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生物质电厂秸秆燃料收集范围优化分析
摘要
 
生物质能源中的碳和硫含量是很少的,因此燃烧产生的有害气体也是很少的,并且由于生物质在生长中也会吸收很多二氧化碳,因此不会影响温室效应的加剧。生物质能源的另一个重大好处便是方便运输和储存,由于一般的可再生能源例如风能和太阳能等都是不可运输不便存储的。生物质能中所占比例最大的要数农作物秸秆了,我国农作物秸秆资源是非常丰富的。不过虽然丰富,但农作物秸秆却也有着储运不方便、资源分散、和能源密度低等缺点。由于这些缺点导致到目前為止利用率依旧不高。基于此,本文主要对生物质电厂秸秆燃料收集范围优化进行分析探讨。
 
前言
 
生物质发电是一种高效利用生物质能的方式,但目前存在发电成本高的问题。秸秆资源是生物质的重要组成部分,也是生物质发电厂的主要燃料,我国秸秆资源丰富,但分布广泛且季节性强,这与生物质电厂所要求的能源供应稳定、持续、经济等原则相矛盾。如何高效、经济地收集运输秸秆,对于降低生物质电厂的发电成本以及原料供应有重要意义。
 
1.生物质发电原料收集和运输流程
 
由于我国生物质资源分布广泛、覆盖范围大、生物质电厂的燃料需求量大,所以目前大部分秸秆收集均采用经纪人分包制,经纪人建立秸秆收储点,分散收集附近地区的秸秆,达到一定数量后集中运输至生物质电厂,少部分秸秆不经压缩及打包送至生物质电厂,操作流程如图1所示。
 
 
大多数生物质电厂是根据生物质需求量估算其收集范围,忽略对秸秆收储点收集范围的考虑,导致各收储点收集秸秆半径不合理,导致运费增加。本文根据现有收集模式,优化生物质电厂燃料收集范围,提出最小运费的最佳秸秆收集半径计算模型。
 
2.生物质资源收集运输模型
 
在整个生物质发电过程中秸秆原料的购买、收集、运输具有较强的市场性,所以具体运作方式各不相同,其经济成本也有差别。
 
2.1模型假设
 
因秸秆燃料的生产及运输过程复杂,为便于分析,作如下假设:
 
1)不考虑农作物种类,农作物在收集区域内分布均匀,品种单一且单位面积的产量相等;
 
2)秸秆种植面积广泛,在模型所示范围内生物质电厂的供应资源均为秸秆且满足生物质电厂的用量;
 
3)忽略农作物的区域性、季节性;
 
4)收集、运输能力充足,忽略其他因素(交通、天气等)对秸秆收集的影响;
 
5)按最不利情况,未覆盖区域由生物质电厂直接收购。
 
2.2模型建立
 
由于秸秆收集过程中秸秆的收集半径以及收集量是变化的,所以运输费用的计算不能仅以秸秆运输费用等于秸秆收集量乘以运输距离进行简单计算。秸秆收集费用与运输距离有关,所以在秸秆量一定的条件下,收储点优先收集距离收储点近的秸秆,其收集区域可近似看成圆形,秸秆收集费用也可以利用定积分进行计算。生物质电厂秸秆的需求量以及单位耕地面积的秸秆产量是决定生物质收集范围以及收集半径的重要指标,根据秸秆需求量和单位耕地面积的秸秆产量可计算出其秸秆收集范围,其公式为:
 
 
式中,S——秸秆收集面积,km2;M——年秸秆用量,kg;p——单位耕地面积秸秆产量,kg/km2;f1——耕地面积占用比列系数;f2——秸秆收集系数;f3——秸秆可利用系数。
 
根据式(1)可求得秸秆收集面积,通过式(2)可确定秸秆的收集半径:
 
 
式中,R——秸秆收集半径,km。
 
通过以上分析,假定收储点的收集半径为R1,其收集运输模型如图2所示。
 
 
当生物质电厂收集秸秆的覆盖范围接近圆形时也可采用图2所示的简化模型;当覆盖范围接近正方形,可用图3近似成圆形,再利用式(1)~式(3)求解,未覆盖区域由经纪人直接运送至生物质电厂。距离收储点r处,单位面积秸秆运输价格y为:
 
 
则距收储点R1范围内的秸秆运输费用为:
 
式中,t1——运输费用,¥(/kg·km);Y1——距收储点R1范围内的秸秆运输费用,¥。
 
从式(4)可知,收储点的运输费用与收集半径的立方呈正比,所以优化收集半径可在很大程度上降低运输费用。在实际秸秆收集过程中,经纪人将周围的秸秆收集至收储点,集中压缩后运输到秸秆电厂,所以可建立以生物质电厂为中心,周围均匀布置秸秆收储点的模型图(如图2所示),每个收储点的收集范围为R1,且运输费用相同,以最外围的收储点为第一圈,其运输距离为R-R1,第二圈的运输距离是R-3R1,第三圈的运输距离是R-5R1,第n圈的运输距离是R-(2n-1)R1。若R1≤R-(2n-1)R1≤2R1时,生物质电厂周围的秸秆直接由生物质电厂收集,可不设置收储点以降低成本,此时满足式(6)关系。
 
根据式(5)可判定收储点最大可布置的圈数。另外每圈布置的收储点数量x1,由收储点圆心所在圆环的周长除以收储点直径简化计算得到:
 
 
实际布置收储点的数为:
 
 
式中,i——生物质电厂周围布置收储点的圈数;x1——经计算得出布置收储点数量;x——实际布置收储点数量。
 
3.案例分析
 
以一个年消耗秸秆量为20万t小麦秸秆的生物质电厂为例,根据上述计算方法进行求解。2012年我国小麦单位面积产量4986.23kg/hm2,小麦秸秆的谷草比为1.1,折算ρ=5.5×105kg/km2,2012年我国耕地面积占土地面积的比例约为12%,小麦秸秆收集系数为0.76,可利用系数为0.82。根据述式(1)可得:
 
10.jpg
经计算可得R=39.34km,即秸秆收集半径为39.34km。压缩倍数a的取值为3~8,本案例取3,t1取0.001进行计算。当n=1时,收储点收集半径为9.83km,可节省费用172.99万元;当n=2时,收储点收集半径为6.29km,可节省费用212.31万元。
 
4.结语
 
本文在微元分析法的基础上建立生物质电厂原料收集运输模型,利用该模型建立秸秆收集运输费用函数关系式,通过求解得到秸秆收储点的最佳收集半径。
 
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