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秸秆利用技术及秸秆粉碎设备的研究现状及发展探究

学术期刊发表网 位置:农业论文 时间:2022-04-20 09:22 (12)

摘要:摘要:当前对农作物秸秆在农业生产中利用秸秆粉碎设备及配套技术加以处理的现状进行研究具有农业生产的现实意义,可以从常见机械化、技术化处理秸秆的方法入手进行探讨。研究结论表

  摘要:当前对农作物秸秆在农业生产中利用秸秆粉碎设备及配套技术加以处理的现状进行研究具有农业生产的现实意义,可以从常见机械化、技术化处理秸秆的方法入手进行探讨。研究结论表明,从秸秆综合利用角度出发揉丝机、锤片粉碎机、铡草机等设备很难提高秸秆的利用率,存在秸秆粉碎加工不充分的问题,机械设备性能差是影响秸秆加工处理成效的主因之一。针对这些问题,以提高秸秆粉碎加工综合处理有效性为指向,对多种专用粉碎机、无筛高效锤片粉碎机等机械设备的性能进行剖析,以期为充分利用秸秆并提升粉碎处理水平提供参考。

  关键词:秸秆利用;粉碎设备;农业机械化

秸秆利用技术及秸秆粉碎设备的研究现状及发展探究

  0 引言

  在农业生产进程中秸秆数量较多,属于常见副产品,是宝贵的永续性资源之一,在我国生产小麦、棉花、玉米等农作物的过程中会得到丰富的秸秆资源。据统计,每年我国秸秆总量超7亿t,然而秸秆在燃料、肥料、饲料等工业化加工及再利用环节的投入率却仅为33%左右,多数秸秆被丢弃或直接焚烧,这不仅浪费秸秆资源,还严重污染环境,并不利于农作物秸秆有效创造价值。在综合利用秸秆资源的过程中秸秆粉碎是关键一步,多数秸秆通过粉碎加工处理成为饲料、肥料等具有利用价值的物质,在机械化加工水平不断提升的大背景下,秸秆粉碎处理技术研究属于一大热点,这为多种粉碎方式的应用推广给予支持。粉碎设备对秸秆加工处理的程度存在区别,可从成本、能耗、操作方式、加工稳定性及设备使用寿命等角度出发对加工处理程度进行综合性分析,并明晰秸秆粉碎基本要求[1]。基于此,围绕秸秆机械化粉碎处理技术进行研究,对充分利用农业秸秆资源并推动农业机械化、可持续发展意义深远。

  1 秸秆利用技术

  1.1 秸秆饲料化技术

  秸秆自古就是常见粗饲料,在饲养牛羊等家畜中广泛应用。在养殖业发展过程中,人们发现秸秆直接投喂会降低饲料营养,存在牲畜采食量低、适口性弱、饲料成本高等问题。当前秸秆在饲料加工中的应用处理以微贮、青贮、粉碎等方式为主,既能优化饲料营养成分,又能增强其适口性,使饲料得以充分利用。近年,复合型秸秆颗粒处理技术应用普遍,加之饲养管理标准化,人们发现将秸秆颗粒与其他饲料混合在一起能更好的提升育肥水平及产肉性能,牲畜育肥率提高,规范化养殖劳动成本有所降低,使养殖业、畜牧业等产业能获得更高的生态效益及经济效益。

  1.2 秸秆肥料化技术

  秸秆中有许多微量元素,如磷、氮、钾等,这些微量元素及有机质对农作物生产有益。测算显示,7亿t秸秆磷、氮、钾含量分别为80万t、350万t及800万t,是我国全年化肥使用量的1/5。在秸秆助力农作物生长的过程中秸秆还田技术较为常用,主要方式包括堆沤还田、直接还田等。直接还田常见渠道有两个,一是覆盖还田,二是翻压还田,其中翻压还田指的是农作物采收后秸秆留高茬或粉碎翻压入土,覆盖还田主要是指在采收前播种作物,把整秆或粉碎后的秸秆直接均匀覆于地面,亦可在收获结束后覆盖秸秆,下茬作物则可免耕直播,亦可把秸秆盖在田块上,达到降低土壤蒸发水分的几率及调节地面温度的作用,还可提高土壤有机质含量,减少杂草总量,以免杂草与农作物争夺养分,将秸秆盖在田块上还能减少劳动力投入,缓解茬口矛盾。堆沤还田主要是指把秸秆制成堆肥,通过发酵的方式助其在土壤中释放养分,改善土壤条件。常见发酵方式有好氧发酵、厌氧发酵,后者是指将秸秆堆在一起后保障其处于密不透风的环境中,前者是指堆放好秸秆后内设通风沟。秸秆堆沤需在前期用铡草机等设备将其粉碎,通常粉碎规格为1~3cm,粉碎后浸透水,保障秸秆含水率约为70%,而后适量添加腐熟机肥,拌匀后堆好,在秸秆堆的表面覆盖塑料或泥浆,达到严密封存的目的,好氧发酵需用设备翻动秸秆堆,为的是促其快速熟化,使秸秆肥力得以增强。

  1.3 秸秆能源化技术

  在农村生活中秸秆属于常用燃料的一种,据统计其能源化与农村生活总用能之比约为35%。相较于西方发达国家,我国秸秆资源以燃料为主的技术性研究处于起步阶段,存在秸秆能源使用技术性较差、能耗较高、利用率较低等问题,相关技术研究主要方向为秸秆固化成型、液化、沼气、气化、发电等[2]。秸秆中的半纤维及纤维素成分较多,通过生物、化学、物理等方式能转变成液体燃料,如可燃性油、醇类及其他化工材料。在纤维素乙醇生产进程中玉米芯废渣功能性较强,主要源于此物质中有较多的纤维素。有些公司将玉米芯视为主要材料推动循环利用体系,先用该物质生产功能糖产品,而后用生产废料提取质素并用于加工纤维素乙醇,生产废水可制成沼气,固体废料可用于生物质发电、种植蘑菇,继而形成环环相扣的玉米芯利用链路,实现能源充分利用的目标。

  1.4 秸秆其他利用技术

  实践证明,秸秆既可用于肥料、饲料及能源性材料的制作,又可用于板材、纸张制作及食用菌栽培等领域。数据显示,2005年用秸秆、稻草制成的纸张总计2323万t,是总秸秆的4%左右。上世纪90年代秸秆在零甲醛人造板生产制作中属于主要材料,同时推动相关制造技术与时俱进。秸秆木质素、纤维素丰富,可用来栽培食用菌,如香菇、平菇、蘑菇、金针菇等,超36种。利用秸秆栽培食用菌可促成生态化产业链,即秸秆搜集—菌类栽培—菌渣处理—有机肥制作—秸秆还田。

  2 秸秆粉碎设备现状

  从粉碎手段、粉碎形式角度来讲,秸秆粉碎设备类型有组合式、揉切式、锤片式、铡切式等。

  2.1 铡切式粉碎

  在秸秆粉碎中铡切式设备的合理使用具有揉搓、粉碎等功能作用,该设备的主体为铡草机,此机器按照体积可分为大、中、小三型,按照粉碎方式可分为圆盘式、滚筒式两类,按照作业流程可分为固定式、田间直接收获两种。当前应用频率较高的设备为滚筒式、小型、圆盘式的铡切机。当前青饲料切碎机、铡切机生产地主要为四川、甘肃、河南、江苏等,共计200多家,年产量20万台左右。不同功能型号的机械设备铡草效率存在差别,例如9ZP系列设备每小时铡草700~30000kg不等,满足用户不同铡草需求。辽宁生产铡草设备的企业超30家,年产量超6万台,河南生产该设备的企业超20家,年产量超3万台。其他地区生产铡草设备的数量与辽宁、河南存在差距。在设计生产铡草机的过程中高校积极参与,为的是科研技术有效转化,陈玉华(山东农业大学)等人设计推行青贮秸秆铡揉生产设备制造方案[3],对相关设备输送、铡揉、抛料等部位加以优化,对秸秆物料含水率进行计算,发现含水率均值为55%,铡揉长度及秸秆破节率分别为1060mm及91%,草长标准率约为89%。青贮秸秆铡揉机设计与应用使畜牧业得以有效解决饲料生产难题,保障饲料质量较高,饲料机械化生产与畜牧业规模化发展相契合,在有效使用秸秆资料的基础上可提高畜牧养殖效益,同时对环保事业发展有益。

  2.2 锤片式粉碎

  在我国应用最多的是锤片式粉碎机,此设备作用原理为通过高速旋转锤片助物料被击碎,依据进料方向可分为轴向进料、切向进料、径直进料三型。锤片式粉碎机在精饲料、粮食粉碎中较常应用,因为实践经验较多,所以设备性能指标及功能作用较为稳定,助力相关设备规范化生产与应用,满足粮食及精饲料加工切实需求。当前此设备研究以应用试验、结构改良及运行理论为主。例如,崔祥祥(安徽工程大学)等人对锤片式粉碎机的研制进行分析,将可旋转装置、粉碎室等结构设计制作视为研究对象,为的是改进刀具、锤片架等装置,确保相关装置能拆卸,便于更换与养护,同时刀具规格调整能使粉碎充分性得以提高,这在灵活换刀的条件下可提高秸秆粉碎率,为秸秆资源充分利用给予支持。在改良锤片式粉碎机后,粉碎刀具更换简便,可以在换刀环节节省较多时间,采用负压装置,利用空气吸入秸秆,使粉碎颗粒收集效果得以优化,解决粉碎环节扬尘较多污染环境的问题。胡圣国(上海禾粟粉碎机公司)研究得出新型锤片式粉碎机,该设备由上体机、下体机两部分构成,上部进料口超过1个,进料口位置设计翻板,经转动可固定,位于进料口中位线上,斜向抵靠内壁一侧为出料口,翻板下部设有挡板,为的是把上体机、空隙空间分离开来,以免粉碎物料在空间内大量积存并降低粉碎效率。此款设备解决了锤片式粉碎机粉碎室秸秆积攒过多的问题,还能避免机器设备内部存在死角或连续粉碎,使粉碎效率有所提高,粉碎时间减少,为充分利用秸秆资源给予支持。

  2.3 揉切式粉碎

  在粉碎秸秆时可使用揉切式粉碎机,该机器包括揉碎机、揉搓机两种,后者的演变基础为锤片式粉碎机,在结构中筛片被齿板替代,通过高速旋转将秸秆打碎,加之齿板作用,使秸秆可成为丝状。揉搓机锤片排列方式为螺旋状,为的是保障揉搓彻底,用风机将秸秆抛送到设备内,加工物料可达到细碎或破碎的目的,与其他设备相比生产效率较低。以张姬(山东农业大学)等人研究的工控调速揉切设备为例,此设备由刀轴、联轴器、机架、异步电动机、工控调频系统、刀片、底壳、轴承座等构件组成,其中异步电动机、工控变频调速机制相连,刀轴、异步电动机基于联轴器相连,轴承座将刀轴、底壳连接到一起,在机架上设置底壳,底壳中部靠下位置设有输送出口,刀轴上排列螺旋式刀片,刀轴沿中线将刀片对称排列在两侧,操控系统更换刀片并能控制其速度,通过设计制动参数进行比较性试验,试验结果显示此设备具有效率高、便于操作等优势。当前40型揉搓机(辽宁)及300型揉搓机(安徽)等其他的揉搓机通过鉴定。20世纪90年代秸秆揉碎加工属于最为重要且基础性较强的秸秆资源利用举措,因为技术及设备利用普遍,所以专业性研究较少[4]。揉碎机可将秸秆制作成丝状且质地柔软,根据需要能控制秸秆的粗细及长度等规格,使秸秆作为饲料具有适口性强、便于消化等优势。

  2.4 组合式粉碎

  在秸秆加工制作中组合式粉碎设备主要是指利用揉搓、磨搓、粉碎、碰撞等功能,对秸秆加工制作进行综合性处理,此为新型秸秆粉碎方式[5]。例如,王秋菊(黑龙江农业科学院)等人研制得出集中深埋犁秸秆粉碎装置,主要包括铧式犁、粉碎集条机两部分,机架后面与铧式犁相连,前面与牵引机械相连,螺旋输送机、秸秆粉碎刀具安装在设备的下部,机架上设置变速箱,箱体牵引机械、输入端与传动设备连接,输出端变速箱由第一螺旋轴驱动,同时驱动粉碎刀具,机壳前部为进料槽,出料口、牵引机械正对于一侧车轮,出料口在犁头前方靠外的位置。此机械设备组合方式具有作业成本低、粉碎效率高、操作简单等优势,同时在粉碎秸秆的过程中能完成田块深翻及秸秆搜集等任务,机具功能较多,有效节省人力,继而有效化解了工作人员数量较少及秸秆粉碎利用压力较大之间的矛盾。

  3 秸秆粉碎设备应用现存问题

  通过对我国当前常见秸秆粉碎加工装置进行分析可知,虽然秸秆资源利用率有所提高,但仍存在机械设备加工处理不及预期的问题,尤其在技术水平不断提升的新时代,相关设备技术含量有待增加,影响秸秆资源的综合利用成效,基于此,需对相关设备现存问题进行分析,为今后优化有关机械设备指明方向。

  第一,虽然秸秆综合加工处理方式较多,但配套设备及技术在应用过程中存在成本高、操作难、利用率低等问题,使秸秆资源大量浪费,有些地区秸秆焚烧处理,严重污染环境,并不利于秸秆作为宝贵资源的可持续开发利用。

  第二,在长杆类秸秆加工处理中铡草机功能作用较优,然而相关设备在加工短杆秸秆类农作物时却存在铡切效果欠佳的现象,切刀与秸秆容易平行,秸秆粉碎率降低,颗粒不均匀,不利于将秸秆与饲料混合在一起,降低饲料适口性及消化吸收有效性。

  第三,当前与锤片式粉碎机有关研究较少,主要用来加工制作精料,通过粉碎粗饲料满足牲畜喂养需求,该设备在使用过程中存在成本高、效率低、能耗大等问题,在加工湿秸秆时容易拥堵机器使之无法继续粉碎秸秆。

  第四,在加工丝状秸秆时常用揉搓机,为的是保障秸秆能更利于牲畜营养吸收,然而在应用进程中相关设备存在效率较低、适湿性差、能耗高及加工韧性较强秸秆难度较大等问题。

  4 发展及应用展望

  因为锤片粉碎机内含筛片,所以存在粗饲料加工效率较低的问题,对于部分针状、尺寸较大的秸秆物料来讲,会出现过筛率不及预期的现象。基于此,在改善锤片粉碎机时可从筛片的升级着手,除设计制作可更换筛片外,还可设计无筛片的粉碎机,通过筛片优化处理解决加工不到位、粉碎不充分的问题。秸秆有韧性,在粉碎加工时需考虑到其可能出现的缠轴问题,需在揉丝、粉碎、铡草加工处理的进程中设计专用性较强的粉碎机,为的是根据秸秆物理性质灵活予以选择,使加工处理举措更为丰富,满足秸秆物料多元化加工处理需求。在秸秆打捆技术应用推广的过程中,需考虑到方捆秸秆粉碎劳动强度大、生产率低、散捆耗时长等问题,保障设备使用具有科学性、高效性、安全性,将方捆秸秆粉碎专用机械设备视为研究主要方向之一。

  参考文献

  [1]李浩,沈卫强,班婷.我国秸秆利用技术及秸秆粉碎设备的研究进展[J].中国农机化学报,2018,39(1):17-21.

  [2]王英.我国农作物秸秆资源利用现状与建议[J].农机使用与维修,2016,(4):44-45.

  [3]陈玉华,宋占华,闫银发,等.青贮秸秆铡揉机的设计与试验[J].农机化研究,2019,41(6):140-144.

  [4]杨涛,孙付春,黄尔宇,等.秸秆粉碎技术及设备的研究[J].四川农业与农机,2017,(3):39-41.

  [5]任士虎,王龙,杨桂荣.多功能秸秆粉碎机的研制[J].现代化农业,2017,(4):63-64.

  作者:纪晓雪

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