基于GIS模糊层次分析法与技术经济评估的加拿大农业残留物生物精炼厂选址综合框架研究

《Waste Management》：Developing an integrated GIS-based fuzzy AHP and techno-economic assessment framework for agricultural residue-based biorefinery site selection in Canada

　　

研究人员开发了一个集成地理信息系统模糊层次分析法（GIS-based fuzzy AHP）与技术经济评估的框架，用于加拿大农业残留物生物精炼厂选址。具体包括：开发了基于GIS的模糊AHP框架以识别最佳生物精炼厂选址；进行了技术经济评估以确定生物质供应链成本；加拿大的残留物可用量为小麦秸秆1030万、玉米秸秆580万和大麦秸秆190万干吨/年；安大略省西埃尔金（West Elgin）为最优生物精炼厂选址，该设施年处理167万干吨；对于该最优设施，生物质输送成本为98.18美元/干吨，生物油生产成本为1.09美元/升。

**研究背景与问题**
生物质作为一种可再生能源，可用于供热、发电及生产生物燃料，有助于减少导致全球变暖的温室气体（GHG）排放。然而，以玉米、甘蔗等粮食作物为原料的第一代生物燃料引发粮食价格上涨和间接GHG排放等争议。第二代生物燃料以木质纤维素类非粮生物质（如农作物残留物）为原料，可显著降低GHG排放且不影响粮食供应。加拿大是农业大国，年产约9200万吨大田作物，其中小麦、油菜、玉米、大麦和燕麦约占85%，产生大量农业残留物。然而，残留物具有季节性分散、收集运输成本高等特点，且以往研究存在未考虑实际运输距离、未识别生物质源点（BSP）与收集点（BCP）、未结合技术经济评估等不足。为此，研究人员构建了一个集成GIS、模糊层次分析法（FAHP）、位置分配模型与技术经济评估的统一框架，用于加拿大农业残留物快速热解生物精炼厂的选址与成本评估。

**研究内容与总体结论**
该研究量化了加拿大五大作物（小麦、大麦、玉米、燕麦、油菜）近10年（2013—2022年）的可获取残留物量，通过GIS适宜性分析确定了BSP和BCP，利用排除、偏好和网络分析识别了候选及最优生物精炼厂位置，并对快速热解工厂进行了技术经济评估。结果表明，加拿大净秸秆潜力为小麦1030万干吨/年、玉米580万干吨/年、大麦190万干吨/年；共识别686个BCP、1660个候选地点及15个最优设施。最优设施位于安大略省西埃尔金，年处理167万干吨生物质，生物油生产成本为1.09美元/升。该框架可全球适用，为区域生物经济规划和低碳燃料战略提供决策支持。

**主要关键方法**
研究使用了加拿大2022年年度作物清单（30 m×30 m栅格数据）及各省2013—2022年作物产量数据，通过秸秆谷物比（S/G ratio）估算秸秆总量，并扣除土壤保持、动物饲喂垫料、收获机械效率及储运损失等获得净技术潜力。通过GIS排除分析（14项约束）和偏好分析（10项因素，采用模糊层次分析法FAHP确定权重）生成适宜性图，再运用ArcGIS Pro的位置分配功能确定最优BCP和候选设施位置。技术经济模型包含生物质生产、运输和生物油生产成本，使用Morris方法进行全局敏感性分析，并采用蒙特卡洛模拟进行不确定性分析。

**研究结果**
**3.1 加拿大农业生物质可用性**
研究人员基于五大作物估算了加拿大农业残留物的技术潜力。萨斯卡彻温省（SK）小麦秸秆产量最高，为420万干吨/年，阿尔伯塔省（AB）和曼尼托巴省（MB）分别为340万和160万干吨/年；安大略省（ON）玉米秸秆产量最高，为380万干吨/年，魁北克省（QC）为150万干吨/年。研究估算加拿大五大作物总净秸秆潜力为2305万干吨/年。

**3.2 GIS空间分析结果**
排除分析显示约70%的研究区域（主要为森林和水体）被排除，剩余30%可用。偏好分析表明加拿大南部地区偏好值最高，因农业活动、生物质可用性、交通网络和需求中心集中于此。最终适宜性分析识别出1660个候选地点，其中AB、SK、MB、ON、QC和BC分别为419、609、223、219、186和4个。

**3.3 加拿大最优生物精炼厂选址**
通过位置分配分析，研究确定了15个最优设施，其中11个位于草原省份。最优设施1位于安大略省西埃尔金，年产能167万干吨，连接37个BCP，平均生物质输送成本为98美元/干吨（15个设施平均为104.62美元/干吨）。生物油生产成本为1.09美元/升，平均为1.16美元/升（范围1.09—1.23美元/升）。总成本中，年运营成本占比最高（约48%），其次为年化项目投资（18%）、原料制备（17%）、运输（9%）和公用事业（7%）。

**3.5 敏感性和不确定性分析**
Morris敏感性分析显示，年生物油产量对单位生物油生产成本影响最大，其次为年运营成本、公用事业成本和年化项目投资。基于蒙特卡洛模拟的不确定性分析表明，最优设施（西埃尔金）的生物油生产成本为1.09±0.13美元/升。

**讨论与结论**
与文献相比，本研究获得的生物油生产成本在合理范围内，且更全面地考虑了空间生物质可用性、实际运输距离和设施规模。研究人员还估算了最优设施每年可生产约5.44亿升生物油，对应约11.75 PJ/年能量，若替代天然气可避免约66万吨CO₂排放，相当于安大略省年GHG排放量的0.42%。研究局限性包括未考虑市场波动、农民供应意愿及跨省生物质流动等。结论部分强调，该综合框架可支持区域生物经济规划、低碳燃料战略、基础设施投资和残留物供应链发展，为政策制定者及利益相关者提供有价值的空间决策信息。