新疆巴音郭楞蒙古族自治州棉稈產(chǎn)業(yè)化能源燃料生產(chǎn)研究

徐浩 蔡玲松

摘要：新疆和巴音郭楞蒙古族自治州地區(qū)是棉花生產(chǎn)大區(qū)，棉花種植規(guī)模大、產(chǎn)量高、質(zhì)量好，為當(dāng)?shù)亟?jīng)濟發(fā)展和居民生活水平的提高作出了重要貢獻。棉花生產(chǎn)附帶產(chǎn)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(tǒng)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(nóng)村婦女的身體健康，還會誘發(fā)嚴重的環(huán)境污染。文章根據(jù)巴州地區(qū)棉花種植面積大的特點，對棉花秸稈的總體產(chǎn)量及其能源轉(zhuǎn)換和產(chǎn)業(yè)化利用方式進行了研究，給出了能源轉(zhuǎn)換和產(chǎn)業(yè)化利用的主要內(nèi)容，同時給出了產(chǎn)業(yè)基地選擇的原理和途徑，能夠為其他地區(qū)棉稈的利用提供參考。

關(guān)鍵詞：秸稈產(chǎn)量；能源轉(zhuǎn)換；生產(chǎn)基地；產(chǎn)業(yè)化利用

中圖分類號：F3文獻標(biāo)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(qū)重要經(jīng)濟生產(chǎn)基地，也是我國重要的棉花生產(chǎn)基地。棉花產(chǎn)業(yè)剛性需求多，是提高農(nóng)民生活水平、保證就業(yè)和振興農(nóng)村的重要經(jīng)濟支柱和物質(zhì)基礎(chǔ)。巴州棉花產(chǎn)量高、質(zhì)量好，也是長絨棉主產(chǎn)區(qū)。2022年，巴州357萬畝棉花總產(chǎn)量約為140萬噸，其中皮棉50萬噸以上，畝產(chǎn)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(guī)模。多年來，巴州棉花產(chǎn)值約占全州地方總產(chǎn)值的10%、一產(chǎn)產(chǎn)值的60％。伴隨大規(guī)模棉花產(chǎn)量產(chǎn)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(zhì)素和其他物質(zhì)組成，約占其質(zhì)量的60%、20%、10%、10%，可用于生產(chǎn)能源、肥料和紙漿，具有多重經(jīng)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(guī)模產(chǎn)業(yè)化利用，具有多重現(xiàn)實意義，首先改變了傳統(tǒng)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(nóng)村婦女身體影響，減少農(nóng)村呼吸道疾病。作為能源或化肥產(chǎn)品節(jié)約了能源和原材料，秸稈化肥大幅度減少了土壤污染，產(chǎn)生了較大的經(jīng)濟和環(huán)境效益。本研究具有顯著的創(chuàng)新性，改變了小規(guī)模高成本的利用方式，提出跨縣域建設(shè)生產(chǎn)基地，采用大規(guī)模加工方式、有效降低加工成本，為秸稈產(chǎn)品推廣使用開拓途徑，能源和化肥等產(chǎn)品具有區(qū)域特色，有望成為當(dāng)?shù)鼐G色產(chǎn)品。本文的研究還存在一定的不足之處，棉稈生產(chǎn)規(guī)模的建設(shè)階段性劃分、生產(chǎn)設(shè)備的匹配性選擇以及生產(chǎn)基地的生活環(huán)境建設(shè)等問題仍需研究，這些問題將在后續(xù)研究中不斷完善和逐步應(yīng)用。

長期以來，學(xué)者就棉稈的資源化和規(guī)?；米髁舜罅垦芯浚蠖鄶?shù)學(xué)者重點研究了棉稈利用途徑及其產(chǎn)品，對棉稈利用具有重要參考價值［2-4］；部分學(xué)者重點研究了棉花產(chǎn)量的提高方法，對提高棉花產(chǎn)量很重要［5］；也有學(xué)者就棉稈利用過程的生物特征進行了研究，從科學(xué)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(xué)者對新疆棉花產(chǎn)業(yè)的貿(mào)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(guān)設(shè)備技術(shù)［7］，也有學(xué)者對棉稈還田技術(shù)、燃料轉(zhuǎn)換和秸稈草磚進行了研究。本研究在參考學(xué)者研究的基礎(chǔ)上，認為棉稈的產(chǎn)業(yè)化為基礎(chǔ)的規(guī)模化利用十分重要，可降低成本，也能夠?qū)崿F(xiàn)產(chǎn)品規(guī)?；a(chǎn)，是利用棉稈的有效途徑，具有減少環(huán)境負荷、保證棉花產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的多重功能。

1巴州棉花產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)態(tài)勢分析

1.1巴州棉花栽培面積及其秸稈產(chǎn)量

巴州擁有充沛的棉花資源，生產(chǎn)1噸的棉花就會產(chǎn)生2.7噸的棉稈，隨著棉花產(chǎn)量的逐年增長，棉稈的產(chǎn)量也成倍增加。棉稈產(chǎn)量的變化如圖1所示，數(shù)據(jù)來源于巴州2021年統(tǒng)計年鑒。

從圖1可以看出，2010—2020年間，巴州的棉花總產(chǎn)量從369704噸攀升至627420噸，而棉稈的總產(chǎn)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(chǎn)量總體呈現(xiàn)增長態(tài)勢，尤其到2019年時，棉稈產(chǎn)量已超過1600000噸。然而，據(jù)統(tǒng)計，有大約40%的棉稈未能得到有效利用，當(dāng)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(huán)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(jīng)處理的棉稈量的增加也導(dǎo)致環(huán)境污染問題日益加劇。

1.2巴州傳統(tǒng)棉稈處理現(xiàn)狀

在巴州部分地區(qū)，傳統(tǒng)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(huán)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(fā)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(fēng)險，由于棉稈含有較多的蠟質(zhì)，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(huán)境與經(jīng)濟效應(yīng)

2.1棉稈環(huán)境外部效應(yīng)

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?？紤]到將棉花秸稈還田需要經(jīng)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(shù)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(jīng)過計算發(fā)現(xiàn)，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(qū)因棉花秸稈燃燒導(dǎo)致的主要污染物排放量如表1所示。

根據(jù)表1的數(shù)據(jù)分析，2010—2020年，巴州地區(qū)棉花秸稈燃燒對環(huán)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(qū)由于棉花秸稈焚燒導(dǎo)致的主要污染物排放總量整體呈現(xiàn)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(qū)環(huán)境因棉稈焚燒而產(chǎn)生的主要污染物排放量持續(xù)上升，這加劇了當(dāng)?shù)丨h(huán)境污染，破壞了生態(tài)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(huán)境經(jīng)濟效益綜合評估

根據(jù)表1提供的排放數(shù)據(jù)，可以估算年度棉花秸稈焚燒所產(chǎn)生的環(huán)境壓力。修復(fù)這些環(huán)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(yè)化和資源化的有效利用，可以基本上消除這些由焚燒產(chǎn)生的排放物，這意味著能夠節(jié)省修復(fù)環(huán)境的成本，這種節(jié)省可轉(zhuǎn)化為環(huán)境經(jīng)濟效益。本研究將此定義為環(huán)境經(jīng)濟效益，即省去了等額的環(huán)境修復(fù)費用而節(jié)省下來的經(jīng)濟開銷。不同污染物的環(huán)境負擔(dān)修復(fù)成本各不相同，表2列出了棉稈焚燒主要污染物的單位環(huán)境負擔(dān)修復(fù)成本。

根據(jù)表2可知，棉稈焚燒產(chǎn)生的主要污染物的單位環(huán)境修復(fù)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(chǎn)量也存在明顯的差異，進而導(dǎo)致棉稈產(chǎn)量的顯著區(qū)別。這些差別也反映在區(qū)域棉稈焚燒環(huán)境負擔(dān)的修復(fù)成本上。假設(shè)從2010年開始的環(huán)境負擔(dān)都能通過棉稈的工業(yè)化使用得到消除，那么2010—2020年間，巴州各市縣通過棉稈工業(yè)化使用而產(chǎn)生的環(huán)境經(jīng)濟效益如表3所示。

分析表3的數(shù)據(jù)得知，2010—2020年間，巴州各地級市和縣在棉花秸稈產(chǎn)業(yè)化利用方面獲得了顯著的環(huán)境經(jīng)濟收益，其中庫爾勒市、輪臺縣、尉犁縣和所屬農(nóng)場的平均環(huán)境經(jīng)濟效益尤為突出。假設(shè)從2020年開始，這些地區(qū)每年能夠維持當(dāng)前的棉花產(chǎn)量并持續(xù)進行棉稈產(chǎn)業(yè)化利用，它們的年環(huán)境經(jīng)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(shù)據(jù)充分展現(xiàn)了棉稈產(chǎn)業(yè)化利用的顯著環(huán)境經(jīng)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(huán)境負擔(dān)隨之增加，經(jīng)濟效益隨之提高，尤其是庫爾勒市、輪臺縣、尉犁縣和直屬農(nóng)場的增長尤為明顯，而其他縣的發(fā)展則較為穩(wěn)定。由此可見，在2010—2020年間，庫爾勒市、輪臺縣、尉犁縣和直屬農(nóng)場因棉稈焚燒帶來的環(huán)境負荷修復(fù)成本相對較高，其他縣則較低。這表明上述4個地區(qū)面臨的污染問題較為嚴重，環(huán)境修復(fù)的問題亦非常突出。

3家庭能源燃料產(chǎn)品與廠址選擇

從當(dāng)?shù)厮Y源和生態(tài)環(huán)境情況分析，為了使巴州的棉花種植業(yè)持續(xù)發(fā)展，必須著手解決由棉稈造成的環(huán)境污染問題。其優(yōu)化途徑就是實現(xiàn)棉稈產(chǎn)品的產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)，需要根據(jù)棉花產(chǎn)地分布確定經(jīng)濟性廠址?？紤]到棉稈產(chǎn)品種類較多，例如；造紙和飼料相關(guān)產(chǎn)品，但造紙和飼料以及生物等產(chǎn)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(chǎn)品，而家庭能源燃料是耗水量最少的產(chǎn)品。鑒于新疆的能源資源如煤炭在地區(qū)間分布極不平衡，這些關(guān)鍵能源主要集中在新疆的北部和東部地區(qū)，而位于南部的巴州地區(qū)則煤炭資源較為稀缺。故本研究決定以此為棉稈主導(dǎo)產(chǎn)品。

3.1家庭能源燃料產(chǎn)品

作為一種關(guān)鍵的生物能源，棉稈在能量轉(zhuǎn)化上具有顯著的效益。2噸棉稈產(chǎn)生的能量相當(dāng)于1噸標(biāo)準(zhǔn)煤的熱量。在巴州推行棉稈的能源化應(yīng)用能夠大幅度降低對初級能源的依賴，并且?guī)砻黠@的環(huán)保效益。用于棉稈能源產(chǎn)品生產(chǎn)設(shè)備的制造廠家較多，可以根據(jù)巴州各行政區(qū)棉稈產(chǎn)量和用水量以及銷售市場等重要指標(biāo)加以選擇。例如：選用河北省名宏新能源有限公司生產(chǎn)的，主要用于農(nóng)村大棚蔬菜取暖和家庭庭院等場合的燃料產(chǎn)品，設(shè)備生產(chǎn)量可根據(jù)當(dāng)?shù)厥袌鲂枨罅看_定。

建議初期投入的高溫壓塊設(shè)備，設(shè)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(shè)備，每月總加工量約14萬噸，可全年生產(chǎn)。該產(chǎn)品的生產(chǎn)成本相對較低，預(yù)期具有一定的市場價格競爭力，加上國家的補貼政策，當(dāng)?shù)剞r(nóng)民家庭也能夠消費使用。棉稈的具體產(chǎn)量可以根據(jù)市場需求確定，在市場需求比較平穩(wěn)情況下，可以根據(jù)水資源豐沛程度和棉花生產(chǎn)季節(jié)的具體情況確定產(chǎn)量。從釋放的熱值量考慮，棉稈燃料與標(biāo)準(zhǔn)煤形成2∶1的關(guān)系、即兩噸棉稈燃料相當(dāng)于1噸標(biāo)準(zhǔn)煤或1.4噸原煤。水資源和棉花生產(chǎn)期的建議產(chǎn)量如表4所示，其中棉花產(chǎn)量選用2020年產(chǎn)量，棉稈原料生產(chǎn)設(shè)備選用河北省名宏新能源有限公司設(shè)備9臺，每臺年產(chǎn)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(chǎn)量，四月至八月雪融水逐步增加，可逐步增加產(chǎn)量，九月至十二月棉花生產(chǎn)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(chǎn)，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(chǎn)品生產(chǎn)廠址的選擇

棉花秸稈的生產(chǎn)基地的選址要遵循戰(zhàn)略性原則、社會效應(yīng)原則、交通便利原則、綠色生態(tài)原則和水土資源原則等。按照棉花產(chǎn)量規(guī)模大小，優(yōu)先選擇棉花產(chǎn)量較大和交通便捷水資源充沛的地區(qū)進行候選評估。首先以棉花產(chǎn)量較大地區(qū)為參考，以標(biāo)準(zhǔn)分數(shù)進行選擇，2020年巴州各行政區(qū)棉花產(chǎn)量的標(biāo)準(zhǔn)分數(shù)結(jié)果如表5所示，計算數(shù)據(jù)說明，庫爾勒市、輪臺縣和尉犁縣是主要產(chǎn)棉區(qū)，廠址應(yīng)盡量靠近這3個地區(qū)以節(jié)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(qū)域的交通成本。綜合比較和分析新疆地區(qū)貨車運輸成本數(shù)據(jù)、新疆貨車司機工資基本價位數(shù)據(jù)、2020年新疆巴州油價價目數(shù)據(jù)，并以此為基礎(chǔ)結(jié)合3個候選區(qū)域交通距離，建立最低棉花秸稈和秸稈產(chǎn)品運輸成本經(jīng)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(zhì)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(biāo)準(zhǔn)（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(jīng)濟模型如下：