耦合我国现存石油输炼装备的高品质生物碳氢燃料供应链优化与仿真研究

In recent years a heavy pollution haze covers most parts of China, disrupting traffic, making residents sick, and affecting the ecological environment and climate change. Crop burning is a major contributor to the haze based on statistical data. In order to increase utilization and reduce field burning of crop straws, it is significant to produce advanced hydrocarbon biofuel (AHB) using crop straws. However, high production cost has restricted the development of biofuel industry. This study integrates mathematical models, simulation based optimization, and the derivation algorithms to conduct an exploratory research about AHB supply chain. It considers both the upstream of biomass harvesting, transport and storage, and the downstream of integrating existing petroleum refineries. A life cycle optimization frame scheme is proposed that integrates a multi-objective mixed integer nonlinear programming (MINLP) model with life cycle assessment. In order to address the two contradictory objectives, epsilon-constraint method is employed and the final result is demonstrated in a Pareto curve which reveals the tradeoffs among different optimal points under both economic and environmental objectives. Additionally, based on interactions between the optimization and the simulation models, a detailed strategic and operational supply chain planning is provided, which forms theoretical basis and technical support for AHB production in China.

近年来我国大范围雾霾天气频发，对能见度、人体健康、生态环境和气候变化产生重要影响，据统计农作物秸秆燃料是造成雾霾天气的主要因素之一，为了提高秸秆综合利用水平，减少露天燃烧，以秸秆为原料发展高品质生物碳氢燃料具有重要意义，然而高成本一直是制约生物燃料工业化生产的瓶颈。针对这些问题，本项目采用数学模型建立、模型算法推导与仿真验证相结合的方法，对高品质生物碳氢燃料进行定量探索性研究。考虑上游生物质原料的收储运体系、下游与现存石油输送和炼化装备的耦合，建立一个集成生命周期评价和混合整数非线性规划的多目标多周期优化模型，采用ε-限制法进行求解，通过帕累托曲线揭示不同最优点多目标之间的折中关系。并通过与仿真模型之间的交互，反复模拟仿真实现整个供应链战略、战术、操作层面的详尽计划信息，为我国生物燃料发展提供理论基础和技术支持。

近年来我国大范围雾霾天气频发，对能见度、人体健康、生态环境和气候变化产生重要影响，据统计农作物秸秆燃料是造成雾霾天气的主要因素之一，为了提高秸秆综合利用水平，减少露天燃烧，以秸秆为原料发展生物燃料具有重要意义，然而高成本一直是制约生物燃料工业化生产的瓶颈。针对这些问题，本项目采用实地考察、调查问卷、数据搜集、数学建模等相结合的研究方法，以北京市为例，对以秸秆为原料的高品质生物碳氢燃料进行了定量探索性研究。首先收集了北京市主要农作物年度播种面积及产量的相关数据，并建立农作物播种面积及产量与秸秆产量之间的转化关系，运用多种预测方法对可用秸秆资源潜力进行了评估；其次考虑生物质原料的收储运体系，建立了基于GIS地理信息系统和优化方法的生物燃料供应链模型，并引入混合交通模式，采用ArcGIS软件平台进行空间数据分析，采用LINGO软件平台进行编程，并使用CPLEX求解器进行了求解，以及对影响结果较大的重要参数进行了敏感性分析；最后，利用生命周期评价方法对生物原料收储运系统进行了环境（包括能耗和GHG排放）评价。通过本项目的研究，提高了生物燃料项目的经济性，在降低生产成本的同时，还减少了对环境的影响，促进我国农村生物质能可持续发展的目标。

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