农户秸秆处置及供生物质电厂成本分析

翟明岭， 张旭， 程飞， 苏醒

(同济大学 机械与能源工程学院， 上海 200092)



农户秸秆处置及供生物质电厂成本分析

翟明岭， 张旭， 程飞， 苏醒

(同济大学 机械与能源工程学院， 上海 200092)

摘要：为了分析农户秸秆就地焚烧造成面源污染而生物质电厂秸秆收购难的问题，通过对七省124个农户进行调研，结合家庭情况得到了农户秸秆处置的数据.结果显示59.3%的农户焚烧过秸秆，82.3%的农户未出售过秸秆.基于调研对农户秸秆供应进行场景设置，并建立供应成本的数学模型.以江苏省某生物质电厂秸秆供应为例，对不同场景下水稻秸秆供应成本进行分析，得到成本最高250元·t(-1)、最低186元·t(-1).该模型可为引导农户合理利用秸秆、生物质电厂制定秸秆收购价格提供参考依据.

关键词：秸秆； 调研； 供应； 生物质电厂； 成本模型

中国秸秆资源可利用量达6～8亿t[1-2]，却常被农户就地焚烧，导致严重的空气污染[3].为改善该状况，我国大力发展生物质发电，但生物质电厂普遍反映秸秆收购困难[4]，秸秆供应不足是一大原因.如从农户角度出发，分析其对秸秆处置的认知和秸秆供应成本构成，可为解决秸秆收购困难的问题提供价格依据.

目前秸秆供应成本的相关研究[5-12]以电厂秸秆需求量为出发点，建模分析秸秆到厂价格、成本优化及最优收集范围等问题，如邢爱华等[5]建立秸秆岛式分布的收储运成本能耗模型，刘华财等[6]比较不同收储运模式成本，徐亚云等[7]则进行成本、能耗、人工、设备等投入的横向比较.他们假设电厂可掌控秸秆供应链，但该供应链环节众多，每环节有独立的成本和收益，若一环节出问题则不能保证秸秆供应.农户作为源头，其供应与否决定秸秆收购难易.未反映农户供应成本的模型是静态模型，不能反映供应成本随农户变化的动态性.本文通过调研分析农户基本情况，构建不同供应场景下的成本模型，以某生物质电厂为例设置参数进行成本计算，分析成本结构.

1调研设计与调研结果

1.1调研设计

调研采取问卷调研结合入户访谈，问卷为两部分：① 农户家庭、资源信息等情况；② 农户秸秆处置现况及秸秆供应认识问题.入户访谈针对临近某生物质电厂农户.发放问卷150份，有效问卷124份，有效率82.7%，入户访谈38户.

1.2调研结果

调研对象分布在两个建筑气候分区、7个省份，具体见图1.

图1　调研对象地区分布

调研信息包括农户家庭信息、秸秆处置情况.

家庭人口情况见表1，其决定农户秸秆供应的可用人工.常住人口以老年人和学龄人为主，基本反映我国城镇化进程的现象.95.2%的农户从事农业劳动.收入情况见表2，农业收入与总收入的对比反映工作重心，打工收入水平决定农业工作的机会成本.土地及秸秆资源情况见表3，农户土地分散，块均耕地面积、块均秸秆量反映土地的分散程度，其越高，供应成本越高.农户外出打工劳力不足导致部分地区土地闲置的情况.

表1　家庭人口情况

表2　收入情况

表3　土地及秸秆资源情况

非农工作情况见图2，大部分农户收入来源主要为打工，其中45.3%打工人员放弃农业工作.对秸秆焚烧的认识见图3，70.9%认为收集秸秆费时费力，22.9%认为收集成本高，16.7%认为秸秆无价值.对秸秆出售的认识见图4，农户中17.7%出售过秸秆，其中27.3%为自送秸秆至收储站，96.8%在遇到收购时会出售秸秆，100%希望收购方到田收购.

调研得到农户做决策时综合比较秸秆供应成本、收益与从事其他工作的机会成本，人工成本是影响决策的重要因素.同时秸秆收集供应模式也是一个重要因素，第2节依据调研设立不同供应模式场景进行定量分析.

2农户秸秆供应成本模型

2.1假设与场景设置

图2　农户非农工作调研结果

基本假设：①秸秆产量密度无差别；②不考虑天气、地形等因素；③农户使用自有拖拉机运送秸秆，仅一辆；④机械收集租赁田间秸秆打捆机；⑤4种场景：人工收集并运输(A)、机械收集并运输(B)、人工收集等待收购(C)、机械收集等待收购(D)，流程见图5，每种场景计算3种不同留茬高度的成本，下标1、2、3代表30、20、10 cm.

图3　农户对秸秆焚烧的认识情况

图4　农户对秸秆出售的认识

图5　农户秸秆供应场景

2.2成本计算模型

农户秸秆供应成本为

(1)

式中：Δch为收割成本增量，元；cg为收集成本(C、D含堆垛成本)，元；cs为储存成本(C、D)，元；ct为运输成本(A、B)，元.

农户秸秆出售收益为

Rf=Qfps

(2)

式中：Qf为秸秆量，t；ps为收购价格，元·t-1.

农户的决策机制是当Rf>cfs时农户选择供应秸秆.

2.2.1秸秆收割成本

农户秸秆可供量为

Qf=ak1k2A

(3)

式中：α为作物产量密度，t·m-2；k1为草谷比；k2为可收集系数；A为土地面积，m2.

其与作物类型、收割留茬高度等相关.而留茬高度不可忽略，低会增加秸秆产量，高则节省收割油耗和时间，参数见表4.

表4　不同留茬高度下相关参数[13-14]

以留茬30 cm为基准，收割成本增量ΔCh含油耗成本增量ΔChd和人工成本增量ΔChp为

(4)

式中：Δqd为柴油耗增量，L；pd为柴油价格，元·L-1；Δth为人工增量，h；pper为人工工资，元·h-1.

2.2.2秸秆收集成本

农户选择人工收集或机械收集.收集效率为人工Qgp、机械Qgm.调研得打捆机租费按秸秆包数计量，每包50元，尺寸为1.75 m×1.2 m×0.9 m，密度约为170 kg·m-3.C、D需堆垛储存，产生附加成本，设为收集成本的10%.

人工收集成本为

(5)

机械收集成本为

(6)

2.2.3秸秆运输成本

完成一次运输，空载和满载的运程比1∶1，运至收储站，因质检、称重等耗费一个必须人工时间，设为0.5 h.运输单位载重公里油耗[15]为

(7)

式中：ge为满载耗油率，kg·(kWh)-1；geo为空载耗油率，kg·(kWh)-1；v1为满载车速，km·h-1；v0为空载车速，km·h-1；Nen/m为功载比，kW·t-1.

运输成本Ct为

(8)

式中：tt为运输时间, h；cdep为折旧成本,元；cm为维护成本，元；β为道路曲折因子，取1.4；lt为运输距离，km.

2.2.4储存成本

C、D需储存秸秆.秸秆存于田间地头，为确保秸秆含水量，以防水帆布保存.帆布使用年限5年，残值0.存储成本cs为

cs=pcAc/5

(9)

式中：pc为帆布价格，元·m-2；Ac为帆布面积，m2.

3实例分析参数设置

本文选取江苏省某生物质电厂周边农户为实例设置参数，其位于江苏省东南部，是小麦、水稻、油菜等农作物主产区，以水稻小麦轮作为耕作模式.本文以水稻秸秆为分析对象，秸秆参数见表5，车辆参数见表6，其他参数见表7.

表5　水稻秸秆参数

表6　农用拖拉机挂车参数[6-7, 13]

表7　其他相关参数

4结果及讨论

不同场景的秸秆供应成本计算结果见表8.可得B2成本最低，B1次之，C3最高.降低同样留茬高度的成本增幅人工收集大于机械收集，因为机械收集提高收集效率、降低运输人工成本，而人工费用高于机械费用.因为假设农户采取储存手段，增加了堆垛存储成本，C、D供应成本相应地比A、B高.以C3为例，储存成本占总成本32.6%.若C、D下农户不采取存储手段，则成本会降低至165、180.7、188.9、176.5、168.6、190元·t-1.

表8　不同场景的供应成本

不同场景成本结构可见图6，最高成本部分A、C中是人工收集成本， B、D中是机械收集成本.机械收集相比人工收集未体现太多成本优势，这和本文设定条件中农户土地面积有关，土地面积越小，越难以体现机械收集的优势.

据调研可知，人工成本是农户决策中重要的因素.劳动力价格对秸秆供应成本的影响，见图7.劳动力价格的变化对人工收集模式的影响大于机械收集模式.基准价格为12元·h-1，劳动力价格增加10%、20%、50%时A分别增加8.3%～8.8%、16.9%～17.3%、42.5%～43.9%，C分别增加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%.

本文未考虑秸秆供应中存在的信息问题，当众多农户面对有限的收购方时，信息交流可能出现困难，足量收购秸秆意味着信息交流需足够顺畅，信息交流产生信息成本，因此本文后续研究会将信息问题纳入成本分析当中.

图6　不同场景下的秸秆供应成本结构

图7　供应成本与劳动力价格之间的关系

5结论

(1)调研发现农户45.3%打工人员不从事农工、59.7%焚烧过秸秆、82.3%未出售过秸秆，农户基于秸秆供应的成本、预期收益与劳动力机会成本决策相关问题，人工成本是影响农户决策的重要因素.

(2)设置4种场景构建供应成本模型，对收割、收集、运输、储存等环节建立数学模型，可对一定情况的供应成本进行计算.

(3)实例成本计算结果显示成本大小依次为B、A、D、C，D、C成本较高因为采取储存手段，若不考虑它则将低于A、B，但难以保证秸秆质量.劳动力价格每增加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，增加机械收集程度、降低机械收集成本、增加土地面积等方式可降低成本中最多的收集成本，政府加强收储商与农户的信息交流可降低C、D的储存成本.

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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

文献标志码：A

中图分类号：TK6； X712

通讯作者：张旭(1955—)，男，工学博士，教授，博士生导师，主要研究方向为村镇低品位能源系统.

基金项目：“十二五”国家科技支撑计划(2011BAJ08B09, 2011BAJ08B10)

收稿日期：2015-05-20

第一作者： 翟明岭(1987—)，男，博士生，主要研究方向为生物质发电秸秆原料供应.E-mail: zmlcqu2005@163.com

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