秸秆能源化工程原料运输半径经济和环境评价

马 放，张晓先，王 立

（城市水资源与水环境国家重点实验室（哈尔滨工业大学），150090哈尔滨）

秸秆能源化工程原料运输半径经济和环境评价

马 放，张晓先，王 立

（城市水资源与水环境国家重点实验室（哈尔滨工业大学），150090哈尔滨）

根据区域特点和工程类型提出秸秆能源化工程原料运输半径，对推进工程的应用、原料稳定供应、提高经济收益以及改善生态环境具有重要意义.以秸秆能源化工程原料运输半径为核心，提出秸秆能源转化密度、工程经济和环境效益评价模型，评价指标包括单位经济效益、温室气体和PM2.5减排潜能.对哈尔滨地区发展秸秆能源化工程的运输半径进行了经济和环境评价，结果表明：哈尔滨地区是黑龙江省发展秸秆能源化工程的优势区域，在发展秸秆沼气、乙醇、热电联产和成型燃料工程时，经济效益最优原料运输半径分别为37、35、22和4 km；此时，4类能源化工程的环境效益从高到低依次为秸秆沼气、乙醇、热电联产和成型燃料工程.

秸秆能源化工程；运输半径；经济评价；环境评价；黑龙江

秸秆能源化［1］是促进农产品质量提高、推进农业可持续发展、缓解能源危机和改善生态环境的重要手段.随着资源和环境矛盾的加剧，秸秆能源化已得到普遍重视，我国已将秸秆能源化技术的研究列入863、973等科技支撑计划，并在全国范围内开展了试点工程［2］.

秸秆分布广、能量密度低及体积大的特点使得其收储运困难并且进厂费用高，从而制约了其规模化应用.目前，国内外学者已从收储运［3-4］、预处理、收集路线优化［5］和收集范围［6-14］等方面对秸秆能源化技术和工程的应用进行了有益的探讨.以上研究以秸秆能源化全流程的各个环节为研究和分析对象，不适合不同类型能源化途径间的综合比较和分析.另外，面对种类繁多的能源化技术，如何有效地对其规模和选址做出决策也是目前的重要问题.为此，提出了秸秆能源化工程运输半径的定量优化模型，包括秸秆能源化发展潜能评价、工程经济和环境效益分析模型.并对黑龙江省哈尔滨地区秸秆能源化工程的选址、原料收集半径规划进行了研究.为推进区域秸秆能源化工程的应用及综合效益的提高提供了理论指导.

1 区域秸秆能源化发展潜能评价

不同类型秸秆间成分的差异，导致相同预处理和生产条件下，不同秸秆的可更新能源转化率不同.以沼气发酵为例，相同条件下玉米秸产气率约390 m3·t-1，而稻秸和麦秸仅为345和320 m3·t-1［15-20］.因此，秸秆密度相同的区域其可更新能源的潜能未必一致.在估测区域秸秆能源化潜能时，现有的研究指标如秸秆总量、秸秆资源密度［13，21］无法精确反应秸秆类型不同造成的可更新能源产量差异.为完善区域秸秆能源化潜能评价指标，提出秸秆能源转化密度的概念，即在秸秆密度的基础上引入了秸秆能源密度指标，单位面积不同类型秸秆的可能源化量与其能源转化率乘积之和即区域的秸秆能源密度，公式为：

式中：ED为区域可更新能源密度（J·km-2）；EDi为区域内 i类秸秆转化为可更新能源的密度（J·km-1）；CYi为第i种作物年产量（t）；RP Ri为第i种作物草谷比；CRi为第i种秸秆可收集率（%）；WRi为第i种秸秆的含水率（%）；EDRi为第i种秸秆能源化利用量占可收集量的比例（%）；ETRij为i类秸秆转化为j类可更新能源的量（J·t-1＆m3·t-1）（文中秸秆质量均为干质量）；A为区域面积（km2）.

2 原料收集半径经济评价模型

2.1 基本假设

研究基于如下假设：1）原料运输区域呈圆形，工厂位于圆心位置［3，11，22］；2）各种作物在区域内均匀分布，忽略作物生长的季节性特点［4］；3）秸秆呈资源岛式分布，在岛内进行打捆处理后运输［4，22］；4）研究范围按照资源岛采购秸秆→资源岛运输至工厂→工厂生产→产品销售的顺序进行；5）秸秆收集到资源岛并在岛中打包压缩，资源岛到工厂的理论距离为工程原料收集半径.

2.2 模型推导

盈亏平衡分析 （cost-volume-profit analysis，CVP）是一种重要的会计管理工具，可揭示系统中影响盈亏状况的变量及变量之间的依存关系，其公式为：净利润=销售收入-（变动成本+固定成本）［23］，当变动和固定成本之和最小时，工程净利润最大.

秸秆能源化工程可变成本主要包括秸秆采购成本（包括秸秆资源岛内收集及压缩费用［11］）.运输成本即将秸秆运输至工厂的费用，仅考虑资源岛到加工厂运费［11］；其与工程原料运输面积内总的秸秆质量（π·R2·D）、秸秆质量运费（Pt／ρ）和运输距离（R·β）相关，其中

表示区域单位面积秸秆产量.采购成本即收购秸秆需付给农民的费用，由收集区域内秸秆总量（π·R2·D）和单位秸秆的收购价格（Ps）决定.固定成本即工程固定资产投资，由设备、厂房、劳动力等投资构成.销售收入主要由产品产量和其市场售价Pj的乘积决定.依据此理论构建了秸秆能源化工程的净利润模型，即

式中：Pt为秸秆体积运输费率（元·m-3·km-1），取0.45元·m-3；R为秸秆从资源岛至工厂的理论半径（km）；ρ为秸秆密度，在0.7～1.3 t·m-3；β为道路曲折因子，一般取1.5；Ps为秸秆收购价格（元·t-1）；x为工程生产规模，即年产量；T为工程设计使用寿命（a）；y为工程总固定资产投资（元），y=εxа［13］，а为工程的规模系数（0＜а≦1），ε为工程的规模因子；秸秆能源化工程销售收入（元·a-1），表示产出可更新能源的经济收益，由可更新能源产品的产出率和市场价格决定；P为单位可更新能源市场售价.

根据秸秆能源化工程可行性研究数据［23-26］，拟合得到工程年产量和固定投资的关系公式，即

拟合公式的单位分别为：x乙醇（万 t）、x燃料（万t）、x沼气（万m3）和x热电（万kW·h），工程年利润（y）单位均为万元.秸秆能源化工程生产规模和工程固定资产投资呈指数关系.规模因子表示随工程生产规模的增加对工程固定资产投资的影响［13］.4类工程的规模因子从低到高依次为乙醇、沼气、成型燃料、热电联产工程，均在0.4～0.9.可知，随运输半径（即生产规模）的增加，工程的单位固定资产投资呈不同程度的降低.

秸秆能源化工程年净利润=工程销售收入-（运输成本+采购成本+工程固定资产）=

在发展秸秆能源化工程时，随生产规模的增加，工程年产量及利润会相应增加，因此，工程的年利润无法反映不同规模工程经济效益的优劣.以工程单位净利润对原料运输半径求导，当导数等于零时，工程的单位收益最大，此时的运输半径对应的工程单位净利润最大，称此半径为最优半径，即

3 原料收集半径的环境评价模型

3.1 基本假设

针对我国面临的主要环境问题提出了包括温室气体和PM2.5两相指标的环境减排模型，以期对秸秆能源化途径的环境效益进行比较，从环保角度对秸秆能源化工程的决策提供理论参考.模型基于如下假设：1）对比不同秸秆能源化途径间的环境效益，忽略秸秆收集、压缩及储藏等相同或相似环节的污染排放差异；2）忽略工程生产规模对污染物排放因子的影响；3）可更新能源使用过程中污染物排放忽略不计.

3.2 模型推导

秸秆能源化工程产业链较长，一般包括原料收储运、原料预处理和加工、产品配送及使用环节.对于不同秸秆能源化工程，其原料收储运环节基本一致，污染物主要来自原料生产加工以及产品使用环节.发展秸秆能源化工程，能避免秸秆焚烧带来的环境污染，也能通过减少对化石能源的需求量而降低其生产和使用中污染物的排放.综上，秸秆能源化工程环境污染物主要来自秸秆收集、运输、生产环节的排放以及减少秸秆焚烧、替代化石能源的污染物减排.单位环境减排量即工程的污染物排放量与其年可更新能源产量之比.公式如下：

式中：W为单位可更新能源的污染物排放量；fck为秸秆收集过程k种污染物排放因子（g·t-1）；flk为l种机动车排放k种污染物排放因子（g·km-1·辆-1）；wl为l种机动车运输秸秆质量（t·辆-1）；ETRj为秸秆生产j类可更新能源的平均转化率（J·t-1或 m3·t-1）；fjk为单位秸秆生产j类可更新能源时k种污染物排放因子（g·t-1或 g·m-3）；fsk为秸秆露天焚烧时k种污染物排放因子（g·t-1）；ej为j类可更新能源的热值（GJ·t-1或 GJ·m-3）；eu为 u类化石能源的热值（GJ·t-1）；fuk为u类化石能源生产及使用过程中 k种污染物排放因子（g·t-1）.

4 哈尔滨地区秸秆能源化工程运输半径评价及建议

数据来源：作物年产量和耕作面积数据参考《黑龙江统计年鉴》［27］；草谷比［21］、可收集率［21］、能源化比例［21］、秸秆的沼气转化率［17-20］、能源化工程可行性研究数据［24-26］均参考已发表文献；温室气体和PM2.5排放因子参考美国［28］、欧盟［29］环境数据库数据以及我国的污染物排放系数手册［30］.其他数据以研究常用数据或经验值为依据.

4.1 哈尔滨地区秸秆能源化潜能评价

对黑龙江省13个行政区域的秸秆沼气、乙醇、成型燃料和热电联产工程的单位发展潜能进行了分析（仅考虑水稻、小麦、玉米和大豆4类主要作物）.依据沼气、乙醇、成型燃料和电能的热值，将4类能源物质统一单位后得到图1.

黑龙江省不同行政区域间，各类秸秆能源化工程的单位潜能发展趋势相同，即从高到低依次为沼气、热电联产、成型燃料和乙醇工程.这主要受能源化工程工艺发展水平和可更新能源的热值影响.因此，从能源利用最大化角度，应优先发展秸秆沼气和热电联产工程.按照单位秸秆能源化发展潜能，将黑龙江省分为：1）沼气高潜能区域，包括绥化和哈尔滨地区，其单位能源转化密度均在1.00E+12 J·km-2以上；2）乙醇高潜能区域，包括绥化、哈尔滨、齐齐哈尔和大庆地区，其单位能源转化密度均在5.00E+ 05 J·km-2以上；3）成型燃料高潜能区域，包括绥化、哈尔滨、齐齐哈尔、佳木斯和大庆地区，其单位能源转化密度均在1.00E+05 J·km-2以上；4）热电高潜能区域，包括绥化、哈尔滨、齐齐哈尔、佳木斯和大庆地区，其单位能源转化密度均在2.00E+11 J·km-2以上（图1）.

4.2 原料运输半径经济评价

利用式（13），并以文献中和生产实际的数据为参考（见表1），对哈尔滨地区发展秸秆热电联产、乙醇、沼气和成型燃料工程的半径（Rj）进行经济评价.4类能源化工程的最优半径从大到小依次为沼气（37 km）、乙醇（35 km）、热电联产（22 km）和成型燃料（4 km）（见图2）.某区域在进行秸秆能源化工程决策时，为实现单位产品的利润最大，应综合区域的面积和运输路线等情况选择适合的工程类型.

道路交通、秸秆类型、农作物产量、技术水平等因素的变化，必然导致秸秆能源化工程投资和生产效率的改变.自然和人为因素可对秸秆能源化工程的最优半径产生一定影响.由式（5）～（8）可知T、β、Pt和最优半径成反比，ρ、ε与最优半径成正比；ETR、D、α对最优半径的影响如图3.ETR与最优半径成正比（图3（b）），D与最优半径成反比（图3（c）），且在4类秸秆能源化工程中变化趋势均相同；除成型燃料工程外最优半径随α（在0～1［31］）的增大呈显著增加后缓慢降低的变化趋势（图3（a）），成型燃料工程的最优半径随工程规模系数的增加而逐渐降低.α的变化对秸秆沼气工程最优半径的影响最大，其次为乙醇、热电和成型燃料工程；ETR的变化对秸秆沼气工程最优半径的影响最大，其次为热电、乙醇和成型燃料工程；D的变化对乙醇工程最优半径的影响最大，其次为沼气、热电和成型燃料工程（图3）.在应用中需根据指标的变化适当调整工程的最优半径.

随着化石能源的减少和秸秆能源化工程应用的推广，秸秆能源化将面临秸秆运费、工程单位投资、秸秆可能源化量、工程使用年限等因素的改变，这些变化必然导致工程最优半径与最初规划的范围有出入.但是，E TR、ED对最优半径不会造成实质性影响，工程技术和生产工艺的提高是影响工程收集半径的主要因素.

4.3 原料运输半径环境评价

哈尔滨地区秸秆能源化工程温室气体和PM2.5减排分析，重点探讨了秸秆能源化全流程中3类主要温室气体（CO2、CH4和NO2）排放情况.CO2、CH4和NO2的全球增温潜能（global warming potential，GWP）分别为1、21和310.由式（19）可知：相同秸秆能源化工程，其单位环境效益和运输半径成反比，随运输半径增加，单位产品运输过程中污染物的排放量增加.

表2为工程单位经济效益最优时（即最优半径）温室气体和PM2.5减排情况.乙醇和沼气发酵工程的温室气体和PM2.5减排效果明显优于热电联产和成型燃料工程，这是由于乙醇和沼气发酵工程的最优半径较其他两类工程大，其秸秆的年处理量也较高，而工程温室气体和PM2.5减排量的主要决定因素为可更新能源产量和秸秆利用量.

假设哈尔滨地区预期在15 km的收集半径内发展秸秆能源化工程，得到表3的温室气体和PM2.5排放数据.运输半径（即原料供应量）相同时，成型燃料工程的温室气体减排量最低，PM2.5减排量最高；温室气体减排最高为乙醇工程，其次为沼气和热电联产工程（表3）.由于4类能源化工程的PM2.5减排总量相差不大，建议实际应用中以温室气体减排为主要参考因素，即当区域面积固定时，以发展秸秆乙醇、沼气和热电联产工程为主.秸秆能源化过程中，原料收集环节的温室气体排放量最大，温室气体减排量主要来自节约的化石能源.综上，提高秸秆收集效率和能源转化率是提高工程温室气体减排潜能的重要途径.PM2.5的减排量主要由减少秸秆焚烧提供，其他生产环节与此相比数量非常小，可忽略不计.秸秆焚烧是PM2.5的主要贡献源，只要对秸秆进行适当的能源化利用均会显著提高PM2.5的减排量.

5 结 论

1）提出了秸秆能源转化密度的概念，构建了秸秆能源化工程原料运输半径的经济和环境评价模型，在保障工程原料高效供应的基础上，综合考察了不同原料运输半径间的经济和环境效益，为区域秸秆能源化工程的规划和决策提供了新的理论视角.

2）由黑龙江省哈尔滨地区的秸秆能源化工程运输半径经济和环境评价结果可知，哈尔滨地区秸秆沼气化潜能较高，位于黑龙江省第2位仅次于绥化地区，约为52 500 m3·km-2；哈尔滨地区在建设沼气、乙醇、热电联产和成型燃料工程时，运输半径分别为37、35、22和4 km左右，此时工程的单位利润最大；秸秆能源化工程的温室气体和PM2.5减排的主要贡献均来自秸秆禁焚，秸秆沼气和乙醇发酵工程的温室气体减排效果最佳，成型燃料和热电联产工程PM2.5减排最佳.

3）工程生产技术提高是影响运输半径的主要因素，在实际应用中应根据技术和自然等环境的变化，对工程实施方案及时调整.

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（编辑 刘 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.

国家自然科学基金（51179041）；黑龙江省自然科学基金（E201206）；哈尔滨市科技创新人才研究专项基金（2012RFLXS026）.

马 放（1963—），男，教授，博士生导师.

王 立，wli＠hit.edu.cn.