秸稈資源的收儲運模式及生物質(zhì)燃料化利用分析

李建新

(黑龍江省農(nóng)業(yè)機械工程科學(xué)研究院,哈爾濱 150081)

0 引言

近年來，資源短缺與環(huán)境污染成為了舉世矚目的熱點問題，節(jié)能與環(huán)保的理念深入人們生產(chǎn)生活的方方面面[1]。為加強可再生資源的利用率，我國針對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的秸稈資源加強了回收利用。農(nóng)作物的秸稈富含多種營養(yǎng)成分和能量，是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中的附屬產(chǎn)物，對其進行充分利用能有效改善現(xiàn)階段資源短缺的問題[2]。隨著農(nóng)業(yè)機械化生產(chǎn)的實現(xiàn)，生產(chǎn)過程應(yīng)用的機械設(shè)備逐漸增多，農(nóng)民對于機械化生產(chǎn)的依賴性顯著增強，對于秸稈處理與回收這一新的農(nóng)業(yè)工序，其機械化技術(shù)與設(shè)備近年來也得到了快速發(fā)展，為秸稈的高效收集、存儲、運輸創(chuàng)造了有利條件。與此同時，秸稈收儲運工作的合理開展成為了秸稈高效利用的關(guān)鍵保證，有利于秸稈資源的最佳化利用。

1 秸稈資源價值與利用現(xiàn)狀

1.1 資源價值

農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程產(chǎn)出的作物秸稈中含有大量氮、磷、鉀營養(yǎng)元素和鈣、鎂等微量元素，以及蛋白質(zhì)、纖維素等有機質(zhì)，是具有極高利用價值的可再生生物質(zhì)資源。秸稈資源的高效利用能夠緩解農(nóng)業(yè)肥料、畜牧業(yè)飼料、生活生產(chǎn)能源緊缺等一系列問題，并降低傳統(tǒng)秸稈利用不當(dāng)造成的焚燒污染和資源浪費，有利于節(jié)能與環(huán)保工作的雙重提升。秸稈資源是在糧食產(chǎn)出過程中同步產(chǎn)出的附屬資源，不同農(nóng)作物的秸稈產(chǎn)出比例各不相同，草谷比作為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中統(tǒng)計的常用系數(shù)，是農(nóng)作物秸稈的發(fā)生量與作物產(chǎn)量之間的比例，可在一定程度體現(xiàn)秸稈資源的產(chǎn)出量，圖1所示為主要糧食作物和部分經(jīng)濟作物的平均草谷比情況，可見秸稈的產(chǎn)出十分豐富。以黑龍江省為例，截至2021年底，黑龍江省農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中對秸稈資源的利用率已達90%，秸稈不合理焚燒問題得到徹底控制，農(nóng)民對于秸稈回收利用的重要性認(rèn)識更為深刻，秸稈利用不僅解決了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)秸稈處理難的問題，同時還提高了農(nóng)民的經(jīng)濟收入[3]。

圖1 主要糧食作物及部分經(jīng)濟作物平均草谷比

1.2 利用現(xiàn)狀

隨著秸稈利用和秸稈禁燒政策的深入實施，我國各地區(qū)的秸稈資源利用率持續(xù)提升，與秸稈回收利用相關(guān)的打捆機、粉碎機、撿拾機、深加工機械的應(yīng)用量持續(xù)提升，秸稈資源的利用體系逐步建立。從2021年的利用情況看，秸稈的肥料化、飼料化、能源化利用是主流的利用方向，占秸稈資源利用的80%以上，與此同時，秸稈的基料化、原料化利用工作也實現(xiàn)良好開展，秸稈利用呈現(xiàn)“五化利用”特征[4]。

從傳統(tǒng)的利用思路看，秸稈粉碎還田是最簡單、最直接的利用方式，但對于草谷比偏高的農(nóng)作物，并不能完全進行粉碎還田，以免還田量過大影響后續(xù)生產(chǎn)。因此，在將適量秸稈用于直接還田或免耕播種使用后，必須將多余的秸稈有效收集并離田利用。離田后秸稈利用的主流方向包括三大方面，一是用作燃料，包括直接燃燒、制作秸稈炭、制作酒精、制作沼氣等形式，能夠滿足不同環(huán)境的燃料供給需求，且易于就近利用，同時，近年來，秸稈專用的發(fā)電廠、供熱企業(yè)逐漸增多，使秸稈的批量化利用能力顯著增強；二是用作肥料，秸稈直接還田腐化成肥的速度緩慢，不利于快速利用，將秸稈集中進行堆肥，通過加入促進腐化的有益菌、動物糞便等物質(zhì)，能夠在密閉環(huán)境中實現(xiàn)快速腐化，制作成為綠色的有機肥料，將其應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)不僅能提高土壤肥力，還能提高有機質(zhì)含量；三是用作飼料，包括直接飼喂、粉碎飼喂、發(fā)酵處理和制造成品飼料四種方式，根據(jù)農(nóng)作物秸稈種類的不同，部分農(nóng)作物秸稈并不適合直接飼喂，需經(jīng)過一定的處理使作物秸稈更易于牲畜消化吸收，粉碎是最簡單的方式，但由于適口性差，因此，多采用膨化、氨化、青貯、壓塊、發(fā)酵等形式提高適口性，并適當(dāng)改善秸稈飼料的營養(yǎng)價值。此外，將秸稈粉碎后用于造紙、替代木質(zhì)原料、生活用品制造、生產(chǎn)食用菌等方式也逐漸增多，使秸稈利用方式進一步趨于多元化。

2 秸稈的收儲運難點

2.1 秸稈收集的難點

近年來，隨著農(nóng)業(yè)機械化的普及，秸稈收集能夠通過機械設(shè)備實現(xiàn)，但由于不同作物的秸稈特征不同，秸稈收獲機械的適用性也存在一定差異。一方面不同地區(qū)的秸稈回收量不同，導(dǎo)致機具作業(yè)強度和作業(yè)方式存在一定差異；另一方面秸稈的機械化收獲受到生產(chǎn)中地形地貌的影響很大，通常來說平原地區(qū)的機械化回收更容易實施，山地丘陵等地形復(fù)雜耕地回收較難；同時不同的耕作方式、耕地面積的大小對機械收獲秸稈的質(zhì)量與效率也存在較大差異。此外，市場上應(yīng)用的秸稈回收、秸稈粉碎、秸稈打捆等設(shè)備的種類和機型較多，功能各異、品質(zhì)不一，導(dǎo)致農(nóng)民選機用機困難，選購的不合理秸稈回收機械設(shè)備易造成秸稈收獲質(zhì)量不佳、粉碎不合格、打捆密度不足，不利于儲存和運輸。

從農(nóng)民的角度講，秸稈的回收再利用對其經(jīng)濟收益影響較小，每噸秸稈的收購價格僅為150～250元，機械化回收過程還會產(chǎn)生一定支出，導(dǎo)致部分農(nóng)民不愿參與秸稈回收工作。同時，由于農(nóng)民沒有認(rèn)識到秸稈回收再利用的重要意義，也很難從資源利用、環(huán)保低碳的角度出發(fā)去看待秸稈回收利用這一工作，造成了部分地區(qū)秸稈仍采用堆放或焚燒的方式處理。

2.2 秸稈儲存的難點

很多地區(qū)的秸稈在被打捆回收或集中存放后要經(jīng)過一段時間才能被運離田間或被運輸?shù)绞占c，在這一過程中，秸稈在露天環(huán)境中可能因為降水、動物或昆蟲啃食影響其純度和品質(zhì)，造成秸稈被污染或產(chǎn)生局部腐壞問題，影響秸稈的飼料化、原料化和基料化等方面的利用，使秸稈的經(jīng)濟價值受到影響。此外，集中存放的秸稈占用較大的空間，會產(chǎn)生場地費用和管理費用，使秸稈的儲存成本增加。

2.3 秸稈運輸?shù)碾y點

一方面農(nóng)村地區(qū)的鋪裝道路相對狹窄，大型車輛在村屯間行駛存在錯車?yán)щy，調(diào)頭、轉(zhuǎn)彎困難等問題，導(dǎo)致部分地區(qū)僅能通過中小型農(nóng)用運輸車完成秸稈的運輸工作；另一方面，農(nóng)村地區(qū)的設(shè)備設(shè)施缺乏，使秸稈裝車過程相對繁瑣，專用設(shè)備的缺失造成裝車過程人力負(fù)擔(dān)大，無形中造成了運輸成本的上升。

3 秸稈的收儲運合理模式

從現(xiàn)階段農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件和設(shè)備、交通資源情況來看，秸稈從回收處理到被最終利用需要經(jīng)歷較多的步驟，合理的秸稈收儲運模型如圖2所示。其中細(xì)化了收集、存儲、運輸?shù)母鱾€過程，避免了工序冗余，有利于收儲運成本的降低。

圖2 秸稈收儲運工序模型

3.1 秸稈的收獲

秸稈的收獲大體包括三種模式，一是對于地形不良或農(nóng)機化程度較低的地區(qū)，采用人工與小型運輸車配合的方式將收獲后存留于田間的秸稈集中收集，并運送到秸稈存儲站進行集中切割、粉碎、制捆。二是地形條件好的地區(qū)，針對部分收獲機或作物在收獲后秸稈被割斷但沒有被粉碎，可利用小方捆打捆機、大方捆打捆機進行撿拾和打捆，此過程能夠?qū)⒔斩捴苯訅褐瞥蔀殚L方體的秸稈捆，并在制捆后釋放于田間。三是對于大部分農(nóng)作物而言，在機械化收獲過程中可利用收獲機將秸稈直接粉碎成為8～10 cm長的秸稈段，針對散落于田間的粉碎秸稈，可通過大方捆打捆機或圓捆打捆機進行收集制捆，并將制好的秸稈捆釋放于田間。無論哪種收獲方式，在進行收獲前均需要將玉米秸稈進行適當(dāng)晾曬，當(dāng)其中水分含量適宜時，才可進行秸稈收獲作業(yè)。

3.2 秸稈的存儲

秸稈的存儲大體包括兩個過程和三種形式。兩個過程分別為田間存儲過程和集中存儲過程，對于田間直接制捆的秸稈，在進行集中存儲前，應(yīng)注意其水分變化，在含水量適當(dāng)?shù)臈l件下進行集中存儲。秸稈的存儲主要包括露天存儲、覆蓋存儲、密封存儲三種形式，露天存儲是指暴露于自然環(huán)境中的直接存儲；覆蓋存儲是指在秸稈堆垛的上部有防水材料遮擋；密封存儲是指秸稈堆垛整體被塑料等材料完全包裹，并能實現(xiàn)防雨防水，實現(xiàn)與自然界的隔離。不同地區(qū)可選用的秸稈存儲形式各不相同，例如在東北地區(qū)，秸稈的收獲在入冬前實施，秸稈存放過程主要在冬季，寒冷冬季利于秸稈品質(zhì)的保存，常采用露天存儲或覆蓋存儲的形式，而對于南方多雨地區(qū)，為降低雨水對秸稈存放的影響，更適合采用密封存儲的形式存放秸稈。

3.3 秸稈的運輸

秸稈的運輸包括多個過程，首先，是秸稈從田間的運離，由于運輸車輛需要進入田間收集秸稈捆，主要以拖拉機配套拖車廂進行運輸，將秸稈集中運離田間后運送到存儲站；其次，秸稈到達存儲站后還要進行卸車、堆垛和一定時間的存儲；再次，是進行秸稈的大批量運輸與轉(zhuǎn)移，主要工作是將存儲站堆垛的秸稈捆轉(zhuǎn)移到大型運輸貨車上，利用運輸貨車將秸稈運輸?shù)诫姀S、肥料廠、深加工廠進行資源利用與處理。

4 秸稈的燃料化利用

收儲運作為秸稈利用的初期工作，為秸稈資源的深度利用創(chuàng)造了良好的條件，一直以來，秸稈資源都或多或少的作為燃料應(yīng)用于生產(chǎn)生活中，隨著秸稈資源利用的體系化，秸稈燃料化利用也出現(xiàn)了多種形式，其產(chǎn)生的價值可替代多種傳統(tǒng)化石燃料用于生產(chǎn)生活的方方面面。

4.1 固化燃料制造

我國對于秸稈固化燃料制造的技術(shù)研究起步于20世紀(jì)80年代，通過利用高溫高壓、碳化技術(shù)、添加劑技術(shù)將秸稈壓制成為密度較大的固體燃料，使其具有良好的燃燒生熱性能，用以替代木材及煤炭等傳統(tǒng)燃料。近年來，我國秸稈固化燃料的產(chǎn)量持續(xù)增加，固化燃料的應(yīng)用領(lǐng)域從傳統(tǒng)的發(fā)電、供熱、冶煉等領(lǐng)域逐漸向生活用炭方向延伸。

4.2 沼氣制備

秸稈的沼氣制備能產(chǎn)生極大地經(jīng)濟價值，沼氣工程也是“十三五”期間重要的戰(zhàn)略工程任務(wù)，秸稈通過集中密閉的堆漚能夠在腐化的過程中產(chǎn)生大量的可燃性沼氣，為農(nóng)村地區(qū)乃至縣城等地區(qū)提供集中的沼氣供應(yīng)，從而在一定程度上減少天然氣的消耗量。

4.3 直燃發(fā)電

直燃發(fā)電是20世紀(jì)90年代以后的重點研發(fā)項目之一，其優(yōu)勢在于直接利用秸稈燃燒發(fā)電，免去了秸稈固化、制炭等復(fù)雜的工藝過程，隨著相關(guān)技術(shù)的完備，更多秸稈被直燃發(fā)電利用，相關(guān)產(chǎn)業(yè)也實現(xiàn)了快速發(fā)展。

4.4 乙醇制備

隨著乙醇制備技術(shù)的升級，現(xiàn)階段可通過秸稈制取纖維素乙醇，有效替代了傳統(tǒng)的糧食作物制備乙醇的工藝，該技術(shù)也被稱為第二代燃料乙醇制取技術(shù)。與秸稈的其他燃料化技術(shù)相對比，乙醇制備技術(shù)的經(jīng)濟效益更高，我國對纖維素乙醇產(chǎn)業(yè)給予了高度的重視，并投入大量資金、技術(shù)支持產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

5 結(jié)語

隨著我國對農(nóng)作物秸稈利用能力的不斷提升，秸稈利用相關(guān)的上下游產(chǎn)業(yè)得到了快速且合理的發(fā)展，秸稈的收儲運工作作為秸稈資源利用的基礎(chǔ)工作，各地區(qū)必須根據(jù)實際情況合理設(shè)計收儲運模式，從而實現(xiàn)資源最佳化利用與成本的合理控制，進而降低秸稈資源利用的總體成本，提高行業(yè)附加值。