秸秆生物质能利用对节能减排的贡献潜力研究.doc

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1、秸秆生物质能利用对节能减排的贡献潜力研究摘要：在分析国内外秸秆资源现状的基础上，将我国的省份按照工业化水平分为七组，利用集成经验模态分解技术与神经网络相结合的方法，对我国秸秆生物质能利用问题进行研究。以2015年为基线情景，进行2020年的两种情景假设，分析秸秆利用对节能减排的贡献潜力。结果显示：如果秸秆转化为生物质能利用率提高到16%，那么可以节约6100万吨煤，减少9.65亿吨污染物的排放。但是提高到21%，在现有条件下的经济分析是不可行的。因此，地方政府应细化财政扶持政策，支持研发新技术，建立收储运体系，并鼓励相关企业参与碳排放交易市场。意义在于既能提高秸秆生物质能利用率，又能降低秸秆利

2、用率提高带来的成本。一、引言我国粮食作物产量位居世界首位，每年大约产生68亿吨秸秆1。如果对秸秆综合利用不全面，如农民为了不影响下一年耕种，露天焚烧秸秆，则会导致秸秆综合利用率低，也会带来严重的空气污染。据报道，东北地区的雾霾天气与大规模焚烧秸秆同时发生2。2015年11月，全国范围内卫星共监测到1507个疑似秸秆焚烧着火点，火点数量是上年同期的1.8倍3。面对如此严峻的空气污染问题，国内外学者从秸秆的利用情况、技术成果、利用可行性、露天焚烧的危害等多个角度进行研究。结果表明：虽然秸秆综合利用技术已相对成熟，但是，各国秸秆综合利用率存在较大的差异。提高秸秆利用率在许多方面还需改进，如技术水平、

3、教育水平、政策扶持等。根治秸秆露天焚烧，提高秸秆转化为生物质能利用率迫在眉睫。二、国内外研究现状及政策分析（一）国外研究现状国外学者主要从秸秆利用现状、利用技术、利用可行性和露天焚烧的危害四方面进行研究。发达国家的秸秆利用水平已达到工业化生产阶段，如美国、意大利、德国、瑞士等4-5。发展中国家的秸秆利用率普遍较低，如泰国、印度、菲律宾的秸秆利用率分别为：52%、50%、5%6。目前，秸秆利用技术已相对成熟，如从秸秆的纤维素中提取酒精燃料、秸秆分解菌技术7、麦秸定向刨花板技术、秸秆制固体成型燃料技术等5。秸秆综合利用需要考虑其可行性，一些学者认为政策支持和收储运成本显著影响秸秆利用率8-9。焚烧

4、秸秆会引起严重的空气污染，Gadde等6总结了露天焚烧秸秆会产生12种污染物，包括CO2、CH4、N2O、CO、NMHC、NOX、SO2、TPM、PM2.5、PM10、PAHs、PCDD/F。Weiser等10估算，如果德国的秸秆资源化利用达到8001300万吨，将减少73.3%92.3%温室气体排放量。（二）国内研究现状国内学者也做了大量的研究，吴彤等11认为我国农作物秸秆的综合利用率约为80%，但资源化利用率仅占11%，秸秆转化为生物质能源未达到工业化水平。张崇尚等12利用GLOPEM模型估算了我国秸秆资源量，评估了秸秆在各省布局的适宜性。檀勤良等13认为，政策支持对秸秆发电供应链的影响显

5、著。王飞等14研究了秸秆“五料化”的技术特点和处理技术模式。彭立群等15采用排放因子法估算了28个省露天焚烧秸秆产生的10种污染物总量。陈龙高等16利用GIS技术结合大气污染清单估算方法分析了连云港的SO2和PM10排放量，结果表明，耕地焚烧秸秆是PM10的重要排放源。（三）我国政策环境分析目前，我国秸秆的资源化、商品化程度仍相对落后。原因不仅是秸秆综合利用技术不完善，还在于相关政策和措施没有完全落实，导致秸秆市场的运作力不足。自2000年开始，国务院出台了一系列秸秆综合利用和秸秆禁烧的政策和措施作为行动的指南。2000年修订的大气污染防治法明确规定，如发现露天焚烧秸秆，处罚涉事者500200

6、0元，并追究相关责任人的刑事责任。财政扶持政策，具有激励和引导的作用。国家先进污染治理技术示范名录介绍了秸秆制作成型燃料、燃烧发电、气化工程，以及制作建筑材料的技术指标、适用范围和解决的技术难题。当有特别需要的时候，还会以临时通知的形式，督促地方政府做好秸秆利用和禁烧的工作。地方政府也加强了对秸秆综合利用的补贴，2013年，江苏省发布的江苏省秸秆机械化还田实施办法，规定以10元/亩的标准对示范县进行资金补贴，要求补贴对象必须为农机服务站或农机户。综上分析，秸秆生物质能的利用主要面临以下问题：秸秆综合利用技术已相对成熟，但发展中国家的秸秆资源化利用率普遍较低；提高秸秆综合利用水平离不开政府的支持

7、，如发放补贴资金、激励农民和企业清洁生产等；秸秆露天焚烧造成严重的空气污染，严重影响了人们的生活和国家经济的发展。如何提高我国秸秆综合利用水平，关键在于提高秸秆综合利用对节能减排的贡献。因此，本文通过对19862015年秸秆资源走势分析，利用EEMD和BPNN模型预测我国20162020年秸秆资源产量，积极探究秸秆综合利用对节能减排的贡献潜力。三、我国秸秆资源现状及政策环境分析为客观的探究秸秆综合利用对节能减排的贡献潜力，首先分析19862015年我国秸秆资源情况，分析秸秆产量资源走势，选取可靠数据预测20162020年产量。（一）数据来源及处理依据国家统计年鉴，用19862015年全国五种主

8、要粮食作物产量，作为主要研究对象（见表1）1。这五种粮食作物的产量占全国农作物总产量的90%以上17，基于二八原理，采用这五种粮食作物作为研究对象是合理的。因此，本文选用草谷比法来计算全国粮食秸秆产量。粮食作物秸秆产量计算见公式：由于我国省市众多，而不同的省市处于工业化的不同阶段，其技术和经济等方面的发展水平差异较大，进而影响未来秸秆的利用能力。而处于相同工业化阶段的省市的农作物生产状况具有相似性。依据我国工业化蓝皮书，本文将全国30个省市按工业化阶段划分成7个组（见表2）19。（二）我国19862015年秸秆资源走势分析根据7个工业化阶段省市的分组，分别绘制19862015年7个组省市的秸秆

9、产量。由于每组的数据点过多，不利于清晰地展现秸秆产量的走势变化，因此绘制了各组省市每五年的秸秆产量（如图1所示）。数据统计显示，3、4、5、6组的秸秆产量占总产量的95%，其中，3组的秸秆产量保持在每年1亿吨左右，4、5、6组秸秆的产量整体呈上升趋势，5组的增长率高于4、6组。由图1可知，19861999年期间，1组的秸秆产量保持在2300万吨/年左右，2组的秸秆产量保持在500万吨/年左右。7组的秸秆产量近30年整体保持增长趋势。19992003年期间，1、2、3、5、6组的秸秆产量有明显下降趋势。究其原因，是由于从1999年开始，国家开始实施退耕还林工程，加上城市化进程的快速发展占用了大量

10、的耕地，导致的粮食产量大幅下滑，进而导致秸秆产量下降。19861999年期间，北京市的耕地面积约825万亩，而20002003年期间，北京市退耕还林了46万亩耕地。到2015年底，北京市的耕地面积降至不足300万亩。由上分析可知，19992003年期间，由于政策的调整，1、2、3、5、6组的粮食走势波动较大，粮食产量发生结构性变化。20042015年期间，粮食增长走势趋于平稳。（三）数据分析为了准确分析未来秸秆资源的走势，基于最小二乘法对30年粮食产量数据进行CHOW检验20。CHOW检验的基本原理公式：采用SPSS软件，基于CHOW检验的基本原理，判断粮食产量数据是否存在结构性变化的断点。对

11、第5组数据进行检验，结果显示，F检验、Wald检验、对数似然比三类统计量对应的概率值（p）应远小于10%（见表3）。同理对所有组进行检验。结果显示：在2003年，7组数据均有结构性变化的断点，进而将数据分为19862003年和20032015年两段。为了避免断点对预测值可靠性的干扰，本文利用20032015年的粮食产量数据来预测20162020年粮食产量。四、我国秸秆综合利用对节能减排的贡献潜力基于2015年全国秸秆总产量的估算结果（680百万吨），如果按照现行的转化率，将秸秆转化为生物质能源，相当于38百万吨标准煤；如果将秸秆全部焚烧，将排放约10亿吨污染物。可见，秸秆综合利用不仅减少了污染

12、物的排放，还可以增加能源的供给。因此，预测20162020年全国秸秆资源走势，并重点分析2020年秸秆综合利用对节能减排的贡献潜力。（一）基于EEMD和BPNN的全国秸秆资源走势预测为提高预测结果的准确性，本文将集成经验模态分解技术（Ensemble Empirical Mode Decomposition，以下简称EEMD）与神经网络（Back Propagation Neural Network，以下简称BPNN）相结合，进行全国粮食产量的预测，同时采用回归分析，找出全国秸秆资源走势。1.EEMD的基本原理EMD是在经验模态分解的基础上进行改进的一种分解方法。EEMD是通过加入白噪声帮助提

13、取分离不同的信号模式，来解决EMD模态混合的问题。其中，添加的白噪声序列如公式（3）所示21。白噪声标准差公式：2.BPNN的基本原理神经网络的基本结构为输入层、隐含层和输出层；计算过程包括：正向输出结果和反向调节权重两部分。本次实验的神经网络结构设置如下：输入层节点为7，隐含层个数为15，输出层节点为1。BPNN的权重调节机制如下22：3.结果分析首先，利用EEMD将原序列分解成n个子序列；其次，利用BPNN得到每一个子序列的单预测结果；最后，对每一个子序列的单预测结果进行加和，集成为最终的预测结果。基于上述原理，采用MAT-LAB2013a软件，最终得到3个分解分量。利用神经网络模型分别对

14、这3个分解分量进行预测、集成，最终预测出20162020年间，全国和7个组的粮食产量预测，结果见表4。同时，利用回归分析，找到秸秆资源与粮食产量之间的关系。进而通过20162020年的粮食产量，来预测20162020年的秸秆产量。采用SPSS软件，结合近30年全国粮食总产量和秸秆总产量数据，得出秸秆和粮食产量的关系（R2=0.99，F=12435.689，P值为0.000），见公式（6）。秸秆和粮食产量的关系式：将20162020年的粮食产量代入式（6），得到20162020年间，全国和7个组秸秆产量，见表5。其中，3、4、5、6组的秸秆产量仍占总产量的95%。（二）秸秆对节能减排的贡献分析1

15、.情景假设基于秸秆综合利用技术目录（2014），本文将秸秆综合利用分为：秸秆的直接利用和转化为生物质能源。前者包括：做饲料、制建筑材料、培养食用菌及还田沤肥等；后者包括：液化，气化、固化发电和制生物质炭等，秸秆的综合利用率是秸秆的直接利用率和转化为生物质能源利用率之和。依据秸秆露天焚烧的污染物排放清单，污染物包括：CO2，PM2.5，BC，OC，CO，NH3，SO2，NOx，CH4，NMVOC，秸秆露天焚烧的排放系数分别为：1.43，0.01，0.0006，0.003，0.034，0.0007，0.0009，0.003，0.003，0.00623。基线情景，2015年，我国秸秆直接利用率是69%，秸秆转化为生物质能源的利用率是11%，则秸秆综合利用率为80%。2015年的秸秆总产量为680百万吨，生物质能源利用率为11%，则将有75百万吨秸秆转化为生物质能源，相当于38百万吨标准煤（折标煤系数为0.524），约占2015年全国煤消耗量的2%。生物质能源属于清洁能源，在使用过程中几乎不排放污染物。两种利用方式均避免了秸秆露天焚烧。依据秸秆露天焚烧的污染物排放清单和露天焚烧的排放系数，2015