農(nóng)作物秸稈生物炭技術的經(jīng)濟、固碳和農(nóng)業(yè)效益分析?
——以威海地區(qū)為例

崔福君， 鄭 浩， 陳丕偉， 王震宇??

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

農(nóng)作物秸稈生物炭技術是我國農(nóng)作物秸稈資源開發(fā)利用的新興技術，其生產(chǎn)的生物炭施入土壤后具有修復土壤、節(jié)能減排等重要作用。生物炭生產(chǎn)企業(yè)建設是農(nóng)作物秸稈生物炭技術應用的一個重要途徑，而經(jīng)濟效益是建設生物炭企業(yè)必須考慮的關鍵因素。同時政府是環(huán)境責任的主體，農(nóng)作物秸稈生物炭施入土壤后帶來的碳封存效益和農(nóng)業(yè)增產(chǎn)效益明顯，政府可以通過碳交易獲得碳封存產(chǎn)生的經(jīng)濟收益，調(diào)節(jié)生物炭生產(chǎn)企業(yè)和農(nóng)戶(場)的收益。

農(nóng)作物秸稈分布廣泛，但能源密度低，運輸成本高，本文根據(jù)前人研究基礎以及作者建立的農(nóng)作物秸稈收購半徑數(shù)學模型，以威海地區(qū)為例，計算獲得了威海地區(qū)農(nóng)作物秸稈最優(yōu)收購半徑，并在最優(yōu)半徑內(nèi)建設生物炭企業(yè)，分析生物炭企業(yè)產(chǎn)生的經(jīng)濟效益、固炭效益和農(nóng)業(yè)效益，為我國農(nóng)業(yè)產(chǎn)區(qū)建設生物炭企業(yè)的經(jīng)濟可行性提供借鑒。

1 農(nóng)作物秸稈收購最優(yōu)半徑計算

1.1 方法和參數(shù)

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(chǎn)企業(yè)的銷售收入、變動成本和固定成本作如下歸類：

(1)單位質(zhì)量農(nóng)作物秸稈轉(zhuǎn)化為生物炭的相關銷售總收入為a；

(2)單位質(zhì)量單位距離農(nóng)作物秸稈的運輸總費用為b；

(3)單位質(zhì)量農(nóng)作物秸稈變動總成本為c；

(4)生物炭生產(chǎn)固定資產(chǎn)總投資為d。

上述參數(shù)提到的秸稈的質(zhì)量可由農(nóng)作物秸稈分布的面密度ρ(即單位面積秸稈的質(zhì)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(shù)。

根據(jù)農(nóng)作物秸稈收購半徑數(shù)學模型[1]，區(qū)域內(nèi)任意一點農(nóng)作物秸稈到達生物炭企業(yè)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(yōu)半徑計算

生物炭產(chǎn)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(zhì)自加熱熱解系統(tǒng)(Auto-thermal system)，生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的副產(chǎn)物合成氣和生物油通過回收作為系統(tǒng)能源使用，因此整個加熱系統(tǒng)不需要額外耗能[2-3]。同時，根據(jù)相關文獻[4-7]，作a、b、c相關參數(shù)設置如下：

與a相關參數(shù)：生物炭價格P生物炭(單位為元/t)。

《農(nóng)業(yè)廢棄物(秸稈、糞便)綜合利用技術成果匯編》發(fā)布生物炭價格1 300～1 600 元/t，IBI(International Biochar Initiative)行業(yè)報告中報道中國生物炭價格為3 194.8元/t。實際調(diào)研國內(nèi)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(jīng)濟效益和固碳效益有利于示范推廣。

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

本文假設農(nóng)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(shù)：

①單位質(zhì)量秸稈的收購費用P秸稈收購(單位為元/t)：根據(jù)調(diào)研威海地區(qū)農(nóng)作物秸稈收購價格確定為260元/t；

②單位質(zhì)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(zhì)量秸稈加工人員成本費用P人工生產(chǎn)(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(shù))，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(chǎn)為32元/t；

④農(nóng)作物秸稈預處理成本P壓縮，為了提高效率，統(tǒng)一尺寸，即打捆壓縮形成規(guī)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(chǎn)率：按照慢速熱解方式計算，生物炭占熱解產(chǎn)物的35%(即農(nóng)作物秸稈生物炭轉(zhuǎn)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(zhì)量農(nóng)作物秸稈生物炭產(chǎn)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(chǎn)，P秸稈收購+P壓縮+P其他+P人工生產(chǎn)=260元/t+100元/t+20元/t+32元/t。

將以上數(shù)據(jù)帶入農(nóng)作物秸稈收購半徑公式(1)，

由此獲得，農(nóng)作物秸稈均勻分布時，以生物炭企業(yè)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(yè)農(nóng)作物秸稈收購最大半徑R為36.3 km。

2 經(jīng)濟、固炭、農(nóng)業(yè)效益計算

2.1 生物炭企業(yè)經(jīng)濟效益計算

2.1.1 固定資產(chǎn)計算 一定半徑R內(nèi)農(nóng)作物秸稈產(chǎn)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(chǎn)企業(yè)收購半徑內(nèi)的農(nóng)作物秸稈數(shù)量為：Ms=ρπR2=112.5萬t。

年農(nóng)作物秸稈處理能力Y，需要生物炭爐數(shù)n：

n=Ms/Y，

(4)

根據(jù)調(diào)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(jù)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(chǎn)損耗2 121.6萬元。

2.1.2 威海地區(qū)農(nóng)作物秸稈面密度計算 以威海地區(qū)統(tǒng)計數(shù)據(jù)和調(diào)研數(shù)據(jù)，分析威海地區(qū)兩年三季小麥-玉米-花生農(nóng)作物，計算威海地區(qū)每年農(nóng)作物秸稈面密度。M作物為農(nóng)作物的單位產(chǎn)量，S作物為農(nóng)作物的年種植面積，則每年農(nóng)作物秸稈的產(chǎn)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?shù)亟?jīng)濟發(fā)展發(fā)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(chǎn)量每年發(fā)生變化，因此產(chǎn)量以近十年的糧食產(chǎn)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(jù)《農(nóng)業(yè)經(jīng)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(chǎn)411.4 kg/畝、玉米秸稈單產(chǎn)538.1 kg/畝、花生秸稈單產(chǎn)226.4 kg/畝。根據(jù)公式(5)，區(qū)域內(nèi)小麥、玉米和花生秸稈產(chǎn)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(yè)周圍不可能是單純的糧食作物面積，并且運輸距離參數(shù)在整個系統(tǒng)過程中是很重要的參數(shù)，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(qū)域范圍內(nèi)，區(qū)域內(nèi)面積為威海市總面積5 797 km2減去市區(qū)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(yè)經(jīng)濟效益 將相關參數(shù)帶入公式(2)計算，每年生物炭企業(yè)經(jīng)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(qū)在半徑為36.3 km區(qū)域內(nèi)建設生物炭企業(yè)，其每年的經(jīng)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(shù)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(wěn)定性碳含量有所不同，農(nóng)業(yè)類生物質(zhì)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(nóng)作物秸稈固炭效益BCO2(單位：元/km2) 根據(jù)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(nóng)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(yè)固炭效益計算 在實現(xiàn)農(nóng)作物秸稈生物炭企業(yè)最大經(jīng)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(xiàn)了炭封存作用，根據(jù)目前國內(nèi)外碳交易市場的發(fā)展，炭封存可以進入碳交易市場，實現(xiàn)利益最大化。

以農(nóng)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(qū)在半徑為36.3 km區(qū)域內(nèi)建設生物炭企業(yè)，其每年的固碳效益為約為4 600萬元。

2.3 農(nóng)業(yè)效益計算

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

根據(jù)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(nóng)作物秸稈生產(chǎn)生物炭全部回田到單位面積農(nóng)田土壤里計算。

增產(chǎn)價值按照目前市場價格(市場調(diào)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(jīng)單位換算后，代入計算：

B增產(chǎn)(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(nóng)作物增產(chǎn)效益B增產(chǎn)為221 496元/km2。

威海地區(qū)半徑R內(nèi)小麥-玉米-花生面積估算為：

半徑R區(qū)域面積S=πR2=3.14×36.3×36.3 km2=4 137.5 km2，威海地區(qū)內(nèi)總面積(減去市區(qū)面積)D為5 020 km2；

威海地區(qū)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(nèi)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(qū)單位面積農(nóng)作物增產(chǎn)效益近似值：B增產(chǎn)=221 496元/km2×1 860.5 km2/4 137.5 km2= 99 599.6元/km2；

因此，B總增產(chǎn)=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(qū)在半徑為36.3 km區(qū)域內(nèi)建設生物炭企業(yè)，當獲得的生物炭全部回田后促進農(nóng)作物生長，其帶來的農(nóng)業(yè)增產(chǎn)效益約為1.85億元。

3 討論

3.1 農(nóng)作物秸稈價格的確定

根據(jù)調(diào)研獲知，當每噸農(nóng)作物秸稈200元左右收購時，因部分農(nóng)民進行其他勞動時獲得的收益大于收集秸稈收益，農(nóng)作物秸稈無法實現(xiàn)全部收集，但政府若制定強制性政策，例如不準隨意丟棄農(nóng)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(xiàn)農(nóng)作物秸稈的收集。若每噸以350元左右價格進行收購，農(nóng)民收益較高，則市場行為即可實現(xiàn)農(nóng)作物秸稈的全部收購，但此時企業(yè)成本投入進一步提高，降低了企業(yè)積極性。本文采用了260元/t的收購價格，既考慮了企業(yè)原料收購成本又考慮了農(nóng)戶(場)的收益。

農(nóng)作物秸稈面密度對生物炭企業(yè)經(jīng)濟、固碳效益影響明顯，本文假設農(nóng)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(chǎn)值，以威海地區(qū)每年實際農(nóng)作物秸稈產(chǎn)量與威海地區(qū)總面積(減去市區(qū)面積)的比值作為威海地區(qū)農(nóng)作物秸稈面密度。

3.2 經(jīng)濟效益分析

經(jīng)濟效益是農(nóng)作物秸稈生物炭企業(yè)的生物炭產(chǎn)品進行市場交易獲得，其交易價格按照1 800元/t計算；經(jīng)濟效益是企業(yè)從事農(nóng)作物秸稈生物炭生產(chǎn)的動力，目前國內(nèi)外生物炭企業(yè)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(chǎn)品用戶—農(nóng)戶(場)的承受能力，又考慮國內(nèi)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(nóng)戶將農(nóng)作物秸稈生物炭施入土壤后產(chǎn)生的碳封存效益，因此其效益應歸屬農(nóng)戶。但固炭效益價值要想真正獲得實現(xiàn)，必須進入碳交易市場進行交易，而分散的農(nóng)戶不具備這一能力，政府作為生態(tài)環(huán)境的責任主體，具備這一服務功能，實現(xiàn)其碳交易收益。同時將這一收益通過生態(tài)補償金形式給予農(nóng)戶(場)補貼，引導農(nóng)戶將農(nóng)作物秸稈生物炭回田。

通過數(shù)據(jù)比較發(fā)現(xiàn)，建設生物炭企業(yè)固定資產(chǎn)投資額巨大，投資回收期較長，且產(chǎn)品銷售具有一定的不確定性，因此企業(yè)積極性不高；另外生物炭作為土壤修復產(chǎn)品，主要面向農(nóng)戶(場)銷售，而對于這一新產(chǎn)品，農(nóng)戶(場)具有多大的購買意愿尚未可知。因此，如何引導農(nóng)戶(場)施用生物炭，以及如何解決企業(yè)與農(nóng)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(tài)補償金等手段，既滿足企業(yè)基本盈利需求，又能夠調(diào)動農(nóng)戶(場)施用生物炭修復土壤的積極性，最終實現(xiàn)節(jié)能減排、保護環(huán)境。

4 結語

以威海地區(qū)為例，基于生物炭技術農(nóng)作物秸稈收購最優(yōu)半徑為36 km左右。當在半徑內(nèi)建設生物炭企業(yè)，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(yè)每年經(jīng)濟效益約為6 000余萬元，施入土壤后產(chǎn)生的碳封存效益約為4 600余萬元，農(nóng)業(yè)增產(chǎn)效益約為1.85億元。政府作為環(huán)境保護的責任主體，應該通過生態(tài)補償金等形式對企業(yè)和農(nóng)戶(場)進行補償。