馬國杰1,2,常春1,2,陳俊武1
(1鄭州大學(xué)化工與能源學(xué)院,河南鄭州450001;2河南省杰出外籍科學(xué)家工作室,河南鄭州450001)
摘要:生物質(zhì)原料供應(yīng)鏈?zhǔn)巧镔|(zhì)資源轉(zhuǎn)化的基礎(chǔ)保障,是未來實現(xiàn)大規(guī)模生物質(zhì)能源開發(fā)利用的關(guān)鍵所在。本文對生物質(zhì)供應(yīng)鏈相關(guān)技術(shù)問題進行了分析,分別介紹了生物質(zhì)原料收獲與收集、儲存與預(yù)處理、運輸?shù)燃夹g(shù)現(xiàn)狀與存在的問題。同時,對供應(yīng)鏈的技術(shù)經(jīng)濟性進行了綜述,對比闡述了國內(nèi)外采用的研究方法,通過建立定量化的數(shù)學(xué)模型來優(yōu)化供應(yīng)鏈的技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)是當(dāng)前研究的主要方式。國內(nèi)外研究結(jié)果顯示,生物質(zhì)原料的收購價格、收集半徑和收購模式是影響生物質(zhì)供應(yīng)鏈成本的關(guān)鍵因素。我國由于戶均耕地占有面積小,生物質(zhì)原料分散,生物質(zhì)供應(yīng)鏈?zhǔn)且粋€復(fù)雜的系統(tǒng)工程。在此基礎(chǔ)上,進一步對生物質(zhì)供應(yīng)鏈的發(fā)展提出了展望,為生物質(zhì)資源供應(yīng)鏈的研究與發(fā)展提供參考和借鑒。
隨著人們對生物質(zhì)資源開發(fā)利用的重視,對生物質(zhì)資源的需求也在不斷增加。如何保證大量生物質(zhì)資源的收集、儲存以及運輸?shù)冗^程的順利實施,已經(jīng)成為生物質(zhì)能源研究及應(yīng)用領(lǐng)域中的重要課題。目前,生物質(zhì)能源在我國能源消耗的比例僅占5%,而國外一些發(fā)達國家的生物質(zhì)能源消耗占比可達20%。由此可見,我國對生物質(zhì)能源的需求仍具有較大的空間[1-2]。
我國生物質(zhì)資源量十分豐富,僅每年農(nóng)作物秸稈產(chǎn)量可以達到7億噸。隨著人們對生物質(zhì)原料需求的日益增加,生物質(zhì)原料的供應(yīng)鏈將成為決定生物質(zhì)資源開發(fā)利用、實現(xiàn)工業(yè)化、商業(yè)化應(yīng)用的重要基礎(chǔ)保障。眾所周知,雖然生物質(zhì)原料來源廣泛、數(shù)量巨大,但由于大多數(shù)生物質(zhì)原料的密度較低,且分布分散,因此生物質(zhì)原料的供應(yīng)鏈過程,包括收集、運輸、預(yù)處理,直至進入工廠的整個物流過程,已經(jīng)成為影響原料成本的關(guān)鍵問題。例如,國內(nèi)的許多生物質(zhì)發(fā)電企業(yè)正是受制于原料供給不足而導(dǎo)致設(shè)備開工不足,企業(yè)虧損。由此可見,如何開發(fā)有效、經(jīng)濟且適用于不同種類的大規(guī)模生物質(zhì)原料供應(yīng)鏈系統(tǒng)顯得尤其重要。據(jù)此,本文針對生物質(zhì)供應(yīng)鏈系統(tǒng)存在的問題進行分析,并綜述近年來人們在生物質(zhì)供應(yīng)鏈研究的成果,從技術(shù)經(jīng)濟的角度,對生物質(zhì)原料供應(yīng)鏈的研究進行綜述和展望,為生物質(zhì)供應(yīng)鏈的研究與應(yīng)用提供參考和借鑒。
1生物質(zhì)原料供應(yīng)鏈
生物質(zhì)原料資源種類眾多,常見的生物質(zhì)原料主要包括農(nóng)業(yè)廢棄物、林業(yè)廢棄物、能源作物、藻類和城市固體廢棄物等。在我國,生物質(zhì)原料資源豐富,產(chǎn)能可相當(dāng)于全國能源消費總量的30%左右。在實現(xiàn)生物質(zhì)原料利用的過程中,生物質(zhì)原料供應(yīng)鏈?zhǔn)怯缮镔|(zhì)到生物燃料整個生產(chǎn)過程的橋梁。在整個物流系統(tǒng)中,主要包括生物質(zhì)原料的收獲與收集、原料儲存、原料預(yù)處理、運輸?shù)炔襟E。保證整個物流有效、經(jīng)濟地運行,是實現(xiàn)生物燃料大規(guī)模商業(yè)化生產(chǎn)的關(guān)鍵所在[3]。
生物質(zhì)原料的收獲與收集是整個供應(yīng)鏈的第一步,它是生物質(zhì)從起始到儲存的關(guān)鍵步驟,該步驟包括粉碎、收獲、收集及打包等操作。儲存是原料生物質(zhì)保持穩(wěn)定的關(guān)鍵步驟,在生物質(zhì)進行預(yù)處理前,保持原料的穩(wěn)定均一是生物質(zhì)后續(xù)轉(zhuǎn)化的物質(zhì)基礎(chǔ)。預(yù)處理步驟是通過物理、化學(xué)或生物的方法將生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為更加穩(wěn)定的形式,以利于運輸和轉(zhuǎn)化。運輸是通過運輸基礎(chǔ)設(shè)施,如卡車、鐵路、船運或管線等,將生物質(zhì)運輸至生物煉制廠。這些步驟構(gòu)成了完整的生物質(zhì)供應(yīng)鏈,如圖1所示[4]。

2生物質(zhì)原料供應(yīng)鏈技術(shù)
2.1收獲與收集
生物質(zhì)原料的收獲與收集是供應(yīng)鏈的首要環(huán)節(jié)。以秸稈原料為例,秸稈收割是整個原料收集過程的第一步,收割的方法和技術(shù)不僅影響著原料的儲存、運輸和加工,還對土壤的松緊和侵蝕有重要的影響[5]。
在機械化程度較高的美國,秸稈的收割過程通常分3步進行,第一步是聯(lián)合收割機在行進過程中收割莊稼,收割剩余的生物質(zhì)在收割機后排成一列;第二步由拖拉機牽引的打捆機將生物質(zhì)進行打捆;第三步由拖拉機將打好的捆托運至田邊。在操作上,可采用多程或單程操作[6]。雖然這種收割方式已經(jīng)比較成熟,但這種收割的方式仍存在以下弊端:①易造成原料夾帶泥土和石塊,污染原料;②需要專門的設(shè)備和勞力;③由于設(shè)備車輛頻繁在田間移動,將導(dǎo)致土壤疏松度破壞,且不利于保持土壤中碳水平的穩(wěn)定。同時,收割后的纖維素生物質(zhì)原料通常以打捆的形式進一步收集,但目前的原料打包收集系統(tǒng)存在著諸如原料體積密度低、單位成本高、大規(guī)模處理困難等不足,尚難以滿足未來大規(guī)模應(yīng)用的要求。
在我國,廢棄的秸稈由于得不到及時處理,很大一部分被焚燒或者拋棄。尤其隨著農(nóng)村青年勞力外出務(wù)工的增多,也不同程度增大了秸稈收集的難度,間接提高了原料的收集成本。為此,我國也在嘗試推廣應(yīng)用機械代替人工收集秸稈,如近年來有研究者提出采用秸稈全自動收集粉碎致密成型聯(lián)合機進行秸稈的收獲與收集。該聯(lián)合機能夠?qū)⑹占⒎鬯楹椭旅艹尚屯瑫r完成,收集的生物質(zhì)以顆粒的形式進行收集和暫存,有利于節(jié)省運輸空間,降低運輸成本[7]。然而,我國的機械化收集應(yīng)用過程中仍存在著機械收集系統(tǒng)適應(yīng)性差、打捆保形性不理想、易發(fā)生散捆等現(xiàn)象。
針對上述問題,開發(fā)高適應(yīng)性的機械收集系統(tǒng)是當(dāng)前需要解決的關(guān)鍵技術(shù)之一。國內(nèi)外許多國家也正致力于新型收集系統(tǒng)的開發(fā),以克服和解決目前原料收集存在的不足[8]。在此基礎(chǔ)上,根據(jù)可持續(xù)收割技術(shù)的要求,在滿足實用性、可持續(xù)性和經(jīng)濟性的前提下,大力開發(fā)大規(guī)模生物質(zhì)原料收集的新模式,也將是今后研究的主要方向之一。
2.2原料儲存和預(yù)處理
目前,原料的儲存方式可分為干式和濕式兩種,對于纖維原料如秸稈,通常以干式打包的形式進行儲藏,即秸稈在打包前,要在田間自然風(fēng)干至15%~35%的含水量范圍,如果秸稈原料含水量過大,很容易造成秸稈的腐敗,最終導(dǎo)致原料有效成分的流失。雖然這種儲存方式已被成功開發(fā)并應(yīng)用,但以這種方式儲存原料的規(guī)模有限,難以滿足未來大規(guī)模利用纖維原料進行生物煉制的需求。當(dāng)儲存原料在100萬噸規(guī)模時,這種儲藏方式將有可能不再實用,因此其他的儲存方式應(yīng)當(dāng)給予考慮。
生物質(zhì)造粒作為一種干式儲存技術(shù),能夠有效地克服原料腐敗流失的問題。經(jīng)過造粒的原料不僅使原料不易自燃,而且可使原料密度增大,表面積降低。但是,目前生物質(zhì)造粒的成本還比較高,因此現(xiàn)階段還難以成為原料干式儲存的主要方式。另外一種可替代的原料儲存方式為濕式儲存。濕式儲存過程中,由于原料中濕度過高,原料極易腐敗,所以可以通過青貯的方法來消除其中的氧氣,以降低原料腐敗變質(zhì)。目前,青貯方法已成功應(yīng)用于甜高粱和甘蔗渣的儲藏,如果進一步降低建設(shè)和維護成本,該方法將可能成為解決儲存中原料穩(wěn)定性的有效方法。此外,原料儲存場地也是一個需要考慮的問題。為了確保生物質(zhì)能源企業(yè)生產(chǎn)的正常運行,生產(chǎn)企業(yè)需要考慮一定面積的原料儲存區(qū)域,以備足一定時期生產(chǎn)所需的足夠原料。這樣不僅能夠保證原料的持續(xù)供給,還有利于低價時收購備存原料,大幅度降低生物質(zhì)原料的收購成本[8]。
為了便于生物質(zhì)的運輸和后續(xù)的生物轉(zhuǎn)化過程,發(fā)展生物質(zhì)原料預(yù)處理技術(shù)也十分必要。預(yù)處理技術(shù)是通過物理、化學(xué)或生物的方法將生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為更加穩(wěn)定的形式,以利于運輸和轉(zhuǎn)化。常見的方法有:致密化(壓塊、烘烤)、現(xiàn)場熱解、研磨、干燥、化學(xué)處理、青貯、分級處理、混配等。但目前的預(yù)處理方法仍存在成本較高、效率低的不足。
因此,發(fā)展低成本的致密化技術(shù)是該領(lǐng)域研究的熱點。此外,在原料儲存過程中利用酸、石灰或臭氧對生物質(zhì)原料進行預(yù)處理也是有益的嘗試,這不僅可以強化生物質(zhì)的物理結(jié)構(gòu)的改變,還可以減少后續(xù)原料處理的費用。
2.3原料的運輸
原料運輸技術(shù)也是生物質(zhì)原料供應(yīng)鏈系統(tǒng)的重要技術(shù)之一。開發(fā)適用于不同尺寸、形狀、質(zhì)地的原料運輸系統(tǒng)將有效地降低生物質(zhì)原料的運輸成本。由于生物質(zhì)密度較低,大量生物質(zhì)原料的運輸將增加原料裝卸及運輸?shù)馁M用。因此上述的預(yù)處理技術(shù)可以有效降低原料的運輸費用。此外,在原料運輸技術(shù)的研究中,需要評估重型車輛對農(nóng)村道路和運輸網(wǎng)絡(luò)的影響,同時還要考慮其他的運輸方式。有研究者利用Arena系統(tǒng)軟件,對生物質(zhì)能供應(yīng)鏈?zhǔn)占\輸方式進行了仿真優(yōu)化研究。仿真結(jié)果顯示:不同的車輛運輸速度和運輸量的不同,對生物質(zhì)原料整體收集運輸過程的效率差異較大,采用運力大、速度快的公路交通運輸工具有更高的運輸效率和更好的能耗表現(xiàn)。但在實際情況中,農(nóng)用車可以適應(yīng)多樣的道路條件、節(jié)省車輛購置費用,適合于短距離的初始階段運輸活動[9]。
3生物質(zhì)原料供應(yīng)鏈技術(shù)經(jīng)濟
生物質(zhì)原料供應(yīng)鏈模式的選擇是保證供應(yīng)鏈經(jīng)濟、高效實施的前提,建立良好供應(yīng)鏈運行模式,是保證生物質(zhì)原料物流從田間到生物煉制企業(yè)的重要環(huán)節(jié)。其中,生物質(zhì)供應(yīng)鏈的物流成本是最令人關(guān)注的問題,尤其對于生物質(zhì)企業(yè)的戰(zhàn)略決策尤為重要。依據(jù)供應(yīng)鏈環(huán)節(jié)和生物質(zhì)生命周期理論,國內(nèi)外研究者對物流成本進行了許多研究,提出了不同的方法和研究思路,所得的結(jié)果為供應(yīng)鏈的技術(shù)經(jīng)濟分析提供了重要參考依據(jù)。
在生物質(zhì)原料供應(yīng)鏈模式研究中,美國能源部曾提出了先進統(tǒng)一模式的原料供應(yīng)體系。該原料供應(yīng)體系中,原始的生物質(zhì)資源可以轉(zhuǎn)化為生物煉制企業(yè)的生產(chǎn)原料商品,并將有穩(wěn)定、高密度、高質(zhì)量的特點。該系統(tǒng)能夠使難以利用或未充分利用的資源通過就地的生物質(zhì)預(yù)處理站點轉(zhuǎn)化為大量穩(wěn)定、高密度的流動性原料,可以直至原料供應(yīng)體系的終端[8]。采用這種商品化原料的供應(yīng)體系,不僅可以減少生物煉制企業(yè)的生產(chǎn)風(fēng)險,還可以促進當(dāng)?shù)卦系氖崭罘绞剑灿欣谵r(nóng)作物種植的多樣性和農(nóng)作物輪種的實踐操作。
美國能源部曾對不同生物質(zhì)原料的供應(yīng)鏈經(jīng)濟指標(biāo)進行規(guī)劃,并對供應(yīng)鏈各個組成部分的費用進行了比較。圖2和表1列舉了木質(zhì)生物質(zhì)原料在熱解轉(zhuǎn)化途徑中的物流成本[10]。從圖表中的數(shù)據(jù)可以看出,隨著原料收集技術(shù)的進步,不同轉(zhuǎn)化路徑的原料供應(yīng)鏈費用都能實現(xiàn)大幅度下降。但由于原料自身屬性及轉(zhuǎn)化加工方式的差異,不同原料的供應(yīng)鏈費用也存在著一定差異,因此,針對不同的原料和轉(zhuǎn)化路徑,原料供應(yīng)鏈的費用需要針對性地考慮[11]。

此外,在生物質(zhì)供應(yīng)鏈物流成本的研究中,國外的研究大多通過建立定量化的數(shù)學(xué)模型來優(yōu)化供應(yīng)鏈的技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)。如Thorsell等[12]通過計算模擬了生物質(zhì)原料的收集成本;Gronalt等[13]通過創(chuàng)建新型模擬供應(yīng)網(wǎng)絡(luò),研究林業(yè)生物質(zhì)對運輸成本的影響。近年來,一些新方法和理論在生物質(zhì)供應(yīng)鏈技術(shù)經(jīng)濟評價的研究中得到應(yīng)用。Jensen等[14]在考慮了質(zhì)量和能量損失的情況下,采用了混合整數(shù)規(guī)劃模型,對丹麥生物天然氣的原料供應(yīng)鏈進行了優(yōu)化。Lim等[15]提出了一種基于危險與可操作性分析(hazard and operability analysis,HAZOP)文獻調(diào)研方法,并將其成功應(yīng)用于生物質(zhì)供應(yīng)鏈的模型優(yōu)化。通過HAZOP方法,能夠有效地描述生物質(zhì)供應(yīng)鏈存在的危險性及后果,為供應(yīng)鏈的發(fā)展和建設(shè)提供了建議。Lam等[16]提出了一種全面系統(tǒng)的消除瓶頸方法,通過將P-框圖與持續(xù)性指數(shù)(SI)相結(jié)合,來明確生物質(zhì)工業(yè)中的瓶頸,同時利用層次分析法可以確定經(jīng)濟可持續(xù)性、環(huán)境可持續(xù)性和社會可持續(xù)性的優(yōu)先規(guī)模。
在我國,目前較缺乏生物質(zhì)原料供應(yīng)鏈技術(shù)經(jīng)濟性研究的系統(tǒng)成果。雖然很多生物質(zhì)項目在啟動前大都進行了相關(guān)的技術(shù)經(jīng)濟分析,但很少就未來生物質(zhì)收儲運的細節(jié)展開研究。近年來,隨著生物質(zhì)研究及應(yīng)用的不斷深入,國內(nèi)學(xué)者在供應(yīng)鏈技術(shù)經(jīng)濟領(lǐng)域也加大了研究力度。如檀勤良等[17]針對1×30MW生物質(zhì)發(fā)電企業(yè)為例,以生物質(zhì)電廠利潤最大為目標(biāo),對燃料的收集、運輸、預(yù)處理、儲存和使用各環(huán)節(jié)進行了研究,建立了多期非線性優(yōu)化模型,其供應(yīng)鏈模型如圖3所示。通過優(yōu)化計算得出:電廠收購農(nóng)業(yè)剩余物與林業(yè)剩余物的最優(yōu)價格分別為217元/噸和277元/噸。兩種燃料之間的價差不能過大,否則會導(dǎo)致經(jīng)紀(jì)人更傾向于收集某一種燃料。通過優(yōu)化結(jié)果與企業(yè)實際運行結(jié)果的比較,可以發(fā)現(xiàn)我國生物質(zhì)電廠的燃料收購和使用模式存在問題,主要表現(xiàn)在電廠沒有充分發(fā)揮其在燃料供應(yīng)鏈中的主導(dǎo)地位,從而導(dǎo)致原料供應(yīng)的比例不合理,并由此造成成本的增加。

魏巧云[18]對生物質(zhì)發(fā)電秸稈供應(yīng)鏈物流成本構(gòu)成也進行了分析,研究表明:生物質(zhì)發(fā)電企業(yè)在生物質(zhì)秸稈供應(yīng)鏈的地位并非主導(dǎo)或強勢地位,這一定程度地降低了秸稈供應(yīng)鏈的整體效益。各環(huán)節(jié)的成本結(jié)論分別為:原料打捆后,大捆要比小捆更加經(jīng)濟;同時,50km被認為是秸稈原料運送的臨界運距,當(dāng)運量一定時,運距小于50km時壓縮物料反而增加了物流成本,因此可采用非壓縮狀態(tài)運輸;當(dāng)運距大于50km時,可以采用壓縮后再運輸,而且運距越長,原料壓縮后的物料成本節(jié)約越顯著。另外,秸稈的壓縮密度為0.6~0.8t/m3,通常不同壓縮密度對物流成本的影響不明顯,但隨著運距的增加,高壓縮密度對物流成本的改善作用略顯成效。
秸稈的收儲模式也是國內(nèi)生物質(zhì)供應(yīng)鏈的主要研究內(nèi)容。國內(nèi)常見的秸稈原料物流一般由秸稈利用企業(yè)、秸稈收儲組織、秸稈收集專業(yè)戶和農(nóng)戶構(gòu)成,常見的模式主要有自收自用模式、分散收儲模式和集約化收儲模式3種[19]。為了優(yōu)化秸稈供應(yīng)鏈,有研究者在基于“農(nóng)戶+中間商+電廠”原料供應(yīng)模式上,通過建立生物質(zhì)發(fā)電供應(yīng)鏈協(xié)同模型,對發(fā)電供應(yīng)鏈系統(tǒng)進行了協(xié)同演化研究[20]。此外,原料的收儲點選擇的優(yōu)劣也是影響物流供應(yīng)優(yōu)劣的重要內(nèi)容。趙濤等[21]采用重心法進行了生物質(zhì)原料收儲點的模型研究,利用運輸成本作為選址決策依據(jù),可以確定并優(yōu)化出生物質(zhì)不同來源區(qū)域收儲點合理分布。
總體分析,當(dāng)前我國生物質(zhì)能產(chǎn)業(yè)的物流經(jīng)濟性普遍較低,需要耗費大量的人力、物力進行收集、儲存、運輸?shù)取R越斩挵l(fā)電為例,考慮到收購過程中車損、燃油及人力消耗,即使寬松估計,經(jīng)濟收購半徑不宜超過50km,而木本植物制油的路線則更顯昂貴,其成本到底多高迄今沒有準(zhǔn)確的估計。此外,與發(fā)達國家農(nóng)場為主的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式不同,我國國情不同,多以農(nóng)戶為主,戶均耕地占有面積很小,生物質(zhì)資源分散,保證生物質(zhì)能源企業(yè)原料供應(yīng)是一個復(fù)雜的系統(tǒng)工程[22]。
4結(jié)論與展望
隨著對生物質(zhì)原料需求的日益增加,生物質(zhì)原料的供應(yīng)鏈將是決定生物質(zhì)資源開發(fā)利用的基礎(chǔ)保障。為了使生物質(zhì)能源實現(xiàn)大規(guī)模的石油替代,并實現(xiàn)工業(yè)化和商業(yè)化的運行,開發(fā)高效經(jīng)濟的生物質(zhì)原料供應(yīng)鏈已勢在必行[23]。
除了大力發(fā)展生物質(zhì)供應(yīng)鏈各環(huán)節(jié)的技術(shù)外,也需要考慮其他的影響因素,如地域分布、政策扶持等。在我國,生物質(zhì)原料的收集區(qū)域規(guī)劃通常是按照行政區(qū)域進行劃分,這勢必導(dǎo)致行政部門在規(guī)劃時只關(guān)注局部區(qū)域內(nèi)生物質(zhì)資源量供應(yīng),必然導(dǎo)致局部區(qū)域的企業(yè)重復(fù)建設(shè)和資源量的不平衡分配。因此在生物質(zhì)原料供應(yīng)區(qū)域劃分中,建議按照自然經(jīng)濟區(qū)進行劃分,以實現(xiàn)統(tǒng)籌布局、合理開發(fā),有效保障生物質(zhì)資源量的充足供應(yīng),這不僅利于降低原料供應(yīng)鏈的成本,而且能有效促進生物質(zhì)能源企業(yè)的健康發(fā)展。此外,作為新興的生物質(zhì)能源產(chǎn)業(yè)還屬于弱勢產(chǎn)業(yè),有關(guān)生物質(zhì)物流費用的政策也不明確,這進一步導(dǎo)致在物流環(huán)節(jié)中的不可預(yù)測費用的增加,最終使原料的價格大大超過預(yù)期。
同時,在生物質(zhì)原料收集方面,需要學(xué)者及政府部門進一步深入研究,確立我國未來的生物質(zhì)原料收集有效模式和相關(guān)政策,促進生物質(zhì)能源產(chǎn)業(yè)持續(xù)健康的發(fā)展。
針對以上問題,對生物質(zhì)原料供應(yīng)鏈的發(fā)展提出以下幾點展望:①嘗試?yán)眠呺H土地獲取更多的生物質(zhì)資源;②進一步優(yōu)化并提高生物質(zhì)供應(yīng)鏈的供應(yīng)模式和各環(huán)節(jié)技術(shù)水平;③針對不同生物質(zhì)產(chǎn)品,建立不同的生物質(zhì)供應(yīng)鏈標(biāo)準(zhǔn);④建議政府因時因地制定優(yōu)惠政策,推動生物質(zhì)企業(yè)發(fā)展。通過上述幾方面問題的著手解決并協(xié)調(diào)發(fā)展,將會對生物質(zhì)原料供應(yīng)鏈的有效實施和順暢運行提供保障,有利于推動我國生物質(zhì)供應(yīng)鏈的發(fā)展和日益完善。


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