2005年，我國(guó)農(nóng)作物秸稈產(chǎn)量為7.2億t，預(yù)計(jì)到2015年將達(dá)到9億t左右，其中約一半可作為能源化利用的原料。但是，目前我國(guó)秸稈新能源開(kāi)發(fā)利用僅占可收集量的0.69%；僅廢棄和焚燒的秸稈就占20.7%。可見(jiàn)，農(nóng)作物秸稈資源的能源化利用還有很大潛力。
目前，農(nóng)作物秸稈的能源產(chǎn)品主要包括柴薪、成型燃料、秸稈沼氣、秸稈乙醇、秸稈柴油、秸稈燃?xì)狻⒔斩挌錃夂徒斩挵l(fā)電等。但是，在現(xiàn)有技術(shù)水平下，針對(duì)一定的地域、在一定的時(shí)間段，如何優(yōu)化各種農(nóng)作物秸稈能源產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和所需秸稈資源量的研究文獻(xiàn)還沒(méi)有相關(guān)報(bào)道。現(xiàn)以循環(huán)經(jīng)濟(jì)理論為基礎(chǔ)，探索農(nóng)作物秸稈能源產(chǎn)品結(jié)構(gòu)優(yōu)化的方法，為國(guó)家相關(guān)管理部門(mén)在農(nóng)作物秸稈能源化利用管理決策中提供借鑒的方法和依據(jù)，農(nóng)作物秸稈可以經(jīng)過(guò)
秸稈顆粒機(jī)、
秸稈壓塊機(jī)壓制成生物質(zhì)成型燃料，生物質(zhì)成型燃料是未來(lái)替代煤等化石能源最佳的選擇。
1、研究方法
1.1研究方法的理論基礎(chǔ)
循環(huán)經(jīng)濟(jì)理論是一種以資源高效利用和循環(huán)利用為核心，以資源投入最小化為目標(biāo)、廢物利用最大化和污染排放量最小化為目標(biāo)，以低消耗，低排放，高效率為基本特征的一種生態(tài)經(jīng)濟(jì)理論。該理論注重推進(jìn)資源、能源節(jié)約、資源綜合利用和推行清潔生產(chǎn)，以便把經(jīng)濟(jì)活動(dòng)對(duì)自然環(huán)境的影響降低到盡可能小的程度。線性規(guī)劃是在資源有限前提下，進(jìn)行方案優(yōu)化的一種重要方法。主要用于研究有限資源的最佳分配問(wèn)題，即如何對(duì)有限的資源做出最佳方式地配置和最有利地使用，以便充分發(fā)揮資源的效能去獲取最佳的經(jīng)濟(jì)效益。
1.2農(nóng)作物秸稈能源產(chǎn)品結(jié)構(gòu)優(yōu)化模型
1.2.1前提條件
①假設(shè)農(nóng)作物秸稈能源產(chǎn)品能夠部分的替代煤炭、石油、天然氣、電力等常規(guī)能源，并且有計(jì)劃的提高其在能源結(jié)構(gòu)中的份額。
②農(nóng)作物秸稈發(fā)電方面只考慮秸稈直燃發(fā)電和氣化發(fā)電，沼氣主要考慮戶用沼氣池的利用。
③農(nóng)作物秸稈能源產(chǎn)品的使用費(fèi)用因其產(chǎn)品種類(lèi)不同存在一定的差別，且隨著用量的增加也會(huì)增加，但其每種秸稈能源產(chǎn)品單位使用費(fèi)用隨其消費(fèi)量的增減變化不大，且使用費(fèi)用與能源產(chǎn)品價(jià)格相比非常小，故可假定為定值。
④首先，從循環(huán)經(jīng)濟(jì)角度來(lái)看，農(nóng)作物秸稈能源CO：零排放，其他污染物排放與燃煤、油相比很少；其次，通過(guò)不斷提升技術(shù)手段使秸稈直燃發(fā)電產(chǎn)生的粉塵、結(jié)焦和秸稈乙醇生產(chǎn)中產(chǎn)生的廢水等污染得到很好的控制，且這部分治理費(fèi)用都計(jì)人產(chǎn)品價(jià)格中；Mann和Spath的定性研究表明，原料生產(chǎn)、運(yùn)輸和電力生產(chǎn)中產(chǎn)生的主要排放物是SO：和NOx。故環(huán)境污染方面只考慮S02和NO。的排放量，治理費(fèi)用為每噸5 000元。
⑤有些農(nóng)作物秸稈能源產(chǎn)品的生產(chǎn)還沒(méi)有形成產(chǎn)業(yè)化，如秸稈柴油和秸稈制氫技術(shù)還不成熟，部分秸稈能源產(chǎn)品缺少實(shí)際生產(chǎn)、消費(fèi)等數(shù)據(jù)，故參考相關(guān)發(fā)展規(guī)劃及文獻(xiàn)資料，以此為依據(jù)確定模型優(yōu)化數(shù)據(jù)。
1.2.2目標(biāo)函數(shù)
以農(nóng)作物秸稈能源利用全過(guò)程費(fèi)用最少和環(huán)境達(dá)標(biāo)的目標(biāo)，采用各種農(nóng)作物秸稈能源產(chǎn)品的消費(fèi)量為決策變量，以農(nóng)作物秸稈能源產(chǎn)品生產(chǎn)、使用及使用后的治污費(fèi)總和最小為目標(biāo)函數(shù)。能源單位統(tǒng)一換算成萬(wàn)t標(biāo)準(zhǔn)煤；時(shí)間單位均為1年。目標(biāo)函數(shù)如下所示。
1.2.3約束條件
①能源消費(fèi)約束條件：主要參考國(guó)家相關(guān)發(fā)展規(guī)劃、實(shí)際調(diào)研數(shù)據(jù)及文獻(xiàn)資料。同時(shí)，考慮到高品位優(yōu)質(zhì)能源產(chǎn)品優(yōu)先發(fā)展的原則，確定各種農(nóng)作物秸稈能源產(chǎn)品的需求量。秸稈電力方面只考慮秸稈燃燒發(fā)電和秸稈氣化發(fā)電，沼氣主要考慮農(nóng)戶沼氣池和處理農(nóng)業(yè)廢棄物的沼氣工程。
②能源總量約束條件：考慮到某地域農(nóng)作物秸稈資源的實(shí)際生產(chǎn)能力和合理開(kāi)發(fā)利用，參考有關(guān)文獻(xiàn)資料，確定農(nóng)作物秸稈能源產(chǎn)品的最大利用量，以此作為農(nóng)作物秸稈能源消費(fèi)總量的約束條件。
③環(huán)境約束條件：由農(nóng)作物秸稈轉(zhuǎn)化到最終能源產(chǎn)品的過(guò)程中均會(huì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生不同種類(lèi)或不同程度的影響。但與燃煤、油相比很少。故開(kāi)發(fā)利用農(nóng)作物秸稈能源產(chǎn)品可以起到節(jié)能減排的作用。
④能源產(chǎn)品優(yōu)先序約束條件：從提高能源效率和能源品位方面考慮，應(yīng)優(yōu)先發(fā)展秸稈生物燃料，其次發(fā)展秸稈氣體燃料，再次發(fā)展生物質(zhì)固體成型燃料和生物質(zhì)發(fā)電，盡可能減少或限制薪柴的直接燃燒，避免生物質(zhì)熱量損失，以便提高秸稈生物質(zhì)能源效率。
⑤非負(fù)約束：各種農(nóng)作物秸稈能源產(chǎn)品的消費(fèi)量均應(yīng)大于或等于零。
2、研究區(qū)域
東北三省包括黑龍江省、吉林省和遼寧省，是我國(guó)糧食的主產(chǎn)區(qū)，農(nóng)作物秸稈資源豐富，秸稈密度屬于我國(guó)的中高密度地區(qū)。從技術(shù)和地理環(huán)境等因素考慮，農(nóng)作物秸稈的能源產(chǎn)品生產(chǎn)都可以在其地域內(nèi)發(fā)展。同時(shí)，東北三省自然條件、經(jīng)濟(jì)狀況、居民生活習(xí)慣、種植的主要農(nóng)作物種類(lèi)和農(nóng)作物秸稈密度以及相關(guān)政策等都相近，因此將東北三省作為一個(gè)整體來(lái)考慮其農(nóng)作物秸稈能源產(chǎn)品的優(yōu)化問(wèn)題。
3、優(yōu)化過(guò)程及結(jié)果
3.1農(nóng)作物秸稈資源量計(jì)算
東北三省主要農(nóng)作物包括包括玉米、小麥、水稻、高粱、大豆和向日葵等六種。農(nóng)作物秸稈產(chǎn)量的計(jì)算方法如下.
草谷比和可收集系數(shù)的篩選：按照《灰色系統(tǒng)理論在黑龍江省農(nóng)作物秸稈可收集量預(yù)測(cè)中的應(yīng)用》文中的篩選方法和結(jié)果。
可能源化利用系數(shù)的篩選：查閱關(guān)于東北三省農(nóng)作物秸稈綜合利用的研究文獻(xiàn)，分析確定黑龍江省秸稈可能源化利用系數(shù)為74.0%，吉林為84.7%．遼寧為62.00%。
按照上述方法和篩選出的各項(xiàng)系數(shù)，估算得出2009年?yáng)|北三省農(nóng)作物秸稈可能源化利用量5 729.2萬(wàn)t。
3.2參數(shù)確定及約束條件
3.2,1 各項(xiàng)參數(shù)確定
①計(jì)算所需原始數(shù)據(jù)的確定
根據(jù)文獻(xiàn)資料，計(jì)算得出模型所需的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)見(jiàn)表l。其中，秸稈發(fā)電的成本為0.8元．kW·h，但國(guó)家對(duì)生物質(zhì)發(fā)電的實(shí)際補(bǔ)貼達(dá)到0.35元·kW·h，因此，秸稈發(fā)電的實(shí)際成本為0.45元．kW．h。
②Ai的計(jì)算：A．為各種農(nóng)作物秸稈能源產(chǎn)品的
．-投資費(fèi)用系數(shù)。
本文采用秸稈能源產(chǎn)品的生產(chǎn)成本作為投資
費(fèi)用系數(shù)，但是薪柴、秸稈成型燃料和秸稈氫氣三種能源產(chǎn)品還沒(méi)有準(zhǔn)確的生產(chǎn)成本資料，因此取其產(chǎn)品價(jià)格為投資成本，即投資系數(shù)即是其產(chǎn)品價(jià)格。以燃料乙醇為例．2009年秸稈乙醇的生產(chǎn)成本3 500元．t-1。燃料乙醇折合標(biāo)準(zhǔn)煤參考系數(shù)為0.914 kgc．kg-1，所以得到目標(biāo)函數(shù)中燃料乙醇的投資系數(shù)Ai=3 829.32元．tce-l。其他變量投資系數(shù)的確定同上類(lèi)似。
3.2.2能源消費(fèi)約束條件
①薪柴消費(fèi)量蜀：835.5 sXi≤2 088.7萬(wàn)tce。按照文獻(xiàn)中各省家庭燃用量比例，估算出2009年?yáng)|北三省農(nóng)作物秸稈家庭燃用量為3 654.2萬(wàn)t，相當(dāng)于2 088.7萬(wàn)tce,考慮在未來(lái)國(guó)家大力推進(jìn)秸稈新能源產(chǎn)業(yè)，由于秸稈沼氣等新的能源產(chǎn)品所替代，農(nóng)村家庭直接燃燒的秸稈量將減少；2009年?yáng)|北三省省柴節(jié)煤灶為977.76萬(wàn)臺(tái)，節(jié)能炕為1118.34萬(wàn)鋪。按照其總戶數(shù)比例計(jì)算，并考慮現(xiàn)有農(nóng)村實(shí)際情況和其他燃燒用途，估計(jì)其燃燒量占薪柴總量的40%以上，即835.5萬(wàn)tce。
②成型燃料消費(fèi)量x2：28.4萬(wàn)tce≤X2$1260.8 tce。《農(nóng)業(yè)生物質(zhì)能產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃(2007—2015年)》中計(jì)劃2010年?yáng)|北三省農(nóng)作物秸稈固體成型燃料年利用量達(dá)45萬(wàn)t．2015年計(jì)劃全國(guó)生產(chǎn)生物質(zhì)固體成型燃料2 000萬(wàn)t。
③秸稈乙醇消費(fèi)量X2，X3≥79.3萬(wàn)tce。2009年?yáng)|北三省汽油總消耗量為868.3萬(wàn)t，假定按10%添加燃料乙醇，僅滿足東北三省的需求量就達(dá)86.8萬(wàn)t。
④秸稈沼氣消費(fèi)量X2，X3≥8.1萬(wàn)tce。《中國(guó)農(nóng)業(yè)統(tǒng)計(jì)資料》數(shù)據(jù)可見(jiàn)，2009年?yáng)|北三省戶用沼氣池和處理農(nóng)業(yè)廢棄物的沼氣工程年沼氣產(chǎn)量是2.26億m3。《農(nóng)業(yè)生物質(zhì)能產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃( 2007—2015年)》同時(shí)假設(shè)其中50%來(lái)自農(nóng)作物秸稈產(chǎn)生的沼氣，即是1.13億m3。
⑤秸稈燃?xì)庀M(fèi)量X2，X3≥2.2萬(wàn)tce。《農(nóng)業(yè)
4、討論
假設(shè)在農(nóng)作物秸稈能資源總量、現(xiàn)有技術(shù)和經(jīng)濟(jì)條件下，東北三省“十二五”期間農(nóng)作物秸稈能源產(chǎn)品最佳用量及比例如表2所示。從總量上來(lái)看，5 729.2萬(wàn)t的農(nóng)作物秸稈可能源化利用量可以產(chǎn)生2 038.4萬(wàn)t標(biāo)準(zhǔn)煤的秸稈能源產(chǎn)品。
a．薪柴的最佳用量占到農(nóng)作物秸稈能源產(chǎn)品的41.0%。可見(jiàn)，由于秸稈成本低廉，取材方便和在環(huán)境污染尚能承受的條件下，將農(nóng)作物秸稈作為薪柴直接燃燒仍是農(nóng)村對(duì)秸稈能源化利用的主要方式。但是為了提高能源效率和減少環(huán)境污染，應(yīng)該更多的采用節(jié)能灶（炕）等方式利用，而并不是廣大農(nóng)村中常規(guī)的直接燃燒方式。通過(guò)計(jì)算表明，農(nóng)作物秸稈作為柴薪利用比現(xiàn)有的秸稈資源家用燃燒量應(yīng)該大幅減少。例如，以黑龍江省為例，農(nóng)作物秸稈可收集量中的74.0%可作為能源資源來(lái)開(kāi)發(fā)利用，但上述產(chǎn)品結(jié)構(gòu)優(yōu)化結(jié)果顯示將秸稈作為薪柴利用的最佳比例是41.0%，即黑龍江省主要農(nóng)作物秸稈可收集量的30.3%作為薪柴使用是當(dāng)前最佳比例。這與目前黑龍江省農(nóng)作物秸稈可收集量中50.0%作為柴薪利用相比較，說(shuō)明在最佳的能源產(chǎn)品結(jié)構(gòu)中，黑龍江省農(nóng)作物秸稈家庭燃用量要減少20%左右。
b．按照目前的技術(shù)水平和環(huán)境要求，秸稈沼氣最佳用量為24.5%，秸稈成型燃料最佳用量為23.9%。秸稈成型燃料可以提高秸稈密度，節(jié)約運(yùn)輸和儲(chǔ)存費(fèi)用，擴(kuò)大應(yīng)用范圍，提高燃燒效率。秸稈沼氣工程對(duì)于減輕農(nóng)村地區(qū)對(duì)煤、電、液化氣等不可再生能源的消耗和依賴，緩解我國(guó)的能源
消費(fèi)壓力，為建設(shè)環(huán)境友好的新農(nóng)村意義重大。雖然還沒(méi)有東北三省秸稈成型燃料和秸稈沼氣的準(zhǔn)確數(shù)據(jù)，但從全國(guó)秸稈新能源開(kāi)發(fā)利用以及東北三省的實(shí)地了解，目前，這兩種秸稈能源產(chǎn)品在東北三省的生產(chǎn)量還是很低。
c．農(nóng)作物秸稈液體燃料（秸稈乙醇和生物柴油）的最佳用量合計(jì)為9.6%。生物燃料因其原料來(lái)源廣泛并再生，環(huán)境污染較少，單位能源密度高和易于運(yùn)輸?shù)葍?yōu)勢(shì)，得到世界各國(guó)的重視。但是，我國(guó)秸稈生物燃料產(chǎn)業(yè)化的關(guān)鍵技術(shù)的還沒(méi)有突破，造成其生產(chǎn)成本過(guò)高，從而限制了秸稈液體燃料的用量。
d．其他三種農(nóng)作物秸稈能源產(chǎn)品的最佳資源配置數(shù)量均不超過(guò)1%。這主要是限于目前生產(chǎn)技術(shù)和環(huán)境保護(hù)的要求才不能得以大力發(fā)展。但是，生物制氫作為新型二次能源，其發(fā)熱量高，燃燒后的產(chǎn)物只有水，被認(rèn)為是21世紀(jì)一種非常重要的潔凈能源。同時(shí)，氫氣又是現(xiàn)代煉油工業(yè)和化學(xué)工業(yè)的基本原料之一。目前，國(guó)內(nèi)外都在積極發(fā)展生物燃?xì)夂蜕镏茪洚a(chǎn)業(yè)，而在我國(guó)的相關(guān)能源發(fā)展規(guī)劃中還沒(méi)有將生物燃?xì)夂蜕镏茪洚a(chǎn)業(yè)列入國(guó)家的重點(diǎn)發(fā)展領(lǐng)域，建議國(guó)家相關(guān)管理部門(mén)從國(guó)家層面規(guī)劃和部署，組織相關(guān)力量大力推進(jìn)其產(chǎn)業(yè)發(fā)展。
5、結(jié)論
a．在現(xiàn)有技術(shù)和經(jīng)濟(jì)條件下，將農(nóng)作物秸稈作為薪柴來(lái)利用仍要持續(xù)比較長(zhǎng)的時(shí)間。因此，加大節(jié)能灶（炕）的推廣是當(dāng)前東北三省提高秸稈能源效率的主要措施之一。
b．在秸稈氣體能源產(chǎn)品中，農(nóng)作物秸稈沼氣是東北三省農(nóng)村新能源化建設(shè)的主要方向。
c．在秸稈固體能源產(chǎn)品中，秸稈成型燃料也是當(dāng)前農(nóng)村能源工作推進(jìn)中的主要內(nèi)容。
d．加大秸稈燃料等高品位農(nóng)作物秸稈能源產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)化技術(shù)的研發(fā)投入，通過(guò)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化來(lái)降低生產(chǎn)成本。按照目前，技術(shù)、環(huán)境和經(jīng)濟(jì)效益評(píng)價(jià)分析可見(jiàn)，農(nóng)作物秸稈乙醇將是科學(xué)、高效利用農(nóng)作物秸稈能源化利用的最佳選擇。
e．雖然，秸稈制取氫氣的生產(chǎn)技術(shù)還有很多瓶頸。國(guó)家應(yīng)該從農(nóng)作物秸稈能源化利用的長(zhǎng)期發(fā)展考慮，由政府加大這些技術(shù)的研發(fā)投入，力爭(zhēng)盡早使秸稈生物質(zhì)氫氣的產(chǎn)業(yè)化，富通新能源生產(chǎn)銷(xiāo)售的
秸稈顆粒機(jī)、
秸稈壓塊機(jī)專(zhuān)業(yè)壓制秸稈成型燃料。
