新疆巴音郭楞蒙古族自治州棉稈產業化能源燃料生產研究

徐浩 蔡玲松

摘要：新疆和巴音郭楞蒙古族自治州地區是棉花生產大區，棉花種植規模大、產量高、質量好，為當地經濟發展和居民生活水平的提高作出了重要貢獻。棉花生產附帶產生的棉稈體量非常龐大，對棉稈進行資源化利用就顯得十分重要。傳統的棉稈利用和處理方式不僅造成棉稈資源的大量浪費、影響農村婦女的身體健康，還會誘發嚴重的環境污染。文章根據巴州地區棉花種植面積大的特點，對棉花秸稈的總體產量及其能源轉換和產業化利用方式進行了研究，給出了能源轉換和產業化利用的主要內容，同時給出了產業基地選擇的原理和途徑，能夠為其他地區棉稈的利用提供參考。

關鍵詞：秸稈產量；能源轉換；生產基地；產業化利用

中圖分類號：F3文獻標志碼：A

0引言

巴音郭楞蒙古族自治州（以下簡稱“巴州”）不僅是新疆地區重要經濟生產基地，也是我國重要的棉花生產基地。棉花產業剛性需求多，是提高農民生活水平、保證就業和振興農村的重要經濟支柱和物質基礎。巴州棉花產量高、質量好，也是長絨棉主產區。2022年，巴州357萬畝棉花總產量約為140萬噸，其中皮棉50萬噸以上，畝產約為500千克，相比2021年增加了50千克左右［1］。雖然2023年新疆整體棉花種植面積相比2022年減少近35萬畝，但已然達到3718萬畝的種植規模。多年來，巴州棉花產值約占全州地方總產值的10%、一產產值的60％。伴隨大規模棉花產量產生了大量棉花秸稈，這是重要的可利用資源，具有較高利用價值。棉稈主要由纖維素、半纖維素、木質素和其他物質組成，約占其質量的60%、20%、10%、10%，可用于生產能源、肥料和紙漿，具有多重經濟和社會效益。但由于棉稈加工成本高，約束了其資源化利用率。本研究提出秸稈的規模產業化利用，具有多重現實意義，首先改變了傳統秸稈焚燒或填埋的處理方式，減少空氣、土地和地下水的污染，有效減少爐灶燃燒秸稈對農村婦女身體影響，減少農村呼吸道疾病。作為能源或化肥產品節約了能源和原材料，秸稈化肥大幅度減少了土壤污染，產生了較大的經濟和環境效益。本研究具有顯著的創新性，改變了小規模高成本的利用方式，提出跨縣域建設生產基地，采用大規模加工方式、有效降低加工成本，為秸稈產品推廣使用開拓途徑，能源和化肥等產品具有區域特色，有望成為當地綠色產品。本文的研究還存在一定的不足之處，棉稈生產規模的建設階段性劃分、生產設備的匹配性選擇以及生產基地的生活環境建設等問題仍需研究，這些問題將在后續研究中不斷完善和逐步應用。

長期以來，學者就棉稈的資源化和規?；米髁舜罅垦芯?，大多數學者重點研究了棉稈利用途徑及其產品，對棉稈利用具有重要參考價值［2-4］；部分學者重點研究了棉花產量的提高方法，對提高棉花產量很重要［5］；也有學者就棉稈利用過程的生物特征進行了研究，從科學角度論證棉稈多元利用可行性［6］，為棉稈資源化利用提供了參考。還有學者對新疆棉花產業的貿易問題進行了探討，這些探討為本文提供了寶貴的參照資料。眾多研究者亦深入分析了棉稈資源綜合利用的相關設備技術［7］，也有學者對棉稈還田技術、燃料轉換和秸稈草磚進行了研究。本研究在參考學者研究的基礎上，認為棉稈的產業化為基礎的規?；檬种匾?，可降低成本，也能夠實現產品規?；a，是利用棉稈的有效途徑，具有減少環境負荷、保證棉花產業可持續發展的多重功能。

1巴州棉花產業生產態勢分析

1.1巴州棉花栽培面積及其秸稈產量

巴州擁有充沛的棉花資源，生產1噸的棉花就會產生2.7噸的棉稈，隨著棉花產量的逐年增長，棉稈的產量也成倍增加。棉稈產量的變化如圖1所示，數據來源于巴州2021年統計年鑒。

從圖1可以看出，2010—2020年間，巴州的棉花總產量從369704噸攀升至627420噸，而棉稈的總產量則從998201噸躍升至1694034噸。這一趨勢表明，巴州的棉花和棉稈產量總體呈現增長態勢，尤其到2019年時，棉稈產量已超過1600000噸。然而，據統計，有大約40%的棉稈未能得到有效利用，當前僅有60%～70%的棉稈被回收使用，剩余的30%～40% 未被利用，大都通過焚燒或填埋的方式處理，這給環境造成了一定程度的污染。由于未利用的棉稈從399280噸增加至677614噸，未經處理的棉稈量的增加也導致環境污染問題日益加劇。

1.2巴州傳統棉稈處理現狀

在巴州部分地區，傳統的棉稈處理方式依舊較為落后，主要是直接燃燒或者用作還田肥料。直接燃燒會釋放有害氣體和顆粒物，不僅污染環境，還可能損害人類的身心健康。將棉稈粉碎后還田可以增加土壤肥力，但這個過程需要妥善處理，否則可能對土壤造成傷害。實際上，棉稈不宜直接還田，因為棉稈中可能攜帶病原菌和害蟲，這些病原菌一旦被埋入土壤，可能會引起作物的疾病。此外，如果棉稈處理不夠細致，太多的棉稈不易分解，可能會影響作物的發芽和生根。棉稈的存在還可能威脅到勞作人員的安全，增加受傷的風險，由于棉稈含有較多的蠟質，還田后也不容易分解，會進一步對土壤造成傷害。

2巴州棉花秸稈的環境與經濟效應

2.1棉稈環境外部效應

目前，家庭通常將棉花秸稈作為燃料直接燃燒使用，同時也有部分通過露天燃燒的方式來處理這些秸稈。考慮到將棉花秸稈還田需要經過粉碎等加工步驟，而這些步驟需要一定的成本，因此，大多數棉花秸稈被選擇直接燃燒處理，其中包括家庭使用和露天焚燒兩種方式。經過計算發現，每燃燒一噸棉花秸稈會釋放出114.7千克的一氧化碳、1261.5千克的二氧化碳、0.85千克的一氧化氮、0.43千克的二氧化氮、1.28千克的氮氧化物以及320千克的固體顆粒物。2010—2020年間，巴州地區因棉花秸稈燃燒導致的主要污染物排放量如表1所示。

根據表1的數據分析，2010—2020年，巴州地區棉花秸稈燃燒對環境造成的外部影響中，一氧化碳、二氧化碳和固體顆粒物的排放量較高，分別為77722噸、854810噸和216836噸。在這10年間，巴州地區由于棉花秸稈焚燒導致的主要污染物排放總量整體呈現上升趨勢，尤其是二氧化碳、固體顆粒物和一氧化碳的增加趨勢尤為顯著，其他主要污染物的排放量增長較為緩慢?？傮w來看，2010—2020年巴州地區環境因棉稈焚燒而產生的主要污染物排放量持續上升，這加劇了當地環境污染，破壞了生態平衡，并對民眾的身心健康造成威脅，影響人們的正常生活。

2.2環境經濟效益綜合評估

根據表1提供的排放數據，可以估算年度棉花秸稈焚燒所產生的環境壓力。修復這些環境壓力所需的最低成本，如表2所示。如果棉花秸稈得到工業化和資源化的有效利用，可以基本上消除這些由焚燒產生的排放物，這意味著能夠節省修復環境的成本，這種節省可轉化為環境經濟效益。本研究將此定義為環境經濟效益，即省去了等額的環境修復費用而節省下來的經濟開銷。不同污染物的環境負擔修復成本各不相同，表2列出了棉稈焚燒主要污染物的單位環境負擔修復成本。

根據表2可知，棉稈焚燒產生的主要污染物的單位環境修復成本分別是一氧化碳1200元/噸、二氧化碳300元/噸、一氧化氮1200元/噸、二氧化氮700元/噸、氮氧化物600元/噸以及固體顆粒物300元/噸。由于巴州各市縣地理位置和水資源條件的差異，棉花產量也存在明顯的差異，進而導致棉稈產量的顯著區別。這些差別也反映在區域棉稈焚燒環境負擔的修復成本上。假設從2010年開始的環境負擔都能通過棉稈的工業化使用得到消除，那么2010—2020年間，巴州各市縣通過棉稈工業化使用而產生的環境經濟效益如表3所示。

分析表3的數據得知，2010—2020年間，巴州各地級市和縣在棉花秸稈產業化利用方面獲得了顯著的環境經濟收益，其中庫爾勒市、輪臺縣、尉犁縣和所屬農場的平均環境經濟效益尤為突出。假設從2020年開始，這些地區每年能夠維持當前的棉花產量并持續進行棉稈產業化利用，它們的年環境經濟效益分別能達到9881萬元、9160萬元、11546萬元和7709萬元，總計接近4億元。這一數據充分展現了棉稈產業化利用的顯著環境經濟效益，并凸顯了其重要性。趨勢圖的分析也揭示了2010—2020年間，巴州各市縣因棉稈焚燒造成的環境負擔隨之增加，經濟效益隨之提高，尤其是庫爾勒市、輪臺縣、尉犁縣和直屬農場的增長尤為明顯，而其他縣的發展則較為穩定。由此可見，在2010—2020年間，庫爾勒市、輪臺縣、尉犁縣和直屬農場因棉稈焚燒帶來的環境負荷修復成本相對較高，其他縣則較低。這表明上述4個地區面臨的污染問題較為嚴重，環境修復的問題亦非常突出。

3家庭能源燃料產品與廠址選擇

從當地水資源和生態環境情況分析，為了使巴州的棉花種植業持續發展，必須著手解決由棉稈造成的環境污染問題。其優化途徑就是實現棉稈產品的產業化生產，需要根據棉花產地分布確定經濟性廠址。考慮到棉稈產品種類較多，例如；造紙和飼料相關產品，但造紙和飼料以及生物等產品都需要消耗大量水資源。巴州水資源相對匱乏，需要選擇水資源消耗較少的產品，而家庭能源燃料是耗水量最少的產品。鑒于新疆的能源資源如煤炭在地區間分布極不平衡，這些關鍵能源主要集中在新疆的北部和東部地區，而位于南部的巴州地區則煤炭資源較為稀缺。故本研究決定以此為棉稈主導產品。

3.1家庭能源燃料產品

作為一種關鍵的生物能源，棉稈在能量轉化上具有顯著的效益。2噸棉稈產生的能量相當于1噸標準煤的熱量。在巴州推行棉稈的能源化應用能夠大幅度降低對初級能源的依賴，并且帶來明顯的環保效益。用于棉稈能源產品生產設備的制造廠家較多，可以根據巴州各行政區棉稈產量和用水量以及銷售市場等重要指標加以選擇。例如：選用河北省名宏新能源有限公司生產的，主要用于農村大棚蔬菜取暖和家庭庭院等場合的燃料產品，設備生產量可根據當地市場需求量確定。

建議初期投入的高溫壓塊設備，設備年加工量可按需制定，例如單機年加工量20萬噸，按照巴州2020年棉稈169萬噸計算，可選用9臺同類型設備，每月總加工量約14萬噸，可全年生產。該產品的生產成本相對較低，預期具有一定的市場價格競爭力，加上國家的補貼政策，當地農民家庭也能夠消費使用。棉稈的具體產量可以根據市場需求確定，在市場需求比較平穩情況下，可以根據水資源豐沛程度和棉花生產季節的具體情況確定產量。從釋放的熱值量考慮，棉稈燃料與標準煤形成2∶1的關系、即兩噸棉稈燃料相當于1噸標準煤或1.4噸原煤。水資源和棉花生產期的建議產量如表4所示，其中棉花產量選用2020年產量，棉稈原料生產設備選用河北省名宏新能源有限公司設備9臺，每臺年產量約20萬噸。

表4中年初3個月屬于枯水期，秸稈燃料以滿足家庭和蔬菜大鵬取暖為主，可減少生產量，四月至八月雪融水逐步增加，可逐步增加產量，九月至十二月棉花生產期，十一月和十二月水資源逐步減少，但棉稈大量回收仍需要滿負荷生產，在此條件下年加工總量約為169萬噸，可基本滿足理論秸稈量的加工。

3.2棉稈產品生產廠址的選擇

棉花秸稈的生產基地的選址要遵循戰略性原則、社會效應原則、交通便利原則、綠色生態原則和水土資源原則等。按照棉花產量規模大小，優先選擇棉花產量較大和交通便捷水資源充沛的地區進行候選評估。首先以棉花產量較大地區為參考，以標準分數進行選擇，2020年巴州各行政區棉花產量的標準分數結果如表5所示，計算數據說明，庫爾勒市、輪臺縣和尉犁縣是主要產棉區，廠址應盡量靠近這3個地區以節約交通成本，因此，以庫爾勒市和尉犁縣連線中間段為第一候選廠址，以庫爾勒市和輪臺縣連線中間段為第二候選廠址，以庫爾勒市和兵團第二師連線中間段作為第三候選廠址。

從交通費用分析，以庫爾勒為參考，庫爾勒市和尉犁縣連線，中間有約46千米的距離，輪臺縣和庫爾勒之間相距約189千米，庫爾勒市和兵團第二師相距約109千米；以最低成本費用來確定候選區域的交通成本。綜合比較和分析新疆地區貨車運輸成本數據、新疆貨車司機工資基本價位數據、2020年新疆巴州油價價目數據，并以此為基礎結合3個候選區域交通距離，建立最低棉花秸稈和秸稈產品運輸成本經濟模型。這里擬選擇棉稈和棉花運輸常用的二類貨車（車長6米，總質量4.5噸）、司機工資選擇占比較大的8000元/月，油價選擇0號標準（以滿箱油200升為參考），這里不暫且考慮上下貨物的裝卸費用和車輛磨損維修費，在上述條件下、建立運輸成本經濟模型如下：