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秸秆农用十大模式系列——“秸-炭-肥还田改土”模式

日期:2017-10-26            作者:             来源:

【片花】

为贯彻落实中央绿色发展要求,打好农业面源污染防治攻坚战,促进农作物秸秆综合利用,农业部组织遴选了秸秆农用十大模式,予以推介发布。在今天的节目中,我们将为您详细解读。

 

主持人:各位听众、农民朋友,大家好,我是志强。说起小麦、棉花、水稻……这些农作物的秸秆怎么用?不同地区最适合的方法是什么?大家可能都不是很清楚。最近,农业部给出了权威建议!近日,农业部办公厅印发了《关于推介发布秸秆农用十大模式的通知》,按区域、农作物品类分别推荐了相应的秸秆农用模式,不仅介绍了模式的内涵和特点,还给出了流程和案例。在今天的节目当中,我们主要介绍秸秆十大模式中的“秸--肥还田改土”模式。我们请到的专家是农业部规划设计研究院高级工程师田宜水老师,田老师您好!

 

专家:主持人好,各位听众大家好。

 

主持人:首先请您介绍一下什么是“秸--肥还田改土模式”?

 

专家:实际上,“秸--肥模式”是“秸秆-生物炭-有机肥还田改土模式的简称。首先,我们将废弃的农作物秸秆进行收集、运输和储存;其次,通过高温热裂解的工艺,将农作物秸秆转化为富含稳定有机质的炭质混合物,我们叫做“生物炭”;然后,以“生物炭”为介质生产生物炭基肥并返回农田,以改善土壤结构、提高土壤肥力,实现农作物秸秆在农业生产过程中的内循环,是农业循环经济和秸秆综合利用的一种新模式。

 

主持人:在前面的介绍中,您提到了几个新名词,首先,什么是“生物炭”?

 

专家:在巴西亚玛逊流域分布着一种深厚、富碳的肥沃土壤,它与周边贫瘠的、低有机质酸性土壤具有明显差别,者是古代人们在发展热带酸性土农业管理实践中创造出的人工土壤,早期的欧洲殖民者将这种土壤称之为黑土。

 

现代研究证明,黑土是2500年,甚至6000年以前由生活在亚马逊流域的人们制造的。一般认为,他们使用的材料包括动物粪便,鱼,动物骨头和植物废物。但是生产黑土壤最关键的原料,也是黑土壤之所以呈现黑色的原因,是生物炭的使用。黑土壤中的生物炭可以使土壤肥力维持一个世纪之久。几个世纪以来,生活在南美亚马逊流域的人们都靠这些原生态材料制造“黑土壤”来肥沃土地。

 

所以,生物炭不是一般的生物炭,它是在低氧环境下,通过高温裂解工艺将农业剩余物碳化,是以固定碳元素为目的的炭,是一种碳含量极其丰富的炭。生物炭整个体系均由碳元素构成,由于碳原子彼此间具有极强的亲合力,因此使得生物炭无论在低温或高温下,都有很好的稳定性。其中的碳元素被矿化后很难再分解,可以稳定地将碳元素固定长达数百年。传统上,可以使木材、农作物秸秆等在缺氧的环境下进行燃烧,获得的木炭就是生物炭的一种。实际上,人们一直将木炭做为燃料使用。

 

主持人:国际上社会为什么如此地重视生物炭?

 

专家:进入21世纪以来,气候变化问题作为人类社会可持续发展所面临的重大挑战,已引起各国政府与科学家的高度关注。

 

这里又一个术语,叫“碳中性”,是指首先计算出二氧化碳的排放总量,然后通过植树等补偿方式把这些排放量消化掉,不给地球增加额外温室气体排放(主要包括二氧化碳、甲烷等)的负担,达到环保的目的。

 

植物通过光合作用固定大气中的二氧化碳,50%用于自身呼吸,另外50%通过植物残体形式归还土壤,经过微生物的作用释放到大气中,称为“碳中性”。如果植物残体通过高温热裂解生成生物炭后,约25%35%,将之归还土壤,由于生物炭具有高度的化学稳定性和惰性,约只有5%的碳经过微生物作用排放到大气中,剩余20%30%的碳将封存在土壤中,产生碳的净吸收,称之为“碳负性”。

 

生物炭不仅是大气二氧化碳的一个长期“碳汇”,在全球碳循环中具有重要作用,据估计,生物炭每年最多可以吸收10亿亿温室气体。

 

为了应对全球气候变化,生物炭正在成为人们关注的焦点,生物炭作为一种农业增汇减排技术途径得到不断开发和应用,主要用途包括作为土壤改良剂、肥料缓释载体及碳封存剂等。

 

主持人:我们也想知道,生物炭是如何生产的?

 

专家:目前,生物炭生产方法一般采用热分解法(又称裂解或热裂解),在400摄氏度~550摄氏度的高温下将有农作物秸秆置于隔绝空气或通入少量空气的条件下,利用热能切断秸秆大分子中的化学键,使之转变为低分子物质的过程。可用于热解的生物质的种类非常广泛,包括农作物秸秆、农产品加工剩余物、薪柴、林业三剩物和城市固体废物等。

 

根据热解条件和产物的不同,热解工艺可分为以下几种类型。

 

①烧炭:将薪炭材放置在炭窑或烧炭炉中,通入少量空气进行热分解制取木炭的方法。一个操作期一般需要几天。这也是木炭的传统生产工艺。由于工艺过程不可控,可燃气难以回收、对环境有污染等问题,目前该工艺已经处于淘汰状态。

 

②干馏:将秸秆等原料在干馏釜中隔绝空气加热,制取醋酸、甲醇、木焦油抗聚剂、木馏油和木炭等产品的方法。

 

很久以前,古埃及人就使用木干馏技术生产焦油和焦木酸,用于防腐的目的。直到二十世纪初,木材干馏技术还大量用于生产可溶性焦油、沥青和杂酚油等化工原料,直到石油化工的兴起才没落了。

 

根据温度的不同,干馏可分为低温干馏(温度为500~580摄氏度)、中温干馏(温度为660~750摄氏度)和高温干馏(温度为900~1100摄氏度)。生物炭生产技术属于低温干馏。

 

③快速热解,把林业废料(木屑、树皮)及农业副产品(甘蔗渣、秸秆等)在缺氧的情况下快速加热,然后迅速将其冷却为液态生物原油的热解方法。

 

主持人:秸秆干馏的过程和原理是什么?

 

专家:热解过程中农作物秸秆等生物质中的碳氢化合物都可转化为能源形式。通过控制反应条件(主要是加热速率、反应气氛、最终温度和反应时间),可得到不同的产物分布。根据热解过程的温度变化和生成产物的情况等特征,可以把秸秆热解过程划分为四个阶段:

 

一是干燥阶段:温度为120~150摄氏度,热解速度非常缓慢,过程主要是生物质所含水分依靠外部供给的热量进行蒸发。

 

二是预碳化阶段:温度为150~275摄氏度,生物质的热分解反应比较明显,生物质的化学组分开始发生变化,其中不稳定组分(如半纤维素)分解生成CO2CO和少量醋酸等物质。

 

上述二个阶段需要外界提供热量以保证温度上升,为吸热反应阶段。

 

三是碳化阶段:温度为275~450摄氏度,生物质急剧地进行热分解,生产大量的分解产物,这一阶段放出大量反应热,为放热反应阶段。

 

四是煅烧阶段:温度为450~500摄氏度,依靠外部供给热量进行生物炭的煅烧,排除残留在木炭中挥发物质,提高木炭中固定碳含量。

 

应当指出的是,以上四个阶段的界限难于明确划分。

 

主持人:秸秆生产生物炭的工艺流程是什么?

 

专家:秸秆生产生物炭的主要工艺流程包括秸秆干燥、秸秆热解、气体冷凝冷却、生物炭冷却等。

 

秸秆可采用自然干燥和人工干燥的方式,一般要求原料的含水率低于20%

 

主持人:秸秆热解,前面我们已经介绍了。下面,我们重点介绍一下热解反应器。

 

专家:秸秆热解工艺按照不同的工艺特征有多种分类方法。

 

根据加热方式的不同,我们可以把秸秆热解反应器分为外热式、内热式和内燃式。当热量通过反应器壁面传给秸秆称为外热式。

 

外加热式热解炭化炉包含加热炉和热解炉两部分。由外加热炉体向热解炉体提供热解所需能量。加热炉多采用管式炉。外热式热解反应器的优点是:温度控制方便、精确,可提高生物质能源利用率,改进热解产品的质量。其缺点为:一是需要消耗其它形式的能源。二是由于外热式固定床热解炭化炉的热量是由外及里传递,通过炉壁表面上的热传导不能保证不同形状和粒径的原料受热均匀。

 

热量通过载热体进入反应器内与秸秆直接接触称为内热式。内热式工艺克服了外热式的缺点,借助热载体把热量直接传递给原料,受热后的生物质发生热解反应。根据供热介质不同又分为气体热载体和固体热载体。气体热载体热解工艺通常是将燃料燃烧的烟气引入热解室。固体热载体热解工艺则利用高温半焦或其他的高温固体物料与生物质在热解室内混合,利用热载体的显热将生物质热解。与气体热载体热解工艺相比,固体热载体热解避免了生物质热解析出的挥发产物被烟气稀释,同时降低了冷却系统的负荷。

 

内燃式其燃烧方式类似于传统的窑式炭化炉,需在炉内点燃生物质燃料,依靠燃料自身燃烧所提供的热量维持热解。内燃式热解炉与外热式的最大区别是热量传递方式的不同,外热式为热传导,而内燃式炭化炉是热传导、热对流、热辐射3 种传递方式的组合,热解过程不消耗任何外加热量,反应本身和原料干燥均利用生物质自身产热,热效率较高。其缺点是:生物质物料消耗较大,且为了维持热解的缺氧环境,燃烧不充分,升温速率较缓慢,热解终温不易控制。

 

此外,根据反应器的形式不同,可分为卧式和立式;根据操作方式的不同,可分为连续式和间歇式。

 

秸秆热解产生的蒸汽气体混合物在焦油分离器或列管冷凝器中进行冷凝冷却,使其中可凝结的蒸汽冷凝为木醋酸、焦油。生物炭可在专门的冷却设备进行冷却。

 

供热系统可为秸秆热解提供热量,所用的燃料包括热解产生的热解气等。

 

【电台间奏】

 

【片花】农业部给出秸秆农用“十大模式”,总有一款适合你!

 

——东北高寒区玉米秸秆深翻养地模式——

 

基于东北地区玉米生产所处的气候与生态条件,以“深翻还田”为核心,通过促进农机农艺技术的结合,凸显出秸秆还田对黑土地资源保护的生态效益。

 

适宜范围:东北、中原以及东部等主要玉米种植区,气候条件为降雨量450mm以上,积温2600℃以上。

 

具体怎么做:联合收割机收割玉米后,将玉米秸秆粉碎均匀抛洒地面,然后用重型拖拉机深翻还田,在春季进行耙平,开展下一季农事生产。这样做,可以实现深层土壤增碳的效果,构建黑土地合理耕层,提高土壤有机质含量。此外,还能形成良好的土壤空隙结构,提高黑土地土壤的储水能力与入渗能力。

 

——西北干旱区棉秆深翻还田模式——

 

将棉秆还田的模式,可以疏松土壤、改良土壤理化性、增加有机质、培肥地力等多重目标,同时消灭病虫害、提高产量、减少环境污染,从而有效解决我国棉花主产区棉秆利用率不高的问题。

 

适宜范围:全国棉花种植的区域,尤其适宜于新疆等西北地区棉花规模化种植区域。

 

具体怎么做:这种模式主要通过集成机械粉碎和深翻还田技术,利用秸秆粉碎还田机,将刚收获完的棉花秸秆粉碎后均匀抛撒于土壤表面,然后进行耕翻掩埋。

 

——黄淮海地区麦秸覆盖玉米秸旋耕还田模式——

 

麦秸覆盖还田免耕播种玉米,不用翻耕,节约成本,同时能减少土壤扰动,有利于提高作物产量。玉米秸秆粉碎旋耕还田可同时完成碎土、松土、混拌秸秆、平整土壤等作业,生产效率高,成本低。

 

适宜范围:一年两熟制小麦-玉米轮作区,光热资源丰富,在秸秆还田后有一定的降雨(雪)天气,或具有一定的水浇条件;土地平坦、土层深厚。

 

具体怎么做:基于黄淮海地区小麦-玉米轮作种植制度,在小麦收获季节,利用带有秸秆粉碎还田装置的联合收割机将小麦秸秆就地粉碎,均匀抛撒在地表,直接免耕播种玉米;在玉米收获季节,用秸秆粉碎机完成玉米秸秆粉碎,然后采用大马力旋耕机趁秸秆青绿时进行旋耕,完成秸秆还田作业后播种小麦。

 

——黄土高原区少免耕秸秆覆盖还田模式——

 

在作物收货后,将农作物秸秆及残茬覆盖地表,土地不进行翻耕,翌年采用免耕播种机进行播种或进行表土层耕作播种,防止水土流失,降低生产成本。

 

适宜范围:黄土高原区、两茬平作区、农牧交错区和东北冷凉区。

 

具体怎么做:需要从前茬作物收获开始考虑,其主要作业环节包括作物收获→秸秆粉碎处理→土壤深松→表土作业→免耕播种→田间管理等。

 

——长江流域稻麦秸秆粉碎旋耕还田模式——

 

农作物秸秆通过机械化粉碎和旋耕机作业直接混埋还田,配套农机农艺相结合的方式,充分发挥秸秆还田在培肥能力和增产增收等方面的积极作用,是目前长江流域应用范围最广的一种秸秆直接还田技术。

 

适宜范围:长江流域的水稻-小麦、水稻-水稻与水稻-油菜轮作区,长江流域的部分小麦-玉米轮作区。

 

具体怎么做:秸秆经收割机粉碎或秸秆还田机粉碎并均匀抛撒后,经旋耕机1~2次作业,即可栽插或播种下茬作物,流程简单、操作方便。

 

秸秆农用“十大模式”稍后继续播出。

 

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主持人:欢迎继续收听,我是志强。在今天的节目当中,我们主要介绍秸秆十大模式中的“秸--肥还田改土”模式。我们请到的专家是农业部规划设计研究院的田宜水老师,那我还想问秸秆热解除了生产生物炭,还有什么副产品,都有什么利用方式?

 

专家:秸秆热解的产物除生物炭外,还可获得木醋液、热解气和焦油等副产品。

 

从热解设备导出的蒸汽气体混合物经冷凝分离后,可以得到液体产物(粗木醋酸)和气体产物(不凝性气体或热解气)。粗木醋酸是棕黑色液体,除含有大量水分外,还含有二百种以上的有机物。其中一些化合物包括饱和酸、不饱和酸、醇酸、杂环酸、饱和醇、不饱和醇、酮类、醛类、酯类、酚类、内酯、芳香化合物、杂环化合物及胺类。

 

热解时得到的粗木醋酸液澄清时分为两层,上层为澄清木醋酸,下层为沉淀木焦油。澄清木醋酸是从黄色到红棕色的液体,有特殊的烟焦气味,主要含有80%~90%的水分和10%~20%的有机物。澄清木醋酸进一步加工处理可得到醋酸、丙酸、丁酸、甲醇和有机溶剂等产品。同时,木醋液作为一种天然的农业生产资料,对人畜无毒副作用,是民用化学品和农用化学品的理想替代物,具有防虫、防病、促进作物生长之功效,可用于养殖和公共场所的消毒、除臭等,用于蔬菜、水果等农作物的病虫害防治效果明显,并可生产出无公害农产品。木醋液作为叶面肥主要作用为增进作物根部与叶片的活力,减缓老化,降低果实酸度,延长果实贮藏时间,提高风味;防治土壤与叶片上一些病虫害,促进土壤有益微生物的繁殖;增加农药效果等。

 

沉淀木焦油是黑色、粘稠的油状液体,其中含有大量的酚类物质,经加工可得到杂酚油、木馏油、木焦油抗聚剂和木沥青等产品。

 

秸秆热解过程中产生的可燃气主要成分为二氧化碳、一氧化碳、甲烷、乙烯和氢气等,其产量与组成因温度和加热速度不同而各异,可为热解反应提供热源,或用于供暖、为农村居民提供生活用能、以及发电等用途。

 

100千克的秸秆能够生产生物炭30千克、木醋液50千克、热解气30立方米。

 

主持人:那么什么叫“生物炭基肥”?

 

专家:生物炭由于在炭化过程中非碳元素分解,会在炭化后的预制体中形成很多孔洞,其表面积很大,大孔隙(>100微米)达到750-1360 平方米每克,小孔隙(<100微米)达到51-138 平方米每克,其次是比重轻(小于2.0 克每立方厘米)。这都为生物炭作为许多复合材料与肥料的原料提供了无与伦比的优越性。

 

生物炭可在土壤中加入生物炭颗粒或载有菌体、肥料或与其它材料混配的功能型生物炭复合材料,主要作功能包括改良土壤,增加地力,改善植物生长环境,提高土地生产力及产品品质。生物炭基肥,是指生物炭粉与肥料合理配伍从而形成的新型肥料。与传统的化学肥料不同,生物质炭基肥不但能够提供作物生长所必需的养分,还能够延长肥效,起到缓释作用,减少土壤养分流失,避免对水体环境造成污染。

 

主持人:生物炭基肥有几种主要类型?

 

专家:生物炭基肥可以分为生物炭基有机肥、生物炭基无机肥、生物炭基有机无机复合肥等三大类型。生物炭基有机肥,是指生物质炭粉与有机肥合理配伍从而形成的生态型肥料;生物炭基无机肥,是指生物质炭粉与无机肥合理配伍从而形成的生态型肥料;生物炭基有机无机复合肥,是指生物质炭粉与有机无机复合肥合理配伍从而形成的生态型肥料。

 

主持人:生物炭基肥是如何生产的?

 

专家:生物炭基肥生产工艺主要以炭质混合物为介质生产炭基肥料颗粒。将生物炭与化学肥料或传统有机肥等按照一定的比例混合造粒,从而制成生物质炭基肥。生产工艺主要分为:掺混法、吸附法、包膜法和混合造粒法等。

 

掺混法是最简单的制备生物炭基肥的方法,把粒度和强度接近的基础颗粒肥料(彼此间基本无化学反应)按一定比例进行掺拌混合。采用掺混法制备生物炭基复合肥能有效延长炭基肥对氮素养分的持续供应时间,增加土壤全氮和速效磷含量,促进作物对氮、磷养分的吸收。

 

包膜法主要是用生物炭细粉状颗粒包裹速效性化肥颗粒而成的肥料,施用后逐渐释放养分供农作物利用,可以有效减少因肥料的分解、挥发、冲蚀等造成的养分损失,从而提高肥料利用率。

 

吸附法主要是利用生物炭多孔性与吸附性的特点,将肥料溶液中的一种或数种组分吸附于表面。如用木炭和竹炭在一定浓度的硝酸铵水溶液中通过吸附法制备硝酸铵炭基肥料,其可延缓相应炭基肥料在静置水和土壤溶液中的淋洗释放。

 

混合造粒法是将生物炭与一种或者多种肥料粉碎后,形成粒度接近的粉状颗粒进行混合造粒。该方法具有生产效率高、操作简便等特点,是目前肥料生产的主要方式。主要有团粒法造粒与挤压法造粒。团粒法造粒的基本原理是将一定颗粒细度的基础肥料黏聚成粒、再通过转动使黏聚的颗粒在重力的作用下产生运动、相互挤压、滚动使其紧密成型。挤压法主要是利用机械外力的作用使粉体基础肥料成粒。

 

主持人:除了还田,生物炭还有其他什么用途吗?

 

专家:生物炭燃烧性能好,具有发热值高、清洁、无污染等特点。塑型后生产出的“炭化生物质”具有较高的堆密度与强度,便于储藏、运输,且清洁环保,燃烧效率高,可替代燃气、煤炭等不可再生能源,用作农村分散供热、供暖的新能源,也可用于城市集中供暖、发电等。

 

由于生物炭具有良好的吸附性能和稳定的化学性质,可以耐强酸、强碱,能经受水浸、高温、高压作用,不易破碎,能减少诸如重金属、残留农药等有毒物质对作物的伤害;生物炭对一些气体包括甲烷、二氧化硫、硫化氢、氧化亚氮、二氧化碳的吸附容量按生物炭容积的倍数计,用生物炭吸附有害气体等具有操作简单、经济可行、效果良好等优点。

 

主持人:生物炭应用有了典型案例吗?

 

专家:南京市六合区某公司,2013年开展热裂解生物质炭化生产。投产以来,累计消耗周边12万多亩、近4万吨秸秆,加工秸秆颗粒2万吨,热解炭化生物质炭5千吨,累计销售生物质炭3500吨,相当于减排28000吨二氧化碳当量。20154月起,在南京市六合区冶山街道石柱林村、马集工业园、平山林场茶园进行了生物质炭和炭基肥百亩农田示范,改土增效效果明显。

 

主持人:好的,非常感谢田老师做客我们的节目,就“秸--肥还田改土”模式,给我们大家所做的一个详细的介绍。好的,再次感谢田老师,谢谢!

 

专家:谢谢大家,希望我介绍的这些内容,对大家的生产生活有所帮助!

 

【片尾】好,听众朋友,又到了节目结束的时候了,感谢今天专家的精彩介绍,同时也感谢听众朋友您的收听!如果对节目有什么意见或建议,需要了解节目相关资料、收听更多的节目,与我们在线交流互动,您可以登录中国农村远程教育网、央广网,可以关注《乡村讲堂》新浪微博,关注“中央农广校—乡村讲堂”微信公众账号。同时欢迎您关注“中国新型职业农民”微信公众账号,了解更多培育新型职业农民的服务内容。我们的通讯地址是:北京市朝阳区麦子店街农业部北区24号楼,中央农业广播电视学校广播教育中心,邮政编码:100125,热线电话是:010-591960688008。欢迎您继续收听中国乡村之声的其他精彩内容!

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