我國秸稈資源“五化”利用研究進展

王長波，平英華，劉先才，楊 子，王振偉

(1.農業部南京農業機械化研究所，江蘇南京 210014；2.南京航空航天大學，江蘇南京 211106)

作為一個農業大國，我國秸稈資源豐富，每年產為6億～8億t[1]。隨著我國農村地區經濟的發展，農民已經逐漸放棄采用秸稈作為生活燃料，因而大量的秸稈資源閑置或被露天焚燒，造成了嚴重的環境污染問題。為解決以上問題，我國政府鼓勵秸稈資源的綜合利用，具體可以概括為“五化”利用，包括能源化(或燃料化)、肥料化、飼料化、原料化及基料化。自2008年國務院辦公廳印發《關于加快推進農作物秸稈綜合利用的意見》以來，我國秸稈綜合利用水平得到大幅提升，目前秸稈資源綜合利用率已達65%[2]。2015年，國家發改委、財政部、農業部以及環境保護部聯合發出通知，要求到2020年，我國秸稈綜合利用率達到85%以上。為更好地實現這一目標，政府、企業和科研單位都開展了大量工作，并取得初步成效。然而，當前各單位以“單打獨斗”為主，未形成合力。因此，有必要對秸稈“五化”利用進行全面綜述，為進一步提高我國秸稈資源的綜合利用程度提供基礎信息與數據支持。筆者從整體上分析了當前秸稈“五化”利用的現狀，分析了我國秸稈資源利用存在的瓶頸，最后提出了相關政策建議。

1 秸稈“五化”利用現狀

根據2010年底農業部科技教育司發布的《全國農作物秸稈資源調查與評價報告》，我國秸稈可收集資源量為6.87億t，其中以玉米、稻草和麥稈為主，三者所占比重分別為32%、25%和18%。據調查，目前仍有31%的秸稈資源廢棄或露天焚燒(圖1)。而秸稈“五化”利用以飼料化利用為主，其次為燃料化和肥料化。原料化和基料化利用程度仍較低，各類利用方式發展不平衡。

與之相對應的是，各類利用方式的相關研究也存在不同的發展程度。通過在中國知網進行主題詞檢索，可以發現秸稈燃料化(能源化)利用方式的相關研究最多，達208篇(圖2)。這主要是由于近年來我國能源安全及溫室氣體減排等問題受到了充分關注，秸稈作為可再生能源受到各界重視。此外，飼料化利用相關文獻數量為108篇，而肥料化、原料化和基料化的研究相對較少，分別為28、17和4篇。可見，秸稈資源綜合利用水平仍有很大的提升空間。

圖1 各種用途占可收集資源量的比例Fig.1 The component of the collective straw’s end use

圖2 秸稈“五化”利用方式的文獻數量Fig.2 The number of literatures of straw comprehensive use

2 主要技術類別及其成熟度評價

2.1秸稈能源化技術如圖3所示，當前主要的秸稈能源化利用技術有7種，按不同的轉化形態可以分為固化技術(固化成型、炭化)、液化技術(燃料乙醇、生物柴油)、氣化技術(熱解氣化、沼氣)以及直燃技術(直燃發電)。

圖3 秸稈綜合利用技術體系Fig.3 The system of straw comprehensive utilization technology

2.1.1固化成型技術。所謂固化成型，是指將秸稈經過干燥、粉碎和成型等程序制備成致密固體燃料的技術。按照不同的生成工藝，可以分為熱壓成型、冷壓(常溫)成型和炭化成型。成型設備可分為螺旋擠壓式、活塞沖壓(機械及液壓)式和模壓(平模及環模)式3類，而目前80%的設備采用模壓式[3]。自20世紀30年代起，美國、英國、德國和日本等國相繼開展了秸稈固化成型技術。目前，國外已經在生活領域大量使用生物質固體燃料，如歐洲各國的供熱幾乎100%采用顆粒燃料[4]。

表1總結了我國秸稈固化成型技術的發展歷程。由表1可知，自20世紀80年代以來，科研機構和高校都不斷推進我國固化成型設備的研發工作。截至目前，該技術已經較為成熟，實現了商業化發展。當前我國秸稈壓塊燃料主要用于集中供熱和發電，目前規模較大的企業有廣州迪森熱能技術股份有限公司、吉林宏日新能源和北京盛昌綠能科技股份有限公司等。

表1 固化成型設備研究進程

2.1.2直燃發電技術。生物質發電包括直接燃燒發電、氣化發電和混合燃燒發電。其中，直燃發電已成為當前主要的秸稈發電技術，約占生物質發電總裝機容量的61%[5]。秸稈直燃發電與燃煤發電并沒有本質上的區別，其原理是將秸稈原料送入鍋爐中直接燃燒，產出高壓過熱蒸汽，通過汽輪機的渦輪膨脹做功，驅動發電機發電[6]。

國外秸稈直燃發電技術以丹麥BWE公司為代表，目前該公司已在丹麥、瑞典、芬蘭、西班牙等國建設了數十個發電站[7]。2006年，國能生物質發電有限公司引進丹麥BWE技術，并建立了我國第一座生物質發電廠——山東單縣秸稈發電廠。此后，我國生物質發電迅速發展。截至2016年底，全國已投產生物質發電項目共計665個，并網裝機容量1 224.8萬kW，年發電量634.1億kW·h，年上網電量542.8億kW·h[8]。到2010年總裝機容量增長到5 500 MW。根據《可再生能源中長期發展規劃》，到2020年我國生物質發電總裝機容量將達到3 000萬kW。由中國生物質聯盟發布的《2016年中國生物質發電企業排名報告》介紹了我國當前主要生物質發電企業及其裝機容量[8](圖4)。

2.1.3氣化技術。秸稈氣化技術主要包括熱解氣化和沼氣化。熱解氣化是指將秸稈原料(如玉米芯、棉稈、玉米秸稈等)粉碎后，經過氣化爐熱解、氧化和還原反應轉化成為可燃氣體[9]。秸稈氣化技術的核心設備是氣化爐，主要包括固定床氣化爐、流化床氣化爐2類。前者主要適用于物料為塊狀及大顆粒原料，制造簡單，運行部件少，熱效率高，但內部過程難以控制，內部物料容易形成空腔，處理量小。后者則適合含水大、熱值低、著火困難的原料，可大規模高效利用[10]。

我國秸稈熱解氣化技術始于20世紀80年代。自1994年山東桓臺建成我國第一個秸稈氣化爐集中供氣試點后，山東、江蘇、河南、北京等地陸續推廣應用了秸稈氣化技術[11]。我國科研單位正積極開展氣化關鍵設備的研發工作，取得了一定成效(表2)。然而，目前熱解氣化技術尚未實現商業化發展，仍處于試點階段，主要原因是技術不夠成熟，經濟效益較差[12]。

圖4 生物質發電企業裝機容量排名Fig.4 The installed capacity rank of biomass power enterprises

Table2Strawgasificationfurnacesandassociatedresearchagencies

序號No．研發單位Researchanddevelopmentunit產品名稱Productname1山東能源研究所XFF系列秸稈氣化爐2大連環境科學設計院LZ系列生物質干餾熱解氣化裝置3中國機械化科學研究院ND系列生物質氣化爐4江蘇大豐寶鹿生物科技有限公司BL-390A型氣化爐5江蘇徐州昊源集團、江蘇大學HY-350型家用秸稈氣化爐6中科院廣州能源所GSQ型氣化爐

我國秸稈沼氣化技術仍處于起步階段。根據原料處理工藝不同，可分為濕發酵和干發酵。截至2011 年，國內建成并運行的規模化秸稈沼氣工程有10 余座，運行時間均不足5年。目前，秸稈原料的預處理及厭氧發酵過程主要是對畜禽糞便技術進行簡單改造，難以滿足秸稈沼氣的需要[13]。濕發酵方面，學者們主要開展了提高原料產氣效率的研究，對相關設備的研究不足[14-16]。在干發酵方面，農業部南京農業機械化研究所生物質轉化與利用裝備團隊進行了多年研究，目前已研發出以車庫式干發酵裝置為載體的一系列發酵工藝和設備，并在江蘇宜興和常熟建立了試驗基地[17-18]。

2.1.4液化技術。生物質能的液化技術是指通過水解、熱解或催化等方法將生物質轉化為液體燃料的技術[19]。主要液化產品包括汽油、柴油、液化石油氣等液體烴類產品，有時也包括甲醇和乙醇等醇類燃料。傳統的燃料乙醇和生物柴油以玉米、油菜籽等糧食或經濟作物為原料，這不符合我國人多地少的基本國情。因此，開發第2代生物質液體燃料，即以秸稈等農林廢棄物作為原料制備液體燃料成為當前我國研究的重點。

第2代生物質液體燃料主要包括纖維素乙醇、生物質合成油等，這些技術仍處于技術攻關階段。目前，我國最大的燃料乙醇生產商中糧集團啟動建設了年產500 t的纖維素乙醇試驗裝置，纖維素轉化率超過了90%、半纖維素轉化率超過95%、糖轉化率超過85%等，其多項關鍵技術指標在行業內均處于領先地位，已接近國際先進水平[20]。在生物質合成油方面，河北省農林科學院與南非金山大學合作，建立了實驗室條件下的小試裝置[21]。

2.2秸稈飼料化技術秸稈養畜在我國歷史悠久，目前仍是我國秸稈綜合利用最主要的方式。秸稈飼料化對緩解人畜爭糧矛盾、減少資源浪費和環境污染具有重要的現實意義。然而，秸稈粗纖維含量高，礦物質和蛋白質含量低，適口性差等問題制約了其飼料化應用[22]。當前主要采用物理、化學和生物方法加工秸稈飼料，提高其利用價值[23]。

物理方法主要是對秸稈的外形和結構進行改變，如切短和粉碎、浸泡、蒸煮、射線照射、熱噴、膨化、揉搓、顆粒化等。其中，揉搓加工和秸稈飼料壓塊技術是近年發展的新方法。這些物理方法不改變秸稈化學組成，不能提高養分，且就目前的實際水平，只有切短、粉碎、壓制等方法簡便易行，其余方法耗時、耗能都較多，投入使用難度較大[24]。

化學方法主要是通過添加化學試劑，經過一段時間作用后，達到提高秸稈消化率的目的。主要包括堿化、酸化、氧化和氨化，前3種由于成本高、污染重，且用量不當會引起家畜中毒等問題，目前未得到推廣[25]。

生物處理法主要包括青貯、微貯、酶處理、EM法(有益微生物法)等。概況起來主要是酶制劑處理和微生物處理2種辦法。青貯法主要適用于含糖較高的秸稈，但是該方法無法分解粗纖維，難以改變秸稈化學組成，對飼料養分的提高作用微效。微貯方法生產周期較長，且只能適用于反芻動物[26]。酶解法和EM法目前成本仍然較高，難以應用于秸稈飼料行業。

目前秸稈飼料市場上主流的商品包括青貯、顆粒和微貯飼料等，其他處理方式多數仍處于研究階段。表3列舉了部分秸稈飼料產品生產廠家和科研單位研究情況。

表3 秸稈飼料生產企業及研發單位

2.3秸稈肥料化技術肥料化技術主要包括秸稈還田和秸稈有機肥生產(圖3)。秸稈還田主要包括粉碎翻壓還田、覆蓋還田、堆漚還田和過腹還田[32]。從廣義的角度而言，秸稈在田間地頭焚燒也是還田的一種方式，但這種方式造成了嚴重的空氣污染。研究表明，秸稈還田能夠大大提高有機質含量，改良土壤，提高農作物產量[33]。然而，若無預處理，秸稈的腐爛需要較長時間。因此，秸稈還田量與土壤性狀的關系及其對作物生長的影響仍需進一步研究。有研究表明，秸稈還田會增加來年播種難度，處理不當，可能影響作物產量[34]。此外，目前秸稈還田雖已基本實現機械化，但還田機械較為單一，難以適應不同還田方式的需要[32]。

秸稈肥料化生產是控制一定的條件，通過一定的技術手段，在工廠中實現秸稈腐爛分解和穩定，最終轉化為商品肥料的過程[35]。秸稈本身養分不均衡、含量偏低且不易腐熟，因此常常需要配合畜禽糞便等物料，并添加一些專用菌劑來共同生產。隨著人們對綠色、有機食品需求的增長，全國有機肥生產企業從2002年的450家增加到2016年的5 506家。主要分布在有機肥原料豐富的地區(如山東和河北)和經濟發達地區(如廣東和江蘇)。此外，企業規模普遍偏小，經濟效益薄弱[36]。

2.4秸稈原料化秸稈作為工業原料，主要應用于制漿(造紙)、纖維復合材料(人造板、餐具、建筑材料等)、有機物產品(羧甲基纖維素、木糖醇等)和炭化產品[37]。

我國人造板產業起源于20世紀70年代，起初是以蔗渣為原料。80年代后，由于林木資源短缺，我國再次掀起秸稈人造板研究與技術開發熱潮，主要研究單位包括南京林業大學、東北林業大學、中國林科院木材工業研究所等，研制開發出了麥秸刨花板、麥秸、稻草中密度纖維板等農作物秸稈人造板[38]。經過10余年的發展，我國人造板產業基本實現工業化，成果較為突出的企業有萬華生態板業股份有限公司、西安楊凌高新區的諾菲博爾板業控股(中國)有限公司等。

傳統秸稈制漿主要采用化學法，污染問題嚴重。近年來，我國在秸稈清潔制漿技術方面取得突破進展，并在一定規模上實現產業化。清潔制漿技術主要包括膨化制漿技術、氧化法清潔制漿技術、DMC制漿技術和生物制漿技術[39]。主要的研發單位和生產企業見表4。

表4 我國清潔制漿研發單位及生產企業

此外，秸稈建筑材料(秸稈磚、保溫墻)及有機產品仍處于研發階段，目前還未進行工業化生產。在秸稈建筑材料方面，研發單位主要包括山東農業大學、吉林建筑大學等[40-41]。秸稈有機物產品研究單位主要包括北京理工大學、華南理工大學等[42-43]。

2.5秸稈基料化基料化的概念從僅指將秸稈用于食用菌栽培，發展到包含食用菌栽培和用于作物栽培基質2個方面[44]。由圖2可知，目前學術界對秸稈基料化的研究仍較少。農作物秸稈含有豐富的纖維素、半纖維素和木質素，非常適用于栽培食用菌。秸稈栽培食用菌的工藝概括起來主要包括配料—滅菌(發酵)—接種—發菌—發菌管理—采收—恢復期管理等流程。具體來說，首先是選料、粉碎(壓扁)、配料，其次是滅菌(發酵)、接種，最后是生產過程中溫度、濕度、通風、光線、pH 等控制和管理[2]。

目前，國內利用熟料秸稈作為培養基生產食用菌的技術已經成熟，平均生產1 kg食用菌可消耗秸稈1 kg左右，菌渣還可以作為有機肥料。該項技術簡單易行，容易推廣。目前農業部南京農業機械化研究所、西北大學和山西大學等都對基料化利用進行了研究，試驗效果較好。

3 面臨的主要問題及展望

3.1秸稈利用企業經濟效益不佳雖然秸稈綜合利用有較好的環境效益，但對于企業而言，經濟性才是決定其能否生存和發展的根本問題。從“五化”利用來看，秸稈基料化行業的經濟效果較為理想。能源化利用方式中，除秸稈顆粒燃料外，其余能源化利用方式皆為微利或虧損。秸稈直接還田對土壤肥力的增加作用很小，且還田成本在525～900元/hm2，農民難以接受[45]。通過生產有機肥能夠大大提高秸稈肥料化利用的效果，但目前有機肥生產成本居高不下。

縱觀秸稈綜合利用企業生產成本居高不下的原因，一方面是由于技術的不成熟，如秸稈液化、氣化利用，另一方面則是因為秸稈收集、運輸和存儲成本過高。據測算，生物質發電企業的原料成本占運營成本的70%左右[46]。如何降低收儲運成本應是未來秸稈綜合利用研究的重點。農業部南京農業機械化研究所生物質轉化與利用裝備創新團隊多年來致力于秸稈收儲運設備研究，目前已開發出“自走式”棉稈拔稈切碎聯合收獲機、“自走式”玉米穗莖兼收秸稈打捆機、大型臥式液壓秸稈打包機等秸稈收儲運設備，并初步應用于生物質固體燃料和秸稈天然氣工程的原料收儲運過程中。

3.2秸稈利用核心技術亟待加強如文獻所述，除秸稈壓縮成型、秸稈肥料化及基料化利用技術外，我國其他秸稈綜合利用技術主要依賴于國外。這一方面增加了秸稈綜合利用的成本，同時由于農業種植方式、作物種類的不同，國外秸稈收儲運設備以及秸稈綜合利用設備往往難以適應我國實際需求。如國外秸稈收集設備往往適用于大型農場秸稈收集，而我國農業種植相對分散，且規模一般較小。

當前急需加強我國秸稈綜合利用設備的自主研發能力，其要求是適應我國分散、小規模的農業種植方式，復雜的地形條件，且能夠適用于不同作物和不同水分條件的秸稈。此外，從相關設備到不同秸稈綜合利用產品，都應制訂科學合理的標準體系，以方便產品或技術的推廣及規模化生產。在調研過程中，經常發現生物質能源項目的生產線由零散設備組裝而成，這不僅降低項目的生產效率，且難以保證項目的持續運行。

3.3探索基于生態價值的財政補貼機制秸稈綜合利用的環境意義毋庸置疑，然而其推廣困難的主要原因在于經濟成本過高。對于秸稈綜合利用項目產生的環境效益，我國政府應制定財政政策進行補貼，增強企業的經濟競爭力，同時提高農民出售秸稈的積極性。科學合理的補貼機制應注意補貼額度(補多少)、補貼對象(補給誰)以及補貼方式(怎么補)的問題。對于補貼額度，筆者認為應當基于秸稈利用的環境價值。環境價值的經濟化核算一直是學術界研究的熱點和難點。至于補貼對象和補貼方式，應針對不同的秸稈利用項目進行選擇。該項目研究工作仍須進一步探討。

3.4秸稈研究工作需要形成合力當前我國科研單位和秸稈綜合利用企業正積極研發相關技術和設備，以提高秸稈綜合利用率。雖然各單位均在某些方面取得了重大進展，但我國秸稈綜合利用技術仍然較為落后。究其原因，一方面是我國秸稈資源綜合利用仍在起步階段，另一方面則是各單位的研究工作往往是獨自進行，科研單位與企業之間也缺乏有效溝通合作，難以形成合力。科研單位與企業之間應加強合作，各取所長，共同推進秸稈利用。然而，這需要政府部門提供合作平臺，制定相關政策，完善科技成果轉化機制，并重視保護知識產權。

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