農(nóng)作物秸稈的綜合利用與可持續(xù)發(fā)展

王丹丹

(周口科技職業(yè)學院,河南 周口 466000)

0 引言

近年來,專家學者致力于推進農(nóng)機裝備水平提升的同時,亦對農(nóng)作物的利用價值進行了不斷創(chuàng)新。例如,利用大數(shù)據(jù)機理對我國的農(nóng)作物秸稈分布狀況進行分析、根據(jù)不同地區(qū)的不同特性采用各異的秸稈綜合處理方式等,均取得了顯著成效,包含秸稈還田、 燃料化、飼料化等。其中,秸稈還田在充分利用秸稈養(yǎng)分及增加土壤墑情方面具有很好的效果,筆者擬在當前農(nóng)作物綜合利用技術基礎上,對其可持續(xù)發(fā)展性進行深入探討。

1 秸稈綜合利用概述

農(nóng)作物秸稈是一種可加工為生物質的原材料,在農(nóng)業(yè)生態(tài)資源結構多元化的條件下,充分考慮循環(huán)農(nóng)業(yè)、生態(tài)農(nóng)業(yè)與低碳經(jīng)濟之間的關系,以可持續(xù)發(fā)展為中心、農(nóng)作物秸稈的組成元素種類及含量為研究出發(fā)點,使其最大限度地回歸土壤,具有很好的經(jīng)濟價值。查閱資料可知,東北、華中地區(qū)因農(nóng)作物產(chǎn)量豐富,其秸稈的綜合利用潛力巨大,表1為某市常見農(nóng)作物秸稈在一定的樣方比例下產(chǎn)量與綜合利用量統(tǒng)計情況。由表1可知：常見的農(nóng)作物如小麥、玉米、大豆等在選擇合適的秸稈粉碎還田裝置或秸稈打捆回收裝置的條件下,其綜合利用率可達75%以上,且有一定的提升利用空間。

表1 某市常見農(nóng)作物秸稈產(chǎn)量與綜合利用量統(tǒng)計Table 1 Statistics of straw yield and comprehensive utilization of common crops in a city

農(nóng)作物秸稈還田的作業(yè)機理可概述為：利用秸稈粉碎還田裝置或者秸稈滅茬旋耕聯(lián)合整地機,將秸稈進行機械粉碎、均勻拋灑。其中,旋切刀片的材質決定秸稈粉碎的質量,設置50～100mm不等的留茬高度,并進行合理的秸稈還田農(nóng)機裝備參數(shù)選型(見表2),在足夠的配置動力供應下,實現(xiàn)玉米、小麥等秸稈的高效率粉碎還田,可有效增加待種植土壤的養(yǎng)分與水分。

表2 用于農(nóng)作物秸稈還田的主要農(nóng)機裝備參數(shù)選型Table 2 Parameter selection of main agricultural machinery and equipment for crop straw returning

2 秸稈綜合利用技術

2.1 秸稈特性與可持續(xù)發(fā)展

農(nóng)作物秸稈在進行回收與粉碎的過程中,與粉碎還田裝置進行相互作用,表現(xiàn)出其基本的力學特性,包含拉伸、剪切、應力松弛等,以圓形區(qū)域為設定規(guī)則,得到秸稈綜合回收利用量估算模型為

(1)

式中R—農(nóng)作物秸稈的回收半徑(m);

M—農(nóng)作物秸稈年回收量(kg);

M0—農(nóng)作物秸稈單位面積產(chǎn)量(kg/m2);

α—農(nóng)作物種植面積比例(%);

β—農(nóng)作物秸稈可綜合利用比例(%)。

以當前農(nóng)作物秸稈綜合利用循環(huán)(見圖1)為參照,基于秸稈多元化綜合利用準則,進一步得到肥料化與能源化利用潛力量化模型為

圖1 農(nóng)作物秸稈綜合利用簡易循環(huán)圖Fig.1 Schematic diagram of the circular comprehensive utilization of the crop straw

(2)

式中PF—農(nóng)作物秸稈肥料化利用潛力(萬t);

PK(i,j)—農(nóng)作物i秸稈在j地區(qū)的可回收利用量(萬t);

Fj—j地區(qū)農(nóng)作物秸稈肥料化利用比例(%);

PY—農(nóng)作物秸稈能源化利用潛力(萬t);

Py(i,j) —農(nóng)作物i秸稈在j地區(qū)的能源化利用量(萬t)。

科學量化融入可持續(xù)發(fā)展理念,劃分可持續(xù)性發(fā)展為差、中等、好3個等級,得到

(3)

式中 (LC-ESI)—農(nóng)作物秸稈生命周期可持續(xù)發(fā)展系數(shù);

(LC-EYR)—農(nóng)作物秸稈生命周期能值產(chǎn)出率;

(LC-ELR)—農(nóng)作物秸稈生命周期環(huán)境負載率。

2.2 農(nóng)作物秸稈主要利用技術分析

基于上述農(nóng)作物秸稈可持續(xù)發(fā)展劃分模型,對秸稈的主要利用技術展開分析。設計如圖2所示的農(nóng)作物秸稈分儲運方式,農(nóng)田秸稈在人工收集和機械裝備收集兩種方式下進行,后續(xù)中轉后到達農(nóng)作物秸稈處理廠進行深度處理與能源轉化,最大限度地獲取更多的秸稈量是分存儲目標。

圖2 農(nóng)作物秸稈分儲運技術設計Fig.2 Technical design of crop straw separate storage and transportation

針對農(nóng)作物秸稈應用于沼氣供應領域進行分析,通過生物質轉化的方式將秸稈進行綜合處理。圖3為秸稈收集后供應沼氣發(fā)酵,進而送至管網(wǎng)用戶的生產(chǎn)模式。該模式下形成CO、氫氣、甲烷等可燃氣體,用于農(nóng)村生產(chǎn)與生活中,清潔環(huán)保與節(jié)能效果明顯。

圖3 農(nóng)作物秸稈應用于沼氣供應的生產(chǎn)模式Fig.3 Production mode of application of crop straw in the biogas supply

農(nóng)作物秸稈處理方式被不斷嘗試更新,其中秸稈飼料化技術處理應用(見圖4)成為新的發(fā)展趨向,在集成利用技術的驅動下,秸稈轉化基于物理、化學、生物等進行多樣化展開,尤其是青貯酶解與氨化轉化等,經(jīng)處理后的秸稈可體現(xiàn)高值化的利用效能。

圖4 農(nóng)作物秸稈飼料化技術處理應用Fig.4 Feed technology processing application of the crop straw

熱電聯(lián)產(chǎn)、熱解聯(lián)產(chǎn)可實現(xiàn)農(nóng)作物秸稈的清潔化供暖,主要工藝流程如圖5所示。由圖5可知：以秸稈供熱取代燃煤供熱,熱效率一定程度上可增加60%左右,可實現(xiàn)分區(qū)塊、分用戶、集中模式,以能量梯級利用為可控基點,有利于秸稈綜合效率提高。

圖5 農(nóng)作物秸稈熱解聯(lián)產(chǎn)用于供暖的工藝流程Fig.5 Process flow of pyrolysis co-production of the crop straw for the supply heating

2.3 秸稈利用可持續(xù)發(fā)展方向

農(nóng)作物秸稈利用的可持續(xù)性采用產(chǎn)品全生命周期評價的方法進行：采用先進的固化成型壓縮技術,打包成不同形狀規(guī)格的秸稈后用于多樣性的工序處理場合,并依據(jù)農(nóng)作物秸稈綜合利用的可持續(xù)化機理(見圖6),以農(nóng)作物秸稈作為本系統(tǒng),周邊分布其他系統(tǒng)與基本流信息,核心在于秸稈綜合利用過程中生產(chǎn)的產(chǎn)品與副產(chǎn)品的專門處置,從而實現(xiàn)資源循環(huán)利用價值。根據(jù)利用原理歸類后列出農(nóng)作物秸稈綜合利用與可持續(xù)發(fā)展相關技術應用場合(見表3),包含基料栽培食用菌、養(yǎng)殖花卉、植物纖維地膜等新型綜合利用技術,具有良好的應用前景。

圖6 農(nóng)作物秸稈綜合利用的可持續(xù)化機理Fig.6 Sustainable mechanism of comprehensive utilization of crop straw

表3 農(nóng)作物秸稈綜合利用與可持續(xù)發(fā)展相關技術應用場合Table 3 Application occasions of technologies related to comprehensive utilization and sustainable development of crops straw

根據(jù)如上論述,農(nóng)作物秸稈綜合利用的可持續(xù)發(fā)展可朝著如下方向進行：

1) 深入了解不同農(nóng)作物秸稈的自身特點與力學特性,設計優(yōu)化更為科學合理的秸稈粉碎還田裝置或秸稈回收裝置。

2) 不斷投入新材料,減少機械裝置的故障因素,最大限度提高作業(yè)效率。

3) 將秸稈深入應用于不同生產(chǎn)、生活領域,發(fā)揮農(nóng)作物秸稈的能源價值。

4) 為農(nóng)作物秸稈綜合利用與可持續(xù)發(fā)展研究提供經(jīng)濟支持與硬件環(huán)境,對成果積極推廣應用,在實踐中不斷更新完善。

3 農(nóng)作物秸稈綜合利用典型試驗

3.1 條件設置

在保證秸稈分解速率、土壤呼吸及試驗地氣象條件一致的基礎上,進行農(nóng)作物秸稈綜合利用典型試驗,試驗周期為1年,設定條件：①秸稈粉碎處理裝置剪切力一致,變換不同的粉碎還田方式;②秸稈粉碎處理裝置配置合理的刀具和刀軸轉速;③秸稈收集后在不同的綜合利用方式下監(jiān)控利用效果。

3.2 過程分析

以50mm作為長短秸稈處理的分界點,以1mm作為粉碎后秸稈長度值,進行20mm厚度的秸稈粉碎還田,得到不同還田方式下的農(nóng)作物秸稈綜合利用效果對比,如表4所示。由表4可知：5種還田方式下的秸稈粉碎合格率和秸稈綜合利用潛力均控制在85%以上,且經(jīng)過氨化與硫酸鈣翻壓后的秸稈還田綜合利用潛力達96.8%,是秸稈循環(huán)利用較好的還田方式。

表4 農(nóng)作物秸稈不同還田方式下的綜合利用效果對比Table 4 Comparison of comprehensive utilization effect of crop straw under different returning methods %

將粉碎后的農(nóng)作物秸稈分別用于發(fā)電、堆積、飼料化、基質燃料等,得到農(nóng)作物秸稈不同綜合利用方式的效果對比,如表5所示。由表5可知：不同利用方式存在不同的利弊,秸稈發(fā)電是一種環(huán)保性很強的利用方式,但設備需要定期維修,而新興的基質燃料則需要按年度進行,投入成本較高,堆積成本低但是數(shù)量有限,秸稈供暖兼具處理量大和經(jīng)濟社會效率良好的優(yōu)勢,值得推廣。

表5 農(nóng)作物秸稈不同綜合利用方式的效果對比Table 5 Effect comparisons of different comprehensive utilization methods of crop straw

4 結論

1) 通過對農(nóng)作物秸稈綜合利用技術進行概述,以產(chǎn)品的全生命周期評價方法為基礎,建立秸稈綜合利用量化指標控制模型與可持續(xù)發(fā)展判定標準,進行農(nóng)作物秸稈綜合利用闡述和主要技術分析,明確秸稈可持續(xù)發(fā)展的方向。

2) 進行農(nóng)作物綜合利用典型試驗,結果表明：秸稈選擇氨化硫酸鈣翻壓的還田方式,綜合潛力可發(fā)揮至95%以上;秸稈供暖較其他綜合利用方式而言優(yōu)勢明顯,可產(chǎn)生良好的經(jīng)濟社會價值,對我國農(nóng)業(yè)能源的循環(huán)利用有較強的指導意義。