36萬元，年處理能力Y=7 200 t，對應附屬設備(廠房、地磅、鏟車、變壓器、卡車等)100萬元。根據公式(4)計算，需要156個炭爐，每套炭爐及相關設備投入136萬元/個，共計投入21 216萬元，按照10年損耗計，每年固定資產損耗2 121.6萬元。

2.1.2 威海地區農作物秸稈面密度計算 以威海地區統計數據和調研數據，分析威海地區兩年三季小麥-玉米-花生農作物，計算威海地區每年農作物秸稈面密度。M作物為農作物的單位產量，S作物為農作物的年種植面積，則每年農作物秸稈的產量

Y秸稈=Y小麥+Y玉米+Y花生=

M小麥×S小麥+M玉米×S玉米+M花生×S花生。

(5)

考慮到耕地面積隨著當地經濟發展發生變化，以2013年為例分析：小麥116.32萬畝，玉米122.95萬畝，花生99.37萬畝。而產量每年發生變化，因此產量以近十年的糧食產量平均值為準，小麥374 kg/畝、玉米448.4 kg/畝、花生251.5 kg/畝；依據《農業經濟技術手冊(修訂本)》參考，小麥的草谷比為1.1，玉米的草谷比為1.2，花生的草谷比為0.8。因此獲得小麥秸稈單產411.4 kg/畝、玉米秸稈單產538.1 kg/畝、花生秸稈單產226.4 kg/畝。根據公式(5)，區域內小麥、玉米和花生秸稈產量Y秸稈=136 510.811萬kg≈136.5萬t。

政府在實際設廠時，生物炭企業周圍不可能是單純的糧食作物面積，并且運輸距離參數在整個系統過程中是很重要的參數，而密度與運輸距離半徑密切相關，因此為了進一步接近實際情況，假設糧食作物秸稈均勻分布在全區域范圍內，區域內面積為威海市總面積5 797 km2減去市區面積777 km2，即D=5 797 km2-777 km2=5 020 km2。

因此秸稈面密度ρ：

ρ=Y秸稈/D=136.5萬t/5 020 km2=

271.9 t/km2。

2.1.3 生物炭企業經濟效益 將相關參數帶入公式(2)計算，每年生物炭企業經濟效益為：

2 121.6×104=8 190×104-2 121.6×104

=6 068.4×104。

由此獲得威海地區在半徑為36.3 km區域內建設生物炭企業，其每年的經濟效益為約為6 000萬元。

2.2 固碳效益計算

2.2.1 與固碳效益相關參數確定 姜志翔博士研究認為[8]，不同原料制備的生物炭，其碳含量和穩定性碳含量有所不同，農業類生物質原料制備的生物炭碳含量從60.3%～67.7%。本文以生物炭碳含量60%計算；二氧化碳與碳之間的換算關系為44/12=3.67倍。

2.2.2 單位面積農作物秸稈固炭效益BCO2(單位：元/km2) 根據文獻[9]，假設碳交易市場二氧化碳當量價格為54元/t，代入公式計算：

BCO2=ρ面密度×35%×60%×3.67×54。

當ρ0=271.9 t/km2，

BCO2=271.9×35%×60%×3.67×54元/km2=11 315.9元/km2。

由此，獲得單位面積農作物秸稈生物炭固炭效益BCO2為11 315.9元/km2。

2.2.3 生物炭企業固炭效益計算 在實現農作物秸稈生物炭企業最大經濟效益時，當生物炭被施入土壤或者制作生物炭基肥施入土壤時，同時實現了炭封存作用，根據目前國內外碳交易市場的發展，炭封存可以進入碳交易市場，實現利益最大化。

以農作物秸稈收購半徑為36.3 km計算：

當ρ0=271.9 t/km2，

B總CO2=πR2BCO2=3.14×36.3×36.3×11 315.9元=4 682.0萬元。

由此獲得威海地區在半徑為36.3 km區域內建設生物炭企業，其每年的固碳效益為約為4 600萬元。

2.3 農業效益計算

假設單位面積農作物秸稈生產生物炭全部回田到單位面積農田土壤，施用農作物秸稈生物炭糧食增產10%[9]，單位面積農作物秸稈施入生物炭后增產效益B增產單位為(元/km2)。

根據相關學者研究生物炭在土壤修復中的添加比例一般在0.1%～5%是合理的，因此本文按照單位面積農作物秸稈生產生物炭全部回田到單位面積農田土壤里計算。

增產價值按照目前市場價格(市場調研價格：小麥2.3元/kg、玉米2.2元/kg、花生4.4元/kg)為參考，經單位換算后，代入計算：

B增產(元)=10%×1.5((374 t/km2×2 300元/t+448.4 t/km2×2 200元/t+251.5 t/km2×4 400元/t)/2)=0.15×1 476 640元/km2=221 496元/km2。

因此，獲得單位面積農作物增產效益B增產為221 496元/km2。

威海地區半徑R內小麥-玉米-花生面積估算為：

半徑R區域面積S=πR2=3.14×36.3×36.3 km2=4 137.5 km2，威海地區內總面積(減去市區面積)D為5 020 km2；

威海地區小麥玉米花生面積D糧食=116.32萬畝+122.95萬畝+99.37萬畝=338.6萬畝=2 257.3 km2；

半徑R內小麥-玉米-花生面積近似值為：2 257.3/5 020×4 137.5 km2=1 860.5 km2；

因此，威海地區單位面積農作物增產效益近似值：B增產=221 496元/km2×1 860.5 km2/4 137.5 km2= 99 599.6元/km2；

因此，B總增產=99 599.6元/km2×1 860.5 km2=18 530.5萬元≈1.85億元。

由此獲得威海地區在半徑為36.3 km區域內建設生物炭企業，當獲得的生物炭全部回田后促進農作物生長，其帶來的農業增產效益約為1.85億元。

3 討論

3.1 農作物秸稈價格的確定

根據調研獲知，當每噸農作物秸稈200元左右收購時，因部分農民進行其他勞動時獲得的收益大于收集秸稈收益，農作物秸稈無法實現全部收集，但政府若制定強制性政策，例如不準隨意丟棄農作物秸稈、丟棄秸稈予以罰款等措施，這種給予一定收益和相應的政策相結合有利于實現農作物秸稈的收集。若每噸以350元左右價格進行收購，農民收益較高，則市場行為即可實現農作物秸稈的全部收購，但此時企業成本投入進一步提高，降低了企業積極性。本文采用了260元/t的收購價格，既考慮了企業原料收購成本又考慮了農戶(場)的收益。

農作物秸稈面密度對生物炭企業經濟、固碳效益影響明顯，本文假設農作物秸稈均勻分布進行模擬計算，為了進一步接近實際生產值，以威海地區每年實際農作物秸稈產量與威海地區總面積(減去市區面積)的比值作為威海地區農作物秸稈面密度。

3.2 經濟效益分析

經濟效益是農作物秸稈生物炭企業的生物炭產品進行市場交易獲得，其交易價格按照1 800元/t計算；經濟效益是企業從事農作物秸稈生物炭生產的動力，目前國內外生物炭企業市場交易還不成熟，生物炭價格定價機制還需進一步完善；本文按照1 800元/t進行計算，既考慮產品用戶—農戶(場)的承受能力，又考慮國內外生物炭其他市場價值確定。

3.3 固碳效益分析

固碳效益是農戶將農作物秸稈生物炭施入土壤后產生的碳封存效益，因此其效益應歸屬農戶。但固炭效益價值要想真正獲得實現，必須進入碳交易市場進行交易，而分散的農戶不具備這一能力，政府作為生態環境的責任主體，具備這一服務功能，實現其碳交易收益。同時將這一收益通過生態補償金形式給予農戶(場)補貼，引導農戶將農作物秸稈生物炭回田。

通過數據比較發現，建設生物炭企業固定資產投資額巨大，投資回收期較長，且產品銷售具有一定的不確定性，因此企業積極性不高；另外生物炭作為土壤修復產品，主要面向農戶(場)銷售，而對于這一新產品，農戶(場)具有多大的購買意愿尚未可知。因此，如何引導農戶(場)施用生物炭，以及如何解決企業與農戶(場)之間的利益關系是實施這一技術的關鍵。而政府恰恰是解決這一問題的主導角色，政府可以通過財政補貼和生態補償金等手段，既滿足企業基本盈利需求，又能夠調動農戶(場)施用生物炭修復土壤的積極性，最終實現節能減排、保護環境。

4 結語

以威海地區為例，基于生物炭技術農作物秸稈收購最優半徑為36 km左右。當在半徑內建設生物炭企業，以兩年三季輪作的小麥-玉米-花生秸稈為研究對象，秸稈面密度ρ為271.9 t/km2時，生物炭企業每年經濟效益約為6 000余萬元，施入土壤后產生的碳封存效益約為4 600余萬元，農業增產效益約為1.85億元。政府作為環境保護的責任主體，應該通過生態補償金等形式對企業和農戶(場)進行補償。