秸秆发电收集半径的探讨.docx
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秸秆发电收集半径的探讨
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秸秆发电收集半径的确定
摘要
随着化石能源的短缺和环境污染的日益严重，人们开始寻找新的能源来代替常规能源。
秸秆是一种绿色可再生能源，但随着人民生活条件的提高，农民将其在田间直接燃烧或成为废弃物，结果带来了严重的环境污染。
为了解决能源与环境问题，国家大力发展秸秆综合利用技术，而秸秆发电又是一个很好的发展方向。
2005年颁布和实施的《可再生能源法》为我国秸秆发电产业化发展提供了历史性机遇和重要保障。
秸秆发电在国外已经推广并应用了多年，而国内真正的产业发展才刚刚起步，许多关键性问题函待解决。
本文通过收集资料，对国内外秸秆发电的影响因素和指标进行了综合比较和分析，构建了秸秆收集、技术和政策的评价体系。
具体内容如下：
（l）秸秆气化发电通常采用内燃机或汽轮机的发电方式，规模一般小于5MW;秸秆直燃发电通常采用中压锅炉或高压锅炉，规模一般小于30MW;秸秆混燃发电大多由常规电厂改造而成，规模一般大于100MW。
（2）秸秆直接收集方式适合规模较小的电厂;建收购点的秸秆收集方式适合于规模较大的电厂;秸秆统一收集方式适合于农业机械化程度高的地区的发电厂。
秸秆最好不要露天、松散储存。
关键词：
秸秆发电指标体系收集半径规模鼓励政策
Abstract
Withfossilenergyshortingandenvironmentalpollutionworsening，peoplestart tolookfornewenergytoreplaceconventionalenergy．Strawisarenewableenergybutasthepeople’slivingconditionsimprove，itbringsseriousenvironmentalpollutionasburndirectlyinthefield．Inordertosolvetheenergyandenvironmentalissues，Ourgovernmentdevelopvigorouslycomprehensiveutilizationtechnologyofstraw，andStrawgeneratingisagooddirection．Promulgationandimplementationofthe＂RenewableEnergyAct＂，in2005.strawPowerindustries get thehistoricalopportunityofadevelopmentandtheyareprotectedinlaw．
Strawpowerhasbeenextendedandappliedinothercountriesformanyyears，whilerealindustrialdevelopmenthasjuststartedinourcountry.Manyofthekeyissuesmustbe resolved．Bycollectingalargeamountofinformationandresearch．ThispapersummarizesandComparativelyanalysisthefactsthataffectdomesticand internationalstrawPowergeneration，thestrawcollectivetechnicalandpolicyevaluationsystemisconstructed.Specificdetailsareasfollows：
（1）strawgasificationplantsaretypicallysmallerthan5MW，Whichoftenuse Internal-combustionenginesandsteamturbine；Strawdirect-firedpowerplantsare typicallysmallerthan30MW．StrawBoileroftenarethemedium-pressureboilers；Afewarehigh-pressureboilers；cofiringstrawpowerplantsaretypicallygreaterthan 100MW，Mostadaptedfromconventionalpowerplants．
（2）ThemethodofStrawdirectcollectionissuitableforsmall-scalegenerationofStrawpowerplants；themethodofbuildingstrawcollectionpointissuitableforlarge-scalepowergenerationofstrawpowerplant；ThemethodofStrawuniformcollectionissuitableforahighdegreeofmechanizationofagricultureintheareasof strawpowerplant；OpenstorageandLoosestorageofstrawarebestnotused．
Keywords：
strawpower；IndicatorSystem；Collectionradius；size；Encouragepolicy
目录
摘要
1综述1
1.1秸秆发电的背景1
1.2 秸秆发电的重要意义4
1.3 秸秆发电的前景展望4
2秸秆的物理特性5
3收集半径的确定6
3.1秸秆资源可收集系数6
3.2秸秆资源可供应系数7
3.3收集半径的计算方法7
4目前国内外应用的三种秸秆收集方式9
5收集方式的比较10
5.1收集模型10
5.2成本比较11
5.3时间比较13
5.4运输车辆数比较13
6三种收集方式的优缺点14
7储存方式比较15
8秸秆焚烧发电项目的技术经济分析17
9结论与建议19
参考文献21
1综述
1.1秸秆发电的背景
能源是现代社会赖以生存和发展的基础，也是制约国民经济发展的重要因素。
人类正面临着巨大的能源与环境压力。
当今的能源工业主要是矿物燃料工业，包括煤炭、石油和天然气。
矿物能源的应用推动了社会的发展，其资源却在日益耗尽；世界石油探明储量约1.27×107万吨，世界煤炭探明储量约1.4×108万吨，按目前技术水平和开采量计算，石油可开采40年，煤炭可开采200年，天然气可开采60年；当今人类对于化石能源的极大依赖，不仅对人类赖以生存的环境带来了严重的污染，而且由于这种能源逐渐匾乏，成为未来社会的潜在危机。
能源短缺和环境污染已成为全社会普遍关注的焦点。
中国属于能源高消费国家，主要以煤炭、石油等化石燃料为主，能源结构不合理。
煤炭消费占一次能源消费比例高达75%，为世界煤炭消费占一次能源消费比例的三位左右[1]。
目前，我国的能源生产和消费均居美国之后的第二位。
长期以来，能源结构以煤炭为主。
2004年，我国一次能源生产总量1.85×105万吨标准煤，一次能源消费总量1.97×105万吨标准煤。
其中，化石能源超过90%，煤炭消费量1.87×105万吨，原油2.9×104万吨，天然气4.15×106万米3。
2005年，我国一次能源生产总量达2.06×105万吨标准煤，能源消费总量达2.22x105万吨标准煤，其中，煤炭消费达到2.14×105万吨，化石能源总量超过90%。
同时我国也是化石能源非常短缺的国家，一次能源资源情况也不容乐观，人均煤炭资源约90吨，仅为世界平均水平的55.4%，人均石油可采储量2.6吨，为世界平均值的11.1%;人均可开采天然气1.074×103米3，为世界平均值的4.3%，远远低于世界人均水平[2]。
此外，近期内我国石油产量也不可能大幅增加，我国煤炭资源虽然比较丰富，但探明程度很低，尚未利用的经济精查储量中绝大部分分布在干旱缺水且距离消费中心较远的中西部地区，开发、运输和利用的难度增加。
常规能源总的特点：
（1）能源消费总量大，增长快[9]，GDP占世界的4%，消耗了世界30%的主要能源和原材料。
由表1-1可知：
连续3年GDP增长>9%，
表1-1中国2002-2003年能源消耗情况
种类
2002消费量
2003消费量
增长率
煤（万吨）
1.37×105
1.64×105
19.86%
石油（万吨）
2.48×104
2.71×104
9.47%
天然气（亿立方米）
2.92×102
3.39×102
16.10%
电力（亿千瓦时）
1.63×104
1.90×104
16.53%
（2）能源储量少、分布不合理、能源短缺[9]，表1-2表明：
煤剩余可采储量1.9×107万吨，石油25×105万吨，天然气2.3×109万米3。
2004年煤产量1.9×105万吨，大煤矿采收率、小煤矿采收率10～15%（国外75%），去年采了近2.0x105万吨，等于消耗了约6.0x105万吨煤资源，这意味着只够采30年。
石油剩余可采购储量3.27×105万吨，占2.3%，2004年产量1.7×104万吨，可采19年。
天然气剩余可采储量1.3×108万米3，占0.9%;2004年产量3.8×105亿米3，可采30年。
由于分布不合理，导致运力紧张。
表1-2中国2004年能源预测
种类
剩余可采储量
2004年产量
剩余可采年数
煤（万吨）
1.9×107
1.9×105
100
石油（万吨）
2.5×105
1.7×104
19
天然气（亿立方米）
2.3×109
3.8×106
30
我国能源与环境问题尤为突出，矿物能源的无节制使用，引起了日益严重的环境问题，如导致全球气温变暖、损害臭氧层、破坏生态圈碳平衡、释放有害物质、引起酸雨等自然灾害。
煤炭的过量生产和消耗造成了严重的环境污染和生态破坏，废气排放中约90%的S02、85%的C02和67%的NOx，以及80%的烟尘都是由于利用煤炭造成的。
矿物能源消费产生大量的污染物:
CO、S02、C02和NOx是大气污染的主要污染源。
我国S02的年排放量已超过能源消费大国美国，燃煤产生的S02、NOx等导致全国82个城市出现过酸雨，面积己达国土面积的30%，有48个城市的S02超过国家二级排放标准。
许多城市的氮氧化物有增无减，其中北京、广州、乌鲁木齐和鞍山等城市超过国家二级排放标准。
由于污染引起的酸雨造成的经济损失约占全国GDP的2%。
由于大量燃烧煤炭等矿石燃料，大气中的二氧化碳浓度增加，这是20世纪地球变暖的主要原因，造成了所谓的“温室效应”。
因此，限制和减少化石燃料燃烧产生二氧化碳等温室气体排放，已成为国际社会减缓全球气候变化的重要组成部分。
举世关注的《京都议定书》已于2005年2月开始生效，这是人类历史上首次以法规的形式限制温室气体排放。
我国是世界上C02第二大排放国，排放量占世界总量的11%，仅居美国的22%之后。
中国在90年代碳排放量已达10×104万吨，到2015年碳的排放量可能达到1.78×104万吨（DOE/IEA数据），可能是届时世界上最大的排放国。
尤其是我国八亿农民都趋向使用化石燃料，不仅我国的能源供应会越来越紧张，环境的压力也不可承受。
虽然《京都协议书》中对我国温室气体的减排没有明确要求，但也必须承担起相应的责任。
随着全球工业化的快速发展，一次性能源（如：
石油、煤炭、天然气）的消耗量不断增加，能源与环境问题已经严重制约了我国经济社会的全面可持续发展，因此开发利用生物质能将是必然趋势。
我国是典型的农业大国，秸秆资源相当丰富。
秸秆通常指小麦、水稻、玉米、薯类、油料、棉花、甘蔗和其他农作物在收获籽实后剩余的部分。
农作物光合作用的产物有一半左右存在于秸秆中，秸秆富含有机质和氮、磷、钾、钙、镁、硫等多种养分，是一种具有多种用途的可再生生物资源[3]。
根据我国地理分布和气候条件，南方地区水域多、气温高，适合水稻、甘蔗、油料等农作物生产，北方地区四季温差大，适合玉米、豆类和薯类作物生长，故播种面积大于其它地区[4]。
我国秸秆产量约占全世界秸秆总量的30%。
每年农作物秸杆资源量约占我国生物质能资源量的近一半[5]。
秸杆在我国农村生活用能中占有重要地位。
1998年，我国可用作能源量的秸秆量为3.5×104万吨，占秸秆总产量的58.7%。
预计在2000年到2010年期间，我国每年秸秆资源的可获得量为3.5×104到3.7×104万吨，相当于1.7x104万吨标准煤[7]。
如果将这些秸秆资源用于发电，相当于9.0×103万千瓦火电机组年平均运行5.0×103小时，年发电量为4.5×107万度[6]。
随着人民生活条件的提高，焚烧秸秆现象时有发生。
为了解决焚烧秸杆所带来的难题，国家有关部委及各级地方政府多次发文要求禁止焚烧农作物秸秆，农作物资源的有效利用已成为我国农业可持续发展的重要问题。
采取有效的技术措施，开发利用秸秆资源，已引起国家的高度重视。
开发利用农作物秸秆将是实现我国全面小康和建设社会主义新农村的重要支撑。
农作物秸秆发电技术，不仅为农村提供更多电力，更有意义的是将使农作物秸秆资源的商品化成为可能。
需采取措施将当地丰富的农作物秸秆资源转化成高品位的能源，解决这些地区用电用能问题，可大大促进中国农村地区能源短缺局面，促进当地经济发展，对加快我国的农村建设和社会稳定具有重要意义。
2003年，我国电力生产总量1.73×108万度，用电缺口6.3×102万度，目前我国还有5千多个无电村[8]，总体上我国电力的生产增长低于全国经济的增长，随着经济的高速发展及农村用电需求的启动，随时会出现局部地区电力紧张的情况。
2004年，我国煤的产量为1.78×105万吨，消耗量为1.8×105万吨[9]，煤炭消费量的增加，加上交通运输的瓶颈阻碍，使得煤炭供应愈显紧张，所以应利用新能源、可再生能源，以便缓解能源紧张的现状。
国内外对资源丰富、可再生性强、有利于改善环境和资源的开发利用给予了极大的关注，农作物秸秆资源是一种可以与环境协调发展的能源，具有巨大的发展潜力。
首先，秸秆发电在可再生能源发电中电能质量好、可靠性高，比小水电、风电和太阳能发电等间歇性发电要稳定的多，可以作为小水电、风电、太阳能发电的补充能源，具有很高的经济价值。
其次，在全面建设小康社会的目标下，农村能源结构由传统农作物秸秆资源利用为主向现代化方向转化，秸秆发电是这种转化的便利途径[10]。
第三，丰富的农作物秸秆资源巫待有效开发、加工增值，以促进经济发展，目前我国农作物秸秆资源量为7.0×104万吨标煤，随着退耕还林和种植新树林，估计到2020年农作物秸秆资源量可达9.0×l04～1.0×105万吨标煤，在我国能占到举足轻重的地位。
1.2 秸秆发电的重要意义
（1）农作物秸秆量大,覆盖面广,燃料来源充足。
尤其是农作物生长中的光合作用吸收CO2,它与农作物秸秆燃烧生成的CO2相平衡,这对减少温室气体排放,执行“京都议定书”有着直接效果。
（2）由于秸秆含硫量很低,且低温燃烧产生的氮氧化物较少,所以除尘后的烟气不再进行脱硫,烟气可直接通过烟囱排入大气。
烟道上装设有在线检测烟气成分装置进行监测。
丹麦等国家的运行试验也表明秸秆锅炉经除尘后的烟气不加其他净化措施完全能够满足环保要求。
（3）麦秸秆、玉米秸秆的发热量在农作物秸杆中为最小,但低位发热量约14.4MJ/kg,相当0.492kg标准煤,使用秸秆发电,可降低煤炭消耗。
（4）秸秆燃烧后的灰渣是很好的钾肥,可被农作物直接利用或深加工成为复合肥料。
（5）作为燃料,煤炭开采具有一定的危险性,特别是井工开采,管理难度大。
农作物秸秆与其相比,则危险性小,易管理,且属于废弃物利用,符合国家能源发展产业政策。
1.3 秸秆发电的前景展望
农作物秸秆已成为再生能源利用的重要组成部分。
秸秆电厂一般建在煤炭紧缺、农业密集的地区。
利用生物质能技术发电,不仅可以缓解煤炭能源紧缺的状况,而且为广大农村剩余秸秆找到了出路。
利用剩余秸秆发电,一方面可以增加农民的收入，,另一方面也改善了农民的生活环境,提高了他们的生活质量,同时也避免因焚烧秸秆所带来的环境污染。
作为一项新技术，建秸秆发电厂还有一些设备需要进一步完善,一些问题需要解决,例如秸秆的收集。
在发达国家,农庄自动化生产为秸秆的收集提供了便利条件。
而在我国,农业生产的分散性,给秸秆的收购带来一定困难。
为保证秸秆电厂有充足的燃料,应将秸秆的收购作为秸秆电厂建设的一个重要问题给予解决。
应根据当地实际情况,设置秸秆收购、运输机构,配置必要的打包设备,设立二级储存仓库,制定燃料运输调拨计划,以保证秸秆电厂燃料的充足连续供应。
推广秸秆发电技术,符合国家环保政策,是一项增加农民收入、经济效益和社会效益俱佳的双赢战略。
因此,发展生物质能利用技术前景任重道远。
2秸秆的物理特性
（l）我国秸秆总量大，但秸秆密度小，分布分散
我国每年产生的农作物秸秆资源量超过6.0x104万吨，约占全世界秸秆总量的30%左右，但我国农村人多地薄，自然村相对分散，很难在几个自然村的小范围内收集到大型秸秆发电系统所需要的几十万吨秸秆燃料。
除非扩大收集半径。
这样又涉及到秸秆的收集、分选、运输、储存、防腐等诸多问题，收购成本会急剧上升。
另外，与传统化石燃料比较，农作物秸秆还具有密度小、体积大等特点，即使重量相同，若其密度较小，运输时就需要较大的容器，收集、运输的成本也会增加。
干燥的秸秆密度非常小，大约为100kg/m3，所以其运输相当困难，如果电厂规模过大，则秸秆收集半径相应过大，收集、运输成本增加。
（2）秸秆成熟季节性强，含水率大
含水率越高，运输生物质的同时需要运输大量的水，使得收集、运输的成本增加。
麦草、稻草、玉米秆等秸秆作物在收获其果实的季节，仍属后鲜期，，初成熟的秸秆含水率相当高，约为60%，而发电所需含水率为15%[11]，这就需要干燥。
在中部地区，收过秸秆之后很快就要种植下一季庄稼，时间很紧。
如果大量收购，则水分含量很高，无法干燥，所以尽量避免大量收购。
采取田间打包，就地收购的方式，不仅成本高，而且未经风干的秸秆打包后极易发热、变质，影响其燃烧发热值[12]，如果将这种含水量大的打包原料再进行堆垛存储，还容易发生自燃现象。
所以，先期的项目建设单位（包括设计部门）如计划采取上述方式进行原料采购和储运工艺的，应充分考虑其实际问题和不足，尽量避免有关风险。
（3）秸秆种类繁多
中国地大物博、幅原辽阔，气候由南向北分别包括热带、亚热带、暖温带、中温带、寒温带。
经度跨越达62°（东经135°03′～73°22′），纬度达50°（北纬3°51′～53°34′），其秸秆类原料的品种和数量居世界前列。
秸秆类原料主要包括农作物和自燃类植物两个方面。
其中，农作物的秸秆类品种主要包括稻草、麦草、玉米秆、棉花秆、高粱秆，以及谷物类、油料作物类（花生、大豆、油菜）等，自燃类植物类秸秆主要包括芦苇、龙须草、树木枝丫材和野生灌木等。
随着林纸一体化项目的发展，将来还会有一定数量的树皮、木削等可燃物质。
不同秸秆类原料的性质是有很大差别的，其热值[13]，见表2-1以及其挥发分、灰分、碳、氢等方面的白分含量会随收获后储存期长短发生变化，并影响其燃烧发热值。
因此，掌握原料收购时机，以及科学地储存、储运对于其质量及热能效的发挥至关重要。
表2-1不同秸秆的热值及灰分含量
种类
燃烧值（kJ/kg）
灰分（%）
甘蔗渣
17556-17974
7-8
木屑
16720-18810
0.4-8
稻壳
14630-15884
19-20
麦草
16302-16720
13-14
棉花杆
15048-16720
17-19
稻草
15048-15884
15-16
花生壳
18392-18810
2-3
3收集半径的确定
3.1秸秆资源可收集系数
秸秆资源可收集系数是秸秆资源可获得量占秸秆资源总量的比值
η=M3/M1
M3—秸秆资源可获得量
Ml—秸秆资源总量
η—秸秆资源可收集系数
秸秆资源总量Ml是通过粮食产量计算的，粮食产量与秸秆资源总量成正比关系，即Ml=KM2.
Ml—秸秆资源总量
M2—粮食产量
K—草谷比
如果知道粮食产量和草谷比K，就可求出秸秆资源总量M1。
草谷比K见表2-2，
表2-2各种农作物的草谷比k值
农作物种类
小麦
水稻
玉米
棉花
油菜
草谷比
1.2802
0.9519
1.2472
3.1361
2.2122
注：
按各省、市、自治区的草谷比的加权平均值计算，在实际测算时，最好采用当地的实际测量草谷比k值。
（中国农业生物能利用状况与展望研究报告，农业部规划设计研究院）
由于有一部分秸秆用作动物饲料、化工原料，所以不可能完全作为燃料，可作为燃料的秸秆量称为秸秆资源可获得量M3。
3.2秸秆资源可供应系数
秸秆资源可供应系数是指秸秆资源可供应量占秸秆资源可获得量的比值，
η2=M4/M3
M4—秸秆资源可供应量
M3—秸秆资源可获得量
η2—秸秆资源可供应系数
由于其它原因，比如一部分农户不愿意出售秸秆，或者没有车辆运送，或者天阴下雨秸秆腐烂，这些可获得的秸秆不可能全部供应。
真正能够供应到电厂的秸秆资源量称为秸秆资源可供应量M5。
3.3收集半径的计算方法
秸秆收集半径是指保证发电厂原料消耗量的最小供应距离。
秸秆收集半径大小是由秸秆资源可收集系数、秸秆资源可供应系数和秸秆单位亩产量来决定。
其计算公式如下:
r2=M/（ηl·η2·m）
式中：
R—秸秆收集半径
M—发电厂年消耗秸秆原料量
η1—秸秆资源可收集系数
η2—秸秆资源可供应系数
m—秸秆单位亩产量
案例：
河北晋州秸秆发电厂装机容量为2×12.5MW，年消耗秸秆量约为16万吨，即M=16万吨,中节蓝天投资咨询管理有限责任公司调研得出:
ηl=0.5、η2=0.3[14]，我国作物秸秆的年亩产量约为300kg（干秸秆）,为了计算收集半径需做以下假设，（l）秸秆分布具有单一性。
（2）农作物品种单一。
秸秆单位面积的产量相等，不考虑农作物品种不同、种植条件不同等因素带来的产量差异。
③均匀性。
农作物在该区域内分布均匀，疏密程度相同，即农作物与非农作物占用土地的比例、密度在整个区域内是相同的。
④周期性。
农作物的生长周期为一年，相应的，生物质秸秆的收集周期也为一年，忽略农作物生长的季节性。
把以上数据代入公式得:
收集半径r=27.4605km
如果再考虑村庄、道路、沟道所占的土地，要保证电厂足够的原料来源秸秆收集范围最好在50公里以内。
4目前国内外应用的三种秸秆收集方式
秸秆的收集方式目前在国内有三种：
直接收集、建收购点和电厂统一收集。
（1）直接收集就是各个行政村、农户自己把收集后的秸秆运送至电厂，再由电厂统一收购、加工、储存[15]。
（2）建收购点就是按资源的分布情况，将
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