, 王智, 顿宝庆, 路明* 通讯作者(Corresponding authors): 王秀东, E-mail: wangxiudong@caas.cn; 顿宝庆, E-mail:dunbaoqing@caas.cn 第一作者联系方式; E-mail: mqy9279@163.com
收稿日期:2017-01-22 接受日期:2017-04-20网络出版日期:2017-05-11基金:
摘要
关键词:玉米秸秆; 榨汁; 模式; 资源化; 推广
Analysis of High Efficiency Resource Utilization Pattern of Corn Straw
MA Qiu-Ying
, WANG Zhi, DUN Bao-Qing, LU MingFund:
Abstract
Keyword:Corn straw; Juice; Pattern; Resource utilization; Extension
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随着全球经济战略性结构调整以及能源安全问题日益突出, 生物质能源的战略地位得到空前提升, 承载着能源安全、环境质量和农民收入等复杂而重要的多重战略目标[1]。近年来, 我国玉米年均种植面积达到0.36亿公顷, 玉米秸秆年均产量达到2.54亿吨(数据来自: 国家统计局网站), 东北地区作为玉米主产区, 秸秆资源十分丰富。但是目前随着秸秆薪炭替代资源增多、收储成本攀升, 不少农民随意丢弃秸秆、焚烧秸秆; 玉米秸秆短期生物量大且集中的收获特性、东北地区气温低不易腐解的地理特性、农民秸秆还田技术和设备的局限性, 使得秸秆直接还田效率大打折扣。因此保证秸秆薪炭、还田的数量和效率基础上, 积极开发玉米秸秆低成本、高质量收贮模式, 有效提高玉米秸秆资源化利用水平, 既能够增加玉米生产收益, 延长产业链, 带动加工、制造等产业升级[2], 也在一定程度上补充能源、饲料等行业需求, 促进我国农业可持续发展。
干藏法和湿藏法是储藏玉米秸秆等木质纤维素生物质中两种最常见的做法。干藏法需要待储藏的玉米秸秆等生物质水分含量低于25%[3]。如果收获的时候含水量高于25%, 必须先干燥再堆放[4], 主要利用模式有秸秆直燃发电、制作压缩板材等。湿藏法收获含水量大于45%的玉米秸秆等原材料, 经粉碎混合, 将其青贮或用气密袋包装以长期储藏。虽然干藏法在运输物流上有一定优势, 但是易导致干物质损失、游离糖分流失, 浪费秸秆中农业灌溉投入的宝贵淡水资源[5]。而湿藏法中新型模式— — 玉米秸秆榨汁收贮模式恰恰弥补了这些缺点。
干玉米秸秆中纤维素含量为40%~55%、半纤维素含量为10%~25%、木质素含量为20%~30%[6]。但收获期的鲜玉米秸秆含水最多, 约为55%~75%, 含可溶性固形物(90%以上为糖)约为6%~15%, 其他为纤维素、半纤维素和木质素等[7, 8]。研究表明, 平均籽粒单产为9000 kg hm-2的玉米鲜秸秆产量约30 000 kg, 其中理论上经榨汁可得汁液量60%, 每公顷可获得糖约1800 kg。这些糖主要是果糖、葡萄糖等可发酵糖, 可用于工业发酵, 生产多种能源化工产品, 比如生产燃料乙醇、燃料丁醇、乳酸、乙酸、乙烯等。经过榨汁的玉米秸秆榨渣细小、柔软、干燥, 便于打包储存, 远距离运输, 并可用于饲料、建材等多种用途[9, 10, 11, 12, 13, 14]。因此, 本研究分析玉米秸秆榨汁收贮模式的成本和收益, 以促进玉米秸秆高效收贮产业化应用。
1 材料与方法1.1 玉米秸秆榨汁收贮模式1.1.1 试验地点 内蒙古自治区鄂尔多斯市(准格尔旗)十二连城柴登村(北京天地日月生物能源公司内蒙分公司)。
1.1.2 仪器设备 经过改良的牧神4YZB-7自走式玉米联合收割机, 鲁宇重工926轮式装载机, HGSSYZ-300双螺旋秸秆压榨机, YKJ-5552全自动玉米秸秆打捆打包机, WP110-3/140威普无油静音空压机, 标准工业糖浆密封储罐。
1.1.3 试验方法 利用联合收割机在收获玉米穗的同时将粉碎的玉米秸秆一并收集起来, 通过压榨把秸秆中的部分水分脱除, 进而将榨汁浓缩、储存备用; 同时将榨渣压块。
1.2 玉米秸秆榨汁收贮资源化利用模式的成本和收益分析采用经济学和管理学中基本的应用分析方法— — 成本效益法, 测算玉米秸秆榨汁收贮模式中各环节相应的成本费用与所产生的利益, 汇总求得净利润、成本费用收益率及成本收益率等相关经济指标数值, 旨在分析玉米秸秆榨汁收贮模式— — 利益与利润的基础上, 评估该模式的资源化水平。
2 结果与分析2.1 玉米秸秆榨汁收贮模式在玉米正常成熟后, 将果穗与茎秆同步收获; 通过压榨脱水, 将榨汁浓缩成含糖50%的糖浆罐装存贮; 同时将榨渣在25.00~30.00 MPa压力下压实打包, 形成榨渣压块, 作为制取纤维素乙醇原料及真空包装的微贮秸秆饲料(图1)。
图1
Fig. 1
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 | 图1 玉米秸秆榨汁存贮过程图 a: 玉米果穗与茎秆同步收获; b: 秸秆榨汁过程; c: 浓缩糖浆罐装存贮; d: 秸秆榨渣打捆; e: 秸秆榨渣成型储运; f: 真空塑料包装微贮秸秆饲料。Fig. 1 Main steps of corn stalk juice storage a: simultaneously harvest corn ear and stems; b: straw juice processing; c: canned storage of concentrated syrup; d: straw slag tied to bundle; e: storage and transportation of bundles of straw slag; f: micro storage straw feed with vacuum plastic package. |
2.2 榨汁收贮模式成本收益分析2.2.1 玉米秸秆收取与流通环节 在玉米秸秆收取环节, 采用经过改良的牧神4YZB-7自走式玉米联合收割机(改良后可以在收获玉米穗的同时将玉米秸秆不落地回收), 据对该地区多地实地调研可得每公顷玉米产量约为9000 kg左右, 按照草谷比1.0∶ 1.2估算[15], 玉米秸秆约为10 800 kg hm-2。公司主要实行收割机外包制度, 目前共有3台收割机全部下包给农户, 由农户自行负责维护、保养费用, 雇佣司机费用等, 每台收割机大概收20 t秸秆, 并且公司规定每台收割机每天至少往工厂送草20 t。公司实行秸秆补贴政策, 对于农户, 每吨秸秆补贴包机农户30元, 即支出为30元 t-1。
在玉米的流通环节, 从收集秸秆的玉米地到工业基地的平均运输成本约为30元 t-1, 每车秸秆载重量为3.00 t, 按照每天最低标准秸秆输送量计算, 3台收割机共输送秸秆60 t, 约为1800元 d-1。由于司机由包机农户自己雇佣, 所以在人工成本上忽略不计。
2.2.2 玉米秸秆榨汁加工环节 在秸秆榨汁加工环节, 采用HGSSYZ-300双螺旋秸秆压榨机和WP110-3/140威普无油静音空压机压榨, 每1 kg秸秆经两次辊榨和一次液压榨汁后汁液总重502.70 g, 出汁率为50.27%, 其中榨渣497.30 g, 含水量39.10%, 共得到糖度约为50%的浓缩工业糖浆121.60 g, 即榨渣率为49.73%, 榨汁率为12.16%。按此比例, 生产1 t工业糖浆则需要约8.22 t秸秆。在制浆过程中, 制浆电费为54.53元 t-1, 水费8.76元 t-1, 人工费用28.92元 t-1, 其他辅料为10.00元 t-1。工业糖浆主要运输方式为罐车运输(暂不设包装费), 装车费用计入到人工费用中。另外机械设备总投资为108万元, 按照工业生产设备采取年数综合折旧方法, 残值为5.40万元, 月折旧费为27 363.42元, 折合每吨糖浆成本为38.16元。
按照榨渣率为49.73%计算, 每生产1 t糖浆剩余榨渣为4.09 t, 将剩余榨渣利用全自动玉米秸秆打捆打包机YKJ-5552制成饲料, 每包(包捆半径为0.50 m、高度为0.60 m)重50.00 kg, 含水量为35% (需要辊榨和液压榨汁后的榨渣实际重量约为30.00~35.00 kg), 即每1 t糖浆经榨汁后剩余榨渣可制成相同规格饲料126包。其中, 人工成本约为每天266.67元, 一天工作8 h生产约200包, 即每包饲料的人工成本约为1.33元, 电费0.30元, 包装费(即捆绳和包装膜的总和)为4.10元, 其他费用1.00元。经换算, 每1 t糖浆经榨汁后剩余榨渣制成饲料人工成本为167.58元, 电费37.80元, 包装费516.60元, 其他费用126.00元, 共计847.98元。
2.2.3 糖汁与饲料销售环节 在销售环节, 糖浆主要销售对象为燃料乙醇厂等, 市场售价约为1800元 t-1, 成本主要由买方承担, 可忽略不计。榨渣主要销售对象为大型养殖企业、养殖场, 市场售价每包约为26.00元, 人工成本约为2.45元, 运输费用约为1.25元。即每销售1 t糖浆经榨汁过程后剩余榨渣制成饲料销售收益为3276.00元, 人工成本为308.70元, 运输费用为157.50元, 总计466.20元。
2.2.4 玉米秸秆榨汁收贮模式成本收益 从经济效益上来看, 秸秆榨汁收贮模式每吨净利润约为3128.25元, 成本费用利润率(利润总额/成本费用总额× 100%)为160.61%, 销售利润率为61.62%。但随着项目的扩大与发展, 销售利润和成本利润率会有所下降。其主要原因, 首先是秸秆的收获成本增加。目前, 当地农户因为收储秸秆费时费力、成本高等原因而选择将秸秆直接搁置田中, 所以在该项目中在秸秆收取环节只需补贴包机农户, 秸秆原材料成本近乎为零。但是随着秸秆需求量越来越大, 农户出于经纪人假设会根据当地秸秆供求关系收取秸秆原材料费用, 这必然会导致企业成本增加。若按照东北地区秸秆收取均价220.00 元 t-1计算, 则每吨糖汁秸秆获取总成本约增加1808.40元。其次, 该项目在收取和流通环节并未考虑秸秆收获半径影响。该项目多采用大中型运输机械, 将收获的秸秆运回厂区压榨打包, 目前运输半径在10 km范围内, 如运输半径增加, 则将大幅度增加秸秆成本。据相关调查可得, 秸秆原材料的收购半径不宜超过50 km, 否则运输过程中消耗的能源会接近产出, 收益减半[16], 则预计每吨糖汁秸秆总成本约增加904.20元。第三, 企业折旧成本会有所增加。项目初期, 除部分榨汁机械外, 交通运输、存储设备等大多采用租用外包, 因此企业折旧额偏低。若企业因发展需要购置相关交通运输设备、存储设备、扩建厂房等, 其场地建设成本、资产折旧等必然会增加。参考具有相近生产能力和生产规模的企业资产成本, 估算该项目中每吨糖汁折旧成本约增加96.00元。
综合以上三方面增加的成本, 在秸秆榨汁成本中总计约为4756.35元, 净利润约为319.65元, 成本利润率约为6.70%, 销售利润约为6.30% (表1)。
表1
Table 1
表1(Table 1)
 表1 秸秆榨汁每生产1 t糖浆产品成本收益汇总 Table 1 Cost-benefit summary of straw juice
| 表1 秸秆榨汁每生产1 t糖浆产品成本收益汇总 Table 1 Cost-benefit summary of straw juice | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
3 讨论3.1 玉米秸秆榨汁资源化利用模式优势与干藏法相比, 湿藏法不仅有效保存了秸秆等生物质中的纤维素和半纤维素, 也有效保存利用了秸秆等生物质的水分和游离碳水化合物, 大大降低了收获成本, 降低储藏期间干物质损失, 增加了产品的均匀性, 是干藏法一种很有前途的替代技术[17]。玉米秸秆榨汁除了具有湿藏法基本特点外, 所制成的糖浆与榨渣从产品价值及总体效益等技术经济性评价指标来看, 是极具竞争力和发展潜力的秸秆资源转化产品。当石油供给出现缺口时, 糖汁液态生物质燃料和榨渣制成的纤维素乙醇可以弥补汽油供给不足, 缓解资源危机。将秸秆糖醇产生的汽油替代量基于等价热值进行转换, 可估算资源转化率为68.80%。
虽然秸秆榨汁生产成本比传统利用模式缺乏明显优势, 但是其发展存在较强的正外部性, 能够提供更多的就业岗位, 创造更多的就业机会, 带动造纸、浆粕加工业等关联产业的发展。从生态效益上看, 该模式不仅使得作为农业废弃物的秸秆能够重新利用, 减少由秸秆焚烧等带来的空气污染, 控制碳排放, 同时有利于加快调整能源结构、合理控制能源消费总量, 是解决能源危机、生态环境以及气候变化问题的有效办法。
3.2 东北地区玉米秸秆榨汁资源化利用模式推广可行性3.2.1 自然条件相似性 东北地区与内蒙古东部地区是我国玉米主产区, 与同纬度的美国玉米带、乌克兰玉米带并称为世界三大黄金玉米带。2005年至2014年我国玉米种植面积约增长40.84%, 产量增加54.73%。由于春玉米种植北界不断向北向西移动, 东北地区玉米产量从2005年总产量5045.32万吨到2014年9433.49万吨(数据来源: 国家统计局网站), 产量约增加86%。作为农作物二元成果中的秸秆成果, 按照相关玉米草谷比1.0∶ 1.2, 玉米秸秆实际可利用率95%计算[18], 玉米秸秆量逐年上升, 尤其是在2009年到2013年间, 玉米秸秆实际可利用总量逐年递增, 与内蒙古地区地域特性相同。
3.2.2 推广必要性 目前, 东北地区玉米秸秆处理方式主要是秸秆废弃焚烧、秸秆直接还田、饲料化利用等。其中, 秸秆废弃焚烧约占东北地区玉米秸秆资源可利用量的35.14%, 短期极大生物量的焚烧会降低作物耕层的含水量, 影响作物的出苗和生长, 同时造成环境污染, 产生巨额环境治理成本。
秸秆还田量约占东北地区玉米秸秆资源可利用量的19.18%, 秸秆还田可以大量补充土壤中有机质含量, 提高土壤肥力和农作物产量。但由于当地秸秆收获期温度较低、土壤易冻结, 还田后大量秸秆不易腐解, 还田效率大打折扣。除此之外, 大量玉米秸秆直接还田时需要添加相应比例氮肥来调节C/N值[19], 在一定程度上会增加生产成本。
秸秆饲料化利用比例约占秸秆资源可利用量的35.18%, 在畜牧业较为发达的省份, 以玉米秸秆为原料的青贮饲料是牛、羊等草食动物重要的饲料来源。但是由于近年来玉米临时收储价格造成以玉米为原料的玉米加工企业、养殖企业和养殖户等下游产业的巨大成本压力, 大大影响其生产收益。
与内蒙古地区玉米秸秆收贮特点的相似性和利用现状不足、探索新型收贮方式的必要性使得在东北地区采用秸秆榨汁收贮模式资源化利用模式有一定的推广前景。
4 结论本研究的玉米秸秆榨汁高质量收贮资源化利用模式成本费用利润率约为6.70%, 销售利润率约为6.30%, 能够有效降低秸秆中干物质及糖分流失量、制成工业糖浆, 同时能够保存一定水分、形成适口性较好的微贮饲料, 是一种高效资源化收贮模式。但该模式部分生产环节前期成本投资比较大, 成果转化率有待提高, 因此在国家继续完善和出台相关政策的前提下, 积极探索玉米秸秆榨渣产业化发展格局, 打通产业链, 加快产业化发展创新体系建设, 有利于实现多主体、多环节、多渠道的多元共赢。
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作者已声明无竞争性利益关系。
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