秸稈收儲運成本分析*
——以河南省為例

孫 寧，王亞靜，高春雨，王紅彥，覃 誠，畢于運※

(1.中國農業科學院農業資源與農業區劃研究所，北京 100081;2.國家農業信息化工程技術研究中心，北京 100089)

0 引言

生物質能是僅次于煤炭、石油、天然氣的第四大能源，約占全球總能耗的14%，農作物秸稈(簡稱秸稈)作為生物質資源的重要組成部分，具有種類多、數量大、分布廣等特點。據農業部測算， 2015年全國主要農作物秸稈理論資源量為10.4億t，可收集資源量為9.0億t[1]。秸稈離田產業化利用是秸稈綜合利用的一種重要方式，不僅有利于緩解秸稈焚燒所引起的環境污染問題，同時其產出的飼料、能源、基料等也在畜禽養殖、清潔能源供應、食用菌種植業發展中發揮著巨大作用[2-3]。能源化利用是秸稈離田產業化利用的一種重要途徑，可增加清潔能源供給量，減少化石能源使用。近十幾年來，在國家大力投資與扶持下，我國秸稈利用企業的規模和數量不斷增加，但在其快速發展的同時也暴露出一些共性的問題：由于秸稈具有季節性、密度小、體積大、分布松散、儲運不方便等特點，導致原料收集成本過高、秸稈利用企業運營效益低，這一現實已成為阻礙我國秸稈離田產業化利用進一步發展的關鍵因素之一。

關于秸稈原料收儲運體系的研究已有較多報道。霍麗麗等[4]比較了秸稈能源化利用的4種原料供應模式，發現秸稈收集半徑不超過26km，才能保證秸稈供應的經濟性。徐亞云等[5]以華北平原為例，研究提出不同模式下農作物秸稈的收儲運成本一般在120～260元/t。于興軍等[6]實地調研了東北地區玉米秸稈收儲運技術模式的經濟成本，提出籽實收獲機具應與秸稈收儲運設備相連接，提高秸稈收儲運機械化程度是秸稈規模化工業利用的必然選擇。時在濤[7]研究了秸稈發電的原料供應流程，認為最優原料供應模式是“農民收集晾曬→存儲→公司收儲→打捆→公司負責運輸→電廠”。Shafie等[8]對馬來西亞的稻草供應成本和供應潛力進行了分析，認為稻草到秸稈發電廠的供應成本主要包括稻草收集、運輸和儲藏3個部分，成本在65～107元/包之間。Ruiz等[9]計算了秸稈發電廠的最優原料運輸半徑以及其成本，結果顯示物流成本最高(不包括任何收集和準備階段)為11.05美元/t。由此可知，秸稈的收儲運成本與其所處地區特點、選擇的原料供應模式等因素均具有密切的關系。

河南省是我國的農業大省，其秸稈資源產出及離田能源化利用均具有一定的代表性。文章試圖以河南省為研究背景，對其秸稈收儲運模式進行深入探究，測算和分析不同模式下秸稈收儲運的成本，以期為我國典型地區秸稈收儲運模式的構建、秸稈離田產業化發展提供有針對性的參考和依據。

1 秸稈收儲運模型構建

1.1 秸稈收儲運模式

秸稈原料的收儲運模式受秸稈能源化利用企業的規模影響。通過實地調研和大量文獻閱讀，河南省的秸稈收儲運模式主要有4種(圖1)。

圖1 秸稈原料收儲運模式

根據圖1可以看出，秸稈收儲運主要包括田間收集、運輸、裝卸與儲存4個部分[10]。秸稈的收儲運成本C(元/t)的計算公式為：

C=Ccol+Cstore+Ctrans+Cste

(1)

式(1)中，Ccol為秸稈收集成本;Cstore為秸稈儲存成本;Ctrans為秸稈運輸成本;Cste為秸稈裝卸成本，單位均為元/t。在計算秸稈原料收儲運成本的過程中，假設：(1)在收集半徑內，農作物秸稈均勻分布，疏密相同； (2)不考慮天氣變化等風險因素對秸稈收儲運的影響。

1.2 秸稈原料收集模型

秸稈的收集主要有兩種方式，一是在秸稈自然散狀下人工收集，二是通過撿拾打捆機打包收集。在構建秸稈收集成本模型時應包括這兩種模式的子模型。

(1)人工收集

當進行人工收集秸稈時，秸稈原料的收集成本由秸稈的收購成本和人工收集所產生的成本兩部分組成，秸稈原料的人工收集成本Ccol(per)的計算公式為：

(2)

式(2)中，Qstraw為秸稈總需求量，t；Pstraw為秸稈收購價格，元/t；Qp為每人每天可收集并裝車的秸稈量，t；PP(per)為人工收集每人每天的工資，元/d。

(2)機械收集

當采用撿拾打捆機進行秸稈收集時，秸稈原料的收集成本由秸稈收購成本和機械收集所產生的成本兩部分組成。其中機械收集所產生的成本包括人工費、燃油費、設備折舊費和維修費等[11-13]。

機械收集人工費用:CP(mac)=PP(mac)×Dmac

(3)

機械收集燃油費用:Cfuel(mac)=Qfuel×Pfuel×Tmac

(4)

機械設備折舊費用:Cdep(mac)=(Pmac-Pmac(t))/Ymac

(5)

機械的日常維護費用:Cmai(mac)=Pmac×5%

(6)

每臺機械的成本:Cmac(col)=CP(mac)+Cfuel(mac)+Cdep(mac)+Cmai(mac)

(7)

(8)

其中，PP(mac)為機械收集時，每人每天的工資，元/d；Dmac為機械收集所需的天數，d；Qfuel為機械每小時耗油量，L/h；Pfuel為燃油單價，元/L；Tmac為機械年工作小時數，h；Pmac為設備購置價格，元；Pmac(t)為使用Ymac后設備殘值，Pmac(t)=5%Pmac；Ymac為設備使用年限，一般取10年；Qmac為機械年處理秸稈量，t；qmac為機械每小時處理秸稈數量，t/h。

因此，秸稈原料的機械收集成本Ccol(mac)的計算公式為：

Ccol(mac)=Qstraw×Pstraw+Nmac×Cmac(col)

(9)

1.3 秸稈原料儲存模型

秸稈儲存成本主要由場地租賃費用和場地管理、維護費用兩個部分構成。秸稈儲存成本Cstore的計算公式為：

Cstore=Sstore×Pstore+Cstore(mai)

(10)

式(10)中，Sstore為秸稈存儲有效面積，hm2；Pstore為收儲場地的租賃費用，元/hm2；Cstore(mai)為收儲場的管理維護費用[4,14]，Cstore(mai)=0.3Pstore，元/hm2， 0.3為管理維護費用占場地租賃費用的比重。

1.4 秸稈原料運輸模型

每完成1次運輸都會產生1次滿載和1次空載，假設滿載與空載的運程比為1： 1，則噸公里耗油率為[15][qf，kg/(km·t)]：

(11)

式(11)中，qf(full)為滿載時單位功率的耗油量，kg/(kW·h)；vfull為滿載時的平均車速，km/h；qf(null)為空載時單位功率的耗油量，kg/(kW·h)；vnull為空載時的平均車速，km/h；Prat為車的額定功率，kW； m為每輛車的車載質量，t。

表1 秸稈收儲運相關參數取值

參數取值單位數據來源秸稈單位面積產量0.5kg/m2統計年鑒[11]秸稈自然堆積密度40kg/m3參考文獻[18]秸稈打包后的密度200kg/m3參考文獻[18]人工收集并裝車效率0.8t/d實地調研機械收集時間8h/d實地調研秸稈收購價格20元/t實地調研人工費用200元/d實地調研燃油價格6.65元/t2014年柴油價格電價0.419元/(kW·h)2014年電價收儲點租借費用1.8萬元/hm2實地調研

假設車輛每完成一次往返運輸所需要的時間為(Trou，h)：

(12)

式(12)中，Ltr為運輸距離，km。

每完成一次運輸，除在路上所用的時間外，還需要裝卸、稱重等，該文假設該額外的時間為0.8h。因此，每完成一次往返運輸的真正時間為：(Trea，h)

Trea=Trou+0.8

(13)

車輛完成一次往返運輸時的噸公里運費[ctr(rou)，元/(km·t)]應包括燃油費、設備購置費、設備維修費、人工費[5，14，16-18]：

(14)

式(14)中，Cper(hou)為每小時人工費用，元/h；tmac為設備運行時間，h；Tuse為秸稈利用企業年運行時間，h。

秸稈運輸成本(Ctrans，元)的計算公式為：

(15)

1.5 秸稈原料裝卸模型

秸稈裝卸有兩種方式，即人工裝卸和機械裝卸。由于秸稈量大，該文假設所有模式均采用機械裝卸，裝卸成本Cste(mac)的計算公式為：

Cste(mac)=Pste(p)×Nste(mac)

(16)

式(16)中，Pste(p)為裝卸設備成本，計算參考式(7)；Nste(mac)為所需裝卸設備的數量，臺。

2 以河南省為例分析不同收儲運模式成本分析

2.1 實例分析

河南省土壤深厚，土質適于耕種，糧食生產潛力大，多采用冬小麥、玉米輪作的種植模式，平均復種指數達195.6%。該地區農作物實行一年兩熟，小麥秸稈大多還田，玉米秸稈則收集利用。因此，該文以河南省為例，分析玉米秸稈在不同收儲運模式下的成本。其中秸稈收儲運相關參數，參照表1，運輸車輛的相關參數參照表2，其他機械設備相關參數，參照表3。

表2 秸稈運輸車輛相關參數取值

車輛類型滿載車速(km/h)空載車速(km/h)滿載耗油率kg/(kW·h)空載耗油率kg/(kW·h)公載比(kW/t)價格(萬元)裝載量(散稈; 打捆)t拖拉機18250.2720.2458.95.50.66; 2.8貨車34450.4010.3256.214.461.5; 6 數據來源:實地調研

表3 設備參數取值

設備類型功率(kW)工作效率(t/h)價格(萬元)耗油(電)量移動式打捆機36～582～34.652.8L/t固定式打捆機18.51.6～22.9850(kW·h)/t抓草機22散稈: 33.152L/h打捆: 5 數據來源:實地調研

4種模式下秸稈原料收儲運成本如圖2。

(1)模式一：在該模式中，當運輸半徑小于5km時，人工收集費用和貨車運輸費用占總成本的比重較大； 而當運輸半徑大于5km時，貨車運輸費用與機械卸載費用隨運輸半徑的增大而顯著增加，該條件下兩者占總成本比重最高可達86.4%，是可變成本中最易變化的因素。

圖2 不同模式下秸稈供應成本

圖3 不同模式下秸稈收儲運成本分析

表4 不同模式下秸稈收儲運成本曲線擬合參數

模式ABCR2一0.6062.54683.6990.999 4二0.6061.53188.1540.999 3三0.2115.919110.3200.999 5四0.2115.91987.3440.999 5 注:表中A、B、C取自擬合曲線方程y=Ax2+Bx+C,R2擬合曲線的決定系數

(2)模式二：在該模式中，當運輸半徑小于5km時，貨車運輸費用占總成本比重較模式一中有所下降，但貨車運輸費用與機械卸載費用隨運輸半徑的增加逐漸增大，至運輸半徑20km時，貨車運輸費用與機械卸載費用比運輸半徑為2km時分別增加了75.1元/t和188.4元/t。

(3)模式三：在該模式中，移動式打捆費用、貨車運輸費用和機械卸載費用所占比重較大，其中秸稈原料從田間運輸至存儲點的費用是可變成本中最易變化的因素，運輸費用隨運輸半徑的增大而顯著增加，因此在該模式下秸稈運輸半徑不宜過大。

(4)模式四：在該模式中，當運輸半徑較小時，人工收集費用和固定式打捆費用所占比重較大，運輸半徑逐漸增加后，貨車運輸費用與機械卸載費用開始占據較大比重，這主要是因為增加了秸稈原料由田間到收儲點的運輸和機械堆垛費用。

由圖2分析可知，模式一和模式二為秸稈的松散利用方式，適用于收集距離較短、秸稈需求量較小的工廠，如小型秸稈成型燃料廠、氣化工程和秸稈沼氣工程等。當運輸半徑小于5km時，模式一較模式二的貨車運輸費用優勢較為明顯，總成本較低，小型秸稈企業可采用模式一的原料供應方式，但模式一需要考慮應用點的儲料場面積、秸稈的儲存管理和原料損失成本等； 當運輸半徑大于5km時，模式二的秸稈利用總成本比模式一低，主要是節省了收儲點至企業的運輸費用和人工費用，因此運輸半徑超過5km的企業應采用模式二。模式三和模式四為秸稈的打捆利用方式，較秸稈松散利用方式更易儲存保管、應用方便，適合秸稈用量較大的企業，如大型秸稈成型燃料廠和秸稈直燃發電廠等。模式四較模式三成本高，主要是由于人工收集和二次卸載的費用增加。因此，對于秸稈用量較大的企業，應考慮采用模式三的秸稈利用方式，即移動式打捆收集秸稈原料。

2.2 河南省不同收儲運模式經濟性評價

根據4種模式秸稈利用方式的差異和原料運輸半徑的不同，可對其利用成本經濟性進行評價，選擇相應的秸稈利用方式降低成本，提高生產效率。對4種秸稈利用模式的經濟性評價如圖3。4種模式下的秸稈收儲運成本均隨運輸半徑的增加而增大，但增長幅度有所不同，模式三和模式四的秸稈收儲運成本增長幅度最小，模式二次之，模式一最大。

根據不同模式下的曲線擬合得到表4，結合圖3和表4分析可知：當秸稈運輸半徑小于4.4km時，模式一的秸稈收儲運成本最低。當秸稈運輸半徑為4.4～10.9km時，秸稈收儲運成本由低到高分別為模式二、模式一、模式四和模式三。當秸稈運輸半徑超過10.9km時，模式四秸稈收儲運成本最低，模式四為固定式打捆利用方式，適用于秸稈用量較大的企業，因此，大型秸稈成型燃料廠和秸稈直燃發電廠等均應考慮材料模式三的秸稈利用方式。

3 結論

綜合該文的分析可知，運輸成本和機械卸載成本是總成本中的可變因素。目前，河南省主要采用的4種模式下，運輸成本和機械成本之和占總成本比例均隨著運輸半徑的增大而增大。對于小型秸稈利用企業，可采用散稈收集，由于模式一的秸稈收儲運成本高于模式二，可考慮采用模式二。對于大型秸稈利用企業，應采用打捆收儲運模式，由于模式三收儲運成本低于模式四，建議采用模式三。由于該文中尚未考慮秸稈利用企業的收益率差異，所以結合不同模式下的企業凈收益情況還有待進一步研究。

[1] 吳彤.我國主要農作物秸稈綜合利用率超過80%.中國建材報， 2016-05-30

[2] 畢于運， 王亞靜，高春雨.中國秸稈資源綜合利用的系統構成及總體趨勢.中國農業資源與區劃， 2010, 31(4): 35～38

[3] 盛錦. 基于政府、農戶、企業三方合作博弈的秸稈焚燒管理問題研究.中國農業資源與區劃， 2015, 36(4): 48～53

[4] 霍麗麗， 趙立欣，姚宗路，等.秸稈能源化利用的供應模式研究.可再生能源， 2016, 34(7): 1072～1078

[5] 徐亞云， 田宜水，趙立欣，等.不同農作物秸稈收儲運模式成本和能耗比較.農業工程學報， 2014, 30(20): 259～267

[6] 于興軍， 王黎明，王鋒德，等.我國東北地區玉米秸稈收儲運技術模式研究.農機化研究， 2013(5)： 24～28

[7] 時在濤. 河南省秸稈發電燃料供應系統研究.鄭州：河南農業大學， 2011

[8] Shafie S M，Masjuki H H，Mahlia T M I.Rice straw supply chain for electricity generation in Malaysia：Economical and environmental assessment.Applied Energy， 2014， 135： 299～308

[9] Ruiz J A，Juárez M C，Morales M P，et al.Biomass logistics：Financial & environmental costs.Case study： 2MW electrical power plants.Biomass & Bioenergy， 2013， 56： 260～267

[10]Anthony Turhollow，Erin Wilkerson，Shahab Sokhansanj.Cost methodology for biomass feedstocks：Herbaceous crops and agricultural residues.Tennessee：OAK Ridge National Laboratory， 2009

[11]周楚平， 李偉，侯連民.河南省生物質發電小麥玉米秸稈收儲運技術研究.農業機械， 2010(7)： 110～112

[12]方艷茹， 廖樹華，王林風，等.小麥秸稈收儲運模型的建立及成本分析研究.中國農業大學學報， 2014, 19(2): 28～35

[13]吳金卓， 林文樹，王立海.秸稈發電企業燃料供應成本優化模型及應用.物流技術， 2015, 34(2): 257～261

[14]Rentizelas A A，Tolis A J，Tatsiopoulos I P.Logistics issues of biomass：The storage problem and the multi-biomass supply chain.Renewable & Sustainable Energy Reviews， 2009, 13(4): 887～894

[15]劉華財， 陰秀麗，吳創之.秸稈供應成本分析研究.農業機械學報， 2011, 42(1): 106～112

[16]陳博. 秸稈發電燃料收儲運物流體系研究.鄭州：河南農業大學， 2015

[17]楊成龍. 采掘設備經濟性評價方法.煤礦機械， 2010, 31(12): 225～226

[18]趙希強， 馬春元，王濤，等.生物質秸稈預處理工藝及經濟性分析.電站系統工程， 2008, 24(2): 30～33