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陕西省秸秆资源能源化潜力评价

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  摘要 农作物秸秆是一种重要的生物质能源。由于滞后的思维方式、传统的观念以及技术落后等问题而造成大量的农作物秸秆仍无法取得高效的利用,陕西省的农作物秸秆资源利用率仅不到30%,剩下的70%多仍为废弃、焚烧等方式粗犷利用,导致环境污染严重、能源大量流失。通过对陕西省2011年的农作物秸秆产量进行分析,利用统计数据,计算出可利用的秸秆资源量,并将可利用秸秆资源量转化成标准煤量,为陕西省秸秆资源利用提供基础数据及决策参考,得出假设:将所有的可收集利用秸秆资源完全用作能源使用,计算得2011年陕西省农作物秸秆可收集利用资源量1 196.82万t,折合标准煤663.56万t,约占当年陕西省总能源消耗的6.55%。
中国论文网 /8/view-5824914.htm
  关键词 农作物秸秆;可收集利用资源量;可替代;化石能源;陕西省
  中图分类号 S216.2 文献标识码 A 文章编号 1007-5739(2014)08-0168-03
  Energy Potentiality of Crop Straw Resources in Shaanxi Province
  LI Yi-chen KANG Wen-xing HE Jie-nan
  (Faculty of Life Science and Technology,Central South University of Forestry and Technology,Changsha Hunan 410004)
  Abstract Crop straw is an important biomass energy.Because of the lagged mode of thinking,traditional view and lag in technology,ect.,a mass of crop straw still cannot get efficient use,the use ratio of crop straw in Shaanxi Province was merely 30%,the 70% left was still abandon,burn or other inefficiency way to use,which resulted in the serious environmental pollution,and large abundant energy wast.This article analyzed the yield of crop straw in Shaanxi Province in 2011,used the statistical data,figured out the amount of available crop straw,and transformed the available crop straw into standard coal,and provided the basic data and decision reference for the use of crop straw in Shaanxi Province.Obtain was that if all of the collectable crop straws would be use of energy,calculated that the amount of collectable and available crop straw in Shaanxi Province in 2011 was 1 196.82×104 Ton,converted into 663.56×104 Ton standard coal,about 6.55 % of the whole energy cost in Shaanxi Province in the year.
  Key words corp straw;amount of collectable and available;fungible;fossil energy;Shaanxi Province
  陕西省是农业大省,在农业生产过程中会产生大量的农作物秸秆,农作物秸秆是指收获农作物的籽实后剩余的部分,主要包括谷类作物秸秆(如稻秸、麦秸、玉米秸等)、豆类秸秆(如大豆、绿豆等)、薯类秸秆(如甘薯藤、马铃薯藤、红薯藤等)、棉花秸秆、油料作物秸秆(如花生杆、油菜杆、芝麻杆等)以及甘蔗、麻类秸[1]。
  著名的农民理性假说,即“在传统农业中,生产要素配置效率低下的情况是比较少见的”[2],可见农作物秸秆迟早会成为农业高效利用的热点,但是目前农作物秸秆综合利用的效率还不够高,大量的农作物秸秆仍为传统的燃烧方式处理,由于秸秆综合利用的技术在我国不是很成熟,人们普遍高效环保利用秸秆资源的意识不够强,所以用来综合利用能源化、工业化的秸秆资源比例并不是很大。且农作物的秸秆资源量目前还未列入有关部门的统计范围,可见农作物秸秆的综合利用的重要性,农作物总量的计算角度不同所得到的结果也会不同,在秸秆畜牧方面、秸秆焚烧方面、还田角度等方面计算出的秸秆资源总量都不同[3]。该文通过分析陕西省具体农作物耕种情况,利用《2012年陕西统计年鉴》的统计数据进行研究,通过计算农作物秸秆估计理论总量,计算出可收集利用的农作物秸秆量,最终计算出农作物秸秆作为生物质能源所能替代的化石能源量,并指出计算过程中所遇到的问题。
  1 陕西省秸秆资源的理论总量
  1.1 农作物秸秆系数的获得
  秸秆资源总量的计算方法主要有经济系数法与草谷比法[4]。经济系数法又称收获系数法,指经济产量与地上部分的生物产量之比,其中经济产量指的是人们平时所理解的经济价值的主产品产量,如小麦、水稻、玉米等,收获系数越高,则农产品产量越高[5],目前我国农产品收获指数在逐年上涨,意味着粮食的经济产量在不断上升[6],有国外生物生理学家认为收获系数的上限为0.6[7],而生物产量则是地上部分的总重量,例如包括小麦、水稻、玉米籽实以及其秸秆的总重量。草谷比定义为作物的秸秆产量与经济产量的比值,即作物仍有利用价值的副产品与主要利用方式的主产品的产量比值,从定义来看就可以看出秸秆系数对计算农作物秸秆产量有着重要意义,由于草谷比法直观明确,大多数学者都使用草谷比法来计算秸秆的资源量,很少有人使用经济系数法,在此选用草谷比法进行计算。   草谷比也称秸秆系数,为计算秸秆资源总量的一个重要参数,其值是农作物秸秆的产量、(1-秸秆含水量)及(1-秸秆风干的含水量)之积与籽实产量、(1-籽实含水量及杂质率)及(1-国家标准水杂率)之积的比值[8],为一固定常数,由于地理位置、降水量、气候等因素的不同,农作物的含水量、存在杂质也不同,导致秸秆系数会有偏差。
  由于草谷比是一个常数,目前我国学者对草谷比的研究也已经十分透彻,该研究通过参阅以往文献[9-12],根据王晓玉在《大田作物秸秆量评估中秸秆系数取之研究》中的研究,选取的陕西省主要农作物秸秆系数如下:小麦1.27,水稻0.94,玉米1.10,其他谷类2.32,豆类1.36,棉花2.62,油菜籽2.57,花生0.86,其他油料作物2.63,麻类6.65,糖类0.34,烟草0.71。
  1.2 理论资源量的计算
  使用草谷比法计算农作物秸秆的资源量公式为:秸秆产量=经济产量×草谷比。
  根据2011年鉴数据中给出的小麦、稻谷等10种农作物产品的产量,在2011年陕西统计年鉴中,粮食分类里分支夏粮与秋粮,夏粮中有小麦,秋粮中有稻谷、玉米、大豆。因此其他谷类=谷类总量-(小麦+稻谷+玉米)的产量。油料作物中,分油菜籽和花生2个下分支,因此其他油料=油料总量-(油菜籽+花生)的产量,然后通过这些数据计算出这12类农作物产品的理论资源量,具体见表1。可以看出,2011年陕西省主要农作物秸秆理论资源量共计1 689.15万t,其中小麦占30.83%,稻谷占4.70%,玉米占35.86%,其他谷类占17.17%,大豆占1.96%,棉花占1.05%,油菜籽占5.84%,花生占0.47%,其他油料占1.76%,麻类占0.02%,糖科占0,烤烟占0.32%。
  2 陕西省农作物秸秆资源的可收集利用资源量
  秸秆可收集资源量的定义是指在现阶段科技水平下,复合当前农作物收获的实际情况时,农作物秸秆的理论资源量与收获留茬、运输损耗等原因造成的不能利用的秸秆资源之差,并且现阶段并没有实际利用起来的那一部分秸秆资源也算在内,如焚烧、丢弃、留茬、还田的这一部分秸秆资源,虽没有高能利用,但仍属于可收集利用的范围。因此,在研究秸秆的利用与经济价值时,应将不可收集的部分排除,计算出可收集的秸秆资源量。
  2.1 可收集系数
  在秸秆收割过程中,会产生秸秆的留茬,并且在运输过程中造成损失,并不能完全收割所有秸秆,可收集利用量是指可以利用机械化收割以及人工收割的方法在田间收集可利用的农作物秸秆资源的最大数量。可利用的以及未利用的农作物秸秆均包括可收集农作物秸秆量内,机械收割的平均留茬高度为20 cm,人工收割的平均留茬高度为 10 cm[13]。
  可收集系数的计算方法为:
  ηi=[■×Ji+■×(1-Ji)] ×(1-Zi)
  式中,ηi为i种农作物秸秆的收集系数,Li,jc为i种农作物使用机械收获时的平均割茬高度(cm);Li为i种农作物平均株高(cm);Li,sc为i种农作物手工收割的平均割茬高度(cm);Ji为i种农作物机械收割面积占所有收割面积的比例;则1-Ji为i种农作物手工收割所占所有收割面积的比例;Zi为收获、运输、囤积时造成的损失比例。
  收集系数与草谷比一样,不同学者对收集系数的研究都会有不同的结果,此次研究通过对比以往文献,参考陕西省农业机械化信息网的相关政策,分析具体实际情况后,选用王亚静等[14]对农作物秸秆收集系数的研究数据,即小麦0.83,水稻0.83,玉米0.83,其他谷类0.83,豆类0.88,棉花0.90,油菜籽0.85,花生0.85,其他油料作物0.85,麻类0.87,糖类0.88,烟草0.90。
  2.2 可收集农作物秸秆资源量
  可收集的作物秸秆资源量即为农作物秸秆的理论资源量与可收集系数之积,通过之前对农作物的理论资源量的计算,与可收集系数结合,得出陕西省可收集的农作物秸秆资源量,具体见表2。可以看出,2011年陕西省农作物秸秆可收集资源量共1 408.02万t,其中小麦秸秆占30.70%,稻谷秸秆占4.68%,玉米秸秆占35.71%,其他谷物秸秆占17.10%,豆类秸秆占2.07%,棉花秸秆占1.13%,油菜籽秸秆占5.95%,花生秸秆占0.48%,其他油料秸秆占1.80%,麻类秸秆占0.02%,糖类秸秆占0,烤烟秸秆占0.35%。
  2.3 可利用农作物秸秆资源量
  秸秆资源的主要利用方式包括秸秆的肥料(包括秸秆直接还田与堆肥还田)、饲料、生活能源、原料、焚烧与堆弃。这是在当年生产环境下秸秆资源的主要利用方式,在进行秸秆资源的能源转化量分析时,哪些秸秆资源适合转化,哪些秸秆资源应保持现有的秸秆利用方式成为了需要考虑的部分,以现有的利用方式来看,秸秆资源以生活能源、焚烧与堆弃无疑是低效利用方式,应全部转化为高效的生物质能源进行利用,秸秆作为工业原料的部分应维持现有利用方式,秸秆资源作为可直接进行加工饲料与肥料的物质基础,具有一定的生物特性,如果全部以能源利用方式进行转化反而不妥,应适当予以保留。经过研究以往文献,对比陕西地区的具体情况,使用Purohit等[15]对生物质能源化利用的研究,选择秸秆资源用作适宜现阶段利用方式的比例为15%,即可利用量为85%。得出不同种类的农作物秸秆可作为能源利用的资源量为:小麦秸秆367.45万t,水稻秸秆56.04万t,玉米秸秆427.37万t,其他谷类秸秆204.61万t,豆类秸秆24.81万t,棉秆13.51万t,油菜籽秸秆71.23万t,花生秸秆5.76万t,其他油料作物秸秆21.53万t,麻类秸秆0.30万t,糖类秸秆0.04万t,烟草秸秆4.17万t,合计1 196.82万t。
  3 秸秆资源生物质能源转化   由表3可知,作物秸秆中碳含量在40%~50%,氢的含量在5.5%~6.2%,氧的含量在43%~45%[16],秸秆的平均热值为14 226 kJ/kg,比薪柴平均热值低15%,相当于标准煤热值的48.57%,因此转换系数比即为生物质能源的热值与标准煤热值的比值。
  该研究选用韦茂贵等[17]计算的能源转换系数,即小麦0.55,稻谷0.46,玉米0.55,其他谷物0.56,豆类0.65,棉花0.62,油菜籽0.61,花生0.54,其他油料0.58,麻类0.60,糖类0.49,烤烟0.55,计算出可能源化秸秆资源量,具体见表4。可以看出,陕西省可收集利用的秸秆资源量转换为标准煤后得到的可替代化石能源量共663.56万t,其中小麦秸秆占30.46%,稻谷秸秆占3.89%,玉米秸秆占35.42%,其他谷类秸秆占17.27%,大豆秸秆占2.43%,棉秆占1.26%,油菜籽秸秆占6.55%,花生秸秆占0.47%,其他油料作物秸秆占1.88%,麻类秸秆占0.03%,糖类秸秆占0,烤烟秸秆占0.35%。
  4 结论与讨论
  陕西省2011年农作物秸秆理论资源量有1 689.15万t,其中可收集的资源量1 408.02万t,除去合理的传统利用方式后,可利用为能源的秸秆资源量1 196.82万t,如果这些生物质能源全部用于化石能源转化将转化为标准煤663.56万t,当年能源消耗为10 128.41万t油当量,秸秆能源所具有的能源效益相当于当年化石能源消耗的6.55 %,虽然用农作物产量估算秸秆资源量并获得可收集利用资源量的方法已经比较成熟,但是仍存在一些问题,首先统计数据的不全面导致结果会有差异,朱建春等的研究中就列举出曹国良估算中国2005年主要农作物秸秆量为6亿t,而毕于运等估算出中国2005年主要农作物秸秆产量为8.42亿t。张培栋等[18]统计出的农作物秸秆约为7亿t。其次草谷比的取值也存在差异,王宁堂等[19]在研究中选取的小麦、玉米的草谷比分别为1.44、1.38,同时收集系数也存在差异,李志刚等研究中,小麦、玉米、棉花的收集系数分别为0.64、0.85、0.91,而王亚静等的研究中小麦、玉米、棉花的收集系数分别为0.83、0.83、0.90,所以在计算过程中,如果同时选取最大草谷比与最大收集系数,计算出的农作物秸秆可收集利用量可能要比同时选取最小草谷比和最小收集系数得到的农作物秸秆可收集利用量多几十甚至几百万吨[20-23]。
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