国内外农作物秸秆供应模型研究进展_吴娟娟

吴娟娟1

,2

,霍丽丽2,赵立欣2,姚宗路2,孟海波2,侯书林1

(1.中国农业大学工学院,北京摇100083;2.农业部规划设计研究院农业部农业废弃物能源化利用重点实

验室,北京摇100125)

摘摇要:农作物秸秆是重要的生物质原料,其收集、存储存在诸多问题,秸秆无法稳定供应。为此,通过文献整理和实地调研,总结归纳了国内外农作物秸秆供应研究进展,对比分析了国外常用的IBSAL、SHAM及BioScope3种模型,并对国内外物流及成本相关研究进行归纳总结。针对我国秸秆供应还存在机械化程度低、物流模型不成熟、收集及运输费用高等诸多问题,建议提高机械化作业水平,尽快搭建适用于国内的秸秆供应模型,降低秸秆供应费用,为我国农作物秸秆综合利用提供原料供应保障。关键词:农作物秸秆;供应模型;物流;成本中图分类号:S11+7摇摇

摇摇摇摇摇文献标识码:A

文章编号:1003-188X(2016)03-0263-06

0摇引言

人类对能源的需求日益增加,加之传统能源的资源危机,使得人们对新能源的开发利用越来越迫切。生物质能源作为清洁的可再生能源,具有较大的发展前景[1],比起煤炭、石油等不可再生资源,生物质能具有可再生性、资源丰富及环境友好性等优点[2]。目前,国内外生物质原料主要用于肥料化、饲料化、能源化、原料化、基料化等五化利用[3-4]。其中,秸秆是生物质能主要原料之一。

每年全世界秸秆产量为20亿t多,我国产量居世界首位,每年秸秆总量高达7亿t[5]。截止到2013年,农作物秸秆综合利用率为74.1%,2015年目标利用率力争达到80%,仍有超过2亿t的秸秆资源没有有效利用,而且已利用的秸秆其转化效率低,秸秆原料成本高[6-7]。究其原因,是由于我国秸秆商品化水平低,没有有效的秸秆供应系统,秸秆供应模型尚处空白阶段[8]。

为此,本文通过分析国内外农作物秸秆供应模型

研究进展、收储运物流模型及供应成本分析现状,提出我国秸秆供应模型研究中所面临的问题及建议,为我国农作物秸秆的高效利用提供原料保障。

收稿日期:2015-03-16

基金项目:公益性行业(农业)科研专项(201403019)

作者简介:吴娟娟(1989-),女,山东滕州人,硕士研究生,(E-mail)1198546631@qq.com。

通讯作者:赵立欣(1967-),女,北京人,研究员,(E-mail)zhaolixin5092

@163.com。

1摇国外农作物秸秆供应模型研究

1.1摇农作物秸秆供应分析

农作物秸秆供应过程指作物收获后将分散在田间地头的秸秆通过人工捡拾或在机械设备的辅助下,通过捡拾、打捆、压缩、装载及运输,完成秸秆的收集、运输、存储,将其运送到秸秆利用厂作为原料的全过程[9-10]。

欧美等发达国家秸秆供应体系发展已相当成熟。

首先,从土地耕整到作物播种,以及田间管理均实现了机械化作业;其次,秸秆收集技术与工业化原料利用需求衔接得当;最后,秸秆收储运所需设备与秸秆收割前所用机具能形成完整专业化的配套体系[11-12],

专用收储运设备能自动完成田间秸秆捡拾、打捆、码放、堆垛及卸捆等全过程作业[12]。目前,欧美国家常用的秸秆供应技术路线BioFeed如图1[13]所示。

另外,在秸秆收集方面,秸秆收集机械经过100年多的发展,已经从初期蓄力牵引式打捆机发展到小方捆打捆机和圆捆打捆机,再到目前的中型和大型方捆打捆机,收集设备发展已趋于成熟[14]。在机械设备的辅助下,秸秆利用厂通过与农场主签订合同,在约定时间采用合适的收集方式完成秸秆收集运输工作[12]。

在秸秆存储方面,一年轮作制能保证秸秆有充足的晾晒时间,秸秆含水率能达到标准要求;收储站机械化程度非常高,打捆、搬运、上料等全部程序均由机械完成,节省人力;收储站秸秆存储方法独特且具有科学依据,秸秆采用堆垛储存且垛与垛间有足够的安全距·

 

离,垛上部有防雨布覆盖防止雨水淋湿,垛底部有排水沟防止雨水侵入垛底;目前主要采取田间覆盖存储、农场露天存储、青贮饲料、集中存储覆盖4种方式,可根据需要选择合适的存储方式[15]。在秸秆运输方面,长途运输一般只考虑公路运输,运输工具通常为农场主私有车辆或各农场共同租赁的卡车,运输能力取决于原料的体积密度、运输距离、运输速度和货运空间及装卸货时间等。为降低卡车空闲时间,可增加打包吞吐量以及打包密度;为使运输距离达到最优化,可建立合适的收储站位置,节省运输成本[16]。

图1摇秸秆供应技术路线

1.2摇理论模型及成本分析1.2.1摇理论模型

物流模型通常是在生物质原料相关数学计算模型的基础上,利用仿真软件来模拟原料供应的各个物流环节[17],物流模型设计的目的是使原料调度过程中运输成本、仓储成本及收储站运营成本等总和最低。物流建设内容主要包括农户、原料、仓库或配送中心、运输服务及工厂等[18]。目前,国外对物流模型的研究相对较多,常用的农作物秸秆回收物流模型如下所述。1)SokhansanjS[19]等搭建了IBSAL(Integ-rated

BiomassSupplyAnalysisandLogistics)物流模型,建立了收集模型的输入输出整体结构图,并联合利用EX鄄TEND软件模拟秸秆收储运物流过程并进行了实例分析。具体IBSAL物流模型(小麦秸秆的物流体系)如图2所示。

图2摇IBSAL物流模型的总体框图

 

2)NilssonD[20]建立了SHAM(StrawHAndling

Model)物流模型,通过对秸秆物流系统的性能参数(秸秆待处理时间、机械的最大收集量、处理机械的使用次数等)的优化,有效降低了秸秆收储成本,提高了秸秆收储运效率。SHAM动态仿真模型被分为3个主要组成部分:秸秆分布资源量子模型,天气变化与田间干燥子模型,秸秆收集和处理子模型,具体关系如图3所示。

图3摇SHAM动态仿真模型

 

3)美国伊利诺伊大学建立的BioScope模型也是

国外常用的秸秆供应模型。该模型不仅优化了秸秆供应需求与供应链的配置,还能较准确计算出秸秆的收储供应成本,具体组成部分之间的关系如图4所示[40]。

1.2.2摇成本分析

农作物秸秆收储运成本主要包括收集成本(秸秆购买成本、秸秆经纪人赚取利润、打捆绳费用)、运输成本(劳动力、燃油费、车辆维护、保险、维修费)、存储成本(收储站建设费用、管理人员工资、厂房维修)[13]。

目前,国外关于秸秆收储运成本研究已相对成·