一种秸秆资源能源化利用企业规模和空间布局的规划方法

摘要

本发明公开了一种秸秆资源能源化利用企业规模和空间布局的规划方法，包括以下步骤：S1、获取秸秆可能源化利用资源密度空间分布图；S2、根据秸秆资源搜集半径与企业投资规模和生产能力相互关系，设置不同的秸秆资源搜集半径；S3、利用GIS空间统计分析功能，计算不同搜集半径内的秸秆资源量；S4、根据秸秆能源化利用技术现状，合理设置秸秆能源化生产企业的规模，并计算不同规模企业的秸秆资源需求量；S5、根据不同搜集半径内秸秆资源量以及不同规模企业的秸秆资源需求量，利用GIS空间分析功能，得到不同规模秸秆能源化生产企业的空间布局图。本发明合理规划了不同规模秸秆能源企业的空间布局，能为秸秆能源化利用企业的建立和布局提供科学指导。

说明书

技术领域

本发明涉及农作物秸秆资源能源化利用领域。尤其涉及一种秸秆资源能源化利用企业规 模和空间布局的规划方法。

背景技术

在能源短缺和环境保护的双重压力下，世界各国开始高度重视可再生生物质能源的开发 利用。农作物秸秆是一种宝贵的生物质资源，近二十多年来，农作物秸秆在新能源开发利用 方面的途径可归纳为“四化一电”，即秸秆气化、秸秆固化、秸秆炭化、秸秆液化和秸秆发 电。目前已达到产业化运行阶段的技术主要是秸秆乙醇(第二代生物乙醇)的生产和秸秆发 电。秸秆发电在北欧国家经过30多年的发展，技术上已经比较成熟，也是目前中国推广力度 较大、发展较为迅速的利用方式。秸秆发电的形式主要有三种：秸秆直燃发电、秸秆与其他 燃料混燃发电、秸秆气化发电。

我国是农业大国，农作物秸秆产量大，秸秆资源潜力约折合7亿吨标准煤。从全国总体 来看，我国可能源化利用的农作物秸秆资源十分丰富。但是，农作物秸秆资源空间分布分散， 相较于石化能源，其运输成本高昂。因此农作物秸秆的能源化利用不仅取决于秸秆资源量， 还取决于秸秆资源的空间分布状况。秸秆资源分布比较集中的地区，单位面积资源富集程度 高，收集运输成本较低，从而可以建立秸秆发电厂、燃料乙醇厂等大型秸秆能源企业；而秸 秆资源分布比较分散的地区，秸秆资源收集运输成本很高，不适宜建立大型的秸秆能源企业， 秸秆只能作为生活能源而小规模利用。

目前，对秸秆资源的研究主要集中在计算秸秆资源的资源总量、秸秆资源的利用方式和 途径、以及气候变化对秸秆资源的影响等方面，很少关注农作物秸秆资源能源化利用企业的 规模、以及企业空间分布的特点和规律等。因此，如何针对秸秆资源的空间分布状况，合理 规划各地区秸秆资源能源化利用企业的规模、选择最佳的企业空间布局地点，建立合理、高 效和成本低廉的秸秆搜集、储运体系是农作物秸秆资源规模化开发利用必须首先解决的问题。

目前一些研究已经基于秸秆资源的分布特点，建立了秸秆搜集储运成本的理论模型，并 以秸秆发电等能源化利用案例为基础，分析了秸秆搜集储运成本变化趋势、秸秆原料收集最 佳半径、秸秆资源最优收集点的选择及其最小运输成本等问题。然而纯粹的理论模型无法反 应我国农作物秸秆资源的空间分布特征，更无法具体指导秸秆资源能源化利用企业的发展规 模和空间选址。开展秸秆资源能源化利用企业规模和空间布局的规划方法研究，有利于从全 国角度为秸秆资源能源化利用企业的规模和空间布局提供参考，从而因地制宜地指导秸秆资 源能源化利用产业的发展，合理设置全国各地区秸秆资源能源化利用企业的规模和空间布局。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是：如何合理规划秸秆资源能源化利用企业的规模和空间布局， 以科学指导秸秆资源能源化利用产业的发展。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种秸秆资源能源化利用企业规模和空间布局的 规划方法，包括以下步骤：

S1、获取农作物秸秆可能源化利用资源密度空间分布图。

S2、根据秸秆资源搜集半径与企业投资规模和生产能力相互关系，设置不同的秸秆资源 搜集半径。

S3、利用地理信息系统(GIS)空间统计分析功能，计算不同搜集半径范围内秸秆可能 源化利用资源量。

S4、根据当前秸秆资源能源化利用技术现状，合理设置秸秆资源能源化生产企业的规模， 并根据不同企业规模计算所需求的秸秆资源量。

S5、根据不同搜集半径范围内秸秆资源量以及不同规模企业的秸秆资源需求量，利用GIS 空间分析功能，得到不同规模秸秆资源能源化生产企业的空间布局图。

其中，步骤S1中所述的农作物秸秆可能源化利用资源密度空间分布图是利用分省粮食作 物产量统计数据和耕地上植被净第一性生产力(Net Primary Productivity，简称NPP)空间分 布数据，利用GIS空间分析方法，通过空间化计算获得的。

其中，步骤S2中所述的秸秆资源搜集半径与企业投资规模和生产能力密切相关，按照现 有秸秆资源搜集半径与投入费用的相互关系，确定25km、30km和50km为合适的搜集半径。

其中，步骤S3中的空间统计分析可以利用ArcGIS软件Workstation grid环境下的 Focalsum函数实现，该函数可计算不同搜集半径范围内秸秆可能源化利用的资源量。

其中，步骤S4中所述的企业规模依据现有的秸秆资源能源化利用技术水平和工艺限制， 分为4类：6MW秸秆直燃发电、小型(1万吨)秸秆燃料乙醇企业、25MW秸秆直燃发电和 大型(5万吨)秸秆燃料乙醇企业。

其中，步骤S5中不同规模秸秆资源能源化生产企业的空间布局图，可利用ArcGIS软件 Arcmap的空间分析和制图功能，根据不同规模企业的秸秆资源需求量，通过对不同搜集半径 范围内秸秆资源量进行分类分级生成。

(三)有益效果

本发明提供了一种秸秆资源能源化利用企业规模和空间布局的规划方法，试验证明，该 方法能获得不同规模秸秆资源能源化生产企业的空间布局图，从而为秸秆资源能源化利用企 业的建立和布局提供科学指导。

附图说明

图1是本发明的方法流程图；

图2是2005年中国可能源化利用农作物秸秆资源空间分布图；

图3是秸秆资源收集半径与投入费用的关系图；

图4是以25公里为搜集半径获取的不同规模秸秆资源能源化生产企业适宜性空间布局图；

图5是以30公里为搜集半径获取的不同规模秸秆资源能源化生产企业适宜性空间布局图；

图6是以50公里为搜集半径获取的不同规模秸秆资源能源化生产企业适宜性空间布局图；

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。以下实施例用于 说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

如图1所示，本发明包括以下步骤：

(1)获取2005年中国可能源化利用农作物秸秆资源密度分布图(图2)，该图可以较好 的反应全国各地区农作物秸秆可能源化利用资源的空间分布状况，即反应出各个地区秸秆资 源能源化生产企业原料的潜力大小。

(2)根据秸秆资源搜集半径与企业投资规模和生产能力相互关系，设置不同的秸秆资源 搜集半径。

秸秆资源的收集半径随着企业投资规模和生产能力增加而增大。由图3可以看出，收集半 径小于最佳收集半径时，总搜集费用随半径减小迅速增加；收集半径大于最佳收集半径时， 总搜集费用随着收集半径的增加而呈线性增加，搜集费用的升高会使得总生产成本上升。所 以，不同企业应根据自身的情况确定最佳收集半径以获得较好的盈利水平。本发明选取25km、 30km和50km作为经济上比较可行的收集半径，从而分析3种不同搜半径下不同规模秸秆资源 能源生产企业的空间布局方案。

(3)利用GIS空间统计分析功能，计算不同搜集半径范围内秸秆可能源化利用资源量。

在获取的2005年中国可能源化利用秸秆资源密度数据的基础上，以25km、30km和50km 为半径，借助ArcGIS软件Workstation grid环境下的Focalsum()函数分别计算每个像元25km、 30km和50km范围内的秸秆可能源化利用资源量，具体计算过程如下：

RES_Ri＝Focalsum(Crop_res，CIRCLE，R_i)

式中R_i为搜集半径，分别为25km、30km和50km；RES_i为获取的i搜集半径范围内的 秸秆资源量；Focalsum()为ArcGIS软件Workstation grid环境下的栅格数据统计函数；Crop_res 为2005年中国可能源化利用农作物秸秆资源密度分布数据；CIRCLE为常数，代表计算的区 域为圆。

(4)根据当前秸秆资源能源化利用技术现状，合理设置秸秆资源能源化生产企业的规模， 并根据不同企业规模计算所需求的秸秆资源量。

近些年来，在各级政府大力支持下，通过产学研结合，秸秆资源能源化利用技术的应用 在我国取得了长足发展，如秸秆固化成型燃料、秸秆直接燃烧发电、秸秆气化集中供气、秸 秆热解液化、秸秆发酵生产燃料乙醇等技术现已进入或正积极进入产业化推广应用阶段。目 前已达到产业化运行阶段的技术主要是秸秆乙醇(第二代生物乙醇)的生产和秸秆发电。

国内外秸秆发电经过几十年的发展，技术基本成熟，发电形式主要有三种：秸秆直燃发 电、秸秆与其他燃料混燃发电、秸秆气化发电。秸秆直燃发电是指直接将秸秆原料放入锅炉 中燃烧，利用燃烧产生的蒸汽来驱动蒸汽轮机，从而带动发电机发电。秸秆直燃发电技术已 进入了推广应用阶段，该项技术适用于相对集中、大规模地利用秸秆资源，如用于发电和供 热等，但是受原料供应及工艺限制，发电规模不宜过大，以不超过30MW为宜。近年来，我 国部分省份建设秸秆直燃发电项目的积极性很高，江苏、山东、河北、吉林、内蒙等地已建 成多套20MW以上的秸秆直燃发电装置，到2008年底投产和在建的秸秆直燃发电能力已达 4000MW。秸秆混燃发电包括：直接混合燃烧发电、间接混合燃烧发电和并联混合燃烧发电 三种方式。直接混合燃烧发电是指秸秆燃料与化石燃料(主要是煤炭)在同一锅炉内混合燃 烧产生蒸汽，带动蒸汽轮机发电。间接混合发电是指秸秆原料首先经过气化产生可燃气，然 后可燃气再进入炉内共同燃烧，产生蒸汽发电。并联混合发电是指秸秆在单独的锅炉内燃烧 产生蒸汽，蒸汽再经过传统燃料进一步过热后再发电。后两种方式都可以降低秸秆燃烧过程 中的结渣和腐蚀的风险，但投资、运行和维护费用要比直接混合发电高，产业化应用较少。 秸秆混合燃烧发电可以建设成较大规模的发电厂，甚至可以达到大型燃煤电厂的规模。秸秆 气化发电是在气化炉中将秸秆原料气化，生成可燃气体，经过净化，供给内燃机或小型燃气 轮机，带动发电机发电。一般规模较小，多数不大于6MW。

根据我国农作物秸秆能源化利用产业发展现状，本发明将秸秆能源生产企业分为以下4 类：6MW秸秆发电企业、小型(1万吨)秸秆燃料乙醇企业、25MW秸秆发电企业和大型(5 万吨)秸秆燃料乙醇企业。根据已有的研究，6MW秸秆气化发电企业单位秸秆转化率为 1.1t/MWh，假设年运营300天，则需要秸秆资源量1.1t/MWh*6MW*24*300＝4.75万吨；25MW 秸秆发电企业秸秆转化率为1t/MWh，假设年运营300天，则需要秸秆资源量 1.0t/MWh*25MW*24*300＝18万吨。现有技术生产乙醇单位秸秆转化率为1t/6t，1万吨燃料乙 醇企业年秸秆需求量为6万吨；5万吨燃料乙醇企业年秸秆需求量则为30万吨。不同规模秸 秆能源生产企业对秸秆资源的需求量如表1所示。

表1不同规模秸秆能源生产企业的秸秆资源需求量

(5)根据不同搜集半径范围内秸秆资源量以及不同规模企业的秸秆资源需求量，利用 GIS空间分析功能，得到不同规模秸秆资源能源化生产企业的空间布局图。

不同规模秸秆资源能源化生产企业空间布局的获取主要利用地理信息系统(GIS)技术， 通过ArcGIS软件Arcmap的空间分析和制图功能，根据表1不同规模企业的秸秆资源需求量， 对不同搜集半径范围内秸秆资源量进行分类分级生成。具体步骤如下：

在ArcGIS软件Arcmap环境下，分别将步骤(3)中获取的25km、30km和50km三种不同 收集半径下的可能源化利用的农作物秸秆资源量作为输入的栅格图层，进而依据表1所列出的 不同规模企业所需的秸秆资源量，对25km、30km和50km三种不同收集半径下的可能源化利 用的农作物秸秆资源量进行重新分级分类，从而得到不同规模秸秆能源生产企业布局适宜性 的空间分布图(图4、图5、图6)。

以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人 员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变形，因此所有等同的 技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。