農(nóng)戶秸稈處置及供生物質(zhì)電廠成本分析

翟明嶺， 張旭， 程飛， 蘇醒

(同濟(jì)大學(xué) 機(jī)械與能源工程學(xué)院， 上海 200092)

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農(nóng)戶秸稈處置及供生物質(zhì)電廠成本分析

翟明嶺， 張旭， 程飛， 蘇醒

(同濟(jì)大學(xué) 機(jī)械與能源工程學(xué)院， 上海 200092)

摘要：為了分析農(nóng)戶秸稈就地焚燒造成面源污染而生物質(zhì)電廠秸稈收購難的問題，通過對七省124個(gè)農(nóng)戶進(jìn)行調(diào)研，結(jié)合家庭情況得到了農(nóng)戶秸稈處置的數(shù)據(jù).結(jié)果顯示59.3%的農(nóng)戶焚燒過秸稈，82.3%的農(nóng)戶未出售過秸稈.基于調(diào)研對農(nóng)戶秸稈供應(yīng)進(jìn)行場景設(shè)置，并建立供應(yīng)成本的數(shù)學(xué)模型.以江蘇省某生物質(zhì)電廠秸稈供應(yīng)為例，對不同場景下水稻秸稈供應(yīng)成本進(jìn)行分析，得到成本最高250元·t(-1)、最低186元·t(-1).該模型可為引導(dǎo)農(nóng)戶合理利用秸稈、生物質(zhì)電廠制定秸稈收購價(jià)格提供參考依據(jù).

關(guān)鍵詞：秸稈； 調(diào)研； 供應(yīng)； 生物質(zhì)電廠； 成本模型

中國秸稈資源可利用量達(dá)6～8億t[1-2]，卻常被農(nóng)戶就地焚燒，導(dǎo)致嚴(yán)重的空氣污染[3].為改善該狀況，我國大力發(fā)展生物質(zhì)發(fā)電，但生物質(zhì)電廠普遍反映秸稈收購困難[4]，秸稈供應(yīng)不足是一大原因.如從農(nóng)戶角度出發(fā)，分析其對秸稈處置的認(rèn)知和秸稈供應(yīng)成本構(gòu)成，可為解決秸稈收購困難的問題提供價(jià)格依據(jù).

目前秸稈供應(yīng)成本的相關(guān)研究[5-12]以電廠秸稈需求量為出發(fā)點(diǎn)，建模分析秸稈到廠價(jià)格、成本優(yōu)化及最優(yōu)收集范圍等問題，如邢愛華等[5]建立秸稈島式分布的收儲(chǔ)運(yùn)成本能耗模型，劉華財(cái)?shù)萚6]比較不同收儲(chǔ)運(yùn)模式成本，徐亞云等[7]則進(jìn)行成本、能耗、人工、設(shè)備等投入的橫向比較.他們假設(shè)電廠可掌控秸稈供應(yīng)鏈，但該供應(yīng)鏈環(huán)節(jié)眾多，每環(huán)節(jié)有獨(dú)立的成本和收益，若一環(huán)節(jié)出問題則不能保證秸稈供應(yīng).農(nóng)戶作為源頭，其供應(yīng)與否決定秸稈收購難易.未反映農(nóng)戶供應(yīng)成本的模型是靜態(tài)模型，不能反映供應(yīng)成本隨農(nóng)戶變化的動(dòng)態(tài)性.本文通過調(diào)研分析農(nóng)戶基本情況，構(gòu)建不同供應(yīng)場景下的成本模型，以某生物質(zhì)電廠為例設(shè)置參數(shù)進(jìn)行成本計(jì)算，分析成本結(jié)構(gòu).

1調(diào)研設(shè)計(jì)與調(diào)研結(jié)果

1.1調(diào)研設(shè)計(jì)

調(diào)研采取問卷調(diào)研結(jié)合入戶訪談，問卷為兩部分：① 農(nóng)戶家庭、資源信息等情況；② 農(nóng)戶秸稈處置現(xiàn)況及秸稈供應(yīng)認(rèn)識問題.入戶訪談針對臨近某生物質(zhì)電廠農(nóng)戶.發(fā)放問卷150份，有效問卷124份，有效率82.7%，入戶訪談38戶.

1.2調(diào)研結(jié)果

調(diào)研對象分布在兩個(gè)建筑氣候分區(qū)、7個(gè)省份，具體見圖1.

圖1　調(diào)研對象地區(qū)分布

調(diào)研信息包括農(nóng)戶家庭信息、秸稈處置情況.

家庭人口情況見表1，其決定農(nóng)戶秸稈供應(yīng)的可用人工.常住人口以老年人和學(xué)齡人為主，基本反映我國城鎮(zhèn)化進(jìn)程的現(xiàn)象.95.2%的農(nóng)戶從事農(nóng)業(yè)勞動(dòng).收入情況見表2，農(nóng)業(yè)收入與總收入的對比反映工作重心，打工收入水平?jīng)Q定農(nóng)業(yè)工作的機(jī)會(huì)成本.土地及秸稈資源情況見表3，農(nóng)戶土地分散，塊均耕地面積、塊均秸稈量反映土地的分散程度，其越高，供應(yīng)成本越高.農(nóng)戶外出打工勞力不足導(dǎo)致部分地區(qū)土地閑置的情況.

表1　家庭人口情況

表2　收入情況

表3　土地及秸稈資源情況

非農(nóng)工作情況見圖2，大部分農(nóng)戶收入來源主要為打工，其中45.3%打工人員放棄農(nóng)業(yè)工作.對秸稈焚燒的認(rèn)識見圖3，70.9%認(rèn)為收集秸稈費(fèi)時(shí)費(fèi)力，22.9%認(rèn)為收集成本高，16.7%認(rèn)為秸稈無價(jià)值.對秸稈出售的認(rèn)識見圖4，農(nóng)戶中17.7%出售過秸稈，其中27.3%為自送秸稈至收儲(chǔ)站，96.8%在遇到收購時(shí)會(huì)出售秸稈，100%希望收購方到田收購.

調(diào)研得到農(nóng)戶做決策時(shí)綜合比較秸稈供應(yīng)成本、收益與從事其他工作的機(jī)會(huì)成本，人工成本是影響決策的重要因素.同時(shí)秸稈收集供應(yīng)模式也是一個(gè)重要因素，第2節(jié)依據(jù)調(diào)研設(shè)立不同供應(yīng)模式場景進(jìn)行定量分析.

2農(nóng)戶秸稈供應(yīng)成本模型

2.1假設(shè)與場景設(shè)置

圖2　農(nóng)戶非農(nóng)工作調(diào)研結(jié)果

基本假設(shè)：①秸稈產(chǎn)量密度無差別；②不考慮天氣、地形等因素；③農(nóng)戶使用自有拖拉機(jī)運(yùn)送秸稈，僅一輛；④機(jī)械收集租賃田間秸稈打捆機(jī)；⑤4種場景：人工收集并運(yùn)輸(A)、機(jī)械收集并運(yùn)輸(B)、人工收集等待收購(C)、機(jī)械收集等待收購(D)，流程見圖5，每種場景計(jì)算3種不同留茬高度的成本，下標(biāo)1、2、3代表30、20、10 cm.

圖3　農(nóng)戶對秸稈焚燒的認(rèn)識情況

圖4　農(nóng)戶對秸稈出售的認(rèn)識

圖5　農(nóng)戶秸稈供應(yīng)場景

2.2成本計(jì)算模型

農(nóng)戶秸稈供應(yīng)成本為

(1)

式中：Δch為收割成本增量，元；cg為收集成本(C、D含堆垛成本)，元；cs為儲(chǔ)存成本(C、D)，元；ct為運(yùn)輸成本(A、B)，元.

農(nóng)戶秸稈出售收益為

Rf=Qfps

(2)

式中：Qf為秸稈量，t；ps為收購價(jià)格，元·t-1.

農(nóng)戶的決策機(jī)制是當(dāng)Rf>cfs時(shí)農(nóng)戶選擇供應(yīng)秸稈.

2.2.1秸稈收割成本

農(nóng)戶秸稈可供量為

Qf=ak1k2A

(3)

式中：α為作物產(chǎn)量密度，t·m-2；k1為草谷比；k2為可收集系數(shù)；A為土地面積，m2.

其與作物類型、收割留茬高度等相關(guān).而留茬高度不可忽略，低會(huì)增加秸稈產(chǎn)量，高則節(jié)省收割油耗和時(shí)間，參數(shù)見表4.

表4　不同留茬高度下相關(guān)參數(shù)[13-14]

以留茬30 cm為基準(zhǔn)，收割成本增量ΔCh含油耗成本增量ΔChd和人工成本增量ΔChp為

(4)

式中：Δqd為柴油耗增量，L；pd為柴油價(jià)格，元·L-1；Δth為人工增量，h；pper為人工工資，元·h-1.

2.2.2秸稈收集成本

農(nóng)戶選擇人工收集或機(jī)械收集.收集效率為人工Qgp、機(jī)械Qgm.調(diào)研得打捆機(jī)租費(fèi)按秸稈包數(shù)計(jì)量，每包50元，尺寸為1.75 m×1.2 m×0.9 m，密度約為170 kg·m-3.C、D需堆垛儲(chǔ)存，產(chǎn)生附加成本，設(shè)為收集成本的10%.

人工收集成本為

(5)

機(jī)械收集成本為

(6)

2.2.3秸稈運(yùn)輸成本

完成一次運(yùn)輸，空載和滿載的運(yùn)程比1∶1，運(yùn)至收儲(chǔ)站，因質(zhì)檢、稱重等耗費(fèi)一個(gè)必須人工時(shí)間，設(shè)為0.5 h.運(yùn)輸單位載重公里油耗[15]為

(7)

式中：ge為滿載耗油率，kg·(kWh)-1；geo為空載耗油率，kg·(kWh)-1；v1為滿載車速，km·h-1；v0為空載車速，km·h-1；Nen/m為功載比，kW·t-1.

運(yùn)輸成本Ct為

(8)

式中：tt為運(yùn)輸時(shí)間, h；cdep為折舊成本,元；cm為維護(hù)成本，元；β為道路曲折因子，取1.4；lt為運(yùn)輸距離，km.

2.2.4儲(chǔ)存成本

C、D需儲(chǔ)存秸稈.秸稈存于田間地頭，為確保秸稈含水量，以防水帆布保存.帆布使用年限5年，殘值0.存儲(chǔ)成本cs為

cs=pcAc/5

(9)

式中：pc為帆布價(jià)格，元·m-2；Ac為帆布面積，m2.

3實(shí)例分析參數(shù)設(shè)置

本文選取江蘇省某生物質(zhì)電廠周邊農(nóng)戶為實(shí)例設(shè)置參數(shù)，其位于江蘇省東南部，是小麥、水稻、油菜等農(nóng)作物主產(chǎn)區(qū)，以水稻小麥輪作為耕作模式.本文以水稻秸稈為分析對象，秸稈參數(shù)見表5，車輛參數(shù)見表6，其他參數(shù)見表7.

表5　水稻秸稈參數(shù)

表6　農(nóng)用拖拉機(jī)掛車參數(shù)[6-7, 13]

表7　其他相關(guān)參數(shù)

4結(jié)果及討論

不同場景的秸稈供應(yīng)成本計(jì)算結(jié)果見表8.可得B2成本最低，B1次之，C3最高.降低同樣留茬高度的成本增幅人工收集大于機(jī)械收集，因?yàn)闄C(jī)械收集提高收集效率、降低運(yùn)輸人工成本，而人工費(fèi)用高于機(jī)械費(fèi)用.因?yàn)榧僭O(shè)農(nóng)戶采取儲(chǔ)存手段，增加了堆垛存儲(chǔ)成本，C、D供應(yīng)成本相應(yīng)地比A、B高.以C3為例，儲(chǔ)存成本占總成本32.6%.若C、D下農(nóng)戶不采取存儲(chǔ)手段，則成本會(huì)降低至165、180.7、188.9、176.5、168.6、190元·t-1.

表8　不同場景的供應(yīng)成本

不同場景成本結(jié)構(gòu)可見圖6，最高成本部分A、C中是人工收集成本， B、D中是機(jī)械收集成本.機(jī)械收集相比人工收集未體現(xiàn)太多成本優(yōu)勢，這和本文設(shè)定條件中農(nóng)戶土地面積有關(guān)，土地面積越小，越難以體現(xiàn)機(jī)械收集的優(yōu)勢.

據(jù)調(diào)研可知，人工成本是農(nóng)戶決策中重要的因素.勞動(dòng)力價(jià)格對秸稈供應(yīng)成本的影響，見圖7.勞動(dòng)力價(jià)格的變化對人工收集模式的影響大于機(jī)械收集模式.基準(zhǔn)價(jià)格為12元·h-1，勞動(dòng)力價(jià)格增加10%、20%、50%時(shí)A分別增加8.3%～8.8%、16.9%～17.3%、42.5%～43.9%，C分別增加6.4%～6.8%、13.0%～13.4%、33.9%～34.3%，而B增加0.8%～0.9%、1.6%～1.8%、4.1%～4.7%，D增加0.3%～0.5%、0.5%～0.9%、1.3%～2.2%.

本文未考慮秸稈供應(yīng)中存在的信息問題，當(dāng)眾多農(nóng)戶面對有限的收購方時(shí)，信息交流可能出現(xiàn)困難，足量收購秸稈意味著信息交流需足夠順暢，信息交流產(chǎn)生信息成本，因此本文后續(xù)研究會(huì)將信息問題納入成本分析當(dāng)中.

圖6　不同場景下的秸稈供應(yīng)成本結(jié)構(gòu)

圖7　供應(yīng)成本與勞動(dòng)力價(jià)格之間的關(guān)系

5結(jié)論

(1)調(diào)研發(fā)現(xiàn)農(nóng)戶45.3%打工人員不從事農(nóng)工、59.7%焚燒過秸稈、82.3%未出售過秸稈，農(nóng)戶基于秸稈供應(yīng)的成本、預(yù)期收益與勞動(dòng)力機(jī)會(huì)成本決策相關(guān)問題，人工成本是影響農(nóng)戶決策的重要因素.

(2)設(shè)置4種場景構(gòu)建供應(yīng)成本模型，對收割、收集、運(yùn)輸、儲(chǔ)存等環(huán)節(jié)建立數(shù)學(xué)模型，可對一定情況的供應(yīng)成本進(jìn)行計(jì)算.

(3)實(shí)例成本計(jì)算結(jié)果顯示成本大小依次為B、A、D、C，D、C成本較高因?yàn)椴扇?chǔ)存手段，若不考慮它則將低于A、B，但難以保證秸稈質(zhì)量.勞動(dòng)力價(jià)格每增加10%，A成本增加8.3%～8.8%，B增加0.8%～0.9%，C增加6.4%～6.8%，D增加0.3%～0.5%.

(4)基于本文研究，增加機(jī)械收集程度、降低機(jī)械收集成本、增加土地面積等方式可降低成本中最多的收集成本，政府加強(qiáng)收儲(chǔ)商與農(nóng)戶的信息交流可降低C、D的儲(chǔ)存成本.

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Analyses of Farmers’ Straw-Disposal Condition and Biomass Supply Cost for Power

ZHAI Mingling, ZHANG Xu, CHENG Fei, SU Xing

(School of Mechanical Engineering, Tongji University, Shanghai, 200092,China)

Abstract：In order to analyze the problem of straw shortage from the perspective of farmers, an investigation was conducted. Among the respondents, 59.3% burned the straw, and 82.3% did not sell the straw to any enterprise. Four scenarios with three stubble heights are established. An mathematical model about straw harvesting, collection, transportation, and storage is established. Parameters are selected basing on one biomass power plant in Jiangsu Province. The results show that the cost of straw selling is 186-250 CNY·t(-1). The machinery collection reduces the total cost finitely. The relation between the labor price and the cost is examined. The labor price affects the manpower collection scenarios more obviously than the machinery collection scenarios. The cost model is made without considering the information problem.

Key words：straw； investigation； supply； biomass power plant； cost model

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

中圖分類號：TK6； X712

通訊作者：張旭(1955—)，男，工學(xué)博士，教授，博士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)榇彐?zhèn)低品位能源系統(tǒng).

基金項(xiàng)目：“十二五”國家科技支撐計(jì)劃(2011BAJ08B09, 2011BAJ08B10)

收稿日期：2015-05-20

第一作者： 翟明嶺(1987—)，男，博士生，主要研究方向?yàn)樯镔|(zhì)發(fā)電秸稈原料供應(yīng).E-mail: zmlcqu2005@163.com

E-mail: zhangxu-hvac@#edu.cn