0 引言

近年來,隨著常規能源的過度消耗,開發清潔的可再生能源逐漸受到社會各界關注[1].農作物秸稈作為主要的生物質原料,不僅可替代常規能源,也可應用于工農業生產,如用作肥料、飼料、生活燃料及造紙、養殖、食用菌等.目前,我國秸稈資源利用量約 5億 t,占總量的 70. 6% ,剩余均被焚燒或廢棄,造成嚴重的環境污染和資源浪費,秸稈綜合利用尚待提高[2 -3].秸稈作為一種散拋型、低容重的資源,具有分散、季節性、能量密度低、儲運不方便等特點,嚴重地制約了其大規模應用.秸稈收儲運就是將分散在田間地頭的秸稈,在保持其利用價值的前提下,采用經濟、有效的收集方法和設備,及時進行收集、運輸和存儲或直接運輸至秸稈利用廠,是能源化利用等資源化利用的基礎[4 -5].

為此,通過分析國內外秸稈收儲運模式、設備發展現狀和對存儲方法的比較,對現有的模式、設備存在問題及改進方法等進行分析,并提出相關建議,為我國秸稈的收集利用提供參考.

1 國內外收儲運模式發展現狀分析

1. 1 國內

我國農作物秸稈量大、種類多,可利用潛力巨大.近年來,隨著秸稈能源利用技術的推廣,許多地區已經建立收儲點,形成以秸稈經紀人或專業收儲運公司為依托的收儲運模式,為秸稈收儲運體系工程建設積累了良好的基礎[6].張曉東[7]通過對甘肅省秸稈收集處理現狀的分析,認為主要存在 3 種模式,分別是: 農戶分散貯藏收集、專業公司收貯管理以及運輸行業運送秸稈到廠家; 白延飛、劉菊等[8 -9]總結出江蘇省初步形成的經紀人分散型、合作社專業型、規?；髽I自營型 3 種典型模式存在的問題,并提出相關建議.朱新華等[6]根據陜西省地域特點得出其秸稈收儲體系主要以自收自用和分散收儲模式為主,以集約化收儲模式為發展方向的結論.

綜上所述,秸稈收儲運在我國已經有了一定的發展基礎,主要有分散型和集中型兩種模式.其中,分散型收儲運模式以農戶、專業戶或秸稈經紀人為主體,把分散的秸稈收集后直接提供給企業,可以分為"公司 + 散戶"型和"公司 + 經紀人"型等兩種形式; 集中型收儲運模式以專業秸稈收儲運公司或農場為主體,負責原料的收集、晾曬、儲存、保管和運輸等任務,并按照能源化企業的要求,對農戶或秸稈經紀人交售秸稈的質量把關,然后統一打捆、堆垛、存儲,可以分為"公司 + 基地"集中型和"公司 + 收儲運公司"集中型等兩種形式[10].分散型和集中型等兩種模式分別應用于具體的場合,其特點如表 1 所示.

隨著秸稈的規?；煤褪袌鲂枨蟮脑黾?集中型收儲運模式將成為主要發展方向.

1. 2 國外

歐美等發達國家現代農業體系發展相對健全,農作物秸稈收集利用主要使用機械且以集中型模式為主,其中收儲運模式的主要特點是要求有良好的收獲、運輸等配套機械,目前正朝著高密度、大型化方向發展.例如在丹麥,生產者與企業之間秸稈交易采用期貨合同的形式,秸稈價格由供應商和購買商共同決定,以免任何一方隨機抬高價格.合同可直接與農場主簽訂,也可與秸稈生產者和承包商簽訂,通常會包括交貨日期、供貨數量、協議價格以及質量標準等內容.該收儲運模式在丹麥已經得到了廣泛應用,可以保證秸稈的持續供應,形成了比較完善的收儲運體系[10].目前,國外典型的秸稈收儲運技術路線\\( 見圖 1和圖 2\\) 包括:

1\\) 麥稈.收獲后直接采用打捆機打捆或者鋪條后再打捆,然后裝載、運輸、堆垛; 收獲后直接散裝、堆垛.

2\\) 玉米.收獲并經揉切后打成方捆,然后運輸、堆垛; 經過揉搓后散裝、存儲.

2 國內外技術設備發展現狀分析

2. 1 秸稈收集

2. 1. 1 國內

我國農作物秸稈傳統收集方法主要靠人工獲得,作業人員勞動強度大、效率低.隨著機械化的快速發展,一些秸稈可以通過機械收集完成,不僅減少了勞動時間、減輕勞動強度,還提高了農業生產經濟效益.

其中,粉碎后收集、直接打捆收集是主要的兩種形式.

1\\) 田間粉碎收集.農作物收獲后,部分需要粉碎處理,用于秸稈還田或收集.目前,我國現有的粉碎機型號很多,其中燕北畜牧機械集團有限公司、中國農業機械化科學研究院等都有生產[22].4JH - 170 型秸稈粉碎回收機主要由秸稈切斷絲化裝置和秸稈回收裝置兩部分組成,由 55 ~ 60kW 拖拉機后懸掛牽引作業,在田間邊行走邊工作[3,11 -12].其優點: 減少散料收集運輸成本,作業操作人員少、便于組織,勞動力成本低; 缺點: 粉碎加工時受限制條件較多,如下雨、田間泥濘等,作業周期較短[13].對秸稈加以粉碎再進行壓縮處理,壓縮比可達到1 /5 ~ 1 /15,有利于秸稈的運輸和儲存,適于大型畜牧場及商品化生產.

2\\) 打捆收集.目前,國內生產的大型撿拾機械以內蒙古寶昌牧業機械廠研發的方型打捆機為代表,收獲后草捆長寬高分別為: \\( 600 ~ 1 200\\) ㎜ × 460 ㎜ ×360 ㎜,草捆質量約 15 ~ 25 ㎏,工作可靠、搬運方便,適合單一作業.黑龍江省牧機所研制的 9WJD -50 型臥式秸稈打包機也得到了應用,該機器由 18kW 電動機驅動,壓縮后形成 320 ㎜ × 320 ㎜ × 700 ㎜、25 ㎏左右的方捆,密度達 340 ~360 ㎏/m3,可堆放高度為 3~ 4. 5m,一般在田間地頭或者交通比較便利的庭院場地進行作業.通過壓捆打包的秸稈,減少了儲存空間,而且外形規則便于運輸,運輸成本低[11].

另外,個體農戶也會使用與小四輪拖拉機配套的小型圓捆打捆機.圓捆機由于是間歇打捆,因而生產率不高、捆扎的密度較低、裝運和儲存不太方便; 但是其結構相對簡單、體積小、成本低、操作維修簡單[3,12].

2. 1. 2 國外

目前,國外秸稈收集多采用方捆、圓捆及散料方式,使用的機械大多為高密度大方捆或圓捆打捆機,作業效率高,草捆便于運輸和存儲.其中,圓捆打捆機有內卷式和外卷式兩種形式,著名生產廠家有海斯頓、克拉斯、紐荷蘭等,打捆直徑一般為 0. 6 ~ 1. 2m,市場上甚至出現了 1. 8m 的大型圓捆打捆機,生產效率高.方捆打捆機相對于圓捆來說,技術和結構更復雜,但收獲草捆密度高、捆型整齊,易于儲運,目前方捆設備生產商以海斯頓、愛科、迪爾等公司著稱[14].

在打捆機控制系統方面,國外大多采用基于現場總線的 PLC 控制.典型機型有瑞典松德斯公司生產的 KNSS650 型打捆機和意大利達涅利公司生產的 LF型鋼材打捆機,均采用西門子 SIMATIC6ES5 -115U 系列 PLC 進行控制,同時配合 PC 機用于現場監測控制,以保證整機穩定可靠運行; 美國凱斯紐荷蘭公司生產的 BR6000 系列圓捆打捆機采用基于 CAN 總線的 PLC進行控制,適用于野外控制等環境復雜場合[15],具體性能如表 2 所示.

散料收獲主要有兩類機型,一類是秸稈青飼收獲機,另一類是散稈撿拾裝運車.目前,秸稈青飼料收獲已由單一的針對具體作物的專用機型發展成為集田間行走、喂入、切碎、拋送為一體的綜合機型.散稈撿拾裝運車由最初的撿拾、裝載、卸料等功能,發展成為集收割、摟集、喂入、拋送、壓縮、計量和自動卸料一體化的復合作業設備.目前,有牽引式和自走式兩種機型,根據有效容積又分為大、中、小等不同規格.如紐荷蘭公司生產的青飼收獲機器底盤配套功率最大已超過500kW,可以應用于條鋪秸稈的撿拾割臺; 德國科恩公司的撿拾裝運車配套動力最高達到 105kW[16].

2. 2 秸稈運輸

2. 2. 1 國內

目前,國內秸稈運輸包括打捆后采用平板車、大型汽車運輸,以及粉碎后采用三輪車或汽車運輸.其中,由于低速汽車\\( 三輪: 最高車速≤50km/h; 四輪: ≤70km / h\\) 具有中低速度、中小噸位、中小功率、高通過性的特點,適應我國農村道路條件差、貨源分散、單次運量少、運距短的運輸特征,得到了廣泛應用.運輸過程中要考慮秸稈的全水分不能過高或過低,否則在一定條件下秸稈會降解或自燃[10,17].

2. 2. 2 國外

國外農作物秸稈運輸時,若由農場主自己運輸,通常使用拖拉機和卡車.利用卡車運輸時,通常秸稈分別裝在卡車及其拖車上,每節車廂分兩層各裝 12個草捆; 當利用拖拉機運輸時,也會采用同樣的裝車方法,但是每輛車的裝載量為 16 ~ 20 個草捆.因為目前很多電廠進行了技術改造以便利用大型草捆,通常使用改造過的卡車或載重拖車運輸草捆,但是有時也使用普通的農用拖車或其它一些專門設計的運輸工具[10].

2. 3 秸稈存儲

如果生產與使用之間存在時間間隔,儲藏秸稈則是必要的.按照秸稈存儲時全水分、用途不同可以分為干存儲與濕存儲; 按照存儲環境不同則可以分為室外存儲、室內存儲等.

2. 3. 1 存儲時全水分差異

干存儲指對秸稈進行自然干燥或人工干燥\\( 利用干燥技術設備\\) 處理后再進行儲存.其通過較低的水分含量\\( <15% ~20% 濕基\\) 抑制微生物生長,且可以降低纖維素降解酶和細菌活性.但是,若要農作物秸稈保存良好,須保證存儲環境持續干燥,以避免微生物在潮濕的環境下恢復活性.

濕存儲指秸稈收獲后直接存儲以應用于飼料、食用菌基料、纖維素乙醇等用途,通常存儲在密封地窖等環境中.對于濕存儲來說,主要以低 pH 值\\( <4. 5\\)和低氧氣濃度保存秸稈,以免遭到微生物降解以及干物質損耗[18.研究表明[19],當秸稈全水分大于 50%\\( 濕基\\) 且在有覆蓋物和沒有覆蓋物兩種存儲環境下,會分別產生 20% 和24. 5% 的干物質損失,然而當秸稈全水分下降到約 20% ~24% \\( 濕基\\) 時,干物質損失會降低到小于 8% ,由此可見秸稈全水分對存儲影響的重要性.

生物質干存儲需要保證環境干燥,存儲條件較嚴苛,然而全水分較低可以抑制微生物生長,降低能源消耗.濕存儲不用進行干燥處理,因此很大程度提高了收獲的效率和時效性,且可以降低火災等風險,在存儲期間的干物質損耗甚至減少到小于 5% ; 但是,同時會釋放含有硝酸的腐蝕性液體,用于密封或者包裝的塑料薄膜也需要處理[18 -19].具體比較如表 3 所示.

2. 3. 2 存儲環境不同

1\\) 室外\\( 堆垛\\) 存儲.堆垛是最簡單的秸稈儲存方法,長期堆積時全水分應該低于 30% \\( 濕基\\) ,且當最高堆積高度達到 8m、儲藏時間少于 2 個月時,會有效地避免自燃[20].為了防潮,有時會先將底部用木頭或磚墊起 10 ~15 ㎝,堆垛時注意中部填實以防中間空而易散,堆垛形狀最好底部小、頂部大,呈倒圓臺,然后用防雨布覆蓋以免淋雨或者將原料沖走[10].

2\\) 室內\\( 倉庫\\) 存儲.對于粉碎或者捆型的秸稈,通常采用干燥倉或者通風倉儲藏,利用熱風強制循環或空氣被動通風對流干燥方式,使捆型秸稈達到安全儲藏水分 12% ~15% ,從而延長儲存時間.存儲環境需允許車輛進入,最好是一面墻或者頂部可以打開,卡車在卸貨臺卸載,或者采用輔助接收設備卸載,通常儲倉含有垂直的墻壁,或者可以向下拓展.室內儲藏時干物質損失少; 但是其成本高、搬運麻煩,期間需要不定期檢查、維護[18].

另外,選擇存儲地點時應該考慮: 排水系統良好、沒有積水現象且便于車輛停放、駛入; 靠近農場、公路,水電方便,面積合適,用地符合國家土地政策; 燃料堆放遠離生產區、生活區,收儲站四周應當設置圍墻或鐵絲網.

3 成本分析現狀

秸稈收儲運經濟成本的計算始于收獲籽實后的田間,止于秸稈利用廠,基本上包括秸稈的購買、收集、裝運和存儲等費用[4].其中: ①收集成本.企業從農民手中收購秸稈,并進行簡單的堆放或儲存時產生的相關費用,主要包括收購費和其他費用\\( 裝卸費用等\\) .②運輸成本: 秸稈收購后運輸至企業過程中產生的費用,其與運費、運輸量和轉運點距離有關.③儲存成本: 秸稈在儲存期間,需要一定的維護、人工和其他費用,如消防、用電等消耗的費用[4 -5].郝德海等[21]通過定積分微元分析法,對假定理想狀態下農作物秸稈收集成本的計算進行推導,得出運輸費用的增長是導致收集成本增長的主要原因的結論; 張展等[22]利用 Arcgis 的 Model Builder 建立最短路徑分析模型,實現了對即墨市原料運輸成本的分析; 邢愛華[23]等也對收集成本和能耗進行了參數敏感性分析,得出運輸費率、收購價格以及運輸距離是對收集成本影響比較敏感的參數的結論.其中,各參數變化 ±50% 均會引起收集成本變化 ± 17% 以上; 而且運輸油耗、運輸距離對收集過程能耗的影響較大,參數變化 ±20% 會導致能耗變化在 ± 17% 以上.從成本角度考慮收儲運時應該注意: 在田間對秸稈就地加工,會縮減作業環節,將有效降低秸稈收儲運成本; 合理選擇收集規模、收集量以及運輸路徑以控制收集成本.

4 存在的問題

4. 1 秸稈供應體系不完善

目前,我國秸稈收集缺少專業的配套設備和服務機制,沒有建立穩定的價格體系,農戶和經紀人積極性不高,影響秸稈收儲運因素很多.如需要解決天氣等不確定因素給秸稈供應造成的影響,以及建設存儲空間和完善供應體系增加的成本問題,致使秸稈資源難以進行統一收集、調配.

4. 2 秸稈收集技術不成熟

我國秸稈收集機械大多為后置式、小機型為主,效率低,適于旱地而不宜在水田作業; 工作時,存在纏繞、堵塞工作部件、捆型不整和密度低等問題,無法收集玉米、高粱等高粗秸稈; 以拖拉機牽引的打捆機不易轉彎,適合在大空間范圍內進行打捆,對于很多家庭承包的小農田來說,只能人工收集,增加了收集成本; 而且,收割機和打捆機分開工作,增加了作業工序.

4. 3 濕存儲機理不明確

農作物秸稈存儲時需要考慮存儲的穩定性且盡可能減少損耗.當秸稈含水量超過 50% 時,通常選用濕存儲\\( 密閉環境存儲如地窖\\) ,但是濕存儲增加了運輸、處理\\( 全水分、氧濃度\\) 的成本.而且,作為存儲機制,影響濕存儲的條件和因素是不確定的,需要深入研究可以快速發酵產生乳酸菌以降低 pH 值、消耗氧氣形成厭氧環境的辦法,從而保證存儲期間含水量、pH 值及氧氣濃度保持在最佳狀態.

5 結論和建議

隨著近年來秸稈發電、固體成型等產業的迅速發展,建立完善的收儲運體系、研發適合我國地形的配套設備、尋求有效的存儲方法、進行合理的成本計算等收儲運相關研究越來越受到關注.目前,我國秸稈收儲運體系建設仍然處于初始階段,相關技術和設備需要提高,影響存儲因素還不明確,需要更深入探索.

應對收儲運成本、設備、儲藏特性進行更深入研究: ①建議和當地農戶達成協議,代為存儲,以降低成本; 通過考察農田分布情況,選擇合適位置建立大型收購點,根據秸稈用途選擇合適存儲方法,制定統一的價格體系以便收購者購買.②研發適合我國農田面積小、土質松軟等特點的集收割、打捆為一體的配套設備; 改進運輸車輛裝載秸稈后變寬變高的缺點,實現集約化物流管理以保證交通安全.③針對秸稈存儲期間易發熱著火、霉變的特點,尋求有效、經濟的存儲方法,通過實驗探索其影響因素和存儲機理.

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