基于价值工程理论的非洲糖厂剩余蔗渣利用方案探讨

2023-06-23赵圆方

农业技术与装备 2023年4期

赵圆方

（中轻国际经济合作有限公司，北京 100102）

蔗渣的主要成分包括纤维素、半纤维素、木质素以及水分、抽取物等其他成分[1]。由于糖厂本身就需要大量的电能和蒸汽，本着循环利用的原则，世界范围内大部分糖厂产出的蔗渣主要用于发电和生产蒸汽，并以热电联产的方式直接供给糖厂，相较于化石能源发电，蔗渣发电具有不含硫、灰分少、成本低等优点[2]。在糖厂提高生产能力的条件下，如果不充分使用多余蔗渣，造成燃料浪费，占用蔗渣堆蔗，造成极大的安全隐患。除了用于发电，蔗渣还可用于制作饲料、造纸、制作压缩材料、作为有机肥还田及生产沼气等，从而为糖厂提供额外收益。因此，蔗渣的高效利用能够提高糖厂收益，降低糖厂运营成本，本文将结合马里某糖厂在实际运营中对蔗渣利用的情况探讨糖厂蔗渣高效利用的问题，为在非洲自然环境和经济条件下的蔗渣高值化、最大化利用作出参考。

1 西非马里糖厂蔗渣利用情况概述

西非某糖厂（下称糖厂）厂址位于马里共和国（下称马里），地理位置在北纬13°49′，西经6°8′，属热带草原气候，光资源非常丰富、温度适宜、日照长，适应甘蔗生长。

本糖厂剩余蔗渣中纤维分平均按11.5%计，可产生48%～50%水分的蔗渣质量约为甘蔗质量的23%，即压榨1 t甘蔗有230 kg（湿）蔗渣产出（折算为绝干蔗渣115 kg）。马里该糖厂蔗渣成分按近三年榨季平均值分析见表1。

表1 马里某糖厂蔗渣成分分析Tab.1 Composition analysis of bagasse in a sugar factory in Mali

糖厂产出的蔗渣，首先将作为燃料供自身工厂用电、用气。该糖厂现有供电系统为孤网，在榨季（12 月—次年4 月）通过采用汽轮机燃烧蔗渣供全厂用电及用气，在停榨后将继续使用蔗渣发电。实际运营数据显示，蔗渣用于发电后，剩余可利用蔗渣约为25%。未来随着糖厂甘蔗种植规模的扩大，蔗渣产量有望逐年上升，本文按未来剩余蔗渣突破20×104t考虑。

2 蔗渣综合利用方式

甘蔗渣作为一种生物质原料统一由压榨车间皮带运送到蔗渣堆场，来源集中且收集方式简单，节省大量原料收集成本；蔗渣成分稳定，适用于产业化以及规模化生产[3]。

2.1 蔗渣饲料开发

近几年，马里农业已进入新的发展阶段，畜牧业成为增加当地人民收入和繁荣经济的重要途径。马里国内牧场面积超3 000×104hm2，主要畜牧品种有牛、羊，每年畜牧业产值占国内生产总值的10%左右，牲畜存栏数居西非各国之首。马里畜牧产品出口几乎覆盖西非地区所有国家，并向欧洲出口。2017 年，马里出口活禽畜数量如下：牛28×104头、羊80.6×104只、山羊13.1×104只、鸡19.8×104只。

饲料是畜产品成本的主要构成部分，是发展畜牧业的物质基础，将蔗渣制成饲料是蔗渣综合利用的方向之一。与传统粗饲料相比，甘蔗渣的优点是在饲料短缺的地区具有较高的利用率和较低的成本。特别是在马里当地，牲畜基本靠游牧人民放养，随畜牧业发展，大规模规范性养殖将成为未来发展趋势。此外，多余饲料也可以考虑出口周边国家，带动周边国家畜牧业发展。纯甘蔗渣作饲料也存在缺点，如蔗渣中难以降解的木质素含量高达20%，蛋白含量仅为1.5%～3%，养分不协调，营养价值低；蔗渣作为动物饲料时，有机物消化率只有20%～25%或更低[4]，且蔗渣蔗茎表皮存在硅化细胞，适口性差。实践中，当地牛、羊并不喜食用蔗渣和糖蜜简单搅拌制成的饲料，因此，甘蔗渣相对其他饲料应用还并不广泛。要大规模生产蔗渣饲料，首要解决的问题是提高蔗渣饲料的营养以及适口性。

近年来，已有多项研究致力于通过物理处理、化学处理以及微生物发酵等方法改良蔗渣饲料。其中化学处理中碱处理是降解木质素最有效的方式之一，作用机理是通过皂化作用打断木质素、半纤维素和纤维素之间的化学键，破坏三者结合层，从而提高蔗渣的消化率。而利用微生物发酵处理是近年来的热点之一，相比其他方式效果更好，对环境更加友好。利用微生物发酵不仅可降解木质素，还可通过微生物自身代谢生成有机物营养物质。华中农业大学生命科学技术学院发酵工程室的研究结果表明，通过添加糖蜜并调整发酵工艺，可以提高饲料粗蛋白含量，改善香味，适口性较纯蔗渣大为改观[5]。

2.2 蔗渣作为有机肥还田

该糖厂所在区域土壤本身质地影响着甘蔗产量。土壤质地为砂壤土，有机质含量不足1%，土壤保肥能力差，板结情况严重，且存在大量寸草不生的秃斑地。甘蔗渣外形膨胀通气，具有疏松土壤的功能，还有较为丰富的有机质，可作为有机肥还田。经试验，甘蔗渣作为有机肥还田可有效改善当地土壤板结的现状，并可有效补充有机质，可作为蔗渣综合利用的方向之一。

使用蔗渣作为有机肥还田，虽操作简单、成本较低，但投入产出比还需提高。按0.1 m 的厚度铺设蔗渣，蔗渣密度为100～120 kg/m3，土地需蔗渣100 t/hm2，1.4×104hm2土地需140×104t 蔗渣，蔗渣量20×104t 远远不能满足该需求。因此，只有当蔗渣量足够多且改善土壤需求足够迫切时，采用蔗渣还田才可作为一种有效的综合利用方式。

2.3 蔗渣作为锅炉燃料用于并网售电

马里电力严重短缺，用电普及率仅为36%，绝大部分乡村没有通电，主要供电方式为进口柴油发电。近年来，柴油进口价格波动剧烈，价格攀升。在可再生能源供电方面，马里有3 座水电站，12 座火力发电站，1 座太阳能电站[4]。为避免出现用电高峰期供电不足的情况，马里采取了分时定电价，价格依电力情况而定。即便如此，用电高峰期仍频发断电、限制用电的现象。电力价格高且无法保障足量、稳定供应，对一些工业投资项目在马里国家的落地实施造成了影响。马里政府未来的规划目标是将可再生能源在全国发电能源的比例提高至25%，并在2033年前将农村电气化比例提高至61%。

马里糖厂的蔗渣与中国糖厂相比具有储存成本低、人力成本低、干燥速度快等优势。因此，在该糖厂蔗渣产出量满足自身发电需求后，可根据马里当地实际情况在生产期间通过并网系统向马里国家电网以市场价出售富余电力，有效缓解当前和未来用电紧张的情形。按蔗渣热值和标准煤热值比为1∶3.68 计算，剩余20×104t的蔗渣用于发电可折合标准煤超过5×104t，理论可发电量可超过8 500×104kW/h。因此，根据当地电网需求，在榨季期间糖厂将部分电力用于工厂自身电力消耗；在7 月—10 月的停榨期，电站停止运行，即无电力生产，该糖厂可向电网申请输送部分电力到工厂以补足电力。该种方式以原有糖厂条件为依托，具有较大的盈利能力，并能承受较大的市场变动风险，财务效益较好，在经济上可行，但也存在一定并网难题。由于当地电网系统不成熟，还存在改善或新建并网系统的工作，如需要修建安装与电网连接的升压站并负责输电到交付点的供电工程；糖厂为周期性生产，存在发电电压不稳、发电质量不能保证的情况，制约着蔗渣发电规模化发展；当地存在战争、民间暴乱、恐怖行动、疫情、自然灾害等不可抗力的风险，还有工会组织罢工、工人停工等影响工期的风险因素。

综上所述，在充分规避项目风险的基础上实现盈利，是蔗渣燃料用于并网售电综合利用方式要达到的目标。

2.4 蔗渣制浆造纸

甘蔗皮纤维含量高，中间髓纤维含量低，主要是用甘蔗表皮制浆，蔗髓做燃料。为了降低成本，提高制浆质量，蔗渣进入制浆车间第一道工序是除髓，髓含量大约30%。依此计算，1 t蔗渣可以得0.7 t除髓蔗渣，按照得浆率约50%计算，每1 t浆需绝干除髓蔗渣2 t，折算为已除髓（湿）蔗渣（含水50%）为4 t，折算为未除髓（湿）蔗渣为5.7 t，即1 t 蔗渣浆需要5.7 t蔗渣为原料。因此，按照该糖厂20×104t 蔗渣量计算，生产蔗渣浆量约为3.5×104t/年。

马里糖厂在甘蔗收割季节一般先采用火烧的方式去除甘蔗的枝叶和干枯的部分，经人工砍伐甘蔗，然后通过抓蔗机抓起甘蔗装入运蔗车厢，运往甘蔗储存地点。在上述过程中，火烧甘蔗后产生的灰尘以及甘蔗抓运过程中混入的泥砂不可避免的随着甘蔗进入压榨工序中，并混合滞留在蔗渣中，导致蔗渣含碳量较大，使再造纸漂白工序难度较大。综合考虑非洲市场实际情况，卫生纸在高收入人群中需求量较大，需求首选为卫生纸、包装纸（瓦楞纸）和制作纤维软板。从投资收益方面分析，生产卫生纸每年可生产约3.8×104t，附加值高，收益较好，出厂价格拥有较好的利润空间；但从投资方面分析，制浆厂分三大车间，分别为制浆车间、碱回收车间以及配套的动力车间，还需建设一座污水处理厂，各类所需化辅料均需进口，因此设备投资较大。

3 基于价值工程理论的方案比选

3.1 价值工程理论

价值工程理论是指以功能分析为核心，通过分析方案功能与成本之间的关系，力求以最低的寿命周期成本实现产品的必要功能，从而确定重点改进的功能和成本投入的增减，实现方案价值最大化的研究方法。

其一般形式可表示为：

式中：F——功能指数，即各方案的功能指数总分/三个方案功能指数总分之和；C——成本指数，即各方案的总投资/三个方案的总投资之和；V——价值指数，即各方案的功能指数F/各方案的成本指数C。

V=1 时评价工程的功能比重与成本大致平衡，可以认为此评价工程方案为最佳。

V<1 时评价工程的成本比重大于其功能比重，表明成本偏高，投入较大，可能存在生产工艺落后或者功能冗余的情况。此评价工程方案列为待改进对象，改善方向是降低成本。

V>1 时评价工程的成本比重小于其功能比重，表示成本偏低，不能满足功能的要求，致使功能偏低，此评价工程方案列为待改进对象，改善方向是降低功能水平或增加成本。

为研究在非洲马里特定经济自然条件下蔗渣综合利用的最优方案，拟运用价值工程理论对方案进行优化比选。将技术与经济相结合，通过价值比选，充分挖掘项目潜力。

3.2 比选与优化的3个阶段

引入价值工程对方案进行比选与优化大致分为以下3个阶段。

3.2.1 信息收集

对马里当地自然条件、原材料、经济指标、基础设施、现场地址资料、交通情况等信息进行收集。

3.2.2 功能分析

（1）确定分析对象，提出比选方案。拟选定3个综合利用方案，具体如下。

方案一：蔗渣饲料开发。年产20×104t 饲料项目，预计占地3.33 hm2，建设有原料库、成品库、主生产车间、综合楼，具有3条以上生产线，预计总投资5 000×104元。

方案二：蔗渣作为燃料用于并网售电。糖厂自备电站发电由电力线路输送到新建变电站，通过变电站升压，送至马里电网和周边用电户。该糖厂负责工厂至变电站线路以及变电站的设计、采购及建设，预计总投资6 000×104元。

方案三：蔗渣制浆造纸。年产3.8×104t 生活用纸厂，预计总投资5 500×104元。

（2）确定功能评价指标。此3个方案功能主要体现在：一是销售稳定性，通过判断是否可建立稳定畅通的销售渠道判断该项目产品的市场接受度；二是项目的盈利能力，旨在分析项目是否可获取利润，主要通过投资内部收益率、投资回收率以及偿还债务能力3 项指标来进行判断；三是项目技术成熟度，主要从项目技术可行性、技术在当地的适应性、是否具备掌握操作运行的项目技术人员、属地化员工是否可培训并胜任技术岗位等方面考虑；四是原材料采购和运输难度，主要研判在当地资源条件下，项目所需原材料采购的难易程度，同时也需考虑国际采购的运输时效和费用；五是现金流稳定性，通过流动比率、速动比率等财务指标进行评估；六是对社会贡献度如提高当地就业率，改善当地环境等方面进行评定。

（3）权重的确定。分析研究各项功能指标在项目中的地位和作用，通过专家量化打分以及经验分析法确定功能指标的权重，具体见表2。