秸秆生物质能利用对节能减排的贡献潜力研究.pdf

中国科技期刊数据库 工业 A 收稿日期：2023 年 12 月 22 日 作者简介：闫百涛（1979），男，汉族，辽宁铁岭人，大学本科，高级工程师，抚顺辽电运营管理有限公司，主要从事火力发电热能动力、环保、智慧能源建设。-126-秸秆生物质能利用对节能减排的贡献潜力研究 闫百涛1 张华翼1 王日升1 赵景龙1 傅玉栋2 1.抚顺辽电运营管理有限公司，辽宁 抚顺 113006 2.沈阳工程学院，辽宁 沈阳 110136 摘要：摘要：作为一个农业强国，我国每年都会产出大量的农作物秸秆，这些秸秆不仅是一种可再生的物质，而且也是一种具有巨大潜力的生物质能源来源。目前我国对生物质资源的开发力度逐渐加大，但由于秸秆种类繁多，且分布不均衡等原因，导致秸秆利用率不高，造成了很大程度上的浪费与环境污染。在“十二五”规划的指导下，秸秆利用在缓解国家能源短缺问题上具有不可忽视的重要性。本次在研究阶段，采取 EEMD、BPNN 相结合的方式探究对节能减排的贡献潜力。通过对秸秆利用在节能和减少排放方面的潜在贡献进行分析，得出了一些有价值的启示，地方政府有必要细化相关财政扶持政策，支持开发新技术，鼓励相关企业积极参与碳排放交易市场，在增加秸秆生物质能量的使用效率的同时，也可以减少秸秆的使用效率，从而进一步增加相关的成本。关键词：关键词：秸秆生物质能利用；节能减排；贡献潜力 中图分类号：中图分类号：TU318 0 引言 我国粮食作物产出位居全球之首，每年大约产出6-8 吨的农作物秸秆，如果对其难以进行有效利用，那么必定会影响秸秆综合利用率，同样对空气也会产生极大污染。根据相关报道显示，东北地区经常会出现雾霾与大规模焚烧秸秆。据 2015 年检测的全国范围疑似出现秸秆焚烧着火点可达 1500 个左右，与上年相比增长 1.8 倍左右1。在这样严峻的空气污染问题下，尽管国内外的研究者们普遍认为对秸秆进行综合利用的技术随着不断发展已经不断成熟，但是对于不同国家而言，在具体的利用上也有所不同。在提高秸秆利用率上还存在着较多需要改进之处，根治秸秆露天焚烧现象，提高秸秆转化为生物质利用率迫在眉睫。1 我国秸秆资源现状以及政策环境分析 为深入了解秸秆综合利用在节能减排方面的潜在贡献，首先对 2010 年至 2019 年间我国的秸秆资源进行了详细分析，结合秸秆产量资源的发展情况进行分析，对2020-2025 年产量做出预测。1.1 数据来源以及处理 利用国家统计年鉴的数据，选择了 2010-2019 年期间全国五大主要粮食作物的产量，并把它们作为主要的研究焦点，其产量在全国范围中所有农作物中总产量的 90%以上。所以，采用草谷比法来估算全国的粮食秸秆产出。粮食作物秸秆产量计算公式：Sn=Ai Yi 结合公式显示，Sn代表 n 省份粮食作物秸秆的产量；Ai代表第i种粮食作物草谷比；Yi代表第i种粮食作物的产量。其中，稻谷的草谷比为 0.9，小麦草谷比为 1.2，玉米草谷比为 1.1，豆类草谷比为 1.6，薯类草谷比为0.8。因我国省市较多，不同省市所处工业化阶段也有所差异，其技术、经济发展水平存在着较大差异，最后，这将对未来农作物秸秆的利用能力造成一定的影响2。然而，在相同的工业化进程中，各个省市的农作物生产情况有许多相似点，因此，将我国的 30 个省市按照其工业化的阶段细分为七个不同的组别，如下图。图 1 工业化的阶段细分 1.2 2010 年-2019 年我国秸秆资源走势情况 结合七个工业化阶段省市分组可知，95%都是 3-6中国科技期刊数据库 工业 A-127-组秸秆产量，其中，3 组每年秸秆产量都可达 1 亿吨，4-6 组秸秆产量不断上升，5 组相对高于 4、6 组。1.3 数据分析 为保证对未来秸秆资源走势情况的分析更加精准，利用以下公式计算：F=SSE SSE1 SSE2m+1SSE1 SSE2N1+N2 2m 2F(m+1,N1+N2 2m 2)以上公式中，SSE代表残差平方和，m代表解释变量的数量，N1+N2代表样本容量。依托于 SPSS 软件加以分析，在 CHOW 检验理论上判断粮食产量数据是否出现结构性的断点变化。检验所有组数据时，得出的结果是 7 组数据存在着结构性变化断点的情况，为此选取断点后年份预测 2020-2025年产量。2 我国秸秆综合利用对节能减排贡献潜力 依据2020 年全国秸秆产量的预估数据，总量达到了7.97 亿吨3。如果按照目前的转化率来计算，将秸秆转换为生物质能源将等同于 3.84 亿吨的标准煤；如果焚烧所有秸秆，此时排放的的污染物可达10亿吨左右。因此可知，秸秆综合利用在减少污染物排放的同时，此外，还可以提高能源的供应。对于 2020-2025 年的全国秸秆资源趋势进行了预测，并特别关注了 2025 年秸秆综合利用在节能和减少排放方面所能带来的巨大潜在贡献。2.1 基于 EEMD、BPNN 全国秸秆资源走势预测 为保证最终预测结果更加的准确，采取 EEMD、BPNN相结合的方式预测全国粮食产量，并利用回归分析的方式从中找到全国秸秆资源走势情况。EEMD 基本原理 EEMD 的核心思想是采用假如白噪声的方法来协助提取已经分离出的各种信号模式，从而有效地解决了EMD 模态混合的相关问题。白噪声标准差公式为：n=N 公式中，N是集成数量；是添加白噪声振幅；n是白噪声标准差。在开展实验时，设定参数N为 100，设定n为 0.2。当利用 EMD 对原始序列分解后，就可从中获得子序列和原始序列间的关系公式，具体如下；x(t)=cj(t)+rn(t)nj=1 以上公式中，n是分解分量个数，rn(t)是序列x(t)的最终残差，cj(t)是分解分量。BPNN 基本原理 神经网络它不仅能够克服传统经验模态分解过程中固有的缺陷，而且还能有效地处理非平稳、非线性等复杂信号的分析和识别。在计算过程中，主要分为两个部分，分别是正向输出结果、反向调节权重。通过这次的实验研究，确定了神经网络的结构配置：输入层的节点数量为 7，隐藏层的数量为 5，而输出层的节点数量为 1。BPNN 的权重调整方式为：f(x)=a0+j(aj+i,jxi)pi=1qj=1 在公式中，xi是输入变量；f(x)是输出结果；aj是节点j的偏差；i,j是节点i、j间的连接权重；p是输入节点个数；q是隐藏层节点个数；j是隐藏层转换函数；j是两个节点间连接权重。结果分析 刚开始先将原始序列拆分，将其拆分成 n 个子序列，当然拆分时采取的是 EEMD 法；接下来，经 BPNN技术的应用，可获得每个子序列预测出的相关结果；最后阶段，累加每个子序列单一预测结果，这样可从中获得最终预测结果。在以上理念下，在 MAT-LAB2013a软件支撑下，可从中获得三个分解部分。并在这一过程中采取神经网络模型做出预测与整合，就 2020-2025年全国以及七个不同组别的粮食产量进行了预测，具体的预测数据如下表所示：表 1 2020-2025 年全国与七个组的粮食产量预测情况 年份 分组 粮食总产量 1 2 3 4 5 6 7 2020 年 2 31 88 64 280 188 11 664 2021 年 2 32 95 63 284 191 16 683 2022 年 2 33 96 70 295 193 15 704 2023 年 3 34 96 74 296 198 15 716 2024 年 3 34 96 77 304 202 16 732 2025 年 3 33 97 75 300 200 15 723 另外，采取回归分析的方式，从中发现秸秆资源、粮食产量间现存的关系，预测 2020-2025 年秸秆杆产量。利用 SPSS 软件工具，基于过去 20 年的全国粮食总产量和秸秆总产量的数据，成功地揭示了秸秆和粮食产量之间的相互关系，公式为：=1.04 0.02 中国科技期刊数据库 工业 A-128-在该公式中，代表秸秆产量；是粮食产量。将 2020-2025 年粮食产量带入以上公式中，在2020-2025 年的时间段内，成功地实现了全国及 7 个组的秸秆产量，如下表所示：表 2 2020-2025 年全国与 7 个组的秸秆产量 年份 分组 粮食总产量 1 2 3 4 5 6 7 2020 年 2 32 91 68 288 193 11 685 2021 年 2 33 97 67 290 199 17 705 2022 年 2 34 98 73 302 201 16 726 2023 年 3 35 98 78 305 198 16 733 2024 年 3 35 98 80 311 207 17 751 2025 年 3 34 99 79 308 209 16 748 根据上表发现，3-6 组秸秆产量在总产量中占有95%。2.2 秸秆对节能减排的贡献 情景假设 这一情景假设是基于秸秆综合利用技术目录进行的，其中将秸秆的综合利用分为两类：分别是秸秆直接利用、转化为生物质能源，在这一过程中，秸秆综合利用率就是以上两类的总和。情景 1：假如到 2025 年时，我国秸秆利用率水平与 2020 年持平，其中将秸秆直接利用转化成生物质的利用率相应增加，增加频率为 5%，并且达到 16%左右。这时，可发现秸秆综合利用率可达 85%左右。到 2025年，我国的秸秆产量达到了 10.11 亿万吨，该数字在2020 年全国煤炭消耗量中占有 3%，并且污染物的排放量将减少 10.88 亿万吨。情景 2：如果到 2025 年，我国秸秆直接利用率水平与 2020 年持平，此时秸秆转化为生物质能源的利用率相应提高，提高频率为 10%，并达到 20%左右，这时，可发现秸秆综合利用率有望达到 90%。因此，要实现我国能源生产和消费方式的根本转变，必须大力推进秸秆的综合利用和高效利用。到 2025年，中国秸秆产量达到 10.11 亿吨，占 2020 年全国煤炭消费量的 4%，还减少了 11.2 亿吨污染物的排放。基于相同的逻辑，利用情境假设的方式分析我国 7个组秸秆节能减排做出的贡献。将 2020 年作为基准情景，此时秸秆在直接利用率上可达 70%左右。情境 1 中秸秆转化成生物质利用率得到提升，达到 16%左右；情境 2 中，秸秆被转化为生物质的能量利用率已经提升至 20%。经济可行性分析 第一，在情景 1 中，基于所有这些都应用于生物质发电过程的假设，与基线情景相比，秸秆转化为生物质的能源效率提高到 16%。发电厂的总成本预计会增加 442 亿元，而发电成本亦会增加 282 亿元。另外，发电业务总收入增加 453亿元；碳交易收入 100 亿元。电厂秸秆发电减少二氧化碳排放量约 200 万吨。由于收入大大高于成本，情景 1 在经济上是可行的 第二，通过对比基线情景，在情景 2 中，秸秆在转化成生物质能效方面可提高 20%，使得电厂中的总成本相应增加，增加到 799 亿元，同样的电厂收入也有所增加，增加到 753 亿元，大大低于其成本。因此，在情景 2 的背景下，该工厂仍有亏损的风险，这使得它不是一个经济上可行的选择。只有当这种方法在实际水平上降低单位成本并确保这些成本远低于收益时，这种方法才被认为在经济上可行。第三，对比分析 7 组秸秆产量的经济性。在情景 1中，1-7 组中总成本、收入相应增加，另外，这 7 个组的收益明显超过了其成本，这显示了其在经济上的可行性。在第二种情境下，当收入与成本的比率失调，收入较高，从经济角度看是不现实的。这 7 个组的收益明显低于其成本，因此在经济上并不具备可行性。结果 通过场景 1 的实施，秸秆在转化生物质能源上的利用率得以提高，达到 16%，具有一定的经济可行性。未来几年，中国农村生活垃圾产生量将呈现逐年增加的趋势，而生物质燃料将成为其主要来源之一，因此，发展秸秆转化技术对解决农村环境问题，促进农业可持续发展具有重要意义。然而，提高秸秆的整体利用效率是至关重要的。此时，要加大政策倾斜，加大财政投入，建立多元化投资机制和资金保障机制，为秸秆改造提供有力支持。同样的原因，在分析中国 7 组秸秆产量时，3-6 中秸秆中 STUST 占比达 95%。为实现情景 1，必须重视提高秸秆综合利用率。但是，5-6 组工业化程度相对较低，在开发和投入上没有足够的实力。因此，中央政府仍需进一步加大对 5-6组企业的财政支持力度。通过实施情景 2，秸秆在转化生物质能源上的利用率得以提高，提升至 20%，但这在经济上是不切实际的。由于秸秆转变为生物质能源的初始阶段需要较大的资中国科技期刊数据库 工业 A-129-金投入，因此中小规模的生物质能源公司在投资上显得能力有限。在政策激励下，企业积极性得到调动，秸秆转化率也会有明显提高4-5。如果收入大于成本，只有在这种情况下，它才显示出经济上的可行性。为了达到情景 2 的目标，政府需要加大对收储运的补贴力度，这将有助于企业减少相关的运营成本。特别是 5-7 组在经济和技术方面相对滞后，因此中央政府需要加大对 5-7 组在财政和技术方面的支持力度。3 结论 在本次研究阶段，这为我国秸秆生物质能源的有效利用提供了决策支持，并为更有效地应对气候变迁提供了新的解决方案。通过对秸秆综合利用在节能减排方面的潜在贡献进行研究，未来的研究可以考虑采用新的技术和管理方法来获取节能减排方面的经验，并提高最终研究结果的准确性。参考文献 1王庆丰,刘晓慧,克然木江 热依木.基于绿色发展理念的河南生物质能发电产业发展策略研究J.济源职业技术学院学报,2023,22(01):12-16.2宁艳春,王丰鑫,赵香香等.秸秆综合利用概述与生物质能发展建议J.化学工业,2023,41(01):44-46.3杨帅,王丹丹,孙奇昊等.秸秆的回收和利用研究J.现代农村科技,2023(01):110-111.4赵晴云,马若婧,周璐芸等.北方农村清洁供暖先行区农业废弃物的生物质能潜力及减排效应评估J.农业资源与环境学报,2023,40(03):667-679+745.5丁攀,叶芳,张轲等.我国农业生物质能利用现状及发展前景J.河南农业,2020(19):22-23.