棉秸秆生态化综合利用技术研究

张丽　张佳喜　张海春　喻晨　蒋永新

摘 要：为了提高棉花秸秆合理高效的利用，减少可利用资源的浪费及对生态环境产生的不利影响，使棉秸秆发挥出可再生资源的优势而提出相关技术研究。本研究从棉秸秆生态化综合利用的角度，提出棉秸秆作肥料、饲料、燃料的利用技术的实施方法及重要问题，以期推动新疆地区棉秸秆资源合理利用的进程。本研究主要包括5个部分：第1部分，引言，综述了棉秸秆资源利用的国内外研究进展；第2部分，综合利用优势，具体提出4个方面的综合利用优势；第3部分，传统处理方式的危害分析；第4部分，综合利用技术研究；第5部分，结论。总结本研究工作，提出未来工作的重点。

关键词：棉秸秆；生态化；综合利用技术

中图分类号：X712 文献标志码：A 论文编号：2014-0141

Ecological Utilization Technology of Cotton Stalks

Zhang Li， Zhang Jiaxi， Zhang Haichun， Yu Chen， Jiang Yongxin

（Institute of Agricultural Machinery， Xinjiang Academy of Agricultural sScience/Equipment and Technology Experiment Station of Both Forestry Fruit Cotton and Agricultural Facilities in Xinjiang， Urumqi 830091， Xinjiang， China）

Abstract： The research aims to improve the use of cotton stalks rationally and efficiently， reduce the waste of available resources and avoid adverse impact on the ecological environment， so that the cotton stalks can play its role as renewable resources. From the perspective of ecological utilization of cotton stalks， the author came up with the application technologies and relevant issues of cotton stalks， such as the cotton stalks used as fertilizer， feed and fuel， in order to promote the rational utilization of cotton stalks resources. This paper consists of 5 parts： the first part was the preface： the utilization status of cotton stalks resources at home and abroad； the second part： advantages of utilization and propose advantages of utilization in four specific areas； the third part： the traditional approach of hazard analysis； the fourth part： comprehensive utilization technologies； the fifth part： the conclusion. The author summarized the research work and proposed the focus of future research.

Key words： Cotton Stalks； Ecology； Utilization Technology

0 引言

棉秸秆是农作物的一种副产物，常被用于加热燃料或是直接遗弃。近年来，随着中国经济的飞速发展，秸秆的燃料价值明显降低，秸秆焚烧带来的各种环境问题也引起了人们的高度关注和重视。为此，必须探寻一种综合利用技术，为了提高棉花秸秆合理高效的利用，减少可利用资源的浪费及对生态环境产生的不利影响，使棉秸秆发挥出可再生资源的优势。本研究提出了相关技术研究。

由于棉花秸秆和小麦秸秆的物理性质较为相似，研究者大多以小麦秸秆作为新能源来进行开发和利用。据美国农业部的一项统计资料，全美每年能够收集起来的小麦秸秆就多达4500万t，而这些仅占全年产生的所有小麦秸秆的50%。秸秆在美国的用途很广，可用作饲料、手工制品等，有的地方还用来盖房，将整捆的秸秆高强度挤压后填充新房的墙壁。近几年，秸秆的综合回收利用还与纤维素乙醇的提炼联系起来。近年来，美国加大了秸秆综合回收利用的研发力度。美国能源部明确指出，小麦秸秆是可再生生物能源的一个重要来源。2007年6月，美国农业部和能源部分别出资1400万美元和400万美元，共同设立1项基金，资助有关生物燃料、生物能源及相关产品的研究与开发；丹麦是世界上首先使用秸秆发电的国家。位于丹麦首都哥本哈根以南的阿维多发电厂建于20世纪90年代，被誉为全球效率最高、最环保的热电联供电厂之一。阿维多电厂每年燃烧15万t秸秆，可满足几十万用户的供热和用电需求。

与煤、油、天然气相比，秸秆成本低、污染少，是电厂认为最划算的燃料。此外，秸秆燃烧后的草木灰还可以无偿地返还给农民作为肥料。使用秸秆发电，电厂降低了原料的成本，百姓享受了便宜的电价，环境受到保护，新能源得以开发，同时还使农民增加了收入，串联起了一个“黄金圈”；日本处理秸秆的方式主要有2种：混入土中还为肥料，以及作为粗饲料喂养家畜。根据近年统计数据，该国每年产生的秸秆几乎被全部利用。其中，翻入土层中还田的约占68%，作为粗饲料养牛的约占10.5%，与畜粪混合做成肥料的约占7.5%，制成畜栏用草垫的约占4.7%，只有一小部分难以处理的秸秆被就地燃烧。目前，日本正在积极挖掘秸秆的燃料转化潜力。有官员表示，当务之急是开发出利用植物纤维的生物燃料，避免影响粮食供应价格。对于燃料和粮食都依赖进口的日本来说，这一点尤为重要。据悉，日本地球环境产业技术研究机构与本田技术研究所已共同研制出从秸秆所含纤维素中提取乙醇燃料的技术[1]。

目前，棉秸秆循环再利用的方式有多种。绝大部分棉秸秆直接还田，影响耕作质量、加剧棉田土传病害等问题，已严重影响棉花产业的健康发展。棉秸秆的饲料化、燃料化、肥料化、基质化综合利用前景十分广泛。棉秸秆木质纤维较高，综合利用过程中均需要将棉秸秆按使用目的进行揉丝粉碎，方可混配、发酵、压块等后续加工。对于棉花秸秆这种质地坚硬、木质化程度很高的低质秸秆粗饲料，氨化、微贮、复合等常规的粗饲料处理方法作用甚微，而1% AHP浸泡处理能够显著降低秸秆的木质素含量、提高瘤胃微生物的发酵利用率，效果较好[2]。吴杰[3]就目前新疆棉秆在切碎还田、饲料加工、造纸造板、燃料化、食用菌培养以及其他用途中的应用现状和存在的问题进行了分析，并对棉秆的合理利用作了初步探讨，提出了几种可行的利用路线，为棉秆产业化开发利用提供一定依据。慈溪市庵东镇经过5年来的实践证明，利用秸秆切碎还田机，提高了工效，利用棉秸秆资源，改良了土壤，避免了环境污染，增加了棉农收入，促进了农业机械化可持续发展[4]。

近年来，随着中国《可再生能源法》的颁布实施，生物质能的综合开发利用受到社会各界的广泛关注和重视，对棉秸秆进行开发利用不仅符合国家的产业政策，而且还能对农业产业结构起到一定的调整作用，有助于农民收入的增加。由此可见，棉秸秆综合开发利用具有非常广阔的发展前景。

1 棉秸秆的综合利用优势

棉秸秆属于一种可再生的生物质能借助相应的转换技术，能够对棉秸秆进行炭化、固化及汽化处理，从而使其转换为木炭、可燃性气体以及电力[5]。中国的很多地区都以棉花为主要农作物，如新疆等，这些地区每年可以产生出数量极为庞大的棉秸秆，如果可以将这些棉秸秆进行合理、有效地利用，必将会使农民从中大幅受益。棉秸秆炭化试验结果显示，每吨棉秸秆大约能够产出木炭300 kg、木焦油24 kg、木醋液220 kg，其生产成本约为500元左右[6]。按照较保守估计，年处理棉秸秆在100万t，其产值可达10亿元左右，对棉秸秆进行综合开发利用，能够为棉花种植地区带来非常巨大的经济效益，并且还有可能形成新的产业，这对于推动地区经济发展具有积极的作用。同时，处理 500万t棉秸秆，能够节省250万t标准煤，其所产生的社会效益也十分明显[7]。棉秸秆综合利用的优势具体体现在以下4个方面。

1.1 有利于提高农民的收入

通过棉秸秆的研究开发利用，能够使秸秆从现有的焚烧和掩埋处理转变为合理、有效的利用，棉秸秆的经济价值可以获得显著提高，从而可以使农民从中获得一定的经济效益。

1.2 有助于缓解农村能源紧缺问题

通过棉秸秆汽化发电技术，能够为农村提供生产、生活所需的电能，这样一来节省了大量的常规能源[8]。同时，棉秸秆合理的规划利用，还可以实现集中供电、供气，有利于加快农村城镇化建设进程，不仅可以进一步提高农民的生活水平，而且还能有效缓解农村能源紧缺的问题。

1.3 有利于改善农村生态环境

借助棉秸秆固化等技术，可以使棉秸秆获得统一、合理的应用，有效避免了棉秸秆随处堆放和处置给土质肥力带来的影响，同时还防止了由于棉秸秆大量焚烧时产生的有害气体对环境的污染和破坏，农村的自然生态环境获得了明显改善。

1.4 有助于推动可再生能源利用

中国的棉秸秆资源非常丰富，而且这种资源具有良好的可再生性[9]。通过对该资源的合理开发利用，以生物质利用技术，再结合棉秸秆自身的特点，可以创造出以棉秸秆为原材料的生物质能应用技术，这对于促进中国可再生能源的综合利用具有非常重要的意义。

2 棉秸秆传统处理方式的危害分析

在相当长的一段时期，农村在处置棉秸秆时采用的是直接焚烧，由此所产生的危害非常严重，具体体现在以下4个方面。

2.1 污染环境、危害健康

按照相关数据显示，对棉秸秆进行焚烧处理时，空气中的SO2、NO2以及可吸入颗粒物这3项污染指标全部都会达到峰值，其中可吸入颗粒物的污染最为严重，其浓度要比平时高出3倍左右，相当于日均浓度的5级水平[10]。当人体吸入了超过一定浓度的可吸入颗粒物之后，会对眼睛、上呼吸道器官的黏膜产生极强的刺激，轻则会引起流泪、胸闷、咳嗽等症状，严重时有可能造成支气管炎。

2.2 容易引发火灾

棉秸秆本身属于易燃物，尤其是在干燥的环境当中，棉秸秆非常容易燃烧，并且还有可能引燃周围的易燃物，如果在村庄附近对棉秸秆进行焚烧处理，一旦引起火灾，极有可能造成连锁反应，其后果不堪设想。此外，棉秸秆焚烧的过程中不但会形成大量的烟雾，焚烧之后的地方还会出现大面积焦土，对地区环境形象破坏较大。

2.3 会引起耕地质量下降

在农田当中对棉秸秆进行焚烧会导致地面温度急剧升高，土壤当中的有益微生物会被直接烧死，这样一来土壤的自然肥力及保水能力均会大幅度下降，水分损失率约为65%～80%，不仅会影响农田作物的产量及质量，而且还会间接影响到农业收益[11]。

2.4 有可能引发交通事故

在露天环境中对棉秸秆进行焚烧处理时，会产生出大量的浓烟，对公路、铁路、民航的正常运营均会造成一定程度上的影响，从而给交通安全带来潜在的威胁。此外，每逢农作物收割的季节，机场都会受到秸秆焚烧的危害，严重时会影响航班的正常起落，一旦引起事故，将会造成极其严重的社会影响。

3 棉秸秆生态化综合利用技术研究

鉴于棉秸秆焚烧的种种危害，这种处理方式显然是不可行的，为此，必须积极探寻出一种合理、有效、可行的棉秸秆处理技术，在专家学者的不断研究和探索中，开发出了棉秸秆生态化综合利用技术，不仅有效解决了棉秸秆焚烧处理中造成的危害，而且还使棉秸秆获得了有效利用，由此产生出巨大的经济效益，棉秸秆的价值如表1所示。

3.1 棉秸秆燃料

目前，生物质能已经成为仅次于煤炭、石油以及天然气的第四大能源，在全球能源总消费量中占14%，中国每年农作物秸秆资源量约占生物质能资源量的50%左右[12]。棉秸秆能源转化的方式主要有2种：一种是秸秆气化，另一种是厌氧发酵产生沼气。通过棉秸秆生产沼气不仅可以为农民提供清洁无污染的能源，而且还能有效改善农民的生活环境。由于棉秸秆的来源比较广泛、数量也十分巨大，基本不会出现原材料供给不足的情况。通过试验可知，每千克的棉秸秆大约能够生产出2 m?左右的燃气，这部分燃气在稍高于常压的状态下可以通过管道直接输送给农户，并且能够像天然气一样燃烧，在整个燃烧过程中，不会产生烟尘和污染，在农村具有非常广阔的发展前景。此外，也可将棉秸秆固化为成型燃料。这种燃料具有体积小、容量大、燃烧好、热效率高、清洁无污染、可再生等优点，棉秸秆每千克的热值约为1.68×104 J，与次煤的热值基本相同。在煤炭、石油价格持续走高的今天，棉秸秆在燃料方面的利用前景越来越广阔。

3.2 棉秸秆肥料

棉秸秆在发酵之后除了能够产生出沼气作为燃料之外，而且还能产生出沼液、沼渣，这2种物质能够直接作为肥料进行使用，这使得棉秸秆资源获得了更为有效的利用。棉秸秆当中含有大量的微量元素和有机质，是农业生产中较为重要的有机肥源，并且还具有良好的生态效应，是绿色及无公害农业的重要肥源[13]。如果利用棉秸秆还田的话，每500 kg可相当于向土壤当中施用50 kg左右的标准肥，这样一来不仅能够有效减少土壤本身的容量，而且还能增加土壤的透气性和透水性，有助于缓解土壤板结问题。在棉秸秆的实际利用中，可以结合化学肥料一起施用，具体做法是将棉秸秆粉碎沤制，与化肥一并施入到土壤中，当棉秸秆发酵腐烂之后，便会转化为供农作物吸收的养分，从而使土壤肥力大幅度提高。通过综合利用可将棉秸秆作为肥料回归农田，这样不仅能够起到改良土壤的作用，而且还有助于提高耕地的基础地力，对于促进中国农业可持续发展具有非常重要的现实意义。

3.3 棉秸秆饲料

中国是一个典型的农业大国，与国外的一些发达国家相比，中国的畜牧业比例相对偏低，而想要大力发展畜牧业，饲料资源是不可或缺的条件之一[14]。然而，近年来，国内大部分地区的草原退化及沙化现象越来越严重，牧草供应明显不足，为了推动畜牧业的发展，必须寻找一种牧草饲料，棉秸秆饲料无疑是最佳选择。但由于棉秸秆的自然密度约为30～50 kg/m?，属于典型的蓬松原料，这种原料的缺点是不利于运输和存储，从而使得棉秸秆的深加工和二次开发利用受到一定程度的影响[15]。为此，想要使棉秸秆成为饲料，首要解决的问题是高密度压缩，一些研究机构针对该问题进行了不同程度的压缩试验，结果显示，作为棉秸秆压缩饲料，其不但便于运输，而且还会进一步提高饲料的营养水平。棉秸秆经过高温压缩处理之后，可以形成块状饲料，这样既便于储藏、运输和长期保存，而且压缩之后的棉秸秆还不容易燃烧，其营养水平显著提高，能够满足动物对粗纤维的需求。以棉秸秆为主的畜牧粗饲料具有非常大的开发潜力，根据相关测算结果显示，每万吨棉秸秆压缩饲料用于养殖业，可供3000头牛1年食用的粗饲料，如果是肉牛的话可增加体重15%左右，奶牛则可增产增收16%左右，并且这些饲料还可以形成粪便，不仅能够用于沼气制作，而且还能形成可替代化肥[16]。大量的实践表明，棉秸秆是最为丰富、品质较佳的粗饲料资源。

4 结论

总而言之，棉秸秆作为一种可再生资源，其作为燃料、肥料和饲料进行应用，这使得棉秸秆变废为宝。在未来一段时期，应当重点对棉秸秆生态化综合利用技术进行研究，充分发挥棉秸秆自身的应用价值。建议加大棉秸秆综合利用力度，加快实施棉秸秆能源化、原料化、肥料化，以此来提高其综合利用水平。同时，还应加大舆论宣传，对棉秸秆焚烧行为进行严查。此外，应开展科技攻关，进一步扩大棉秸秆的工业化利用量。

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