目前，農作物秸稈的能源產(chǎn)品主要包括柴薪、成型燃料、秸稈沼氣、秸稈乙醇、秸稈柴油、秸稈燃氣、秸稈氫氣和秸稈發(fā)電等。但是，在現(xiàn)有技術水平下，針對一定的地域、在一定的時間段，如何優(yōu)化各種農作物秸稈能源產(chǎn)品結構和所需秸稈資源量的研究文獻還沒有相關報道。現(xiàn)以循環(huán)經(jīng)濟理論為基礎，探索農作物秸稈能源產(chǎn)品結構優(yōu)化的方法，為國家相關管理部門在農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)，農作物秸稈可以經(jīng)過秸稈顆粒機、秸稈壓塊機壓制成生物質成型燃料，生物質成型燃料是未來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
循環(huán)經(jīng)濟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、廢物利用最大化和污染排放量最小化為目標，以低消耗，低排放，高效率為基本特征的一種生態(tài)經(jīng)濟理論。該理論注重推進資源、能源節(jié)約、資源綜合利用和推行清潔生產(chǎn)，以便把經(jīng)濟活動對自然環(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題，即如何對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)濟效益。
1.2農作物秸稈能源產(chǎn)品結構優(yōu)化模型
1.2.1前提條件
①假設農作物秸稈能源產(chǎn)品能夠部分的替代煤炭、石油、天然氣、電力等常規(guī)能源，并且有計劃的提高其在能源結構中的份額。
②農作物秸稈發(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農作物秸稈能源產(chǎn)品的使用費用因其產(chǎn)品種類不同存在一定的差別，且隨著用量的增加也會增加，但其每種秸稈能源產(chǎn)品單位使用費用隨其消費量的增減變化不大，且使用費用與能源產(chǎn)品價格相比非常小，故可假定為定值。
④首先，從循環(huán)經(jīng)濟角度來看，農作物秸稈能源CO：零排放，其他污染物排放與燃煤、油相比很少；其次，通過不斷提升技術手段使秸稈直燃發(fā)電產(chǎn)生的粉塵、結焦和秸稈乙醇生產(chǎn)中產(chǎn)生的廢水等污染得到很好的控制，且這部分治理費用都計人產(chǎn)品價格中；Mann和Spath的定性研究表明，原料生產(chǎn)、運輸和電力生產(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，治理費用為每噸5 000元。
⑤有些農作物秸稈能源產(chǎn)品的生產(chǎn)還沒有形成產(chǎn)業(yè)化，如秸稈柴油和秸稈制氫技術還不成熟，部分秸稈能源產(chǎn)品缺少實際生產(chǎn)、消費等數(shù)據(jù)，故參考相關發(fā)展規(guī)劃及文獻資料，以此為依據(jù)確定模型優(yōu)化數(shù)據(jù)。
1.2.2目標函數(shù)
以農作物秸稈能源利用全過程費用最少和環(huán)境達標的目標，采用各種農作物秸稈能源產(chǎn)品的消費量為決策變量，以農作物秸稈能源產(chǎn)品生產(chǎn)、使用及使用后的治污費總和最小為目標函數(shù)。能源單位統(tǒng)一換算成萬t標準煤；時間單位均為1年。目標函數(shù)如下所示。
1.2.3約束條件
①能源消費約束條件：主要參考國家相關發(fā)展規(guī)劃、實際調研數(shù)據(jù)及文獻資料。同時，考慮到高品位優(yōu)質能源產(chǎn)品優(yōu)先發(fā)展的原則，確定各種農作物秸稈能源產(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，沼氣主要考慮農戶沼氣池和處理農業(yè)廢棄物的沼氣工程。
②能源總量約束條件：考慮到某地域農作物秸稈資源的實際生產(chǎn)能力和合理開發(fā)利用，參考有關文獻資料，確定農作物秸稈能源產(chǎn)品的最大利用量，以此作為農作物秸稈能源消費總量的約束條件。
③環(huán)境約束條件：由農作物秸稈轉化到最終能源產(chǎn)品的過程中均會對環(huán)境產(chǎn)生不同種類或不同程度的影響。但與燃煤、油相比很少。故開發(fā)利用農作物秸稈能源產(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)展生物質固體成型燃料和生物質發(fā)電，盡可能減少或限制薪柴的直接燃燒，避免生物質熱量損失，以便提高秸稈生物質能源效率。
⑤非負約束：各種農作物秸稈能源產(chǎn)品的消費量均應大于或等于零。
2、研究區(qū)域
東北三省包括黑龍江省、吉林省和遼寧省，是我國糧食的主產(chǎn)區(qū)，農作物秸稈資源豐富，秸稈密度屬于我國的中高密度地區(qū)。從技術和地理環(huán)境等因素考慮，農作物秸稈的能源產(chǎn)品生產(chǎn)都可以在其地域內發(fā)展。同時，東北三省自然條件、經(jīng)濟狀況、居民生活習慣、種植的主要農作物種類和農作物秸稈密度以及相關政策等都相近，因此將東北三省作為一個整體來考慮其農作物秸稈能源產(chǎn)品的優(yōu)化問題。
3、優(yōu)化過程及結果
3.1農作物秸稈資源量計算
東北三省主要農作物包括包括玉米、小麥、水稻、高粱、大豆和向日葵等六種。農作物秸稈產(chǎn)量的計算方法如下.
草谷比和可收集系數(shù)的篩選：按照《灰色系統(tǒng)理論在黑龍江省農作物秸稈可收集量預測中的應用》文中的篩選方法和結果。
可能源化利用系數(shù)的篩選：查閱關于東北三省農作物秸稈綜合利用的研究文獻，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系數(shù)，估算得出2009年東北三省農作物秸稈可能源化利用量5 729.2萬t。
3.2參數(shù)確定及約束條件
3.2,1 各項參數(shù)確定
①計算所需原始數(shù)據(jù)的確定
根據(jù)文獻資料，計算得出模型所需的基礎數(shù)據(jù)見表l。其中，秸稈發(fā)電的成本為0.8元．kW·h，但國家對生物質發(fā)電的實際補貼達到0.35元·kW·h，因此，秸稈發(fā)電的實際成本為0.45元．kW．h。
②Ai的計算：A．為各種農作物秸稈能源產(chǎn)品的
．-投資費用系數(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)品還沒有準確的生產(chǎn)成本資料，因此取其產(chǎn)品價格為投資成本，即投資系數(shù)即是其產(chǎn)品價格。以燃料乙醇為例．2009年秸稈乙醇的生產(chǎn)成本3 500元．t-1。燃料乙醇折合標準煤參考系數(shù)為0.914 kgc．kg-1，所以得到目標函數(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)的確定同上類似。
3.2.2能源消費約束條件
①薪柴消費量蜀：835.5 sXi≤2 088.7萬tce。按照文獻中各省家庭燃用量比例，估算出2009年東北三省農作物秸稈家庭燃用量為3 654.2萬t，相當于2 088.7萬tce,考慮在未來國家大力推進秸稈新能源產(chǎn)業(yè)，由于秸稈沼氣等新的能源產(chǎn)品所替代，農村家庭直接燃燒的秸稈量將減少；2009年東北三省省柴節(jié)煤灶為977.76萬臺，節(jié)能炕為1118.34萬鋪。按照其總戶數(shù)比例計算，并考慮現(xiàn)有農村實際情況和其他燃燒用途，估計其燃燒量占薪柴總量的40%以上，即835.5萬tce。
②成型燃料消費量x2：28.4萬tce≤X2$1260.8 tce。《農業(yè)生物質能產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃(2007—2015年)》中計劃2010年東北三省農作物秸稈固體成型燃料年利用量達45萬t．2015年計劃全國生產(chǎn)生物質固體成型燃料2 000萬t。
③秸稈乙醇消費量X2，X3≥79.3萬tce。2009年東北三省汽油總消耗量為868.3萬t，假定按10%添加燃料乙醇，僅滿足東北三省的需求量就達86.8萬t。
④秸稈沼氣消費量X2，X3≥8.1萬tce。《中國農業(yè)統(tǒng)計資料》數(shù)據(jù)可見，2009年東北三省戶用沼氣池和處理農業(yè)廢棄物的沼氣工程年沼氣產(chǎn)量是2.26億m3。《農業(yè)生物質能產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃( 2007—2015年)》同時假設其中50%來自農作物秸稈產(chǎn)生的沼氣，即是1.13億m3。
⑤秸稈燃氣消費量X2，X3≥2.2萬tce。《農業(yè)
4、討論
假設在農作物秸稈能資源總量、現(xiàn)有技術和經(jīng)濟條件下，東北三省“十二五”期間農作物秸稈能源產(chǎn)品最佳用量及比例如表2所示。從總量上來看，5 729.2萬t的農作物秸稈可能源化利用量可以產(chǎn)生2 038.4萬t標準煤的秸稈能源產(chǎn)品。
a．薪柴的最佳用量占到農作物秸稈能源產(chǎn)品的41.0%。可見，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，將農作物秸稈作為薪柴直接燃燒仍是農村對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，應該更多的采用節(jié)能灶（炕）等方式利用，而并不是廣大農村中常規(guī)的直接燃燒方式。通過計算表明，農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該大幅減少。例如，以黑龍江省為例，農作物秸稈可收集量中的74.0%可作為能源資源來開發(fā)利用，但上述產(chǎn)品結構優(yōu)化結果顯示將秸稈作為薪柴利用的最佳比例是41.0%，即黑龍江省主要農作物秸稈可收集量的30.3%作為薪柴使用是當前最佳比例。這與目前黑龍江省農作物秸稈可收集量中50.0%作為柴薪利用相比較，說明在最佳的能源產(chǎn)品結構中，黑龍江省農作物秸稈家庭燃用量要減少20%左右。
b．按照目前的技術水平和環(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)約運輸和儲存費用，擴大應用范圍，提高燃燒效率。秸稈沼氣工程對于減輕農村地區(qū)對煤、電、液化氣等不可再生能源的消耗和依賴，緩解我國的能源
消費壓力，為建設環(huán)境友好的新農村意義重大。雖然還沒有東北三省秸稈成型燃料和秸稈沼氣的準確數(shù)據(jù)，但從全國秸稈新能源開發(fā)利用以及東北三省的實地了解，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．農作物秸稈液體燃料（秸稈乙醇和生物柴油）的最佳用量合計為9.6%。生物燃料因其原料來源廣泛并再生，環(huán)境污染較少，單位能源密度高和易于運輸?shù)葍?yōu)勢，得到世界各國的重視。但是，我國秸稈生物燃料產(chǎn)業(yè)化的關鍵技術的還沒有突破，造成其生產(chǎn)成本過高，從而限制了秸稈液體燃料的用量。
d．其他三種農作物秸稈能源產(chǎn)品的最佳資源配置數(shù)量均不超過1%。這主要是限于目前生產(chǎn)技術和環(huán)境保護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，被認為是21世紀一種非常重要的潔凈能源。同時，氫氣又是現(xiàn)代煉油工業(yè)和化學工業(yè)的基本原料之一。目前，國內外都在積極發(fā)展生物燃氣和生物制氫產(chǎn)業(yè)，而在我國的相關能源發(fā)展規(guī)劃中還沒有將生物燃氣和生物制氫產(chǎn)業(yè)列入國家的重點發(fā)展領域，建議國家相關管理部門從國家層面規(guī)劃和部署，組織相關力量大力推進其產(chǎn)業(yè)發(fā)展。
5、結論
a．在現(xiàn)有技術和經(jīng)濟條件下，將農作物秸稈作為薪柴來利用仍要持續(xù)比較長的時間。因此，加大節(jié)能灶（炕）的推廣是當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，農作物秸稈沼氣是東北三省農村新能源化建設的主要方向。
c．在秸稈固體能源產(chǎn)品中，秸稈成型燃料也是當前農村能源工作推進中的主要內容。
d．加大秸稈燃料等高品位農作物秸稈能源產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)化技術的研發(fā)投入，通過實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化來降低生產(chǎn)成本。按照目前，技術、環(huán)境和經(jīng)濟效益評價分析可見，農作物秸稈乙醇將是科學、高效利用農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)技術還有很多瓶頸。國家應該從農作物秸稈能源化利用的長期發(fā)展考慮，由政府加大這些技術的研發(fā)投入，力爭盡早使秸稈生物質氫氣的產(chǎn)業(yè)化，富通新能源生產(chǎn)銷售的秸稈顆粒機、秸稈壓塊機專業(yè)壓制秸稈成型燃料。
