基于點-中-心的生物質(zhì)資源收集系統(tǒng)模型研究

基于點-中-心的生物質(zhì)資源收集系統(tǒng)模型研究

0農(nóng)業(yè)廢棄物及其產(chǎn)物的供給系統(tǒng)生物能源是指將天然植物、糞便和城鄉(xiāng)有機廢物轉(zhuǎn)化為能源。作為重要的可再生能源,生物質(zhì)能的開發(fā)利用越來越受重視。我國生物質(zhì)能資源主要包括農(nóng)業(yè)廢棄物、林業(yè)廢棄物、畜禽糞便、工業(yè)有機廢物和城市生活垃圾等,其中農(nóng)業(yè)廢棄物占最大比例,如圖1。因此,對農(nóng)業(yè)廢棄物利用開展深入研究具有重要意義。但相對于其他生物質(zhì)能資源而言,農(nóng)業(yè)廢棄物具有分布廣、季節(jié)性強的特點,這與常規(guī)能源利用系統(tǒng)所要求的資源持續(xù)、穩(wěn)定、經(jīng)濟供應(yīng)存在明顯矛盾。如何有效平衡這一矛盾,生物質(zhì)能資源供應(yīng)系統(tǒng)的作用尤為關(guān)鍵。鑒于此,本文選取生物質(zhì)秸稈作為研究對象,以生物質(zhì)資源供應(yīng)體系的獨特性為基礎(chǔ),建立生物質(zhì)資源收集系統(tǒng)模型,并采用生物質(zhì)移動式系統(tǒng)進行模型驗證,以尋求合理、經(jīng)濟的生物質(zhì)資源的收集供應(yīng)模式與利用方式。1生物質(zhì)資源的可再生性及其獲取方式對于農(nóng)業(yè)廢棄物而言,其資源供應(yīng)體系主要包括生長、收購、運輸及儲存階段4個模塊。如圖2所示,各模塊間相互聯(lián)系、互相協(xié)調(diào),并形成閉合回路,實現(xiàn)資源的循環(huán)供應(yīng)。生長階段是不斷獲取生物質(zhì)能的基礎(chǔ)過程,是生物質(zhì)能源得以循環(huán)利用的積累階段。這一階段不僅決定生物質(zhì)能資源的可再生性,同時也決定獲取生物質(zhì)資源的季節(jié)性。收購階段指從農(nóng)作物收割完畢開始,遺留的農(nóng)作物廢棄物從初始擁有者(農(nóng)民)轉(zhuǎn)移至收集者手中的過程。運輸階段指將收購的農(nóng)業(yè)廢棄物從田地轉(zhuǎn)移至存儲中心的過程,運輸費用同收集半徑有很大關(guān)系。收集半徑越大,運輸費用越高。因此確定合理的收集半徑及運輸方式,對有效降低生物質(zhì)資源成本具有重要意義。儲存階段指農(nóng)業(yè)廢棄物在存儲中心的保存階段。原料儲存量與系統(tǒng)的規(guī)模有關(guān),由于生物質(zhì)密度低,其儲存場地要求較大,相應(yīng)的費用也隨之增加。因此在必要情況下,需對儲存的廢棄物進行預(yù)處理,以提高儲存效率。2收購運輸階段生物質(zhì)能資源生長與儲存階段在整個供應(yīng)系統(tǒng)中相對固定,即按規(guī)定時間、特定程序經(jīng)營,其成本相對固定,而收購和運輸階段帶有很強的市場性和隨意性。不同組織收購及不同運輸方式在很大程度上決定了生物質(zhì)資源的可變成本。以下將以收購和運輸階段如何組織實施資源收集為主要研究對象,探討并建立最佳收集系統(tǒng)模型,以降低生物質(zhì)能資源供應(yīng)系統(tǒng)總體成本,提高生物質(zhì)能系統(tǒng)的經(jīng)濟性。2.1生物質(zhì)資源的供給方式二考慮到生物質(zhì)能資源供應(yīng)的復(fù)雜性,為便于分析,做如下基本假設(shè):生物質(zhì)秸桿種植面積無限大,相應(yīng)的生物質(zhì)秸稈分布也無限大,足以滿足企業(yè)對秸稈量的需求,因而保證生物質(zhì)資源的市場化供應(yīng);生物質(zhì)秸桿種植品種單一,即在無限大區(qū)域內(nèi)生物質(zhì)供應(yīng)資源均為秸稈,以排除不同種類生物質(zhì)之間在收購價格、運輸方式等環(huán)節(jié)存在的差異;生物質(zhì)秸稈在該區(qū)域內(nèi)分布均勻,疏密程度相同,且產(chǎn)量與質(zhì)量相同,以確保整個區(qū)域所收集的生物質(zhì)秸稈的同質(zhì)同價。此外,該區(qū)域內(nèi)具有足夠的運輸能力和充足的勞動力完成收集任務(wù),且忽略不同區(qū)域交通運輸條件的差異和其他風(fēng)險因素(如氣候變化)對秸稈收集的影響。2.2資源供給量不足收集半徑是指生物質(zhì)能利用系統(tǒng)與生物質(zhì)能資源供應(yīng)最遠(yuǎn)點之間的距離。按照上述假設(shè),收集半徑即為以生物質(zhì)能利用系統(tǒng)為中心,最遠(yuǎn)收集點連線為邊界的圓半徑。理論上收集半徑由生物質(zhì)能利用系統(tǒng)所需資源量決定,而實際運營中則由市場條件決定。表1列出理論與市場兩種不同的計算方法。理論半徑(RL)以生物質(zhì)能系統(tǒng)的資源需求為導(dǎo)向,而市場半徑(RS)以生物質(zhì)能資源獲取操作為導(dǎo)向,兩者既相互制約又相互依存。如RL>RS,則表示資源供給量不足,這將導(dǎo)致生物質(zhì)能運營成本提高,經(jīng)濟性降低,有可能導(dǎo)致生產(chǎn)無法維持正常運轉(zhuǎn);如RL<RS,則表示資源供給過剩,可能會引起相互壓價、惡性競爭的情況發(fā)生,致使農(nóng)民利益得不到切實保障,導(dǎo)致整個系統(tǒng)的實際利用價值得不到有效發(fā)揮。因此,在實際運行中須正確處理兩者之間的關(guān)系,既要滿足系統(tǒng)需要,又要符合市場規(guī)律,只有當(dāng)兩者關(guān)系處于動態(tài)平衡時(理想狀態(tài)為市場半徑稍大于理論半徑,以確保備用資源充足),才能為系統(tǒng)持續(xù)穩(wěn)定經(jīng)濟運行提供可靠保障。以某地生物質(zhì)秸稈直燃發(fā)電系統(tǒng)為例,對其收集半徑RL和RS進行計算分析。設(shè)系統(tǒng)裝機容量為25MW,年發(fā)電時間為5500h,熱效率為35%,秸稈能量密度為16.58MJ/kg,單位面積秸稈產(chǎn)量為1.65×105kg/km2,可收集系數(shù)為0.80,根據(jù)理論半徑計算公式可得,收集半徑為RL=14.34km;秸稈到廠價格為250￥/t,收購價格為180￥/t,運輸費用為0.65￥/(t·km),儲存費用10￥/t,單位勞動力成本為25￥/(t·人),共兩人完成,計算得到市場收集半徑為RS=15.38km。比較兩者發(fā)現(xiàn),市場半徑稍大于理論半徑,即處于較理想的平衡狀態(tài),有利于實現(xiàn)資源的持續(xù)穩(wěn)定供給。但需要特別關(guān)注的是,相對于系統(tǒng)巨大的資源需求量,其經(jīng)濟供給量并不充裕,一旦遇到自然災(zāi)害等情況,易引起資源價格飛漲,導(dǎo)致系統(tǒng)運營成本劇增。因此必須做好相應(yīng)預(yù)案。2.3基于壓結(jié)的處理模型對整個收集系統(tǒng)而言,確定收集半徑只完成劃定資源范圍的過程,具體如何實現(xiàn)收集過程是一個更為復(fù)雜的階段。以下將根據(jù)實際可能采取的兩種收集方式進行抽象比較,以確定理想收集模型。圖3所示為兩種收集系統(tǒng)抽象模型。圖3a為在以生物質(zhì)能利用系統(tǒng)為圓心,收集半徑為R的圓形區(qū)域內(nèi),任何無限小片區(qū)域生物質(zhì)能資源運輸直接目的地指向利用系統(tǒng)“圓心”,而不通過任何中轉(zhuǎn)環(huán)節(jié)實現(xiàn),簡稱為“點-心”模型;而圖3b則表示以生物質(zhì)能利用系統(tǒng)為圓心,收集半徑為R的圓形區(qū)域內(nèi),劃分為若干個小圓形范圍,這些小圓均勻地分布在以利用系統(tǒng)為中心,以R′為半徑的圓周上,收集時先將小圓范圍內(nèi)的資源收集至小圓中心,再將聚集在小圓中心的資源運送至利用系統(tǒng)中心,簡稱為“點-中-心”模型。需要特別指出的是,從初步分析來看,如果在小區(qū)域中心點不進行生物質(zhì)壓實等預(yù)處理過程,顯然后者經(jīng)濟性不如前者。但由于生物質(zhì)能資源普遍具有密度低、易壓結(jié)等特點(如表2),因此如果在小范圍中心收購點加上壓結(jié)處理過程,將有效提高運輸效率。初步估算,就秸稈來看,經(jīng)初步擠壓可使密度提高約3倍,而壓緊處理可提高約8倍。為了進一步分析和比較兩種不同類型收集模型經(jīng)濟性的優(yōu)劣,對系統(tǒng)做相應(yīng)假設(shè)?？紤]到實際運輸路線不可能是模型所示的指向圓心的直線,根據(jù)通常行駛路線的彎曲程度,取道路彎曲系數(shù)f予以修正。另需要說明的是,之前在計算運輸費用時,采用每噸公里的計價方式,這是基于在生物質(zhì)資源收集過程中未進行壓結(jié)處理而得出的分?jǐn)偡椒?針對收集半徑的計算過程可行。然而,在實際過程中運輸?shù)馁M用由運輸次數(shù)及距離決定,因而壓縮生物質(zhì)體積,可有效降低運輸成本。故在計算中,引入壓結(jié)系數(shù)c,其物理定義表示為提高運輸效率的倍數(shù)。表達式如下所示:“點-心”型:M1=∫R02fkπr2ATdr=23fkπATR3(1)“點-中-心”型:M2=23fkπAT[(R?2r′)3+nr′3+3n(R?r′)r′22c](2)式中,R——收集半徑,km;A——單位面積秸稈產(chǎn)量,kg/km2;k——可收集系數(shù);T——運輸費用,￥/(kg·km);r′——小區(qū)域收集半徑;n——小區(qū)域分布數(shù)量。由以上兩種不同收集方式收集費用公式比較可看出“點-中-心”模型存在收集費用的最小值。即取dM2/dr′=0時,所得r′值便是收集費用最小時,小型圓域的半徑取值,其計算表達式如式(3):r′=?(24+3n2c)R+(24+3n2c)2R2+24(3n?9n2c?24)R2√2(3n?9n2c?24)(只取r′<R的值)(3)為進一步簡化計算結(jié)果,根據(jù)模型預(yù)測及合理估值,取n=9,c=3,當(dāng)r′=0.2300R時,“點-中-心”模型收集費用取得極小值,此時M2=0.4503M1,即如果“點-中-心”收集模型,選取小圓形區(qū)域合理,并在分中心進行壓結(jié)處理,則收集費用較“點-心”模型減少約50%。在上述模型計算中,由于壓結(jié)費用以及小圓形分布未覆蓋區(qū)域生物質(zhì)資源在整個收集費用中所占比例較小,為了簡化計算,故未考慮。實際過程中要考慮這兩個因素的影響,即一方面要將未覆蓋區(qū)域生物質(zhì)資源合理分配收集至相應(yīng)收購中心,另一方面要進一步降低壓結(jié)處理費用。盡管這兩項會相應(yīng)增加“點-中-心”模型的收集成本,但綜合考慮,較“點-心”模型,其依然具有較好的經(jīng)濟性。因此,應(yīng)鼓勵在有條件的地區(qū),加快建立以“點-中-心”為模型的生物質(zhì)資源收集系統(tǒng),以確保供應(yīng)體系的經(jīng)濟運行。2.4車載接觸式生物質(zhì)流化床熱解液化裝置傳統(tǒng)的能源利用方式總是將資源集中于利用系統(tǒng)加以生產(chǎn),這一利用方式對于大型能源利用設(shè)備而言是必須的。然而對于分散性大、能量密度小的生物質(zhì)能來說,大范圍移動生物質(zhì)資源成為影響經(jīng)濟運行的重要障礙。因此,開發(fā)具有突破資源供給瓶頸的新型利用系統(tǒng)十分迫切。華中科技大學(xué)煤燃燒國家重點實驗室在國家“十五”“211工程”重點學(xué)科建設(shè)項目“環(huán)境友好的多聯(lián)產(chǎn)資源化系統(tǒng)”的支持下,建成國內(nèi)首臺處理量為100kg/h的車載移動式生物質(zhì)流化床熱解液化裝置(國家發(fā)明專利:ZL200510137113.7)。該裝置的突出特點在于將“被動”的資源收集,轉(zhuǎn)化為“主動”的資源獲取,不僅可有效降低原料價格上漲的風(fēng)險,而且將進一步擴大生物質(zhì)能經(jīng)濟利用的覆蓋范圍。以下結(jié)合收集系統(tǒng)模型,對該裝置的資源收集成本進行分析。按照“點-中-心”的收集模型計算,利用系統(tǒng)初始位置位于大“圓心”處,之后向一個“分中心”位置移動,然后轉(zhuǎn)至下一“分中心”,以此順序移動,最后再由“分中心”回到初始位置。假設(shè)系統(tǒng)移動成本為M(￥/km),整個過程中所產(chǎn)生的收集費用如式(4):M3=23fkπAT[(R?2r′)3+nr′3]+2m(R?r′)(1+π)(4)考慮到車載式系統(tǒng)移動成本較區(qū)域生物質(zhì)收集成本小得多,可以忽略。當(dāng)n=9,c=3,r′=0.2300R,計算得M3=0.2670M1,M3=0.5929M2,可見移動式系統(tǒng)的收集費用遠(yuǎn)小于“點-中-心”和“點-心”收集模型的收集成本,因此移動式利用系統(tǒng)在資源收集方面更具優(yōu)勢。此外,該系統(tǒng)將能量密度低的生物質(zhì)就地轉(zhuǎn)化為能量密度高的生物油,為進行二次運輸和加工提供便利,所以,這一裝置為我國生物質(zhì)能規(guī)?；哔|(zhì)化利用開辟了新的發(fā)展途徑。3基于收集系統(tǒng)模型的生物質(zhì)資源供給效率分析生物質(zhì)能不同于傳統(tǒng)的化石能源,其分布廣、能量密度低的特點決定了其資源供應(yīng)環(huán)節(jié)在整個系統(tǒng)利用過程中的基礎(chǔ)性地位,因此要實現(xiàn)生物質(zhì)能利用系統(tǒng)的持續(xù)、穩(wěn)定運行,必須重視生物質(zhì)能的資源供應(yīng)。本文采用理論與實際相結(jié)合的方法對生物質(zhì)能資源供應(yīng)體系進行系統(tǒng)分析,針對收集系統(tǒng)提出“理論半徑”與“市場半徑”的概念