《Biomass and Bioenergy》：Techno-economic assessment of corn-residue valorization in mountainous northern Thailand, and why corn stover keeps burning
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•玉米棒有三个可行的残余物市场；而玉米秸秆则没有任何有报酬的市场。•在大约80%的土地上，坡度超过12%的地区，人工收集的代价约为每公斤2.5泰铢。•当玉米秸秆的混合物占比达到30%时，反应器的盈亏平衡点约为每吨18,400泰铢，是市场价9,000泰铢的两倍。•电网故障将盈亏平衡
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玉米棒有三个可行的残余物市场；而玉米秸秆则没有任何有报酬的市场。
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在大约80%的土地上，坡度超过12%的地区，人工收集的代价约为每公斤2.5泰铢。
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当玉米秸秆的混合物占比达到30%时，反应器的盈亏平衡点约为每吨18,400泰铢，是市场价9,000泰铢的两倍。
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电网故障将盈亏平衡点降至每吨15,300泰铢，但该地区的电网并不可靠。
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由于作物种植周期的限制，无法进行堆肥，因此在没有外部支持的情况下，玉米秸秆只能继续被燃烧。
引言
在东南亚大陆，开放式农业残余物燃烧是季节性空气污染的主要来源之一。这一做法用于在作物周期之间快速清理田地、去除残余物并释放养分，但它带来了巨大的外部成本，包括细颗粒物（PM2.5）、温室气体排放以及跨境雾霾[[1], [2], [3]]。在泰国北部，生物质燃烧是旱季PM2.5的主要来源；在清迈，它占年PM2.5排放量的近一半，并导致4月份排放峰值的大部分，对呼吸健康和死亡率有显著影响[[4], [5], [6]]。这种雾霾具有区域性特征，泰国、缅甸、老挝和邻国都受到了影响[3,7]。
政策应对措施主要侧重于法规禁令，泰国甚至提出了到2030年实现零作物燃烧的目标[8]。然而，仅靠禁令的效果有限，因为燃烧并不是农民的可选择行为，而是一个系统的必然结果——许多农民没有经济上可行的残余物处理方式[2,8]。因此，要实现无燃烧的目标，需要以农民和社区能够承受的成本，将农业残余物用于其他用途，如饲料、燃料、肥料或电力原料[8]。从这个角度来看，残余物管理成为可持续发展的问题，而不仅仅是污染控制的问题。
清迈省Mae Chaem地区是这一问题最为严重的例子。该地区位于清迈市西南约110公里处，是一个面积广阔、地形崎岖的山区，总面积为2713平方公里（图1）。大约70%的土地属于高坡度地区，玉米是当地小农户的主要经济作物。研究区域的玉米种植面积约为128,663莱（约合20,586公顷；1莱=0.16公顷），涉及5,589个注册农场家庭，每年生产约9万吨玉米，并且平均每公顷产量约为700公斤。根据残余物与产量的比例（第2.2节），每年会产生约99,100吨的田间残余物（包括秸秆、枝秆和叶子，即玉米秸秆），再加上约33,300吨的二次加工残余物（玉米壳、玉米棒和玉米芯），这些残余物会被送到玉米粒加工厂。
该系统的关键特征是地形。只有约20.3%的耕地（约26,073莱）位于坡度在12%或以下的区域——在这个坡度范围内，机械化残余物收集仍然是经济可行的；而剩余的约79.7%（约102,590莱）的坡度更陡（图2）。本文中使用的坡度表示方法为“等级”——垂直高度与水平距离的百分比比例，而不是角度（以度为单位），因为调查数据同时使用这两种表示方法；两者之间的关系为等级（%）= 100 × tan(角度)，例如，35°的坡度与70%的等级相同。大部分耕地属于坡度超过50%的地区（比约27°更陡），其中最陡的地块坡度甚至超过70%（表1）。12%这个数字是一个经济阈值，并非机器能力的限制。通往这些地块的道路狭窄且蜿蜒，无法通行大型卡车，因此唯一能够进入田地的收集设备是重量较轻、可以装载在4×4皮卡底盘上的机械——实际上，这种紧凑型窄轨收割机在该地区很常见，也是本研究中测试的机器。这种机器可以在超过12%的坡度上正常作业，但其柴油消耗量会随着坡度的增加而大幅上升，当坡度超过12%时，每吨回收残余物的燃料成本超过了残余物的价值。因此，在这种条件下，机械化收集在经济上不可行，农民只能选择人工收集，这也是为什么坡度限制了玉米秸秆的运输成本，而非其物理可到达性。此外，该地区土壤侵蚀严重，最陡地块的年土壤流失量约为每公顷26吨，而可忍受的阈值约为每公顷2吨。在这种条件下，开放式燃烧并不是农民的首选，而是他们唯一可行的土地准备方式。任何替代方案都必须直接应对这一限制：将残余物从陡峭的田地运送到处理点的成本占据了主导地位，而在许多研究中，这一因素往往被忽略，这些研究隐含地假设了平坦、适合机械化的地形[9]。
大量文献评估了将农业残余物转化为固体燃料、颗粒和生物炭的可能性，研究表明从环境和经济角度来看，生物炭生产具有吸引力的可行性[[10], [11], [12], [13]]。Prateep Na Talang等人[14]的一项相关研究在生命周期和净现金流框架下评估了泰国玉米、水稻和甘蔗的九种残余物管理方案，发现生物炭在降低全球变暖潜力和净现金流方面表现最佳。这项研究是一个有价值的全国性基准；本研究是对该研究的补充，而非质疑。虽然他们的评估综合了以代表性全国价格为标准的各种资料，但本研究则基于一个具体的高山示范设施的成本和收入流进行构建，详细汇报了实际生产能力、单项目生产成本和地形对物流的影响。这两项研究回答了不同的问题：在全国范围内哪些方案具有吸引力，以及在特定受限条件下哪些方案具有可行性。
更广泛的技术经济文献中有两个主题指导了这项分析。首先，炭的售价被反复认为是可行性最重要的决定因素，不同原料、规模和市场的最低售价差异很大[10,11,15]；这一问题因缺乏成熟的市场而变得更加复杂。因此，本研究从生产成本角度分析了炭的经济效益，并以盈亏平衡价格为基准来衡量可行性。其次，对于用于发电的低密度残余物来说，供应链物流通常是限制因素，而且规模经济的影响通常比运输距离更为重要[9,16]。相比之下，关于谁来运营分散式设施以及其在何种财务模式下保持盈利的组织问题则研究较少[12,17]。
本研究不同于将农场残余物视为单一可利用资源的传统观点。本研究认为玉米棒和玉米秸秆是两种具有不同经济价值的材料，由于地形原因其命运不同，认识到这种差异可以解释为什么燃烧现象持续存在。本研究有三个目的：首先，明确玉米棒和玉米秸秆的经济差异：证明玉米棒在接近每吨1000泰铢的成本下具有可行性，而人工收集的玉米秸秆在每公斤2.5泰铢的预留价格下则不可行；其次，在一个明确的折现现金流框架下评估三种玉米棒处理方案和一个专门建造的连续热解反应器（该反应器使用30%的玉米秸秆混合物），以解决实际可燃烧的残余物问题；最后，解释为什么目前没有非燃烧处理方式能够取代燃烧：作物种植周期限制了堆肥，成本障碍阻碍了玉米棒的处理，以及在没有电力和外力支持的情况下反应器的经济可行性不足。所有运营数据、机械设备试验和现金流都来自同一个示范点；这种综合的财务-地形-制度方法可以应用于湄公河上游许多地形陡峭的高山地区，这些地区默认采用开放式燃烧[3,7]。
章节摘要
研究区域、系统边界和分析概览
分析涵盖了Mae Chaem农业合作社的三个部分：生物质资源和地形评估；一组具有测量资本和单项目运营成本的示范规模转换设施；以及一个为期十年的折现现金流（DCF）技术经济评估（TEA）。研究范围限于该地区内的玉米残余物管理。成本和收入以泰铢（THB）表示，单位为名义值；
玉米棒处理方案及颗粒中的钾含量限制
三种玉米棒处理方案可作为残余物的处理方式。压缩饲料块虽然 market 规模较小，但可以与其他饲料混合使用；固体燃料块虽然可以共烧，但其中含有的钾会导致锅炉结渣和产生灰分；用于烧烤的窑炭虽然利润可观（包装为1公斤装袋），是三种处理方式中最稳定的。动力颗粒也有正的净现值（NPV），但其市场规模有限。固体燃料塊中的钾和灰分同样是个问题
为什么玉米秸秆仍被燃烧
研究结果提供了一个连贯的解释，说明为什么燃烧现象持续存在，而单一处理的视角往往掩盖了这一现象。玉米棒价格低廉且有多种市场通道；但玉米秸秆是实际被燃烧的残余物，而三种机制使其持续燃烧：成本障碍——在每公斤2.5泰铢的预留价格下，玉米秸秆无法进入任何可行的处理方案；作物种植周期的限制——将玉米秸秆留给堆肥或用于其他用途
结论
将农场的玉米残余物视为单一可利用资源会误判燃烧问题。实际上，玉米棒价格低廉，有多种市场渠道，且不是主要被燃烧的残余物；真正被燃烧的是玉米秸秆：在约80%的土地上，机械化收集不经济，其预留价格为每公斤2.5泰铢，这使得玉米秸秆无法通过任何处理方案；此外，作物种植周期也限制了堆肥的可能性
作者贡献声明
James Moran：撰写初稿、数据整理、概念构思。Pruk Aggarangsi：撰写、审阅与编辑、监督及资金筹措。Asira Bunkham：方法论研究、数据分析。Itthichai Preechawuttipong：资源协调、项目管理。
资金支持
本研究得到了农业研究发展机构（公共机构）的支持（合同编号：PRP 6705033040）。此外，该研究还得到了清迈大学的部分资助。
James Moran|Pruk Aggarangsi|Asira Bunkham|Itthichai Preechawuttipong
