基于智能算法的多循环可回收秸秆供热供应链设计研究

《Journal of Cleaner Production》：Research on multi-cycle recyclable straw heating supply chain design based on intelligent algorithms

　　

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  构建一个能够利用可回收灰渣的闭环秸秆供暖供应链。
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  运用GIS技术为秸秆合作社提供服务，并实现多周期供应。
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  在供应链设计中考虑生态价值。

引言

在“碳中和”背景下，传统化石能源带来的环境污染、气候变暖及能源安全问题日益突出（Li等，2025a），严重制约了经济社会的可持续发展。因此，以农业废弃物为代表的生物质资源的高效清洁利用，已成为推动低碳供暖和构建循环经济体系的重要支撑。作为可再生能源的一种，秸秆生物质具有可再生性和清洁性等优点，将在未来能源结构中占据重要地位（Zhang, T.等，2025；Zhong等，2025）。此外，秸秆产量大且分布广泛，被视为重要的生物质能源（He, C.Y.等，2025）。秸秆的利用方式多样，包括用作肥料（Liu等，2025）、动物饲料（Silva等，2024）、培养基（Yin等，2025）、原材料（Zheng等，2022）以及燃料（Wnorowska等，2025）。其中，秸秆燃料能够有效替代化石燃料，减少气体排放，在一些地区已成为清洁供暖的重要技术方向。中国先后出台了关于生物质供暖的指导政策（Li等，2024），建立了政府主导、多层次补贴的发展模式；丹麦、荷兰、美国等国则通过碳税、绿色证书、循环经济体系以及焚烧控制等措施，推动了秸秆供暖的大规模应用，充分表明秸秆能源化利用已成为全球能源与农业协同转型的重要趋势。

然而，秸秆原料存在季节性强、分布零散、体积庞大、储运成本高以及难以长期储存等问题（Du等，2021；Jiang等，2024）。直接燃烧可能会导致供暖效率低下且经济效益不佳。而经过压缩成型后，秸秆燃料的密度可提高10-15倍（Niksa，2021；Wang等，2021），其储存效率和燃烧稳定性也能得到显著提升（Lu等，2023；Zhang等，2022），这正是大规模秸秆供暖的首选形式。众所周知，使用秸秆燃料燃烧后会产生大量含有氮、磷、钾及矿物质元素的灰渣（Elliott等，2022；Su等，2026），这些灰渣具有作为肥料的利用价值。但若直接将其返回田间，容易引发病虫害、破坏土壤结构并导致养分过剩（Fu等，2024；Munawar等，2021）。因此，需要对其进行处理使其无害化，再用来制作复合肥料回归田间，目前的水热熔融、厌氧稳定化以及废酸浸出等现有技术已证明了利用灰渣生产肥料的可行性（Ni等，2025），从而有助于形成“秸秆-能源-养分”的闭环供应链。

目前关于秸秆供应链的研究主要集中在原料采集、储存运输、工厂选址以及热量利用等方面。在原料采集、储存运输方面，Du（Du等，2021）根据秸秆的储运方式构建了区域适宜性评价指标体系；Guo（Guo等，2020）则从成本效益角度出发，建立了不同的采集、储存和运输体系并对各种运输方式进行了比较分析。在原料工厂选址方面，Wu（Wu等，2023）从循环经济视角出发，基于多准则决策框架对秸秆热电联产项目的选址进行了研究；Gao（Gao等，2024）则采用将多准则决策与地理学相结合的方法来选择生物质热电联产项目的地点。在热量利用方面，Chanpreet Singh（Shahdabadi等，2021）优化了秸秆燃烧过程中的时间和温度等参数，以获得最佳的供暖热值；Deng（Deng等，2025）则对中国农村地区三种具有代表性的供暖系统——型煤床燃锅炉、颗粒燃料锅炉以及捆扎秸秆直燃锅炉的性能进行了评估。尽管现有相关研究已经优化了秸秆原料供应链的设计，但这些研究大多没有考虑到灰渣的回收利用、肥料化处理以及田间施用等问题。

在秸秆供应方面，也有不少学者进行了研究。Mao（Mao等，2024）考虑到秸秆原料供应的不确定性以及设施故障风险，为多期三阶段的秸秆供应链建立了两阶段随机规划模型。Samani（Samani等，2025）则以秸秆为原料，提出了基于混合整数线性规划模型的生物乙醇供应链网络设计方法，该模型能够应对运营风险和中断风险。Ganesh（Ganesh等，2025）则从农场到生物精炼厂的角度，综合考虑了生物质产量、残余物处理的时间限制以及当地资源（机械、劳动力、车辆）的可用性，设计了生物质供应链网络。Cheraghalipour（Cheraghalipour和Roghanian，2022）为沼气生产和堆肥处理过程中的八个节点设计了农业秸秆物流供应链网络模型，并采用了元启发式算法进行求解。综合上述研究可知，现有的秸秆供应链设计并未充分考虑秸秆产量具有季节性以及供应需分多期的实际情况。

随着研究的深入，尤其是在“双碳”目标背景下，许多领域已经开始在其研究中考虑生态价值的损失，比如农田（Kaiser等，2025）、森林（Edwards，2025）、海洋（Kerns等，2025）、陆地（Wen等，2025）以及草原（Zhang等，2025）。因此，将生态价值纳入研究已成为一种趋势（Li, S.Q.等，2024）。在秸秆供暖供应链的设计中，供应链节点的布局建设、气体排放物的运输以及秸秆灰渣的直接掩埋等活动，都会造成区域生态价值的损失。然而，传统的优化模型大多仅计算直接的经济成本，通常不包含这类生态损失成本，由此得出的最优解只追求最大经济利益，整体可持续性存在严重缺陷。因此，在供应链设计中考虑生态价值损失的代价会更为科学。

基于上述研究背景，本文明确了以下行业痛点与研究空白：（1）网络中未纳入灰渣的回收、肥料化处理及田间施用环节，缺乏闭环设计，难以实现全生命周期的资源回收；（2）大多数研究采用单周期静态假设，忽视了秸秆的季节性产出以及现实中多周期供应的特点，导致模型实用性不足；（3）仅着眼于经济成本的最优化，未考虑设施选址带来的生态破坏、运输过程中的碳排放以及灰渣对环境造成的影响，决策缺乏可持续性。鉴于当前秸秆供暖供应链的研究现状，本文构建了一个兼顾生态价值的秸秆型煤燃料闭环供暖供应链模型，并运用智能算法对该模型进行求解。该研究具有以下三点创新之处：（1）在供应链中引入秸秆合作社、基地区、锅炉厂、灰渣回收中心以及种粮户节点，形成可循环的供应链，提升了供应链的效率；（2）在供应过程中，运用GIS技术确定地块，从而确定秸秆的供应量，并实现多周期供应，使供应更符合实际情况；（3）在供应链设计中考虑了生态价值损失的代价，使得供应链设计更具可持续性。

章节要点

模型设计

本文针对淮海平原和华北平原县级地区的秸秆供暖场景，构建了一个混合整数规划优化模型。研究区域主要包括河南、山东、河北和安徽等省份，这些地区农田集中、秸秆资源丰富且交通条件良好。该模型重点考虑三个核心特征：多期运行、闭环循环以及生态价值的量化，其目标是

结果分析

借助MATLAB（R2024a）以及遗传算法与贪心算法，设计了“农田-合作社-型煤基地-锅炉厂-灰渣处理中心-大型农业用户-农田”的闭环供应链。最优结果表明，当设置三个型煤基地（K₈、K₁₃、K₁₂）和两个灰渣处理中心（L₂、L₃）时，可以确定节点I-K、K-J、J-L以及L-M之间的物资分配量。

结论

本文主要通过空间统计、描述性统计、对比分析、单因素敏感性分析以及可视化图表等方法进行数据分析。以河南省遂平县为实证区域，结合GIS技术和智能算法，构建了一个兼顾经济成本与生态价值的多期闭环可循环秸秆供暖供应链模型。该模型对各项要素的综合选择进行了系统优化

CRediT作者贡献说明

Hang Ke：概念构思、研究方法、可视化分析、初稿撰写、审稿与编辑。 Xin Wu：数据整理、定量分析、实地调研、软件应用。 Jin Li：研究方法、资源协调。 Jiajia Ye：实地调研。 Mengmeng Sun：定量分析、研究方法。 Jin Gao：数据整理。 Guangyin Xu：数据整理、资金筹集、实地调研、研究方法、监督工作、审稿与编辑。 Zhanwu Wang：定量分析、资金筹集、实地调研、研究方法。

利益冲突声明

作者声明不存在任何可能影响本文研究结果的已知利益冲突或个人关系。

致谢

本研究得到了河南省自然科学基金的支持（项目编号：252300420852）。

Hang Ke|Xin Wu|Jin Li|Jiajia Ye|Mengmeng Sun|Jin Gao|Guangyin Xu|Zhanwu Wang