农作物秸秆的综合利用与可持续发展

王丹丹

(周口科技职业学院,河南 周口 466000)

0 引言

近年来,专家学者致力于推进农机装备水平提升的同时,亦对农作物的利用价值进行了不断创新。例如,利用大数据机理对我国的农作物秸秆分布状况进行分析、根据不同地区的不同特性采用各异的秸秆综合处理方式等,均取得了显著成效,包含秸秆还田、 燃料化、饲料化等。其中,秸秆还田在充分利用秸秆养分及增加土壤墒情方面具有很好的效果,笔者拟在当前农作物综合利用技术基础上,对其可持续发展性进行深入探讨。

1 秸秆综合利用概述

农作物秸秆是一种可加工为生物质的原材料,在农业生态资源结构多元化的条件下,充分考虑循环农业、生态农业与低碳经济之间的关系,以可持续发展为中心、农作物秸秆的组成元素种类及含量为研究出发点,使其最大限度地回归土壤,具有很好的经济价值。查阅资料可知,东北、华中地区因农作物产量丰富,其秸秆的综合利用潜力巨大,表1为某市常见农作物秸秆在一定的样方比例下产量与综合利用量统计情况。由表1可知：常见的农作物如小麦、玉米、大豆等在选择合适的秸秆粉碎还田装置或秸秆打捆回收装置的条件下,其综合利用率可达75%以上,且有一定的提升利用空间。

表1 某市常见农作物秸秆产量与综合利用量统计Table 1 Statistics of straw yield and comprehensive utilization of common crops in a city

农作物秸秆还田的作业机理可概述为：利用秸秆粉碎还田装置或者秸秆灭茬旋耕联合整地机,将秸秆进行机械粉碎、均匀抛洒。其中,旋切刀片的材质决定秸秆粉碎的质量,设置50～100mm不等的留茬高度,并进行合理的秸秆还田农机装备参数选型(见表2),在足够的配置动力供应下,实现玉米、小麦等秸秆的高效率粉碎还田,可有效增加待种植土壤的养分与水分。

表2 用于农作物秸秆还田的主要农机装备参数选型Table 2 Parameter selection of main agricultural machinery and equipment for crop straw returning

2 秸秆综合利用技术

2.1 秸秆特性与可持续发展

农作物秸秆在进行回收与粉碎的过程中,与粉碎还田装置进行相互作用,表现出其基本的力学特性,包含拉伸、剪切、应力松弛等,以圆形区域为设定规则,得到秸秆综合回收利用量估算模型为

(1)

式中R—农作物秸秆的回收半径(m);

M—农作物秸秆年回收量(kg);

M0—农作物秸秆单位面积产量(kg/m2);

α—农作物种植面积比例(%);

β—农作物秸秆可综合利用比例(%)。

以当前农作物秸秆综合利用循环(见图1)为参照,基于秸秆多元化综合利用准则,进一步得到肥料化与能源化利用潜力量化模型为

图1 农作物秸秆综合利用简易循环图Fig.1 Schematic diagram of the circular comprehensive utilization of the crop straw

(2)

式中PF—农作物秸秆肥料化利用潜力(万t);

PK(i,j)—农作物i秸秆在j地区的可回收利用量(万t);

Fj—j地区农作物秸秆肥料化利用比例(%);

PY—农作物秸秆能源化利用潜力(万t);

Py(i,j) —农作物i秸秆在j地区的能源化利用量(万t)。

科学量化融入可持续发展理念,划分可持续性发展为差、中等、好3个等级,得到

(3)

式中 (LC-ESI)—农作物秸秆生命周期可持续发展系数;

(LC-EYR)—农作物秸秆生命周期能值产出率;

(LC-ELR)—农作物秸秆生命周期环境负载率。

2.2 农作物秸秆主要利用技术分析

基于上述农作物秸秆可持续发展划分模型,对秸秆的主要利用技术展开分析。设计如图2所示的农作物秸秆分储运方式,农田秸秆在人工收集和机械装备收集两种方式下进行,后续中转后到达农作物秸秆处理厂进行深度处理与能源转化,最大限度地获取更多的秸秆量是分存储目标。

图2 农作物秸秆分储运技术设计Fig.2 Technical design of crop straw separate storage and transportation

针对农作物秸秆应用于沼气供应领域进行分析,通过生物质转化的方式将秸秆进行综合处理。图3为秸秆收集后供应沼气发酵,进而送至管网用户的生产模式。该模式下形成CO、氢气、甲烷等可燃气体,用于农村生产与生活中,清洁环保与节能效果明显。

图3 农作物秸秆应用于沼气供应的生产模式Fig.3 Production mode of application of crop straw in the biogas supply

农作物秸秆处理方式被不断尝试更新,其中秸秆饲料化技术处理应用(见图4)成为新的发展趋向,在集成利用技术的驱动下,秸秆转化基于物理、化学、生物等进行多样化展开,尤其是青贮酶解与氨化转化等,经处理后的秸秆可体现高值化的利用效能。

图4 农作物秸秆饲料化技术处理应用Fig.4 Feed technology processing application of the crop straw

热电联产、热解联产可实现农作物秸秆的清洁化供暖,主要工艺流程如图5所示。由图5可知：以秸秆供热取代燃煤供热,热效率一定程度上可增加60%左右,可实现分区块、分用户、集中模式,以能量梯级利用为可控基点,有利于秸秆综合效率提高。

图5 农作物秸秆热解联产用于供暖的工艺流程Fig.5 Process flow of pyrolysis co-production of the crop straw for the supply heating

2.3 秸秆利用可持续发展方向

农作物秸秆利用的可持续性采用产品全生命周期评价的方法进行：采用先进的固化成型压缩技术,打包成不同形状规格的秸秆后用于多样性的工序处理场合,并依据农作物秸秆综合利用的可持续化机理(见图6),以农作物秸秆作为本系统,周边分布其他系统与基本流信息,核心在于秸秆综合利用过程中生产的产品与副产品的专门处置,从而实现资源循环利用价值。根据利用原理归类后列出农作物秸秆综合利用与可持续发展相关技术应用场合(见表3),包含基料栽培食用菌、养殖花卉、植物纤维地膜等新型综合利用技术,具有良好的应用前景。

图6 农作物秸秆综合利用的可持续化机理Fig.6 Sustainable mechanism of comprehensive utilization of crop straw

表3 农作物秸秆综合利用与可持续发展相关技术应用场合Table 3 Application occasions of technologies related to comprehensive utilization and sustainable development of crops straw

根据如上论述,农作物秸秆综合利用的可持续发展可朝着如下方向进行：

1) 深入了解不同农作物秸秆的自身特点与力学特性,设计优化更为科学合理的秸秆粉碎还田装置或秸秆回收装置。

2) 不断投入新材料,减少机械装置的故障因素,最大限度提高作业效率。

3) 将秸秆深入应用于不同生产、生活领域,发挥农作物秸秆的能源价值。

4) 为农作物秸秆综合利用与可持续发展研究提供经济支持与硬件环境,对成果积极推广应用,在实践中不断更新完善。

3 农作物秸秆综合利用典型试验

3.1 条件设置

在保证秸秆分解速率、土壤呼吸及试验地气象条件一致的基础上,进行农作物秸秆综合利用典型试验,试验周期为1年,设定条件：①秸秆粉碎处理装置剪切力一致,变换不同的粉碎还田方式;②秸秆粉碎处理装置配置合理的刀具和刀轴转速;③秸秆收集后在不同的综合利用方式下监控利用效果。

3.2 过程分析

以50mm作为长短秸秆处理的分界点,以1mm作为粉碎后秸秆长度值,进行20mm厚度的秸秆粉碎还田,得到不同还田方式下的农作物秸秆综合利用效果对比,如表4所示。由表4可知：5种还田方式下的秸秆粉碎合格率和秸秆综合利用潜力均控制在85%以上,且经过氨化与硫酸钙翻压后的秸秆还田综合利用潜力达96.8%,是秸秆循环利用较好的还田方式。

表4 农作物秸秆不同还田方式下的综合利用效果对比Table 4 Comparison of comprehensive utilization effect of crop straw under different returning methods %

将粉碎后的农作物秸秆分别用于发电、堆积、饲料化、基质燃料等,得到农作物秸秆不同综合利用方式的效果对比,如表5所示。由表5可知：不同利用方式存在不同的利弊,秸秆发电是一种环保性很强的利用方式,但设备需要定期维修,而新兴的基质燃料则需要按年度进行,投入成本较高,堆积成本低但是数量有限,秸秆供暖兼具处理量大和经济社会效率良好的优势,值得推广。

表5 农作物秸秆不同综合利用方式的效果对比Table 5 Effect comparisons of different comprehensive utilization methods of crop straw

4 结论

1) 通过对农作物秸秆综合利用技术进行概述,以产品的全生命周期评价方法为基础,建立秸秆综合利用量化指标控制模型与可持续发展判定标准,进行农作物秸秆综合利用阐述和主要技术分析,明确秸秆可持续发展的方向。

2) 进行农作物综合利用典型试验,结果表明：秸秆选择氨化硫酸钙翻压的还田方式,综合潜力可发挥至95%以上;秸秆供暖较其他综合利用方式而言优势明显,可产生良好的经济社会价值,对我国农业能源的循环利用有较强的指导意义。