目前，农作物秸秆的能源产品主要包括柴薪、成型燃料、秸秆沼气、秸秆乙醇、秸秆柴油、秸秆燃气、秸秆氢气和秸秆发电等。但是，在现有技术水平下，针对一定的地域、在一定的时间段，如何优化各种农作物秸秆能源产品结构和所需秸秆资源量的研究文献还没有相关报道。现以循环经济理论为基础，探索农作物秸秆能源产品结构优化的方法，为国家相关管理部门在农作物秸秆能源化利用管理决策中提供借鉴的方法和依据，农作物秸秆可以经过秸秆颗粒机、秸秆压块机压制成生物质成型燃料，生物质成型燃料是未来替代煤等化石能源最佳的选择。
1、研究方法
1.1研究方法的理论基础
循环经济理论是一种以资源高效利用和循环利用为核心，以资源投入最小化为目标、废物利用最大化和污染排放量最小化为目标，以低消耗，低排放，高效率为基本特征的一种生态经济理论。该理论注重推进资源、能源节约、资源综合利用和推行清洁生产，以便把经济活动对自然环境的影响降低到尽可能小的程度。线性规划是在资源有限前提下，进行方案优化的一种重要方法。主要用于研究有限资源的最佳分配问题，即如何对有限的资源做出最佳方式地配置和最有利地使用，以便充分发挥资源的效能去获取最佳的经济效益。
1.2农作物秸秆能源产品结构优化模型
1.2.1前提条件
①假设农作物秸秆能源产品能够部分的替代煤炭、石油、天然气、电力等常规能源，并且有计划的提高其在能源结构中的份额。
②农作物秸秆发电方面只考虑秸秆直燃发电和气化发电，沼气主要考虑户用沼气池的利用。
③农作物秸秆能源产品的使用费用因其产品种类不同存在一定的差别，且随着用量的增加也会增加，但其每种秸秆能源产品单位使用费用随其消费量的增减变化不大，且使用费用与能源产品价格相比非常小，故可假定为定值。
④首先，从循环经济角度来看，农作物秸秆能源CO：零排放，其他污染物排放与燃煤、油相比很少；其次，通过不断提升技术手段使秸秆直燃发电产生的粉尘、结焦和秸秆乙醇生产中产生的废水等污染得到很好的控制，且这部分治理费用都计人产品价格中；Mann和Spath的定性研究表明，原料生产、运输和电力生产中产生的主要排放物是SO：和NOx。故环境污染方面只考虑S02和NO。的排放量，治理费用为每吨5 000元。
⑤有些农作物秸秆能源产品的生产还没有形成产业化，如秸秆柴油和秸秆制氢技术还不成熟，部分秸秆能源产品缺少实际生产、消费等数据，故参考相关发展规划及文献资料，以此为依据确定模型优化数据。
1.2.2目标函数
以农作物秸秆能源利用全过程费用最少和环境达标的目标，采用各种农作物秸秆能源产品的消费量为决策变量，以农作物秸秆能源产品生产、使用及使用后的治污费总和最小为目标函数。能源单位统一换算成万t标准煤；时间单位均为1年。目标函数如下所示。
1.2.3约束条件
①能源消费约束条件：主要参考国家相关发展规划、实际调研数据及文献资料。同时，考虑到高品位优质能源产品优先发展的原则，确定各种农作物秸秆能源产品的需求量。秸秆电力方面只考虑秸秆燃烧发电和秸秆气化发电，沼气主要考虑农户沼气池和处理农业废弃物的沼气工程。
②能源总量约束条件：考虑到某地域农作物秸秆资源的实际生产能力和合理开发利用，参考有关文献资料，确定农作物秸秆能源产品的最大利用量，以此作为农作物秸秆能源消费总量的约束条件。
③环境约束条件：由农作物秸秆转化到最终能源产品的过程中均会对环境产生不同种类或不同程度的影响。但与燃煤、油相比很少。故开发利用农作物秸秆能源产品可以起到节能减排的作用。
④能源产品优先序约束条件：从提高能源效率和能源品位方面考虑，应优先发展秸秆生物燃料，其次发展秸秆气体燃料，再次发展生物质固体成型燃料和生物质发电，尽可能减少或限制薪柴的直接燃烧，避免生物质热量损失，以便提高秸秆生物质能源效率。
⑤非负约束：各种农作物秸秆能源产品的消费量均应大于或等于零。
2、研究区域
东北三省包括黑龙江省、吉林省和辽宁省，是我国粮食的主产区，农作物秸秆资源丰富，秸秆密度属于我国的中高密度地区。从技术和地理环境等因素考虑，农作物秸秆的能源产品生产都可以在其地域内发展。同时，东北三省自然条件、经济状况、居民生活习惯、种植的主要农作物种类和农作物秸秆密度以及相关政策等都相近，因此将东北三省作为一个整体来考虑其农作物秸秆能源产品的优化问题。
3、优化过程及结果
3.1农作物秸秆资源量计算
东北三省主要农作物包括包括玉米、小麦、水稻、高粱、大豆和向日葵等六种。农作物秸秆产量的计算方法如下.
草谷比和可收集系数的筛选：按照《灰色系统理论在黑龙江省农作物秸秆可收集量预测中的应用》文中的筛选方法和结果。
可能源化利用系数的筛选：查阅关于东北三省农作物秸秆综合利用的研究文献，分析确定黑龙江省秸秆可能源化利用系数为74.0%，吉林为84.7%．辽宁为62.00%。
按照上述方法和筛选出的各项系数，估算得出2009年东北三省农作物秸秆可能源化利用量5 729.2万t。
3.2参数确定及约束条件
3.2,1 各项参数确定
①计算所需原始数据的确定
根据文献资料，计算得出模型所需的基础数据见表l。其中，秸秆发电的成本为0.8元．kW·h，但国家对生物质发电的实际补贴达到0.35元·kW·h，因此，秸秆发电的实际成本为0.45元．kW．h。
②Ai的计算：A．为各种农作物秸秆能源产品的
．-投资费用系数。
本文采用秸秆能源产品的生产成本作为投资
费用系数，但是薪柴、秸秆成型燃料和秸秆氢气三种能源产品还没有准确的生产成本资料，因此取其产品价格为投资成本，即投资系数即是其产品价格。以燃料乙醇为例．2009年秸秆乙醇的生产成本3 500元．t-1。燃料乙醇折合标准煤参考系数为0.914 kgc．kg-1，所以得到目标函数中燃料乙醇的投资系数Ai=3 829.32元．tce-l。其他变量投资系数的确定同上类似。
3.2.2能源消费约束条件
①薪柴消费量蜀：835.5 sXi≤2 088.7万tce。按照文献中各省家庭燃用量比例，估算出2009年东北三省农作物秸秆家庭燃用量为3 654.2万t，相当于2 088.7万tce,考虑在未来国家大力推进秸秆新能源产业，由于秸秆沼气等新的能源产品所替代，农村家庭直接燃烧的秸秆量将减少；2009年东北三省省柴节煤灶为977.76万台，节能炕为1118.34万铺。按照其总户数比例计算，并考虑现有农村实际情况和其他燃烧用途，估计其燃烧量占薪柴总量的40%以上，即835.5万tce。
②成型燃料消费量x2：28.4万tce≤X2$1260.8 tce。《农业生物质能产业发展规划(2007—2015年)》中计划2010年东北三省农作物秸秆固体成型燃料年利用量达45万t．2015年计划全国生产生物质固体成型燃料2 000万t。
③秸秆乙醇消费量X2，X3≥79.3万tce。2009年东北三省汽油总消耗量为868.3万t，假定按10%添加燃料乙醇，仅满足东北三省的需求量就达86.8万t。
④秸秆沼气消费量X2，X3≥8.1万tce。《中国农业统计资料》数据可见，2009年东北三省户用沼气池和处理农业废弃物的沼气工程年沼气产量是2.26亿m3。《农业生物质能产业发展规划( 2007—2015年)》同时假设其中50%来自农作物秸秆产生的沼气，即是1.13亿m3。
⑤秸秆燃气消费量X2，X3≥2.2万tce。《农业
4、讨论
假设在农作物秸秆能资源总量、现有技术和经济条件下，东北三省“十二五”期间农作物秸秆能源产品最佳用量及比例如表2所示。从总量上来看，5 729.2万t的农作物秸秆可能源化利用量可以产生2 038.4万t标准煤的秸秆能源产品。
a．薪柴的最佳用量占到农作物秸秆能源产品的41.0%。可见，由于秸秆成本低廉，取材方便和在环境污染尚能承受的条件下，将农作物秸秆作为薪柴直接燃烧仍是农村对秸秆能源化利用的主要方式。但是为了提高能源效率和减少环境污染，应该更多的采用节能灶（炕）等方式利用，而并不是广大农村中常规的直接燃烧方式。通过计算表明，农作物秸秆作为柴薪利用比现有的秸秆资源家用燃烧量应该大幅减少。例如，以黑龙江省为例，农作物秸秆可收集量中的74.0%可作为能源资源来开发利用，但上述产品结构优化结果显示将秸秆作为薪柴利用的最佳比例是41.0%，即黑龙江省主要农作物秸秆可收集量的30.3%作为薪柴使用是当前最佳比例。这与目前黑龙江省农作物秸秆可收集量中50.0%作为柴薪利用相比较，说明在最佳的能源产品结构中，黑龙江省农作物秸秆家庭燃用量要减少20%左右。
b．按照目前的技术水平和环境要求，秸秆沼气最佳用量为24.5%，秸秆成型燃料最佳用量为23.9%。秸秆成型燃料可以提高秸秆密度，节约运输和储存费用，扩大应用范围，提高燃烧效率。秸秆沼气工程对于减轻农村地区对煤、电、液化气等不可再生能源的消耗和依赖，缓解我国的能源
消费压力，为建设环境友好的新农村意义重大。虽然还没有东北三省秸秆成型燃料和秸秆沼气的准确数据，但从全国秸秆新能源开发利用以及东北三省的实地了解，目前，这两种秸秆能源产品在东北三省的生产量还是很低。
c．农作物秸秆液体燃料（秸秆乙醇和生物柴油）的最佳用量合计为9.6%。生物燃料因其原料来源广泛并再生，环境污染较少，单位能源密度高和易于运输等优势，得到世界各国的重视。但是，我国秸秆生物燃料产业化的关键技术的还没有突破，造成其生产成本过高，从而限制了秸秆液体燃料的用量。
d．其他三种农作物秸秆能源产品的最佳资源配置数量均不超过1%。这主要是限于目前生产技术和环境保护的要求才不能得以大力发展。但是，生物制氢作为新型二次能源，其发热量高，燃烧后的产物只有水，被认为是21世纪一种非常重要的洁净能源。同时，氢气又是现代炼油工业和化学工业的基本原料之一。目前，国内外都在积极发展生物燃气和生物制氢产业，而在我国的相关能源发展规划中还没有将生物燃气和生物制氢产业列入国家的重点发展领域，建议国家相关管理部门从国家层面规划和部署，组织相关力量大力推进其产业发展。
5、结论
a．在现有技术和经济条件下，将农作物秸秆作为薪柴来利用仍要持续比较长的时间。因此，加大节能灶（炕）的推广是当前东北三省提高秸秆能源效率的主要措施之一。
b．在秸秆气体能源产品中，农作物秸秆沼气是东北三省农村新能源化建设的主要方向。
c．在秸秆固体能源产品中，秸秆成型燃料也是当前农村能源工作推进中的主要内容。
d．加大秸秆燃料等高品位农作物秸秆能源产品产业化技术的研发投入，通过实现产业化来降低生产成本。按照目前，技术、环境和经济效益评价分析可见，农作物秸秆乙醇将是科学、高效利用农作物秸秆能源化利用的最佳选择。
e．虽然，秸秆制取氢气的生产技术还有很多瓶颈。国家应该从农作物秸秆能源化利用的长期发展考虑，由政府加大这些技术的研发投入，力争尽早使秸秆生物质氢气的产业化，30码期期必中生产销售的秸秆颗粒机、秸秆压块机专业压制秸秆成型燃料。
