新疆巴音郭楞蒙古族自治州棉秆产业化能源燃料生产研究

徐浩 蔡玲松

摘要：新疆和巴音郭楞蒙古族自治州地区是棉花生产大区，棉花种植规模大、产量高、质量好，为当地经济发展和居民生活水平的提高作出了重要贡献。棉花生产附带产生的棉秆体量非常庞大，对棉秆进行资源化利用就显得十分重要。传统的棉秆利用和处理方式不仅造成棉秆资源的大量浪费、影响农村妇女的身体健康，还会诱发严重的环境污染。文章根据巴州地区棉花种植面积大的特点，对棉花秸秆的总体产量及其能源转换和产业化利用方式进行了研究，给出了能源转换和产业化利用的主要内容，同时给出了产业基地选择的原理和途径，能够为其他地区棉秆的利用提供参考。

关键词：秸秆产量；能源转换；生产基地；产业化利用

中图分类号：F3文献标志码：A

0引言

巴音郭楞蒙古族自治州（以下简称“巴州”）不仅是新疆地区重要经济生产基地，也是我国重要的棉花生产基地。棉花产业刚性需求多，是提高农民生活水平、保证就业和振兴农村的重要经济支柱和物质基础。巴州棉花产量高、质量好，也是长绒棉主产区。2022年，巴州357万亩棉花总产量约为140万吨，其中皮棉50万吨以上，亩产约为500千克，相比2021年增加了50千克左右［1］。虽然2023年新疆整体棉花种植面积相比2022年减少近35万亩，但已然达到3718万亩的种植规模。多年来，巴州棉花产值约占全州地方总产值的10%、一产产值的60％。伴随大规模棉花产量产生了大量棉花秸秆，这是重要的可利用资源，具有较高利用价值。棉秆主要由纤维素、半纤维素、木质素和其他物质组成，约占其质量的60%、20%、10%、10%，可用于生产能源、肥料和纸浆，具有多重经济和社会效益。但由于棉秆加工成本高，约束了其资源化利用率。本研究提出秸秆的规模产业化利用，具有多重现实意义，首先改变了传统秸秆焚烧或填埋的处理方式，减少空气、土地和地下水的污染，有效减少炉灶燃烧秸秆对农村妇女身体影响，减少农村呼吸道疾病。作为能源或化肥产品节约了能源和原材料，秸秆化肥大幅度减少了土壤污染，产生了较大的经济和环境效益。本研究具有显著的创新性，改变了小规模高成本的利用方式，提出跨县域建设生产基地，采用大规模加工方式、有效降低加工成本，为秸秆产品推广使用开拓途径，能源和化肥等产品具有区域特色，有望成为当地绿色产品。本文的研究还存在一定的不足之处，棉秆生产规模的建设阶段性划分、生产设备的匹配性选择以及生产基地的生活环境建设等问题仍需研究，这些问题将在后续研究中不断完善和逐步应用。

长期以来，学者就棉秆的资源化和规模化利用作了大量研究，大多数学者重点研究了棉秆利用途径及其产品，对棉秆利用具有重要参考价值［2-4］；部分学者重点研究了棉花产量的提高方法，对提高棉花产量很重要［5］；也有学者就棉秆利用过程的生物特征进行了研究，从科学角度论证棉秆多元利用可行性［6］，为棉秆资源化利用提供了参考。还有学者对新疆棉花产业的贸易问题进行了探讨，这些探讨为本文提供了宝贵的参照资料。众多研究者亦深入分析了棉秆资源综合利用的相关设备技术［7］，也有学者对棉秆还田技术、燃料转换和秸秆草砖进行了研究。本研究在参考学者研究的基础上，认为棉秆的产业化为基础的规模化利用十分重要，可降低成本，也能够实现产品规模化生产，是利用棉秆的有效途径，具有减少环境负荷、保证棉花产业可持续发展的多重功能。

1巴州棉花产业生产态势分析

1.1巴州棉花栽培面积及其秸秆产量

巴州拥有充沛的棉花资源，生产1吨的棉花就会产生2.7吨的棉秆，随着棉花产量的逐年增长，棉秆的产量也成倍增加。棉秆产量的变化如图1所示，数据来源于巴州2021年统计年鉴。

从图1可以看出，2010—2020年间，巴州的棉花总产量从369704吨攀升至627420吨，而棉秆的总产量则从998201吨跃升至1694034吨。这一趋势表明，巴州的棉花和棉秆产量总体呈现增长态势，尤其到2019年时，棉秆产量已超过1600000吨。然而，据统计，有大约40%的棉秆未能得到有效利用，当前仅有60%～70%的棉秆被回收使用，剩余的30%～40% 未被利用，大都通过焚烧或填埋的方式处理，这给环境造成了一定程度的污染。由于未利用的棉秆从399280吨增加至677614吨，未经处理的棉秆量的增加也导致环境污染问题日益加剧。

1.2巴州传统棉秆处理现状

在巴州部分地区，传统的棉秆处理方式依旧较为落后，主要是直接燃烧或者用作还田肥料。直接燃烧会释放有害气体和颗粒物，不仅污染环境，还可能损害人类的身心健康。将棉秆粉碎后还田可以增加土壤肥力，但这个过程需要妥善处理，否则可能对土壤造成伤害。实际上，棉秆不宜直接还田，因为棉秆中可能携带病原菌和害虫，这些病原菌一旦被埋入土壤，可能会引起作物的疾病。此外，如果棉秆处理不够细致，太多的棉秆不易分解，可能会影响作物的发芽和生根。棉秆的存在还可能威胁到劳作人员的安全，增加受伤的风险，由于棉秆含有较多的蜡质，还田后也不容易分解，会进一步对土壤造成伤害。

2巴州棉花秸秆的环境与经济效应

2.1棉秆环境外部效应

目前，家庭通常将棉花秸秆作为燃料直接燃烧使用，同时也有部分通过露天燃烧的方式来处理这些秸秆。考虑到将棉花秸秆还田需要经过粉碎等加工步骤，而这些步骤需要一定的成本，因此，大多数棉花秸秆被选择直接燃烧处理，其中包括家庭使用和露天焚烧两种方式。经过计算发现，每燃烧一吨棉花秸秆会释放出114.7千克的一氧化碳、1261.5千克的二氧化碳、0.85千克的一氧化氮、0.43千克的二氧化氮、1.28千克的氮氧化物以及320千克的固体颗粒物。2010—2020年间，巴州地区因棉花秸秆燃烧导致的主要污染物排放量如表1所示。

根据表1的数据分析，2010—2020年，巴州地区棉花秸秆燃烧对环境造成的外部影响中，一氧化碳、二氧化碳和固体颗粒物的排放量较高，分别为77722吨、854810吨和216836吨。在这10年间，巴州地区由于棉花秸秆焚烧导致的主要污染物排放总量整体呈现上升趋势，尤其是二氧化碳、固体颗粒物和一氧化碳的增加趋势尤为显著，其他主要污染物的排放量增长较为缓慢。总体来看，2010—2020年巴州地区环境因棉秆焚烧而产生的主要污染物排放量持续上升，这加剧了当地环境污染，破坏了生态平衡，并对民众的身心健康造成威胁，影响人们的正常生活。

2.2环境经济效益综合评估

根据表1提供的排放数据，可以估算年度棉花秸秆焚烧所产生的环境压力。修复这些环境压力所需的最低成本，如表2所示。如果棉花秸秆得到工业化和资源化的有效利用，可以基本上消除这些由焚烧产生的排放物，这意味着能够节省修复环境的成本，这种节省可转化为环境经济效益。本研究将此定义为环境经济效益，即省去了等额的环境修复费用而节省下来的经济开销。不同污染物的环境负担修复成本各不相同，表2列出了棉秆焚烧主要污染物的单位环境负担修复成本。

根据表2可知，棉秆焚烧产生的主要污染物的单位环境修复成本分别是一氧化碳1200元/吨、二氧化碳300元/吨、一氧化氮1200元/吨、二氧化氮700元/吨、氮氧化物600元/吨以及固体颗粒物300元/吨。由于巴州各市县地理位置和水资源条件的差异，棉花产量也存在明显的差异，进而导致棉秆产量的显著区别。这些差别也反映在区域棉秆焚烧环境负担的修复成本上。假设从2010年开始的环境负担都能通过棉秆的工业化使用得到消除，那么2010—2020年间，巴州各市县通过棉秆工业化使用而产生的环境经济效益如表3所示。

分析表3的数据得知，2010—2020年间，巴州各地级市和县在棉花秸秆产业化利用方面获得了显著的环境经济收益，其中库尔勒市、轮台县、尉犁县和所属农场的平均环境经济效益尤为突出。假设从2020年开始，这些地区每年能够维持当前的棉花产量并持续进行棉秆产业化利用，它们的年环境经济效益分别能达到9881万元、9160万元、11546万元和7709万元，总计接近4亿元。这一数据充分展现了棉秆产业化利用的显著环境经济效益，并凸显了其重要性。趋势图的分析也揭示了2010—2020年间，巴州各市县因棉秆焚烧造成的环境负担随之增加，经济效益随之提高，尤其是库尔勒市、轮台县、尉犁县和直属农场的增长尤为明显，而其他县的发展则较为稳定。由此可见，在2010—2020年间，库尔勒市、轮台县、尉犁县和直属农场因棉秆焚烧带来的环境负荷修复成本相对较高，其他县则较低。这表明上述4个地区面临的污染问题较为严重，环境修复的问题亦非常突出。

3家庭能源燃料产品与厂址选择

从当地水资源和生态环境情况分析，为了使巴州的棉花种植业持续发展，必须着手解决由棉秆造成的环境污染问题。其优化途径就是实现棉秆产品的产业化生产，需要根据棉花产地分布确定经济性厂址。考虑到棉秆产品种类较多，例如；造纸和饲料相关产品，但造纸和饲料以及生物等产品都需要消耗大量水资源。巴州水资源相对匮乏，需要选择水资源消耗较少的产品，而家庭能源燃料是耗水量最少的产品。鉴于新疆的能源资源如煤炭在地区间分布极不平衡，这些关键能源主要集中在新疆的北部和东部地区，而位于南部的巴州地区则煤炭资源较为稀缺。故本研究决定以此为棉秆主导产品。

3.1家庭能源燃料产品

作为一种关键的生物能源，棉秆在能量转化上具有显著的效益。2吨棉秆产生的能量相当于1吨标准煤的热量。在巴州推行棉秆的能源化应用能够大幅度降低对初级能源的依赖，并且带来明显的环保效益。用于棉秆能源产品生产设备的制造厂家较多，可以根据巴州各行政区棉秆产量和用水量以及销售市场等重要指标加以选择。例如：选用河北省名宏新能源有限公司生产的，主要用于农村大棚蔬菜取暖和家庭庭院等场合的燃料产品，设备生产量可根据当地市场需求量确定。

建议初期投入的高温压块设备，设备年加工量可按需制定，例如单机年加工量20万吨，按照巴州2020年棉秆169万吨计算，可选用9台同类型设备，每月总加工量约14万吨，可全年生产。该产品的生产成本相对较低，预期具有一定的市场价格竞争力，加上国家的补贴政策，当地农民家庭也能够消费使用。棉秆的具体产量可以根据市场需求确定，在市场需求比较平稳情况下，可以根据水资源丰沛程度和棉花生产季节的具体情况确定产量。从释放的热值量考虑，棉秆燃料与标准煤形成2∶1的关系、即两吨棉秆燃料相当于1吨标准煤或1.4吨原煤。水资源和棉花生产期的建议产量如表4所示，其中棉花产量选用2020年产量，棉秆原料生产设备选用河北省名宏新能源有限公司设备9台，每台年产量约20万吨。

表4中年初3个月属于枯水期，秸秆燃料以满足家庭和蔬菜大鹏取暖为主，可减少生产量，四月至八月雪融水逐步增加，可逐步增加产量，九月至十二月棉花生产期，十一月和十二月水资源逐步减少，但棉秆大量回收仍需要满负荷生产，在此条件下年加工总量约为169万吨，可基本满足理论秸秆量的加工。

3.2棉秆产品生产厂址的选择

棉花秸秆的生产基地的选址要遵循战略性原则、社会效应原则、交通便利原则、绿色生态原则和水土资源原则等。按照棉花产量规模大小，优先选择棉花产量较大和交通便捷水资源充沛的地区进行候选评估。首先以棉花产量较大地区为参考，以标准分数进行选择，2020年巴州各行政区棉花产量的标准分数结果如表5所示，计算数据说明，库尔勒市、轮台县和尉犁县是主要产棉区，厂址应尽量靠近这3个地区以节约交通成本，因此，以库尔勒市和尉犁县连线中间段为第一候选厂址，以库尔勒市和轮台县连线中间段为第二候选厂址，以库尔勒市和兵团第二师连线中间段作为第三候选厂址。

从交通费用分析，以库尔勒为参考，库尔勒市和尉犁县连线，中间有约46千米的距离，轮台县和库尔勒之间相距约189千米，库尔勒市和兵团第二师相距约109千米；以最低成本费用来确定候选区域的交通成本。综合比较和分析新疆地区货车运输成本数据、新疆货车司机工资基本价位数据、2020年新疆巴州油价价目数据，并以此为基础结合3个候选区域交通距离，建立最低棉花秸秆和秸秆产品运输成本经济模型。这里拟选择棉秆和棉花运输常用的二类货车（车长6米，总质量4.5吨）、司机工资选择占比较大的8000元/月，油价选择0号标准（以满箱油200升为参考），这里不暂且考虑上下货物的装卸费用和车辆磨损维修费，在上述条件下、建立运输成本经济模型如下：