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玉米全株的一种循环经济解决方案 ——暨玉米全株循环经济收获机简介 一、玉米资源综合利用背景 玉米是全球畜牧饲料的最主要来源，但其秸秆的利用程度一直不高。据统计，我国年产农作物秸杆6.2亿吨，其数量相当于北方草原打草量的50多倍，资源拥有量居世界首位。秸秆既是一种营养丰富的饲草料，也是一种优质的燃料。只是由于其体积蓬松，分散分布，虽然储藏有大量生物质能，但由于收集运输的费用过高，长期以来只能就地焚烧或任其在田间烂掉。秸秆问题出现的原因主要是：第一是农业普遍增收之后，农作物秸秆越来越多，但缺乏工业化、规模化的秸秆综合利用体系和物流系统，导致秸秆在进入下游产业过程中遭遇瓶颈；第二是随着农民收入增加、生活水平不断提高，农民宁愿增用化肥和燃煤，而少用秸秆作肥料和燃料；第三是由于农作物复种指数提高，玉米秸秆还田不利于抢种冬小麦，造成农民为赶农时放火焚烧秸杆和留茬。 因此对玉米全株进行高效率、低成本、精细化、分部位地产业化利用，才是对玉米实现资源最大化利用的合理方式。 二、玉米资源综合利用方向对比 我国各类农作物秸秆资源的合理回收加工，可归纳为“4F”路线：即Fodder(饲料)
，Fuel(燃料)，Fertilizer(肥料)，Feed Stock(工业原料)，研究人员称其为“四料”。在“四料”转换利用中，饲料、燃料利用及其转换技术仍然是主要领域。 饲料利用方面，秸秆各部位所含营养物质包括粗蛋白、粗脂肪、粗纤维的含量差异是巨大的。现有的秸秆饲料技术包括氨化、碱化、青贮、微贮等，所要解决的问题都是要软化茎秆，保持或提高粗蛋白等营养物质的含量。但玉米秸秆的叶其实富含叶蛋白。据测定，玉米叶的粗蛋白含量超过专门种植的牧草，其秆皮纤维的质量可以制造上等纸张。由于传统的玉米收割方法是将叶、秆混合在一起收割的，使秸秆饲料的营养价值大打折扣。 对于玉米秸秆的茎秆，除了用于造纸外，直接用于秸秆发电的价值也是很高的。国际能源机构的有关研究表明，秸秆是一种很好的清洁可再生能源，其平均含硫量只有千分之三点八，而煤的平均含硫量约达百分之一。经测定，秸杆热值约为15000KJ/Kg，相当于标准煤的50%。目前国际上，丹麦在秸杆发电技术上较为先进，且得到了广泛应用。以丹麦一家由丹麦国家电力公司投资建设的电厂为例：该厂采用BWE公司的技术设计和锅炉设备，装机容量1.2万千瓦，总投资2.3亿丹麦克朗，实行热电联供，年发电5000万千瓦时，平均每小时消耗仅7.5吨秸秆，可为马里博和萨克斯克宾两个镇1万户5万人口供应热和电。此外，农民每向电厂出售一吨秸秆不仅能得到400丹麦克朗，还能免费得到电厂返还的40公斤炉灰——这是很好的钾肥。整个秸秆资源得到了循环利用，几乎没有资源浪费和污染排放。 2004年11月，我国首个秸秆生物燃烧发电厂在河北省晋州市开工建设。该秸杆发电厂占地80亩，预计总投资达2.4亿－2.8亿元，将引进丹麦的秸秆发电设备，建成后年烧秸杆20万吨，发电量为1.2亿度，年可节约煤炭16万吨，减少二氧化硫排放量60多吨，减少烟尘排放量400吨。 国际能源机构预测，到2020年可再生能源将在全球能源消费中的比例达到30%。面对即将到来的可再生能源时代，各国正在迅速前进。丹麦的秸杆等发电已达到总电力的24%，而德国2002年风力发电已经占世界风力发电量的三分之一。法国计划在2025年风电达到发电总量的25%。而这还仅仅是它们整个可持续能源战略的一部分。相比之下，如何加快中国的脚步、营造宝贵的能源优势，为经济的协调、可持续发展作长远打算，已不能不提上议事日程。 三、玉米资源综合利用瓶颈 在上述各综合利用方向中，由于秸秆体积蓬松，分散分布，均存在秸秆收集与贮运的问题。由于这一问题，无法将大面积即更大运输半径内的秸秆以可接受的成本进入产业流通和暂存，使任何一种秸秆利用方式均无法产业化、规模化。以一个中等规模的秸秆发电站为例，年消耗秸秆20万吨，其秸秆收集范围约为200平方公里，即使发电站位处中心，其平均运输里程也将超过10公里。如果以秸秆蓬松状态进入物流，在短短20天的收获期内完成20万吨的收集并储存，在现有技术上看秸秆进厂时的成本以及贮藏成本甚至将超出玉米价格。这显然不适合我国国情，也与创建节约型社会是背道而驰的，偏离了循环经济的轨道。对其他行业也存在同样的问题。而这些问题在当前对秸秆利用的大量研究报告中均被忽略掉了。 四、玉米资源综合利用的解决方案 上述问题的产生，一个重要原因在于将玉米收获与秸秆利用两个紧密衔接的环节割裂开了。现在市场上针对玉米秸秆综合利用的机械不少，包括玉米青贮机、穗茎兼收型玉米收获机、秸秆饲料粉碎揉碎机、搓丝机、秸秆饲料压块机、玉米秸秆分离机等等。虽然上述机械已涵盖了玉米秸秆利用的全部加工环节，但却未能将玉米收获与秸秆利用两个环节无缝衔接，各生产环节间长距离倒运、蓬松态运输、低效率、高人工成本等问题仍未被解决。如果有一种自走式机械能在田间一次性的完成玉米穗收获、玉米秆叶分离、分别粉碎、搓丝、压块，并在收集后完成高密度打包，直接进入商品流通贮运系统，那么就会彻底打破玉米秸秆资源综合利用瓶颈。这就如同在履带拖拉机上安装了火炮一样，坦克的战略价值比起前两种装备虽然是功能的叠加，但却产生了质的飞跃。 玉米全株循环经济收获机正是这样一种设备。该收获机的本质何在呢？举一个简单的例子，每亩玉米秸秆在未压缩前体积约为20m3左右，压缩后为2.4m3左右，压缩比为8:1，这意味着整个秸秆收集、流通的成本降低了8倍。玉米全株循环经济收获机正是在田间替代了多个中间加工环节，使玉米全株在田间采收时就如同直接进入加工流水线车间一样，其各部位被分离、粉碎、压缩、包装，在收获玉米穗的同时完成了秸秆的收集、分离等复杂加工步骤，彻底解决了低成本、产业化、规范化地回收利用秸秆的难题。据测算，该机每收获一吨干秸秆，在10公里内运抵仓库后并存储一年时，其直接成本仅为29元（详见附表）。该成本完全可以被秸秆利用的下游各产业所接受。 该收获机在收获的同时，完成了秸秆的茎叶分离、压砖加工，故使机手每亩草砖收入约为150元，而不取收获费，减轻了农民负担，解决了长期以来由于没有做到机手与农民的双赢而造成玉米机收率低的问题。（玉米机收率为1.73%，小麦为70%） 由于秸秆的体积减小了约八分之一，节约了运输费用及收集费用，使得较为成熟的下游秸秆产业化利用项目得以突破长期以来的制约瓶颈，解决了全国4.2亿吨秸秆不能被利用进入循环经济，反而造成大量环境污染的问题，同时拉动畜牧业、能源、医药卫生基础原料等一大批产业的振兴与发展。 以秸秆发电一项为例，每2吨秸秆的燃烧热量相当于一吨煤，全国仅一半的玉米种植面积每年就产生2亿吨以上的秸秆，除去用于畜牧饲草料的部分，仍可替代原煤消耗近5000万吨。在当前能源紧缺的状况下，这对于国民经济的长期持续稳定发展意义重大。 该成果如能被大面积推广，按照当前小麦机收率计算，全国将有1.5亿亩玉米种植面积受益，届时按每亩新增200元经济效益计算，全国将新增循环经济增加值300亿元。故该成果意味着一个新型农业产业链的形成，这无论对于提高农民收入，还是发展玉米深加工产业都具有重要意义。 五、玉米全株循环经济收获机综述 目前我国玉米收获机的产品质量、技术含量都亟待提高，关键是要解决整体设计问题。首先，玉米机收总体运作模式不能单纯依靠收获服务费，而应面向玉米全植株的开发利用。随着当前经济总量的不断扩大，各种资源都相对较为紧缺。玉米秆富含造纸纤维，玉米叶富含粗蛋白，这些都是造纸与畜牧业的重要资源供给。长期以来由于无法低成本的分离、收集、周转，对玉米秸秆的处理，还停留在粉碎还田或青贮等粗放式处理，秸秆的各部位均无法进入各自的循环经济中，加之玉米收获劳动量较麦稻小，使玉米机收效益不高，无法大面积推广。这要求玉米收获机械要面向玉米穗、茎、叶的全面利用和精加工，同时压缩运输体积，减少各收获物进入经济流通的环节，朝着玉米联合作业加工机的方向发展。 另外，不对行收获是对新一代玉米收获机普遍提出的要求。虽然当前一些辊式收获机提高了对行距差异的适应性，但是卧辊或立辊的摘穗原理未变，各摘穗单元均为单行串行方式工作，影响了摘穗效率。从现有的玉米收获机结构看，摘穗机构、拔禾、集穗都悬置在前面，机组平衡困难，车身也过长，致使转向不灵活，浪费工作时间，工作效率不高。这都要求对玉米收获机的收割方式和整体布局重新设计，开发出操纵灵活，视野开阔的新产品。 玉米全株循环经济收获机正是满足这些方面要求的新型收获作业加工机械。它针对玉米植株茎秆粗、纤维强度大的特点，采用类似伐木的旋转锯片以一个连续面收割，比传统辊式摘穗或往复式割刀不仅收获效率高、能耗低，而且收割摘穗均无对行概念，允许多排植株同时并行或前后搭接进入处理。该机收割台可完全收回，车身大为缩短。整体布局驾驶室居高临下，视野开阔，主机紧贴底盘，重心合理，轴距短。无论在田间回转还是跨区作业时，转向灵活，操作方便，行驶迅速。此外，该机还充分考虑了市场运作需求，将叶片、秆皮分别压缩、制砖、装袋，降低了运输成本和体积，减少了生产、流通环节，适应了农业产业化要求。 “玉米全株循环经济收获机”彻底改变了传统叉式收获模式，属根源性技术创新，其技术意义重大。对不规则垄距实施掠过式锯切收获，实现了收获效率的成倍提升。同时该机充分体现循环经济运作模式，解决了长期以来受秸秆收集、运输高成本影响的秸秆利用产业化问题，建立了全新的玉米经济产业结构。通过在玉米收获机上集成杆叶分离机、秆皮揉丝机、粉碎机、压块打包机及装袋包装平台，使玉米秸秆在田间直接进入商品流通。由于大幅降低了玉米及其秸秆的收集、周转成本，为广泛的玉米下游产业如乙醇化工、秸秆压块饲料、青贮、秸秆发电、汽爆处理无碱纸浆及低聚木糖等提供了上游基础设备保障。该项目一旦投入产业化应用，不仅减轻了环境污染压力，提高了农民收入，实现玉米大面积机收，还能够带动整体玉米循环经济产业链，产生数倍于玉米粮食本身的经济价值。在当前发达国家玉米产业尚属粗放型发展的情况下，我国能够率先实现精细化运作，必然会对我国包括能源产业在内的众多领域产生推动作用。目前该项目已进入田间试运行阶段，有望于今年完成样机定型，取得阶段性成果。 每吨秸杆的收获成本:
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