王丹丹

(周口科技職業(yè)學(xué)院,河南 周口 466000)

0 引言

近年來(lái),專(zhuān)家學(xué)者致力于推進(jìn)農(nóng)機(jī)裝備水平提升的同時(shí),亦對(duì)農(nóng)作物的利用價(jià)值進(jìn)行了不斷創(chuàng)新。例如,利用大數(shù)據(jù)機(jī)理對(duì)我國(guó)的農(nóng)作物秸稈分布狀況進(jìn)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(dāng)前農(nóng)作物綜合利用技術(shù)基礎(chǔ)上,對(duì)其可持續(xù)發(fā)展性進(jìn)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(zhì)的原材料,在農(nóng)業(yè)生態(tài)資源結(jié)構(gòu)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(jì)之間的關(guān)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(lèi)及含量為研究出發(fā)點(diǎn),使其最大限度地回歸土壤,具有很好的經(jīng)濟(jì)價(jià)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(jiàn)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(jì)情況。由表1可知：常見(jiàn)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(dá)75%以上,且有一定的提升利用空間。

表1 某市常見(jiàn)農(nóng)作物秸稈產(chǎn)量與綜合利用量統(tǒng)計(jì)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(jī)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(jī),將秸稈進(jìn)行機(jī)械粉碎、均勻拋灑。其中,旋切刀片的材質(zhì)決定秸稈粉碎的質(zhì)量,設(shè)置50～100mm不等的留茬高度,并進(jìn)行合理的秸稈還田農(nóng)機(jī)裝備參數(shù)選型(見(jiàn)表2),在足夠的配置動(dòng)力供應(yīng)下,實(shí)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(jī)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(shù)

2.1 秸稈特性與可持續(xù)發(fā)展

農(nóng)作物秸稈在進(jìn)行回收與粉碎的過(guò)程中,與粉碎還田裝置進(jìn)行相互作用,表現(xiàn)出其基本的力學(xué)特性,包含拉伸、剪切、應(yīng)力松弛等,以圓形區(qū)域?yàn)樵O(shè)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(dāng)前農(nóng)作物秸稈綜合利用循環(huán)(見(jiàn)圖1)為參照,基于秸稈多元化綜合利用準(zhǔn)則,進(jìn)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(jiǎn)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(wàn)t);

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

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

科學(xué)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(gè)等級(jí),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(fù)載率。

2.2 農(nóng)作物秸稈主要利用技術(shù)分析

基于上述農(nóng)作物秸稈可持續(xù)發(fā)展劃分模型,對(duì)秸稈的主要利用技術(shù)展開(kāi)分析。設(shè)計(jì)如圖2所示的農(nóng)作物秸稈分儲(chǔ)運(yùn)方式,農(nóng)田秸稈在人工收集和機(jī)械裝備收集兩種方式下進(jìn)行,后續(xù)中轉(zhuǎn)后到達(dá)農(nóng)作物秸稈處理廠進(jìn)行深度處理與能源轉(zhuǎn)化,最大限度地獲取更多的秸稈量是分存儲(chǔ)目標(biāo)。

圖2 農(nóng)作物秸稈分儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)設(shè)計(jì)Fig.2 Technical design of crop straw separate storage and transportation

針對(duì)農(nóng)作物秸稈應(yīng)用于沼氣供應(yīng)領(lǐng)域進(jìn)行分析,通過(guò)生物質(zhì)轉(zhuǎn)化的方式將秸稈進(jìn)行綜合處理。圖3為秸稈收集后供應(yīng)沼氣發(fā)酵,進(jìn)而送至管網(wǎng)用戶(hù)的生產(chǎn)模式。該模式下形成CO、氫氣、甲烷等可燃?xì)怏w,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(yīng)用于沼氣供應(yīng)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(shù)處理應(yīng)用(見(jiàn)圖4)成為新的發(fā)展趨向,在集成利用技術(shù)的驅(qū)動(dòng)下,秸稈轉(zhuǎn)化基于物理、化學(xué)、生物等進(jìn)行多樣化展開(kāi),尤其是青貯酶解與氨化轉(zhuǎn)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(shù)處理應(yīng)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(shí)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(shí)現(xiàn)分區(qū)塊、分用戶(hù)、集中模式,以能量梯級(jí)利用為可控基點(diǎn),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(píng)價(jià)的方法進(jìn)行：采用先進(jìn)的固化成型壓縮技術(shù),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(chǎng)合,并依據(jù)農(nóng)作物秸稈綜合利用的可持續(xù)化機(jī)理(見(jiàn)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(guò)程中生產(chǎn)的產(chǎn)品與副產(chǎn)品的專(zhuān)門(mén)處置,從而實(shí)現(xiàn)資源循環(huán)利用價(jià)值。根據(jù)利用原理歸類(lèi)后列出農(nóng)作物秸稈綜合利用與可持續(xù)發(fā)展相關(guān)技術(shù)應(yīng)用場(chǎng)合(見(jiàn)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(shù),具有良好的應(yīng)用前景。

圖6 農(nóng)作物秸稈綜合利用的可持續(xù)化機(jī)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(guān)技術(shù)應(yīng)用場(chǎng)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(jìn)行：

1) 深入了解不同農(nóng)作物秸稈的自身特點(diǎn)與力學(xué)特性,設(shè)計(jì)優(yōu)化更為科學(xué)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(jī)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(yīng)用于不同生產(chǎn)、生活領(lǐng)域,發(fā)揮農(nóng)作物秸稈的能源價(jià)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(jì)支持與硬件環(huán)境,對(duì)成果積極推廣應(yīng)用,在實(shí)踐中不斷更新完善。

3 農(nóng)作物秸稈綜合利用典型試驗(yàn)

3.1 條件設(shè)置

在保證秸稈分解速率、土壤呼吸及試驗(yàn)地氣象條件一致的基礎(chǔ)上,進(jìn)行農(nóng)作物秸稈綜合利用典型試驗(yàn),試驗(yàn)周期為1年,設(shè)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(zhuǎn)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(guò)程分析

以50mm作為長(zhǎng)短秸稈處理的分界點(diǎn),以1mm作為粉碎后秸稈長(zhǎng)度值,進(jìn)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(duì)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(guò)氨化與硫酸鈣翻壓后的秸稈還田綜合利用潛力達(dá)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(duì)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(zhì)燃料等,得到農(nóng)作物秸稈不同綜合利用方式的效果對(duì)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(qiáng)的利用方式,但設(shè)備需要定期維修,而新興的基質(zhì)燃料則需要按年度進(jìn)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(jì)社會(huì)效率良好的優(yōu)勢(shì),值得推廣。

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

4 結(jié)論

1) 通過(guò)對(duì)農(nóng)作物秸稈綜合利用技術(shù)進(jìn)行概述,以產(chǎn)品的全生命周期評(píng)價(jià)方法為基礎(chǔ),建立秸稈綜合利用量化指標(biāo)控制模型與可持續(xù)發(fā)展判定標(biāo)準(zhǔn),進(jìn)行農(nóng)作物秸稈綜合利用闡述和主要技術(shù)分析,明確秸稈可持續(xù)發(fā)展的方向。

2) 進(jìn)行農(nóng)作物綜合利用典型試驗(yàn),結(jié)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?xún)?yōu)勢(shì)明顯,可產(chǎn)生良好的經(jīng)濟(jì)社會(huì)價(jià)值,對(duì)我國(guó)農(nóng)業(yè)能源的循環(huán)利用有較強(qiáng)的指導(dǎo)意義。