国内外秸秆收储运模式、设备发展现状及方法比较

　　0 引言

　　近年来,随着常规能源的过度消耗,开发清洁的可再生能源逐渐受到社会各界关注[1].农作物秸秆作为主要的生物质原料,不仅可替代常规能源,也可应用于工农业生产,如用作肥料、饲料、生活燃料及造纸、养殖、食用菌等.目前,我国秸秆资源利用量约 5亿 t,占总量的 70. 6% ,剩余均被焚烧或废弃,造成严重的环境污染和资源浪费,秸秆综合利用尚待提高[2 -3].秸秆作为一种散抛型、低容重的资源,具有分散、季节性、能量密度低、储运不方便等特点,严重地制约了其大规模应用.秸秆收储运就是将分散在田间地头的秸秆,在保持其利用价值的前提下,采用经济、有效的收集方法和设备,及时进行收集、运输和存储或直接运输至秸秆利用厂,是能源化利用等资源化利用的基础[4 -5].

　　为此,通过分析国内外秸秆收储运模式、设备发展现状和对存储方法的比较,对现有的模式、设备存在问题及改进方法等进行分析,并提出相关建议,为我国秸秆的收集利用提供参考.

　　1 国内外收储运模式发展现状分析

　　1. 1 国内

　　我国农作物秸秆量大、种类多,可利用潜力巨大.近年来,随着秸秆能源利用技术的推广,许多地区已经建立收储点,形成以秸秆经纪人或专业收储运公司为依托的收储运模式,为秸秆收储运体系工程建设积累了良好的基础[6].张晓东[7]通过对甘肃省秸秆收集处理现状的分析,认为主要存在 3 种模式,分别是: 农户分散贮藏收集、专业公司收贮管理以及运输行业运送秸秆到厂家; 白延飞、刘菊等[8 -9]总结出江苏省初步形成的经纪人分散型、合作社专业型、规模化企业自营型 3 种典型模式存在的问题,并提出相关建议.朱新华等[6]根据陕西省地域特点得出其秸秆收储体系主要以自收自用和分散收储模式为主,以集约化收储模式为发展方向的结论.

　　综上所述,秸秆收储运在我国已经有了一定的发展基础,主要有分散型和集中型两种模式.其中,分散型收储运模式以农户、专业户或秸秆经纪人为主体,把分散的秸秆收集后直接提供给企业,可以分为"公司 + 散户"型和"公司 + 经纪人"型等两种形式; 集中型收储运模式以专业秸秆收储运公司或农场为主体,负责原料的收集、晾晒、储存、保管和运输等任务,并按照能源化企业的要求,对农户或秸秆经纪人交售秸秆的质量把关,然后统一打捆、堆垛、存储,可以分为"公司 + 基地"集中型和"公司 + 收储运公司"集中型等两种形式[10].分散型和集中型等两种模式分别应用于具体的场合,其特点如表 1 所示.

　　随着秸秆的规模化利用和市场需求的增加,集中型收储运模式将成为主要发展方向.

　　

　　1. 2 国外

　　欧美等发达国家现代农业体系发展相对健全,农作物秸秆收集利用主要使用机械且以集中型模式为主,其中收储运模式的主要特点是要求有良好的收获、运输等配套机械,目前正朝着高密度、大型化方向发展.例如在丹麦,生产者与企业之间秸秆交易采用期货合同的形式,秸秆价格由供应商和购买商共同决定,以免任何一方随机抬高价格.合同可直接与农场主签订,也可与秸秆生产者和承包商签订,通常会包括交货日期、供货数量、协议价格以及质量标准等内容.该收储运模式在丹麦已经得到了广泛应用,可以保证秸秆的持续供应,形成了比较完善的收储运体系[10].目前,国外典型的秸秆收储运技术路线( 见图 1和图 2) 包括:

　　1) 麦秆.收获后直接采用打捆机打捆或者铺条后再打捆,然后装载、运输、堆垛; 收获后直接散装、堆垛.

　　2) 玉米.收获并经揉切后打成方捆,然后运输、堆垛; 经过揉搓后散装、存储.

　　

　　2 国内外技术设备发展现状分析

　　2. 1 秸秆收集

　　2. 1. 1 国内

　　我国农作物秸秆传统收集方法主要靠人工获得,作业人员劳动强度大、效率低.随着机械化的快速发展,一些秸秆可以通过机械收集完成,不仅减少了劳动时间、减轻劳动强度,还提高了农业生产经济效益.

　　其中,粉碎后收集、直接打捆收集是主要的两种形式.

　　1) 田间粉碎收集.农作物收获后,部分需要粉碎处理,用于秸秆还田或收集.目前,我国现有的粉碎机型号很多,其中燕北畜牧机械集团有限公司、中国农业机械化科学研究院等都有生产[22].4JH - 170 型秸秆粉碎回收机主要由秸秆切断丝化装置和秸秆回收装置两部分组成,由 55 ~ 60kW 拖拉机后悬挂牵引作业,在田间边行走边工作[3,11 -12].其优点: 减少散料收集运输成本,作业操作人员少、便于组织,劳动力成本低; 缺点: 粉碎加工时受限制条件较多,如下雨、田间泥泞等,作业周期较短[13].对秸秆加以粉碎再进行压缩处理,压缩比可达到1 /5 ~ 1 /15,有利于秸秆的运输和储存,适于大型畜牧场及商品化生产.

　　2) 打捆收集.目前,国内生产的大型捡拾机械以内蒙古宝昌牧业机械厂研发的方型打捆机为代表,收获后草捆长宽高分别为: ( 600 ~ 1 200) ㎜ × 460 ㎜ ×360 ㎜,草捆质量约 15 ~ 25 ㎏,工作可靠、搬运方便,适合单一作业.黑龙江省牧机所研制的 9WJD -50 型卧式秸秆打包机也得到了应用,该机器由 18kW 电动机驱动,压缩后形成 320 ㎜ × 320 ㎜ × 700 ㎜、25 ㎏左右的方捆,密度达 340 ~360 ㎏/m3,可堆放高度为 3~ 4. 5m,一般在田间地头或者交通比较便利的庭院场地进行作业.通过压捆打包的秸秆,减少了储存空间,而且外形规则便于运输,运输成本低[11].

　　另外,个体农户也会使用与小四轮拖拉机配套的小型圆捆打捆机.圆捆机由于是间歇打捆,因而生产率不高、捆扎的密度较低、装运和储存不太方便; 但是其结构相对简单、体积小、成本低、操作维修简单[3,12].

　　2. 1. 2 国外

　　目前,国外秸秆收集多采用方捆、圆捆及散料方式,使用的机械大多为高密度大方捆或圆捆打捆机,作业效率高,草捆便于运输和存储.其中,圆捆打捆机有内卷式和外卷式两种形式,着名生产厂家有海斯顿、克拉斯、纽荷兰等,打捆直径一般为 0. 6 ~ 1. 2m,市场上甚至出现了 1. 8m 的大型圆捆打捆机,生产效率高.方捆打捆机相对于圆捆来说,技术和结构更复杂,但收获草捆密度高、捆型整齐,易于储运,目前方捆设备生产商以海斯顿、爱科、迪尔等公司着称[14].

　　在打捆机控制系统方面,国外大多采用基于现场总线的 PLC 控制.典型机型有瑞典松德斯公司生产的 KNSS650 型打捆机和意大利达涅利公司生产的 LF型钢材打捆机,均采用西门子 SIMATIC6ES5 -115U 系列 PLC 进行控制,同时配合 PC 机用于现场监测控制,以保证整机稳定可靠运行; 美国凯斯纽荷兰公司生产的 BR6000 系列圆捆打捆机采用基于 CAN 总线的 PLC进行控制,适用于野外控制等环境复杂场合[15],具体性能如表 2 所示.

　　

　　散料收获主要有两类机型,一类是秸秆青饲收获机,另一类是散秆捡拾装运车.目前,秸秆青饲料收获已由单一的针对具体作物的专用机型发展成为集田间行走、喂入、切碎、抛送为一体的综合机型.散秆捡拾装运车由最初的捡拾、装载、卸料等功能,发展成为集收割、搂集、喂入、抛送、压缩、计量和自动卸料一体化的复合作业设备.目前,有牵引式和自走式两种机型,根据有效容积又分为大、中、小等不同规格.如纽荷兰公司生产的青饲收获机器底盘配套功率最大已超过500kW,可以应用于条铺秸秆的捡拾割台; 德国科恩公司的捡拾装运车配套动力最高达到 105kW[16].

　　2. 2 秸秆运输

　　2. 2. 1 国内

　　目前,国内秸秆运输包括打捆后采用平板车、大型汽车运输,以及粉碎后采用三轮车或汽车运输.其中,由于低速汽车( 三轮: 最高车速≤50km/h; 四轮: ≤70km / h) 具有中低速度、中小吨位、中小功率、高通过性的特点,适应我国农村道路条件差、货源分散、单次运量少、运距短的运输特征,得到了广泛应用.运输过程中要考虑秸秆的全水分不能过高或过低,否则在一定条件下秸秆会降解或自燃[10,17].

　　2. 2. 2 国外

　　国外农作物秸秆运输时,若由农场主自己运输,通常使用拖拉机和卡车.利用卡车运输时,通常秸秆分别装在卡车及其拖车上,每节车厢分两层各装 12个草捆; 当利用拖拉机运输时,也会采用同样的装车方法,但是每辆车的装载量为 16 ~ 20 个草捆.因为目前很多电厂进行了技术改造以便利用大型草捆,通常使用改造过的卡车或载重拖车运输草捆,但是有时也使用普通的农用拖车或其它一些专门设计的运输工具[10].

　　2. 3 秸秆存储

　　如果生产与使用之间存在时间间隔,储藏秸秆则是必要的.按照秸秆存储时全水分、用途不同可以分为干存储与湿存储; 按照存储环境不同则可以分为室外存储、室内存储等.

　　2. 3. 1 存储时全水分差异

　　干存储指对秸秆进行自然干燥或人工干燥( 利用干燥技术设备) 处理后再进行储存.其通过较低的水分含量( <15% ~20% 湿基) 抑制微生物生长,且可以降低纤维素降解酶和细菌活性.但是,若要农作物秸秆保存良好,须保证存储环境持续干燥,以避免微生物在潮湿的环境下恢复活性.

　　湿存储指秸秆收获后直接存储以应用于饲料、食用菌基料、纤维素乙醇等用途,通常存储在密封地窖等环境中.对于湿存储来说,主要以低 pH 值( <4. 5)和低氧气浓度保存秸秆,以免遭到微生物降解以及干物质损耗[18.研究表明[19],当秸秆全水分大于 50%( 湿基) 且在有覆盖物和没有覆盖物两种存储环境下,会分别产生 20% 和24. 5% 的干物质损失,然而当秸秆全水分下降到约 20% ~24% ( 湿基) 时,干物质损失会降低到小于 8% ,由此可见秸秆全水分对存储影响的重要性.

　　生物质干存储需要保证环境干燥,存储条件较严苛,然而全水分较低可以抑制微生物生长,降低能源消耗.湿存储不用进行干燥处理,因此很大程度提高了收获的效率和时效性,且可以降低火灾等风险,在存储期间的干物质损耗甚至减少到小于 5% ; 但是,同时会释放含有硝酸的腐蚀性液体,用于密封或者包装的塑料薄膜也需要处理[18 -19].具体比较如表 3 所示.

　　

　　2. 3. 2 存储环境不同

    1) 室外( 堆垛) 存储.堆垛是最简单的秸秆储存方法,长期堆积时全水分应该低于 30% ( 湿基) ,且当最高堆积高度达到 8m、储藏时间少于 2 个月时,会有效地避免自燃[20].为了防潮,有时会先将底部用木头或砖垫起 10 ~15 ㎝,堆垛时注意中部填实以防中间空而易散,堆垛形状最好底部小、顶部大,呈倒圆台,然后用防雨布覆盖以免淋雨或者将原料冲走[10].

　　2) 室内( 仓库) 存储.对于粉碎或者捆型的秸秆,通常采用干燥仓或者通风仓储藏,利用热风强制循环或空气被动通风对流干燥方式,使捆型秸秆达到安全储藏水分 12% ~15% ,从而延长储存时间.存储环境需允许车辆进入,最好是一面墙或者顶部可以打开,卡车在卸货台卸载,或者采用辅助接收设备卸载,通常储仓含有垂直的墙壁,或者可以向下拓展.室内储藏时干物质损失少; 但是其成本高、搬运麻烦,期间需要不定期检查、维护[18].

　　另外,选择存储地点时应该考虑: 排水系统良好、没有积水现象且便于车辆停放、驶入; 靠近农场、公路,水电方便,面积合适,用地符合国家土地政策; 燃料堆放远离生产区、生活区,收储站四周应当设置围墙或铁丝网.

　　3 成本分析现状

　　秸秆收储运经济成本的计算始于收获籽实后的田间,止于秸秆利用厂,基本上包括秸秆的购买、收集、装运和存储等费用[4].其中: ①收集成本.企业从农民手中收购秸秆,并进行简单的堆放或储存时产生的相关费用,主要包括收购费和其他费用( 装卸费用等) .②运输成本: 秸秆收购后运输至企业过程中产生的费用,其与运费、运输量和转运点距离有关.③储存成本: 秸秆在储存期间,需要一定的维护、人工和其他费用,如消防、用电等消耗的费用[4 -5].郝德海等[21]通过定积分微元分析法,对假定理想状态下农作物秸秆收集成本的计算进行推导,得出运输费用的增长是导致收集成本增长的主要原因的结论; 张展等[22]利用 Arcgis 的 Model Builder 建立最短路径分析模型,实现了对即墨市原料运输成本的分析; 邢爱华[23]等也对收集成本和能耗进行了参数敏感性分析,得出运输费率、收购价格以及运输距离是对收集成本影响比较敏感的参数的结论.其中,各参数变化 ±50% 均会引起收集成本变化 ± 17% 以上; 而且运输油耗、运输距离对收集过程能耗的影响较大,参数变化 ±20% 会导致能耗变化在 ± 17% 以上.从成本角度考虑收储运时应该注意: 在田间对秸秆就地加工,会缩减作业环节,将有效降低秸秆收储运成本; 合理选择收集规模、收集量以及运输路径以控制收集成本.

　　4 存在的问题

　　4. 1 秸秆供应体系不完善

　　目前,我国秸秆收集缺少专业的配套设备和服务机制,没有建立稳定的价格体系,农户和经纪人积极性不高,影响秸秆收储运因素很多.如需要解决天气等不确定因素给秸秆供应造成的影响,以及建设存储空间和完善供应体系增加的成本问题,致使秸秆资源难以进行统一收集、调配.

　　4. 2 秸秆收集技术不成熟

　　我国秸秆收集机械大多为后置式、小机型为主,效率低,适于旱地而不宜在水田作业; 工作时,存在缠绕、堵塞工作部件、捆型不整和密度低等问题,无法收集玉米、高粱等高粗秸秆; 以拖拉机牵引的打捆机不易转弯,适合在大空间范围内进行打捆,对于很多家庭承包的小农田来说,只能人工收集,增加了收集成本; 而且,收割机和打捆机分开工作,增加了作业工序.

　　4. 3 湿存储机理不明确

　　农作物秸秆存储时需要考虑存储的稳定性且尽可能减少损耗.当秸秆含水量超过 50% 时,通常选用湿存储( 密闭环境存储如地窖) ,但是湿存储增加了运输、处理( 全水分、氧浓度) 的成本.而且,作为存储机制,影响湿存储的条件和因素是不确定的,需要深入研究可以快速发酵产生乳酸菌以降低 pH 值、消耗氧气形成厌氧环境的办法,从而保证存储期间含水量、pH 值及氧气浓度保持在最佳状态.

　　5 结论和建议

　　随着近年来秸秆发电、固体成型等产业的迅速发展,建立完善的收储运体系、研发适合我国地形的配套设备、寻求有效的存储方法、进行合理的成本计算等收储运相关研究越来越受到关注.目前,我国秸秆收储运体系建设仍然处于初始阶段,相关技术和设备需要提高,影响存储因素还不明确,需要更深入探索.

　　应对收储运成本、设备、储藏特性进行更深入研究: ①建议和当地农户达成协议,代为存储,以降低成本; 通过考察农田分布情况,选择合适位置建立大型收购点,根据秸秆用途选择合适存储方法,制定统一的价格体系以便收购者购买.②研发适合我国农田面积小、土质松软等特点的集收割、打捆为一体的配套设备; 改进运输车辆装载秸秆后变宽变高的缺点,实现集约化物流管理以保证交通安全.③针对秸秆存储期间易发热着火、霉变的特点,寻求有效、经济的存储方法,通过实验探索其影响因素和存储机理.

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