《Engineering Science and Technology, an International Journal》：Methodology for optimizing biomass utilization for sustainable heat generation in chili dehydration plants: A case study in Zacatecas, Mexico
摘要
本研究提出了一种空间集成的技术经济方法论，用于在农工业热力生产中利用残余生物质替代化石燃料，并以墨西哥萨卡特卡斯州的辣椒脱水工厂作为案例研究对象。该方法综合运用地理信息系统（GIS）、生物质资源评估、运输网络优化以及能源系统分析，以确定基于生物质的热力供应在技术、经济及环境层面的可行性。研究人员对包含504个干燥隧道的43家脱水工厂进行了地理定位，并量化了其热能需求，结果表明每年需生物质干木片44,899吨。基于GIS的清单识别出186个生物质收集点，主要集中于该州西部的林区。空间缓冲区与路网分析显示，在150 km服务半径内每年可获得46,023吨残余生物质，足以供应整个网络。研究人员开发了一种基于距离优先贪婪启发式的运输路径算法，并将其与底层容量受限运输问题（186个起点、43个终点、7,998条候选路径）的精确线性规划（LP）解进行基准比较，最优性差距为1.79%。由此产生的物流系统年总运输成本为839,335美元，年交付生物质总成本约为189万美元。技术分析表明，将现有燃油锅炉替换为生物质锅炉、将现有液化石油气（LPG）燃烧器替换为生物质燃烧器，可可靠满足工厂的热力需求。从环境角度看，向生物质过渡将使温室气体排放（CO2e）相对于35,050吨CO2/年的基线水平减少81.3%，具体取决于季节性生物质替代的程度。研究结果表明，残余生物质可为萨卡特卡斯州的辣椒脱水行业提供具有成本效益的低碳热源，凸显了基于GIS的规划与优化物流在区域生物能源部署中的价值。
论文解读：基于GIS与物流优化的辣椒脱水行业生物质供热技术经济可行性研究
**一、研究背景与问题提出**
在工业与农业领域，低温至中温（low to medium-temperature）热力过程——例如食品脱水——至今仍高度依赖化石燃料。尽管热力脱碳的紧迫性日益增强，生物能源已被公认为一种可信的低碳选项，可在改善废弃物管理、支持农村发展和提升资源效率方面发挥多重作用。然而，生物能源系统的可持续性与其原料的特征和来源密切相关，核心挑战在于识别和部署不与粮食生产竞争、不加速土地退化、不增加温室气体排放的原料。
在循环生物经济（circular bioeconomy）框架下，农业残余物、林业副产品和有机废弃物日益被视为战略性可持续原料。已有研究表明，只要原料供应链经过区域优化并与现有农工业基础设施整合，食物与林业部门的生物残余物增值利用即可同时支持气候减缓与循环经济目标。有效的原料选择因此成为实现环境与经济双重稳健性生物能源系统的基础，能量密度、地理适宜性、本地可用性、含水率、灰分特性和季节可靠性是关键评判标准。
林业残余物，尤其是采伐和育林作业中产生的部分，产量大但长期因物流和经济障碍而利用不足。区域生物质供应曲线研究表明，纳入林业残余物可显著提高技术潜力，然而供应成本往往因资源集群与工业需求中心的空间错位而升高。瑞典全国尺度的地理供需模型证实，当运输距离有限且转化工厂战略性地位于或靠近生产林时，林业残余物具有竞争力。相关研究也提出了综合生物质资源绘图框架，明确详述林业残余物并将其与区域供热锅炉机会进行匹配，展示了提取区如何与可行的市场终点持续关联。
近年来，生物质可持续供热优化研究日益聚焦于残余资源（尤其是农业和林业残余物）的空间识别与评估。地理信息系统（GIS）工具被广泛用于绘制生物质可用性、分析运输路线、评估设施选址适宜性，以及最小化供应链成本和CO2排放。方法学进展还包括分布式生物质资源的空间与技术经济优化，相关研究开发了基于GIS的方法来确定生物质发电厂的最佳位置和规模，但未明确映射固定目的地或工业用户。其他研究设计了基于GIS的生物质物流与运输优化方法，应用于西班牙巴伦西亚地区，用以量化和定位生物质资源并识别潜在生物质发电厂或颗粒生产厂的最佳位置。还有研究展示了GIS如何实现生物质供应链中物流模型的优化，通过集成方法（包括烘焙或生物质压缩等预处理）识别热电联产厂的最佳位置并最小化运输距离、运营成本和CO2排放，这对资源分布分散的广阔区域尤为重要。此外，也有研究从多准则角度提出了空间评估模型，在西班牙农村地区同时考虑物理、环境和社会经济变量来安装生物质厂。并行研究将人工智能与GIS结合，用于区域尺度的生物质能源潜力预测和生物质基础设施战略规划。
总体而言，已有文献强调需要一种能够利用可获取技术和先进空间信息管理系统来构建分散式能源模型的方法论。然而，现有研究仍存在明确的方法空白：缺乏一种集成的、工厂层级的方法论，能够同时：（i）基于官方采伐记录和森林清查数据量化残余森林生物质，（ii）将该潜力空间再分配到现实的收集点，（iii）明确地将这些收集点与农工业工厂耦合，以及（iv）为一个完整的区域产业协同优化生物质分配、真实路网选择、成本和CO2排放。近期研究也拓宽了生物质在农业过程中的技术与物流应用范围——包括混合太阳能干燥器与辅助生物质热源的集成、太阳能-生物质热电联产、生物质锅炉技术挑战的综述以及多通道生物质热风炉在谷物干燥中的改进等。从技术经济可行性角度，已有比较分析评估了农村地区生物质供应链成功的决定因素，包括收集、转化和运输成本，这些因素与可用生物质的价格波动和质量相关。在拉丁美洲背景下，2022年拉美和加勒比经济委员会（ECLAC）报告强调，能源结构多样化和促进基于本地资源的可再生能源对实现可持续和包容性转型至关重要，残余生物质被确定为农村社区和农工业的战略选项之一。在墨西哥国家层面，已有研究开发了筛选工具来识别富含生物质的区域、重点市镇和林业残余物走廊。
本研究正是针对这一空白，在墨西哥萨卡特卡斯州辣椒干燥行业开展工作。研究人员开发并应用了一个空间集成的技术经济框架，将43个地理参考脱水工厂与186个生物质收集点相连接，通过基于Dijkstra的GIS网络分析生成近8,000条候选路线。研究评估了当地脱水工厂的热需求是否可由生物质满足，重点关注在墨西哥政府监管的采伐配额（当前指定给伐木业）下获取的残余生物质。此外，研究还评估了在锅炉中用生物质替代化石燃料的技术可行性和CO2节约量。通过用生物质燃烧器和锅炉替代液化石油气（LPG）燃烧器和燃油锅炉，实现了化石CO2排放的净减少。研究结果为提升食品干燥作业的经济与生态绩效提供了洞见。
**二、主要关键技术方法**
该研究采用多阶段集成方法论，涵盖能源表征、空间分析、技术可行性评估和经济评价。首先，研究人员结合二手资料（国家统计目录经济单元数据库DENUE、墨西哥国家统计地理研究所INEGI开放数据平台）与实地调研（物理访问和操作人员访谈），对萨卡特卡斯州活跃食品脱水工厂进行空间定位，收集干燥隧道数量、燃料类型和年度生物质能源需求等变量。其次，基于每个工厂的干燥隧道数量和产能、燃料比耗、燃料低位热值（LHV）、新旧技术效率等参数估算生物质（木片）需求量，共涉及504个干燥隧道，年需求44,899吨干生物质（tDM）。第三，利用国家林业信息系统（SNIF）的授权采伐记录和CONAFOR国家森林清查（2015–2020）的圆形一公顷样地数据，通过空间再分配程序将采伐残余物估价值分配到农村多边形，进而分配到具体样地作为生物质收集点，共确定186个收集点，年可用量46,023吨干生物质。第四，在QGIS 3.40.11（LTR）中使用基于Dijkstra算法的QNEAT3网络分析工具箱，以墨西哥2024年官方路网为计算基础，在200 m搜索容差内计算所有起点-终点对的最短路径距离，生成7,998条候选路线矩阵。第五，将物流问题正式构建为容量受限运输问题（Capacitated Transportation Problem, CTP），设计距离优先贪婪启发式（即最优运输路线OTR算法），按距离从短到长排序并依次分配流量直至所有需求满足，同时以MATLAB linprog函数（对偶单纯形算法）求解精确LP作为基准来验证启发式的优性。第六，进行技术设备选型（CSPM-1500生物质锅炉和Y-500生物质燃烧器）和经济可行性分析，计算净现值（NPV）、内部收益率（IRR）、投资回收期、资本支出（CAPEX）、运营支出（OPEX）和生物质燃料平准化成本（LCOF）。最后，开展环境可行性分析，根据生物质排放因子和运输排放因子估算CO2当量（CO2e）排放。研究中的成本参数参考了2018年墨西哥杜兰戈州的能源物流研究、墨西哥财政工资指标以及设备供应商数据。
**三、研究结果**
**3.1 食品脱水工厂的空间定位**
研究人员对萨卡特卡斯州43家脱水工厂进行了地理定位（UTM坐标，13 N区，EPSG:6368参考系），确定了其技术基础设施特征。结果显示共有504个干燥隧道，使用燃料包括燃油和液化石油气（LPG），加热技术分为锅炉和燃烧器两类。通过方程（6）估算，满足全部工厂年热需求所需的生物质（干木片）总量约为44,899吨/年。
**3.2 加工生物质来源的空间定位**
田间生物质残余物主要分布在萨卡特卡斯州西部林区。残余物年可用量最高的区域约3,500吨，其利用不仅优化了森林资源使用，还有助于循环经济和农工业部门可持续性。相比之下，中部和东部地区的生物质可用性极低（年低于94吨），表明这些地区大规模生物质供热可行性有限。这种空间差异凸显了本地化规划的重要性：靠近高生物质市镇的辣椒脱水工厂可最小化运输成本并提高经济可行性。
**3.3 生物质起点和终点在GIS中的映射与整合**
GIS分析共确定186个生物质收集点（起点）和43个脱水工厂（终点）。地图采用红黄色区分工厂与收集点。需注意，由于缺乏每个地产的精确坐标，地图精度存在局限。
**3.4 生物质起点和终点的空间分析**
缓冲区分析（50 km、100 km、150 km半径）显示：50 km半径内可用生物质为10,921吨/年，100 km内为35,311吨/年，150 km内为46,023吨/年。网络总需求为44,899吨/年，因此150 km半径内的可用生物质可满足全网络需求（超出约2.5%）。研究还通过路网分析生成了全部7,998条可能路线的距离代价矩阵。值得注意的是，缓冲区半径考虑的是直线方向，实际运输距离因道路分布、障碍物和城镇等因素可能超过150 km。
**3.5 生物质运输与利用的最优物流路线**
OTR算法按距离从短到长依次分配生物质，直至满足每个工厂的需求，同时尊重各收集点的供应上限和工厂的需求上限。经过与LP精确解基准比较，OTR贪婪解的总加权运输量为6.85×10? tDM·km/年，LP精确解为6.73×10? tDM·km/年，最优性差距Δ=1.79%。在货币方面，LP最优解相对于OTR解的最大理论节约约为每年14,100美元，约占实际年运输成本（839,335美元/年）的1.7%。研究人员还验证了该最优性差距对距离矩阵的正缩放具有不变性（在弯曲系数α∈[1.00, 1.60]范围内重复计算均得到Δ=1.79%）。实际运行数据显示：平均每天41.84车次、70天运营期内共2,929车次、平均运输距离159.2 km/车次、年总运输距离466,297 km、年总运输成本839,335美元。
**3.6 经济可行性分析结果**
用生物质系统替代现有化石燃料系统后，年现金流估计为10,906,433美元（现有系统运营成本13,532,662美元减去生物质系统运营成本2,626,229美元）。10年项目期内，以8%折现率计算的净现值（NPV）为55,883,053美元，内部收益率（IRR）为62.55%，投资回收期约1.6年（总投资17,300,000美元，其中锅炉5,720,000美元、燃烧器11,580,000美元）。资本支出（CAPEX）合计17,300,000美元。运营支出（OPEX）方面：年运输成本839,335美元（约18.70美元/tDM）；装载（52分钟/车）和卸载（4小时/车，2名工人手动）人工成本基于墨西哥最低工资估算；切片成本14.31美元/tDM；生物质采购成本5美元/tDM。含上述所有成本后，生物质平均交付成本为42.12美元/tDM（不含增值税），加上16%增值税和运维费用（CAPEX的2.5%，即432,500美元/年，约9.6美元/tDM）后，总OPEX为2,626,229美元（58.5美元/tDM）。生物质燃料平准化成本（LCOF）为0.004美元/MJ，敏感性分析显示当运输距离从16 km增至300 km时，LCOF从2.6升至5.8美元/GJ。
**3.7 利用生物质产生干燥过程所需热量的技术**
根据各厂热需求计算，使用锅炉的工厂单台平均热功率需求为818.5 kW，使用燃烧器的工厂单台平均热功率需求为375.2 kW。研究提出用CSPM-1500生物质蒸汽锅炉替代现有燃油/LPG锅炉、用Y-500生物质燃烧器替代化石燃料燃烧器作为技术上适宜的方案。两者均具有足够的热容量和稳定运行特性，适用于需要连续可靠热供应的干燥隧道。生物质锅炉或燃烧器通过水-空气或空气-空气换热器向多个隧道供热。研究强调这并非指令性设备选型，而是与识别的热需求一致的示例性方案。由于现有加热系统缺乏集成生物质进料系统，需安装外部燃料储存和处理系统，SP200G筒仓被确定为合适的配套方案。
**3.8 实施的环境可行性分析**
基于生物质排放因子fw=9.5×10?? tCO2e/MJ，生物质利用本身产生的排放为6,399 tCO2e/年；基于运输排放因子ftruck=2.23×10?? tCO2e/(tDM·km)和年运输距离，运输排放为159 tCO2e/年；生物质情景总排放约6,558 tCO2e/年。当前基于LPG和燃油的配置排放约35,050 tCO2e/年。在完全生物质替代情景下（生物质满足43家工厂全部年热需求），年减排28,492 tCO2e，即相对于基线情景温室气体排放减少81.3%。按照IPCC核算惯例，生物质利用过程中释放的生物源CO2不计入温室气体平衡。
**四、讨论与结论**
本研究通过整合地理空间分析与技术经济建模，提出了一种评估在墨西哥萨卡特卡斯州辣椒脱水工厂中用残余生物质替代化石燃料可行性的方法论。结果表明，残余生物质在技术、经济、环境三方面均可作为化石燃料的可行替代方案。空间分析揭示了生物质可用性与热需求之间的地理错配：脱水工厂遍布全州，而残余生物质主要集中在西部林区市镇。50 km缓冲区内的生物质远低于需求，但扩展至150 km后即可充分满足总需求，这凸显了区域尺度规划的重要性。在供应稳健性方面，供需平衡相对紧张且存在不确定性，临时短缺时可考虑补充方案（如邻近木材加工业残余物或扩大收集区域），但对此进行详细分析超出了本研究范围。基于路线的运输优化模型是本研究的核心贡献之一。物流问题被正式建模为容量受限运输问题（CTP），利用运输问题约束矩阵的全幺模性保证了LP松弛可直接取得整数最优解。OTR算法作为CTP的贪婪构造启发式，通过按单位成本升序排列候选路线并迭代分配流量直至需求满足。基准测试表明该启发式与精确LP解的最优性差距仅为1.79%，证实了所提出的GIS集成启发式在当前物流问题中具有近最优性能，QGIS工作流的实际优势几乎不牺牲路线效率。结合生物质采购、切片、人工和装卸成本后，总交付生物质成本为42.12美元/tDM，为墨西哥区域生物质能源规划提供了现实基准。与文献比较，本研究的交付成本介于美国密歇根州改良木质生物质物流系统（23.3美元/tDM，平均运距64.4 km）和加拿大安大略省玉米秸秆基线情景（48.4美元/tDM）之间；归一化运输成本（约18.7美元/tDM）与文献相当；爱尔兰木片平均运距85–121 km的基准与本研究的159.2 km最为接近，表明在森林资源与工业需求空间分离的区域，较长供应链并不罕见。在拉美背景下，智利研究确定30 km供应半径为运输成为显著成本因素的阈值，而墨西哥中部的研究曾处理生物乙醇的生物质物流，但尚无先例研究该国区域尺度的残余生物质供热物流。在技术层面，用生物质蒸汽锅炉和燃烧器替代现有燃油锅炉和LPG燃烧器具有可行性，与504个干燥隧道的热需求兼容。所提出的系统在筒仓式自动燃料进料支持下可实现连续可靠的热生成，同时保持适应工厂特定限制的灵活性。环境效益量化显示，用木片替代化石燃料可使温室气体排放相对基线情景减少81.3%，且利用残余森林生物质有助于废弃物增值、降低露天焚烧风险并支持农村地区循环生物经济发展。
研究存在一些局限性：所有生物质地产缺乏精确坐标给空间分析带来不确定性；生物质可用性可能存在季节和年度变化；含水率和燃料质量可能影响锅炉效率和排放，需通过更详细的原料表征和动态供应建模来进一步解决。总体而言，所提出的基于GIS的优化方法论为规划农工业应用的生物质供热系统提供了稳健、可转移的工具。对萨卡特卡斯州而言，结果证实以现有资源实现完全生物质驱动的辣椒脱水行业是可行的，可在保持经济可行性的同时带来重大气候效益。该框架可推广至其他寻求通过可持续生物能源解决方案实现低中温工业热脱碳的地区和行业。
