基于TRIZ 理论的玉米秸秆综合利用分析−以齐齐哈尔某新能源电力有限公司为例

2022-02-03王文信刘期成吕黄珍

农业工程 2022年9期

王文信，白焱，刘期成，茹卓，吕黄珍

（1. 中国农业大学经济管理学院，北京 100086； 2. 烟台市蓬莱区检验检测中心，山东烟台 265699；3. 中国农业机械化科学研究院集团有限公司，北京 100083）

0 引言

农作物秸秆是农业生产的重要副产品，是我国农村使用的传统燃料，也是宝贵的生物质资源，秸秆资源能否合理处理与利用关系农业能否实现绿色发展[1-3]。全国每年秸秆产量9 亿多t，其中很大一部分秸秆仍采取焚烧方式处理，既造成大量资源浪费，又严重影响生态环境，危害居民身体健康，带来火灾隐患[4-5]。

我国近年来出台了一系列针对农作物秸秆综合利用的举措和建议。2008 年《关于加快推进农作物秸秆综合利用的意见》和2015 年《关于进一步加快推进农作物秸秆综合利用和禁烧工作的通知》强调全面管控秸秆露天焚烧，拓宽秸秆综合利用渠道。2016 年《关于编制“十三五”秸秆综合利用实施方案的指导意见》强调各省应依据具体情况，找准秸秆综合利用困难根源，切实解决问题。2020 年《关于抓好“三农”领域重点工作确保如期实现全面小康的意见》明确了治理农村生态环境问题要加速推进农作物秸秆综合利用。2022 年中央1 号文件把秸秆综合利用作为加强农业面源污染综合治理、推进农业农村绿色发展的重要抓手。

虽然国家高度重视，投入不断增加，但秸秆综合利用依然不容乐观。以玉米秸秆利用为例：2020 年我国玉米种植面积4 126 万hm2，约占粮食种植总面积的35.3%，秸秆产量约3 亿t，无论种植面积还是秸秆产量都遥遥领先于其他作物，但据对我国重要玉米产地黑龙江省齐齐哈尔市调查，当地玉米秸秆有效利用率不足70%。玉米秸秆的巨大产量与多元利用的需求量不足间的矛盾凸显，导致地区性、季节性、结构性的秸秆过剩，每到玉米收获季节田间地头、村庄内到处都是秸秆，每年都有大量玉米秸秆违规焚烧，屡禁不止。本文运用TRIZ 理论，对玉米秸秆综合利用过程进行分析，并以齐齐哈尔市某新能源电力有限公司实践为例，为玉米秸秆综合利用提供新思路，为农作物秸秆提高综合利用效率做出有益尝试。

1 玉米秸秆综合利用现状

从全国范围来看，目前玉米秸秆利用主要有肥料化、饲料化、基料化、原料化、燃料化5 种方式。

（1）肥料化利用：秸秆还田。这是目前最直接也最容易实施的利用方式，具有成本低、生产效率高的特点，可增加土壤有机质含量，减少污染[6-7]。秸秆还田包括直接粉碎还田、高温堆肥、过腹还田等。由于高温堆肥需要较高成本、过腹还田受养殖业限制，目前玉米秸秆还田以直接粉碎还田为主。直接粉碎还田时，如果玉米秸秆粉碎不彻底、覆盖不均匀，就会影响作物出苗，增加整地除草难度和某些病虫害的发病率[8]。由于我国玉米主要种植区域位于北方地区，冬季土壤积温较低，秸秆直接还田过程中秸秆分解速度缓慢，所以秸秆还田效果需要配套合理的施肥和灌溉技术来保证。由于存在上述限制，实际生产中玉米秸秆肥料化利用比例一般不超过50%。

（2）饲料化利用：利用秸秆生产饲料。玉米秸秆可作为发展畜牧业的原料[9]。作为饲料利用后，其副产品粪便又是上好的肥田原料。秸秆饲料分为青贮饲料、氨化饲料、草粉或颗粒等。近年玉米秸秆饲料化利用量一直保持增长趋势，年均增长2.93%。但是玉米秸秆的营养价值较低，适口性较差，对于单胃动物来说很难消化吸收，所以只能作为反刍动物的部分粗饲料，限制了玉米秸秆的大规模饲料化利用。

（3）基料化利用：利用秸秆生产食用菌。玉米秸秆粉碎后可用来生产食用菌，如平菇、鸡腿菇、蘑菇等，用后的废料还可作为农家肥还田。但是基料化利用需要专业的技术指导，否则会面临产量低、品质差等技术难题。秸秆基料化技术在山东省相对成熟，但要辐射到更大的范围并实现经济效益，还需要一定的时间[10]。

（4）原料化利用：主要是工业化利用。用玉米秸秆生产的包装材料体积小、质量小、压缩性好、可降解、无污染，是一种可大力发展的工业化利用方法。利用秸秆造纸可以取代木浆造纸，其中草浆造纸领域的无污染清洁制浆技术可使造纸产业变得更节能环保。玉米秸秆还可以作为人造板材、工艺品、活性炭、木糖醇的原料。然而，由于秸秆资源分散，原料收集困难，要求具备专业的技术等，严重制约了原料化利用推广。

（5）燃料化利用：玉米秸秆能源化利用。我国每年用作燃料的农作物秸秆折合标准煤约1.5 亿t[11]。秸秆可以被转化为固态、液态、汽态燃料，并且可以用来发电。将秸秆加工为机制木炭，可以应用在冶金、化工、生活燃料等场合；秸秆沼气池相比粪便沼气池更不容易腐烂，产气率高；将秸秆进行气化及转化为酒精燃料等，成为秸秆利用的新方式；玉米秸秆还可以通过挤压成块作为燃料，但是热值较低；随着生物发酵技术的进步，近年玉米秸秆开始被用作生物质发电的原料，但仍处于探索阶段。秸秆燃料化利用的过程中，存在着秸秆收储点分散、收集成本高、运输距离远、农民认识不足、企业积极性不高等一系列问题。

总的来看，虽然玉米秸秆利用模式中部分模式在各地取得了较好的经济效益，技术手段也在逐步发展完善，但很多应用仍然难以直指痛点。我国玉米秸秆资源利用潜力巨大，如何精准发力，实现资源化利用，变害为宝，值得研究[12]。

2 应用TRIZ 理论分析玉米秸秆综合利用思路

2.1 TRIZ 理论

TRIZ 理论在我国译为“发明问题解决理论”，是由苏联科学家阿奇舒勒（G. S. Altshuller）于1946 年创立，该理论总结出各种技术发展进化遵循的规律模式，以及解决各种技术矛盾和物理矛盾的创新法则[13]。TRIZ理论广泛应用于自然科学、社会科学、管理科学和生物科学等领域，有助于查找问题根源、寻找创新路径，快速解决实际问题。近年TRIZ 理论在国内发展迅速，尤其在工程技术领域得到广泛应用，为快速提升我国创新技术水平提供了有效支撑，得到国内诸多科研机构、企业和专家的重视，受到政府的大力推广与支持。

为了破解当前我国玉米秸秆利用困境，探索一条玉米秸秆综合利用的有效路径，项目组自2012 年以来一直致力于应用TRIZ 理论提高玉米秸秆综合利用效果的研究，将TRIZ 理论实现创新的基本原理同我国玉米秸秆利用的实际情况相结合，开展产学研深度合作，查找我国玉米秸秆处理过程中面临的问题根源，全流程跟踪指导企业创新实践，为秸秆处理相关方提供全方位的创新理论与方法支持，发展出一种符合生产实际、运行高效、生态友好的玉米秸秆处理方式。

2.2 玉米秸秆综合利用因果分析与物理矛盾分析

经过多年实地调研和技术积累，通过对玉米秸秆“五化”利用过程进行详细梳理，全面查找了玉米秸秆利用过程中的阻碍因素，分析矛盾点，找到问题的根源，并使用TRIZ 理论有针对性地提出解决方案。分析过程如图1 所示。

由图1 可以看出，在玉米秸秆综合利用过程中，生产者（农户）自身可以做的工作非常有限。如在秸秆肥料化处理过程中，由于农户自身缺乏技术，肥料还田过程中极易造成农田毁坏；在秸秆饲料化处理过程中，只有饲养牲畜的家庭才有秸秆用作饲料需求，即使饲养牲畜，也只能消耗少量秸秆。此外，基料化、原料化和燃料化处理都要依赖一定的技术、设备、资金、场地和管理等方能取得预期的效益，而这些正是农户所不具备的。

图1 玉米秸秆综合利用因果分析与矛盾分析Fig. 1 Causal analysis and contradiction analysis of comprehensive utilization of corn straw

由于以上原因，调研地区收割后的大量玉米秸秆一开始只能被丢弃在田间，严重妨碍下一轮耕种。虽然我国已明令禁止焚烧秸秆，但为了不影响耕作，不少农民依然冒着风险选择就地焚烧。造成这种后果的直接原因是农户既缺乏专业的技术、设备、资金、场地等条件，又要求短期内处理大量田间秸秆。对农户来说，不能因为秸秆堆积而影响来年耕种，哪怕是没有收益，或者付出一定代价，也要迅速处理掉大量的玉米秸秆，“时效性高”是农户的首选原则。

另一方面，对玉米秸秆进行深加工的机构虽然能够提供技术、资金、场地等条件，但由于这些机构的秸秆处理地点是固定的，实际生产过程中秸秆处理机构的生产需求与农民秸秆的供给无法很好地匹配。一是玉米秸秆加工机构规模有限，无法短时间内加工大量的秸秆。二是秸秆处理机构需掌握生产地点片区农户的秸秆产量信息，农户的种植地点并非一成不变，处理机构也无法与每一位农户取得联系，获取玉米种植户零散动态信息需要大量时间成本，难度过大。三是玉米秸秆深加工机构要根据自身的秸秆处理能力和秸秆运输距离进行选择。因为秸秆密度较低，单位质量的价格低，因此运输成本占总成本的比例较高。有些地点虽秸秆产量大，但因距离远、运输成本过高的原因，不得不放弃收购。因此，目前情况下玉米秸秆处理机构需要的时间较长，直接导致了处理过程的“时效性低”。

以上TRIZ 分析指向玉米秸秆处理中的一对物理矛盾−“时效性高”与“时效性低”。“时效性高”是为了防止影响下一轮耕种，需要快速处理农地中积压的玉米秸秆；“时效性低”是肥料化、饲料化、基料化、原料化和燃料化的应用不能迅速处理秸秆的现实情况。

在TRIZ 创新方法理论中，解决物理矛盾的方式有时间分离、空间分离、条件分离和系统级别分离等[14]。这些分离方式的具体运用过程如表1 所示。根据TRIZ理论中物理矛盾的解决方式，结合玉米综合利用分析，考虑目前玉米秸秆处理的实际情况，提出4 种解决方案，如表2 所示。

表1 TRIZ 物理矛盾及其解法Tab. 1 Physical contradiction and solutions of TRIZ

表2 运用物理矛盾分析解决玉米秸秆综合利用方案Tab. 2 Using physical contradiction analysis to solve comprehensive utilization scheme of corn straw

2.3 运用“物质-场模型”分析玉米秸秆处理

鉴于玉米秸秆处理的矛盾，要解决的关键问题是实现秸秆与农户“分离”。采用TRIZ 理论中“物质−场”模型方法分析农户和玉米秸秆构成的系统，探索秸秆处理功能的实现路径，如图2 所示。一方面，农民在玉米收获季节很难腾出时间专门处理秸秆，并且农民大部分不掌握玉米秸秆利用技术，资本积累少，对玉米秸秆的处理能力弱，反映在“物质−场”模型中，农户对玉米秸秆是“有效不充分作用”。另一方面，如果秸秆处理不及时或处理效果差，玉米秸秆的堆积将对农户产生“有害作用”。

图2 玉米秸秆高效处理的“物质-场”模型Fig. 2 "Matter and field" model for efficient treatment of corn straw

根据TRIZ 理论构建“物质−场”模型，可运用76个标准解的方法解决系统问题[15]。在农户与玉米秸秆的系统中，由于处理玉米秸秆往往需要特殊的机构或组织，并不能形成一个有效的系统，因此考虑运用标准解中的“在物质外部引入附加物，建立外部复合的物场模型”的解法。

形成方案：引入秸秆处理主体，即一定的机构或组织，其功能为就近大量处理秸秆，与农户、玉米秸秆、场共同构成新的“物质−场”模型，秸秆处理机构提供秸秆收储与后续处理服务。相较于农户就地焚烧，该机构可以在无偿甚至获得一定报酬的情况下，将废弃的玉米秸秆统一收集作为库存生产原料，后续逐步消化。由于农户一般只负责农业种植活动，很少有农户拥有组建秸秆处理机构的资本、技术与先进的管理手段，并且缺乏一定的市场敏感度，自行处理秸秆的经济风险较大，因此农户自行组建秸秆处理组织不具有推广价值。我国秸秆产区分布点多面广，如果该机构由政府承担，极易造成低效、政府负担过重的局面，也不具有推广价值。而企业的生产目标是获取利润，企业既具有技术、资金，也对市场较为敏感，效率高，投资灵活。只有秸秆处理企业在市场中获利，才具有普遍的推广价值，避免政府输血式投资的不可持续发展。因此，秸秆处理主体主要应由企业承担。

2.4 解决方案

根据以上对玉米秸秆综合利用过程的矛盾分析和农户与秸秆“物质−场”模型分析可知，玉米秸秆处理的主要着力点在于在玉米秸秆资源丰富的地区建立秸秆处理企业。

秸秆处理企业需建在秸秆资源丰富的地区，运输距离短。处理秸秆的企业要求具有较强的资本与技术实力，并具有相关的管理经验与足够的抵御项目经济风险能力，运行要相对灵活，了解当地秸秆供给和企业产品市场的需求情况。因此，尤其鼓励技术资本实力雄厚的母公司在不同玉米种植区成立分公司，分公司根据当地实际情况开展玉米秸秆加工业务，产生最大效益；母公司提供资金支持与技术指导。这种运行方式的好处是子公司取得的成功经验可以迅速推广。母公司根据玉米秸秆分布情况进行子公司布局，形成风险可控、收益共享、灵活高效的运行方式。

3 应用TRIZ 理论分析玉米秸秆综合利用实践

某电气装备有限公司成立于1992 年，注册资金10 800万元，资本实力雄厚，近年来主要从事节能环保产品及新能源电力相关技术的研发、应用和推广，具备较强的自主研发新能源电力项目及相关设备加工制造能力。依据TRIZ 理论大公司“就地建厂”结论，该公司2013 年在齐齐哈尔市秸秆丰富产区成立了某新能源电力有限公司，并建成2MW 纯玉米秸秆沼气发电项目。公司在生产中运用TRIZ 理论，找到了运营突破口，实现创新发展。

3.1 公司所在地区玉米秸秆综合利用现状

公司所在地齐齐哈尔市玉米秸秆产量大，但秸秆利用存在较多问题。2013 年当地采用玉米秸秆粉碎直接还田，由于缺少专业的技术把控，严重影响来年玉米播种质量，许多农户田里发生病虫害、玉米烂根等，损失严重，农户对秸秆直接还田较为排斥。压块燃料在当地占比相对较高，火力发电企业回收后作为发电的原料，但受限于运输距离及秸秆发电的低热值，普遍反响不高。由于工业基础薄弱、资本及技术稀缺，基料化、原料化、燃料化在当地也很难推进。为了不影响下一轮作物的播种，很多农户甚至冒着被处罚的风险焚烧秸秆，农户迫切需要尽快处理掉大量的玉米秸秆。据调研，超过72%的农户愿意支付一定的秸秆处理成本。

3.2 运用TRIZ 理论延伸玉米秸秆综合利用产业链

公司建立之初仅靠投资成套沼气发电设备，发电机每日工作约20 h，每日发电量约1×105kW·h，所发电量全部并网。公司最初盈利完全依赖发电，利润来源单一，产业链条短。为解决农户自身玉米收获能力不足问题，公司先后购入2 台青贮玉米收获机、5 台大功率拖拉机。公司发电每年约消耗玉米秸秆6 000 t，最初产生的沼液与沼渣当作废弃物处理，造成了巨大的运营成本，如何处理沼液与沼渣成为公司面临的巨大难题。

为了打破思维禁锢，公司按照TRIZ 理论的“聪明小人法”分析，即当遇到无法解决的问题时，假想有一群可以实现任何功能的“聪明小人”，处理现实中的各种难题。引入“聪明小人”的意义在于克服由于思维惯性导致的思维障碍，以提供解决问题的思路。运用TRIZ 理论“聪明小人法”延伸玉米秸秆综合利用产业链的分析过程如图3 所示。

图3 TRIZ 理论“聪明小人法”分析发酵残留物处理Fig. 3 Analysis of fermentation residue treatment by TRIZ theory

运用TRIZ“聪明小人”思维，目的是努力寻找可以处理残渣与沼液功能的TRIZ“聪明小人”。这些“聪明小人”要满足两点要求：一是运输距离要近，二是能有效处理沼渣与沼液。公司附近全部为玉米种植户，因此“聪明小人”最好由附近的农户扮演。

玉米秸秆处理有“五化”方法，处理残渣理论上可按照“五化”的思路进行。然而，燃料化、原料化一般需要有专业公司，农户作为“聪明小人”不可行；发酵过的秸秆作为饲料也不可行。因此，公司决定在肥料化和基料化应用方面创新。

3.2.1 沼渣处理办法

在充分调研后公司了解到，该地除了种植玉米，还种植水稻，每年水稻种植户都要花大量资金购买水稻育秧土。水稻育秧土是农户专门购入培育水稻秧苗的特殊土壤，待秧苗长大后，连土带苗一同移入农田中。这种土的基质主要成分为草炭，草炭是沼泽植物的残体，具有适宜植物生长所需的理化和生物特性，尤其适合培育秧苗、花卉等。草炭形成和积累需要经历极缓慢的过程，我国可开采、利用的草炭多集中于东北、云南、内蒙古等地[16]。近年来由于过度开采草炭土，造成当地较大环境压力，地方政府明文规定不准大规模挖掘草炭土。一方面是水稻生产不断增长的草炭土需求，另一方面政府限制草炭土开采，使当地草炭土价格不断上升，农户购买草炭土支出不断增加。

沼渣中含有很多水稻育苗所需养分，若沼渣能替代育秧土，农户即可完成“聪明小人”的角色任务。如果实现这个目标，每年的玉米秸秆发电残渣即可变废为宝，既能为公司带来收益，还有利于当地环境改善，减轻草炭土盗采压力。

总部专业团队经过多次分析、化验、实验，使用玉米秸秆发酵残渣配置成一种新型的水稻育秧土。经过试验，完全可以替代育秧土。2019 年请农户免费试用并获得认可后，2020 年开始公司将配制的发电残渣育秧土以低于市场水稻育秧土的价格售卖，产品供不应求。该模式不仅使公司获得了收益，而且实现了资源节约、生态友好，受到农户和当地政府的欢迎，对于公司的长远发展具有重要意义。

3.2.2 沼液处理办法

经公司调研，周边农户为种好水稻，大量使用化肥。而玉米秸秆发酵液除了添加菌种，还包括牛、羊、猪等牲畜排泄物，因此公司初步判断沼液的肥力应有保证，可以尝试还田。能否还田成功，重点在于沼液是否具有替代化肥的功能。若判断实现，农户将完成“聪明小人”角色的又一重大功能。

为达上述目标，公司与农户协商进行了农田施肥对比试验。将种植过程仅使用沼液的稻田与按农户种植习惯施化肥的稻田比较，结果表明，使用沼液的稻田水稻（沼液稻）产量超过使用化肥的稻田，且沼液稻的口味更好。获得农户认可后，公司将沼液随水渠排入附近农田当作肥料，免费提供给农户，不仅有效处理了沼液，也为农户省去了化肥购买费用，减少了环境污染，提高了水稻品质，非常受农户欢迎。由于产品供不应求，下一步公司考虑对农户收取少量费用，调节农户需求，增加公司收入。

3.2.3 其他延伸产业链的处理思路

根据TRIZ 理论的分析结果，公司还可以在玉米秸秆基料化方面做大做强。如使用沼渣开发基料化利用材料，虽然公司的技术已经成熟，但目前产量有限，难以实现大的利润增长。公司下一步准备深入研究扩大产能，加大在当地农户中推广沼渣材料力度。这既有利于公司引入新的利润增长点，又有利于促进农民增收，保护脆弱的环境，是TRIZ 提供的一种较好思路。

3.3 运用TRIZ 理论分析公司技术难题

秸秆密度低，在发酵罐内发酵的最初几天漂浮于液面上方，难以与沼液充分接触，需要不断搅拌使秸秆吸收发酵液，以加快发酵速度。发酵罐内装有6 个搅拌器进行搅拌，如图4 所示。发酵完成后，使用泵将沼液与沼渣的混合物抽走。

图4 发酵罐秸秆局部堆积难题Fig. 4 Problem of straw local accumulation in fermentation tank

设备在运行过程中，出现一个技术难题：发酵周期结束，泵无法完全抽干沼渣、沼液，罐底部总是有大量的玉米秸秆局部堆积物。因此，每个发酵周期完成后，都需要工人进入罐底清除沼液、沼渣。由于发酵罐内有大量沼气残留，工人进入时需戴好安全面具以防引起窒息，并做好防火措施。由于有大量难闻气体，工作环境极差，操作安全隐患大，费工费时。

为了解决这一技术难题，运用TRIZ 理论技术矛盾与矛盾矩阵进行分析。技术矛盾，是指用已知的原理和方法去改进系统某部分或参数时，不可避免地会出现系统的其他部分或参数变坏的现象[15]。TRIZ 中给出了39 个工程参数和40 个发明创新原理，任何两个工程参数构成的技术矛盾都可以查询矛盾矩阵表，找到对应的发明创新原理。遵循矛盾矩阵中所查询到的原理，可以为创新带来思路。

在这个技术难题解决过程中，要解决的问题是“秸秆局部堆积”，对应到TRIZ 理论39 个工程参数中，需要改善的工程参数是“形状”；带来的问题是需要工人操作，即恶化的工程参数是“操作流程的方便性”。表3 是截取的技术矛盾矩阵表中的一部分，表3中给出了TRIZ 理论解决这对矛盾的原理。

表3 运用技术矛盾分析解决技术问题Tab. 3 Using technical contradiction analysis to solve technical problem

矛盾矩阵给出了4 种解决原理，其中，“抛弃与修复”“气动或液压结构”“柔性壳体与薄膜”未带来有参考意义的思路。而“动态化”直接提供了解决思路，如表4 所示。

表4 运用技术矛盾方案Tab. 4 Solutions of using technical contradiction analysis

在TRIZ 理论的指导下，公司经过设备改造，将6个搅拌器改为上下浮动式搅拌，同时，不同位置搅拌器采用正反转相结合的方式，使发酵罐内的固体与液体始终处于均匀混合的状态。不仅加快了发酵速度，而且在发酵周期结束后，成功解决了秸秆局部堆积问题，泵可以一次性全部抽干沼液，不必人工入罐操作，既提高了工作效率，又提升了安全性。

3.4 技术路线

经过实践、改造后，该公司新的玉米秸秆综合利用技术路线如图5 所示。

图5 玉米秸秆综合利用技术路线Fig. 5 Technical route for comprehensive utilization of corn straw

3.5 经营管理

该子公司是由南京母公司提供技术支持，日常经营活动由分公司经理负责。秸秆收集运输，如运输秸秆的司机、车辆等，除公司自由设备外，主要是雇佣当地人员和车辆。公司项目申请、技术改造等由母公司全权负责，分公司人员负责日常运营维护，并及时将公司运行中出现的问题反馈给上级，并提出改进建议。

原料收购方面，根据表2 的分析，目前公司有1.33 hm2（20 亩）专门的秸秆加工场地，已经做到“先将产生的玉米秸秆暂存到不影响耕种的地方，日后统一处理”；日常工作中分公司通过密切与当地农户的联系，与当地农户建立了良好的信任关系，从而“秸秆处理公司根据加工能力，提前与农户联系排定收购计划，指定时间收购”也得到实现。具体操作：公司精准制定收购计划，并提前与周边农户联系，按照产能每年到田间进行秸秆收割。

人员管理方面，最初分公司有6 名工作人员。经理负责总体管理与调度，另外两名负责技术维护、行政管理，其余3 人负责公司杂务操作。随着公司不断创新发展及装备逐步实现智能化运行，日常事务多头管理、分头操作、效率低下的问题浮现出来。

应用TRIZ 理论解决管理问题。该公司对全部6 名工作人员进行了功能分析，如图6 所示。功能分析的意义在于找出系统内多余的功能并进行裁剪，通过对非必要组件进行删除、替换，或者利用其他资源添加到原模型中，以使设计系统最大限度地趋近于最终理想解的过程[17]。方框内表示系统内的不同元素及相互之间的功能。对于多余的功能可以实现裁剪组合，达到最优配置。