秸稈收儲(chǔ)運(yùn)成本分析*
——以河南省為例

孫 寧，王亞靜，高春雨，王紅彥，覃 誠(chéng)，畢于運(yùn)※

(1.中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所，北京 100081;2.國(guó)家農(nóng)業(yè)信息化工程技術(shù)研究中心，北京 100089)

0 引言

生物質(zhì)能是僅次于煤炭、石油、天然氣的第四大能源，約占全球總能耗的14%，農(nóng)作物秸稈(簡(jiǎn)稱秸稈)作為生物質(zhì)資源的重要組成部分，具有種類多、數(shù)量大、分布廣等特點(diǎn)。據(jù)農(nóng)業(yè)部測(cè)算， 2015年全國(guó)主要農(nóng)作物秸稈理論資源量為10.4億t，可收集資源量為9.0億t[1]。秸稈離田產(chǎn)業(yè)化利用是秸稈綜合利用的一種重要方式，不僅有利于緩解秸稈焚燒所引起的環(huán)境污染問題，同時(shí)其產(chǎn)出的飼料、能源、基料等也在畜禽養(yǎng)殖、清潔能源供應(yīng)、食用菌種植業(yè)發(fā)展中發(fā)揮著巨大作用[2-3]。能源化利用是秸稈離田產(chǎn)業(yè)化利用的一種重要途徑，可增加清潔能源供給量，減少化石能源使用。近十幾年來(lái)，在國(guó)家大力投資與扶持下，我國(guó)秸稈利用企業(yè)的規(guī)模和數(shù)量不斷增加，但在其快速發(fā)展的同時(shí)也暴露出一些共性的問題：由于秸稈具有季節(jié)性、密度小、體積大、分布松散、儲(chǔ)運(yùn)不方便等特點(diǎn)，導(dǎo)致原料收集成本過高、秸稈利用企業(yè)運(yùn)營(yíng)效益低，這一現(xiàn)實(shí)已成為阻礙我國(guó)秸稈離田產(chǎn)業(yè)化利用進(jìn)一步發(fā)展的關(guān)鍵因素之一。

關(guān)于秸稈原料收儲(chǔ)運(yùn)體系的研究已有較多報(bào)道。霍麗麗等[4]比較了秸稈能源化利用的4種原料供應(yīng)模式，發(fā)現(xiàn)秸稈收集半徑不超過26km，才能保證秸稈供應(yīng)的經(jīng)濟(jì)性。徐亞云等[5]以華北平原為例，研究提出不同模式下農(nóng)作物秸稈的收儲(chǔ)運(yùn)成本一般在120～260元/t。于興軍等[6]實(shí)地調(diào)研了東北地區(qū)玉米秸稈收儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)模式的經(jīng)濟(jì)成本，提出籽實(shí)收獲機(jī)具應(yīng)與秸稈收儲(chǔ)運(yùn)設(shè)備相連接，提高秸稈收儲(chǔ)運(yùn)機(jī)械化程度是秸稈規(guī)?；I(yè)利用的必然選擇。時(shí)在濤[7]研究了秸稈發(fā)電的原料供應(yīng)流程，認(rèn)為最優(yōu)原料供應(yīng)模式是“農(nóng)民收集晾曬→存儲(chǔ)→公司收儲(chǔ)→打捆→公司負(fù)責(zé)運(yùn)輸→電廠”。Shafie等[8]對(duì)馬來(lái)西亞的稻草供應(yīng)成本和供應(yīng)潛力進(jìn)行了分析，認(rèn)為稻草到秸稈發(fā)電廠的供應(yīng)成本主要包括稻草收集、運(yùn)輸和儲(chǔ)藏3個(gè)部分，成本在65～107元/包之間。Ruiz等[9]計(jì)算了秸稈發(fā)電廠的最優(yōu)原料運(yùn)輸半徑以及其成本，結(jié)果顯示物流成本最高(不包括任何收集和準(zhǔn)備階段)為11.05美元/t。由此可知，秸稈的收儲(chǔ)運(yùn)成本與其所處地區(qū)特點(diǎn)、選擇的原料供應(yīng)模式等因素均具有密切的關(guān)系。

河南省是我國(guó)的農(nóng)業(yè)大省，其秸稈資源產(chǎn)出及離田能源化利用均具有一定的代表性。文章試圖以河南省為研究背景，對(duì)其秸稈收儲(chǔ)運(yùn)模式進(jìn)行深入探究，測(cè)算和分析不同模式下秸稈收儲(chǔ)運(yùn)的成本，以期為我國(guó)典型地區(qū)秸稈收儲(chǔ)運(yùn)模式的構(gòu)建、秸稈離田產(chǎn)業(yè)化發(fā)展提供有針對(duì)性的參考和依據(jù)。

1 秸稈收儲(chǔ)運(yùn)模型構(gòu)建

1.1 秸稈收儲(chǔ)運(yùn)模式

秸稈原料的收儲(chǔ)運(yùn)模式受秸稈能源化利用企業(yè)的規(guī)模影響。通過實(shí)地調(diào)研和大量文獻(xiàn)閱讀，河南省的秸稈收儲(chǔ)運(yùn)模式主要有4種(圖1)。

圖1 秸稈原料收儲(chǔ)運(yùn)模式

根據(jù)圖1可以看出，秸稈收儲(chǔ)運(yùn)主要包括田間收集、運(yùn)輸、裝卸與儲(chǔ)存4個(gè)部分[10]。秸稈的收儲(chǔ)運(yùn)成本C(元/t)的計(jì)算公式為：

C=Ccol+Cstore+Ctrans+Cste

(1)

式(1)中，Ccol為秸稈收集成本;Cstore為秸稈儲(chǔ)存成本;Ctrans為秸稈運(yùn)輸成本;Cste為秸稈裝卸成本，單位均為元/t。在計(jì)算秸稈原料收儲(chǔ)運(yùn)成本的過程中，假設(shè)：(1)在收集半徑內(nèi)，農(nóng)作物秸稈均勻分布，疏密相同； (2)不考慮天氣變化等風(fēng)險(xiǎn)因素對(duì)秸稈收儲(chǔ)運(yùn)的影響。

1.2 秸稈原料收集模型

秸稈的收集主要有兩種方式，一是在秸稈自然散狀下人工收集，二是通過撿拾打捆機(jī)打包收集。在構(gòu)建秸稈收集成本模型時(shí)應(yīng)包括這兩種模式的子模型。

(1)人工收集

當(dāng)進(jìn)行人工收集秸稈時(shí)，秸稈原料的收集成本由秸稈的收購(gòu)成本和人工收集所產(chǎn)生的成本兩部分組成，秸稈原料的人工收集成本Ccol(per)的計(jì)算公式為：

(2)

式(2)中，Qstraw為秸稈總需求量，t；Pstraw為秸稈收購(gòu)價(jià)格，元/t；Qp為每人每天可收集并裝車的秸稈量，t；PP(per)為人工收集每人每天的工資，元/d。

(2)機(jī)械收集

當(dāng)采用撿拾打捆機(jī)進(jìn)行秸稈收集時(shí)，秸稈原料的收集成本由秸稈收購(gòu)成本和機(jī)械收集所產(chǎn)生的成本兩部分組成。其中機(jī)械收集所產(chǎn)生的成本包括人工費(fèi)、燃油費(fèi)、設(shè)備折舊費(fèi)和維修費(fèi)等[11-13]。

機(jī)械收集人工費(fèi)用:CP(mac)=PP(mac)×Dmac

(3)

機(jī)械收集燃油費(fèi)用:Cfuel(mac)=Qfuel×Pfuel×Tmac

(4)

機(jī)械設(shè)備折舊費(fèi)用:Cdep(mac)=(Pmac-Pmac(t))/Ymac

(5)

機(jī)械的日常維護(hù)費(fèi)用:Cmai(mac)=Pmac×5%

(6)

每臺(tái)機(jī)械的成本:Cmac(col)=CP(mac)+Cfuel(mac)+Cdep(mac)+Cmai(mac)

(7)

(8)

其中，PP(mac)為機(jī)械收集時(shí)，每人每天的工資，元/d；Dmac為機(jī)械收集所需的天數(shù)，d；Qfuel為機(jī)械每小時(shí)耗油量，L/h；Pfuel為燃油單價(jià)，元/L；Tmac為機(jī)械年工作小時(shí)數(shù)，h；Pmac為設(shè)備購(gòu)置價(jià)格，元；Pmac(t)為使用Ymac后設(shè)備殘值，Pmac(t)=5%Pmac；Ymac為設(shè)備使用年限，一般取10年；Qmac為機(jī)械年處理秸稈量，t；qmac為機(jī)械每小時(shí)處理秸稈數(shù)量，t/h。

因此，秸稈原料的機(jī)械收集成本Ccol(mac)的計(jì)算公式為：

Ccol(mac)=Qstraw×Pstraw+Nmac×Cmac(col)

(9)

1.3 秸稈原料儲(chǔ)存模型

秸稈儲(chǔ)存成本主要由場(chǎng)地租賃費(fèi)用和場(chǎng)地管理、維護(hù)費(fèi)用兩個(gè)部分構(gòu)成。秸稈儲(chǔ)存成本Cstore的計(jì)算公式為：

Cstore=Sstore×Pstore+Cstore(mai)

(10)

式(10)中，Sstore為秸稈存儲(chǔ)有效面積，hm2；Pstore為收儲(chǔ)場(chǎng)地的租賃費(fèi)用，元/hm2；Cstore(mai)為收儲(chǔ)場(chǎng)的管理維護(hù)費(fèi)用[4,14]，Cstore(mai)=0.3Pstore，元/hm2， 0.3為管理維護(hù)費(fèi)用占場(chǎng)地租賃費(fèi)用的比重。

1.4 秸稈原料運(yùn)輸模型

每完成1次運(yùn)輸都會(huì)產(chǎn)生1次滿載和1次空載，假設(shè)滿載與空載的運(yùn)程比為1： 1，則噸公里耗油率為[15][qf，kg/(km·t)]：

(11)

式(11)中，qf(full)為滿載時(shí)單位功率的耗油量，kg/(kW·h)；vfull為滿載時(shí)的平均車速，km/h；qf(null)為空載時(shí)單位功率的耗油量，kg/(kW·h)；vnull為空載時(shí)的平均車速，km/h；Prat為車的額定功率，kW； m為每輛車的車載質(zhì)量，t。

表1 秸稈收儲(chǔ)運(yùn)相關(guān)參數(shù)取值

參數(shù)取值單位數(shù)據(jù)來(lái)源秸稈單位面積產(chǎn)量0.5kg/m2統(tǒng)計(jì)年鑒[11]秸稈自然堆積密度40kg/m3參考文獻(xiàn)[18]秸稈打包后的密度200kg/m3參考文獻(xiàn)[18]人工收集并裝車效率0.8t/d實(shí)地調(diào)研機(jī)械收集時(shí)間8h/d實(shí)地調(diào)研秸稈收購(gòu)價(jià)格20元/t實(shí)地調(diào)研人工費(fèi)用200元/d實(shí)地調(diào)研燃油價(jià)格6.65元/t2014年柴油價(jià)格電價(jià)0.419元/(kW·h)2014年電價(jià)收儲(chǔ)點(diǎn)租借費(fèi)用1.8萬(wàn)元/hm2實(shí)地調(diào)研

假設(shè)車輛每完成一次往返運(yùn)輸所需要的時(shí)間為(Trou，h)：

(12)

式(12)中，Ltr為運(yùn)輸距離，km。

每完成一次運(yùn)輸，除在路上所用的時(shí)間外，還需要裝卸、稱重等，該文假設(shè)該額外的時(shí)間為0.8h。因此，每完成一次往返運(yùn)輸?shù)恼嬲龝r(shí)間為：(Trea，h)

Trea=Trou+0.8

(13)

車輛完成一次往返運(yùn)輸時(shí)的噸公里運(yùn)費(fèi)[ctr(rou)，元/(km·t)]應(yīng)包括燃油費(fèi)、設(shè)備購(gòu)置費(fèi)、設(shè)備維修費(fèi)、人工費(fèi)[5，14，16-18]：

(14)

式(14)中，Cper(hou)為每小時(shí)人工費(fèi)用，元/h；tmac為設(shè)備運(yùn)行時(shí)間，h；Tuse為秸稈利用企業(yè)年運(yùn)行時(shí)間，h。

秸稈運(yùn)輸成本(Ctrans，元)的計(jì)算公式為：

(15)

1.5 秸稈原料裝卸模型

秸稈裝卸有兩種方式，即人工裝卸和機(jī)械裝卸。由于秸稈量大，該文假設(shè)所有模式均采用機(jī)械裝卸，裝卸成本Cste(mac)的計(jì)算公式為：

Cste(mac)=Pste(p)×Nste(mac)

(16)

式(16)中，Pste(p)為裝卸設(shè)備成本，計(jì)算參考式(7)；Nste(mac)為所需裝卸設(shè)備的數(shù)量，臺(tái)。

2 以河南省為例分析不同收儲(chǔ)運(yùn)模式成本分析

2.1 實(shí)例分析

河南省土壤深厚，土質(zhì)適于耕種，糧食生產(chǎn)潛力大，多采用冬小麥、玉米輪作的種植模式，平均復(fù)種指數(shù)達(dá)195.6%。該地區(qū)農(nóng)作物實(shí)行一年兩熟，小麥秸稈大多還田，玉米秸稈則收集利用。因此，該文以河南省為例，分析玉米秸稈在不同收儲(chǔ)運(yùn)模式下的成本。其中秸稈收儲(chǔ)運(yùn)相關(guān)參數(shù)，參照表1，運(yùn)輸車輛的相關(guān)參數(shù)參照表2，其他機(jī)械設(shè)備相關(guān)參數(shù)，參照表3。

表2 秸稈運(yùn)輸車輛相關(guān)參數(shù)取值

車輛類型滿載車速(km/h)空載車速(km/h)滿載耗油率kg/(kW·h)空載耗油率kg/(kW·h)公載比(kW/t)價(jià)格(萬(wàn)元)裝載量(散稈; 打捆)t拖拉機(jī)18250.2720.2458.95.50.66; 2.8貨車34450.4010.3256.214.461.5; 6 數(shù)據(jù)來(lái)源:實(shí)地調(diào)研

表3 設(shè)備參數(shù)取值

設(shè)備類型功率(kW)工作效率(t/h)價(jià)格(萬(wàn)元)耗油(電)量移動(dòng)式打捆機(jī)36～582～34.652.8L/t固定式打捆機(jī)18.51.6～22.9850(kW·h)/t抓草機(jī)22散稈: 33.152L/h打捆: 5 數(shù)據(jù)來(lái)源:實(shí)地調(diào)研

4種模式下秸稈原料收儲(chǔ)運(yùn)成本如圖2。

(1)模式一：在該模式中，當(dāng)運(yùn)輸半徑小于5km時(shí)，人工收集費(fèi)用和貨車運(yùn)輸費(fèi)用占總成本的比重較大； 而當(dāng)運(yùn)輸半徑大于5km時(shí)，貨車運(yùn)輸費(fèi)用與機(jī)械卸載費(fèi)用隨運(yùn)輸半徑的增大而顯著增加，該條件下兩者占總成本比重最高可達(dá)86.4%，是可變成本中最易變化的因素。

圖2 不同模式下秸稈供應(yīng)成本

圖3 不同模式下秸稈收儲(chǔ)運(yùn)成本分析

表4 不同模式下秸稈收儲(chǔ)運(yùn)成本曲線擬合參數(shù)

模式ABCR2一0.6062.54683.6990.999 4二0.6061.53188.1540.999 3三0.2115.919110.3200.999 5四0.2115.91987.3440.999 5 注:表中A、B、C取自擬合曲線方程y=Ax2+Bx+C,R2擬合曲線的決定系數(shù)

(2)模式二：在該模式中，當(dāng)運(yùn)輸半徑小于5km時(shí)，貨車運(yùn)輸費(fèi)用占總成本比重較模式一中有所下降，但貨車運(yùn)輸費(fèi)用與機(jī)械卸載費(fèi)用隨運(yùn)輸半徑的增加逐漸增大，至運(yùn)輸半徑20km時(shí)，貨車運(yùn)輸費(fèi)用與機(jī)械卸載費(fèi)用比運(yùn)輸半徑為2km時(shí)分別增加了75.1元/t和188.4元/t。

(3)模式三：在該模式中，移動(dòng)式打捆費(fèi)用、貨車運(yùn)輸費(fèi)用和機(jī)械卸載費(fèi)用所占比重較大，其中秸稈原料從田間運(yùn)輸至存儲(chǔ)點(diǎn)的費(fèi)用是可變成本中最易變化的因素，運(yùn)輸費(fèi)用隨運(yùn)輸半徑的增大而顯著增加，因此在該模式下秸稈運(yùn)輸半徑不宜過大。

(4)模式四：在該模式中，當(dāng)運(yùn)輸半徑較小時(shí)，人工收集費(fèi)用和固定式打捆費(fèi)用所占比重較大，運(yùn)輸半徑逐漸增加后，貨車運(yùn)輸費(fèi)用與機(jī)械卸載費(fèi)用開始占據(jù)較大比重，這主要是因?yàn)樵黾恿私斩捲嫌商镩g到收儲(chǔ)點(diǎn)的運(yùn)輸和機(jī)械堆垛費(fèi)用。

由圖2分析可知，模式一和模式二為秸稈的松散利用方式，適用于收集距離較短、秸稈需求量較小的工廠，如小型秸稈成型燃料廠、氣化工程和秸稈沼氣工程等。當(dāng)運(yùn)輸半徑小于5km時(shí)，模式一較模式二的貨車運(yùn)輸費(fèi)用優(yōu)勢(shì)較為明顯，總成本較低，小型秸稈企業(yè)可采用模式一的原料供應(yīng)方式，但模式一需要考慮應(yīng)用點(diǎn)的儲(chǔ)料場(chǎng)面積、秸稈的儲(chǔ)存管理和原料損失成本等； 當(dāng)運(yùn)輸半徑大于5km時(shí)，模式二的秸稈利用總成本比模式一低，主要是節(jié)省了收儲(chǔ)點(diǎn)至企業(yè)的運(yùn)輸費(fèi)用和人工費(fèi)用，因此運(yùn)輸半徑超過5km的企業(yè)應(yīng)采用模式二。模式三和模式四為秸稈的打捆利用方式，較秸稈松散利用方式更易儲(chǔ)存保管、應(yīng)用方便，適合秸稈用量較大的企業(yè)，如大型秸稈成型燃料廠和秸稈直燃發(fā)電廠等。模式四較模式三成本高，主要是由于人工收集和二次卸載的費(fèi)用增加。因此，對(duì)于秸稈用量較大的企業(yè)，應(yīng)考慮采用模式三的秸稈利用方式，即移動(dòng)式打捆收集秸稈原料。

2.2 河南省不同收儲(chǔ)運(yùn)模式經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)

根據(jù)4種模式秸稈利用方式的差異和原料運(yùn)輸半徑的不同，可對(duì)其利用成本經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行評(píng)價(jià)，選擇相應(yīng)的秸稈利用方式降低成本，提高生產(chǎn)效率。對(duì)4種秸稈利用模式的經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)如圖3。4種模式下的秸稈收儲(chǔ)運(yùn)成本均隨運(yùn)輸半徑的增加而增大，但增長(zhǎng)幅度有所不同，模式三和模式四的秸稈收儲(chǔ)運(yùn)成本增長(zhǎng)幅度最小，模式二次之，模式一最大。

根據(jù)不同模式下的曲線擬合得到表4，結(jié)合圖3和表4分析可知：當(dāng)秸稈運(yùn)輸半徑小于4.4km時(shí)，模式一的秸稈收儲(chǔ)運(yùn)成本最低。當(dāng)秸稈運(yùn)輸半徑為4.4～10.9km時(shí)，秸稈收儲(chǔ)運(yùn)成本由低到高分別為模式二、模式一、模式四和模式三。當(dāng)秸稈運(yùn)輸半徑超過10.9km時(shí)，模式四秸稈收儲(chǔ)運(yùn)成本最低，模式四為固定式打捆利用方式，適用于秸稈用量較大的企業(yè)，因此，大型秸稈成型燃料廠和秸稈直燃發(fā)電廠等均應(yīng)考慮材料模式三的秸稈利用方式。

3 結(jié)論

綜合該文的分析可知，運(yùn)輸成本和機(jī)械卸載成本是總成本中的可變因素。目前，河南省主要采用的4種模式下，運(yùn)輸成本和機(jī)械成本之和占總成本比例均隨著運(yùn)輸半徑的增大而增大。對(duì)于小型秸稈利用企業(yè)，可采用散稈收集，由于模式一的秸稈收儲(chǔ)運(yùn)成本高于模式二，可考慮采用模式二。對(duì)于大型秸稈利用企業(yè)，應(yīng)采用打捆收儲(chǔ)運(yùn)模式，由于模式三收儲(chǔ)運(yùn)成本低于模式四，建議采用模式三。由于該文中尚未考慮秸稈利用企業(yè)的收益率差異，所以結(jié)合不同模式下的企業(yè)凈收益情況還有待進(jìn)一步研究。

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