農業秸稈纖維加工工藝及設備配置

摘要分析了農業秸稈纖維化的意義,介紹了農業秸稈纖維的加工工藝及專用加工設備,以期為推動農業秸稈纖維化提供指導。

關鍵詞農業秸稈;纖維化;加工工藝;專用設備

中圖分類號 F303.2 文獻標識碼A文章編號 1007-5739(2009)14-0231-02

隨著國家經濟的飛速發展,對木材的需求量迅速增大。一方面,我國是木材資源短缺的國家,人均森林面積不到世界平均水平的1/4,木材供不應求的局面將會長期存在;另一方面,我國又是農業大國,每年產生約7億噸的農業秸稈,這是極為豐富寶貴的天然植物纖維資源。

世界上任何植物,無論是參天大樹還是花花草草,主要由3類物質組成:纖維素、半纖維素和木質素。農作物秸稈具有和木材相同的植物纖維組成,是代木材料的最佳選擇。雖然由秸稈代木在理論上是可行的,但在實際應用上還有一定困難。目前,已開始應用秸稈代替木材,如秸稈生產密度板、刨花板;用秸稈生產木塑復合材料;用秸稈生產建筑墻體材料等。

1農業秸稈纖維化的意義

目前,國內外在秸稈替代木材綜合利用上尚沒有形成成熟的技術、生產裝備與產業化規模。缺乏高效先進、經濟適用的工藝技術及專用設備,是嚴重制約這個產業發展的主要原因。

纖維板是由木材纖維所做成的板材。眾所周知,纖維板廠生產的板材首先是將木材原料加工成片狀,再經過鋼磨將片狀的木材搓磨成一定長徑比的纖維,經過干燥后施膠攪拌均勻再壓制成纖維板;而不是將木材粉碎成粉末再壓制成板材,因為纖維狀板材與粉末狀板材的質量差別很大。在木材資源日漸匱乏的情況下,有的纖維板廠也試圖用農業秸稈來替代木材纖維,但是只能將農業秸稈粉碎成粉末或切成碎片,無法將農業秸稈加工成纖維,對纖維板產品的質量有很大的影響。

我國目前農業秸稈在代木的利用上是八仙過海,各顯神通。農業秸稈在人造板、木塑、建材等行業的利用雖然轟轟烈烈,但真正有突破性進展的不多,大多數企業都是在利用農業秸稈制作的產品上下的功夫較大,還沒有人把農業秸稈作為原材料來加以研究,然而沒有好的原材料是做不出好產品的。因此在產品的質量、檔次和使用范圍上都存有問題。

農業秸稈主要含纖維素、半纖維素、木質素、淀粉、粗蛋白、酶等有機物,還含有氮、磷、鉀等營養元素。由于秸稈內含物質的復雜性,在工業利用方面不是簡單的粉碎或切斷后攪拌均勻再加入某些化工產品經過擠出或壓制就能出產品。為克服秸稈碎料表面不易粘合的缺點,必須使用大量昂貴的化學粘膠劑,不但增加了成本,而且在強度、性能上都遠不如將秸稈加工成纖維后再制成的產品。

要想使農業秸稈在人造板、木塑、建材等行業的綜合利用真正有效的持續發展,必須要把農業秸稈作為原材料加以深入研究,并且在對待不同的行業必須有不同的加工工藝和加工設備。如用秸稈生產飼料,在養豬方面則需要將秸稈處理成粉末狀;在養牛方面則需將秸稈處理成條狀;用秸稈加工人造板、制備木塑產品、建筑墻體材料,則必須把秸稈處理成纖維狀;在有些產品上要將秸稈材料加以改性后才能達到相關的使用要求。猶如塑料行業那樣,有聚丙烯、聚乙烯、聚氯乙烯等各種原材料,它就可以根據用戶需求生產出不同材料的產品。秸稈的原材料加工就要做到像塑料行業那樣有多品種、系列化的原料基地,才能生產出高品質和多元化的產品。

秸稈纖維化以后的用途將更加廣泛:一是可以直接壓制成秸稈纖維板,在密度和質量上都得到提高。二是可以按一定比例添加到木質纖維板中,替代部分木材。目前,用秸稈纖維添加到木材纖維里壓制成纖維板已經過試驗,并取得初步成效。三是秸稈纖維化以后,可以將不同的秸稈按不同的比例混合在一起壓制成板材,單一材質的板材性能和功能上要好得多,特別是在作為木塑產品的原材料方面表現得更為明顯。四是用作木塑產品的原材料比粉碎的秸稈材料在強度和質量上提高不止1個檔次。用秸稈纖維替代木質纖維加工成木塑產品已試驗成功,經檢測已達到標準要求。五是經過改性后的秸稈纖維可以使用普通的粘膠劑,使成本大大降低。如果不將秸稈纖維化,在材料改性方面就不易進行,且改性效果不明顯。六是可以加工成編織品(當然這需要將秸稈加工成一定長徑比的秸稈纖維,比用作其他產品的纖維加工要求條件更高一點)。

秸稈纖維化以后的用途非常廣泛,但仍未能進行大量生產,主要是因為秸稈纖維的加工工藝比較復雜,成本較高,加上秸稈在代木上我國目前還處于初級階段,沒有真正推廣開來。

2農業秸稈纖維加工的工藝

農業秸稈的成分比較復雜,秸稈與木材原料相比,纖維長度較短,抽提物含量較高,灰分比例較大,表面含有豐富的不利于膠合的物質,易腐、易燃、易霉。這些基本特點決定了要采用特殊的加工工藝和專用的設備。

用農業秸稈替代木材在我國雖然已有一定的年數,但真正重視和發展起來是近幾年的事,因此在秸稈纖維化的加工上也是試驗和探索性的,在工藝和設備上沒有形成統一的標準。要將秸稈加工成纖維狀,最難解決的是要保持秸稈表皮與內部的一致性。當前國內外秸稈纖維的加工工藝主要有以下幾種:

(1)分離法。將秸稈切段后進行噴蒸處理,再用纖維解離設備將秸稈表面含有不利于膠合的物質進行有效分離,盡可能使秸稈原料呈纖維狀,然后經過干燥得到秸稈纖維(圖1)。這種工藝比較復雜,需用設備較多,成本較高。

(2)電磨法。這種秸稈纖維的加工工藝與分離法大同小異,也是要經過加溫蒸煮后再用電磨將其加工成纖維(圖2)。

(3)搓揉法。這種工藝與以上2種方法差不多,就是分離、電磨設備換成了搓揉設備,不同的地方在于設備成本和效率的高低(圖3)。

(4)汽爆法。汽爆法采用的是類似于爆米花的一種工藝,將秸稈放入一壓力容器中加溫、加壓,然后瞬間打開釋放壓力,致使秸稈膨脹分離成纖維狀(圖4)。

前3種的秸稈纖維加工工藝基本上差不多,就是在加溫過程中所添加的化學試劑和纖維的加工設備上有所區別;而汽爆法是將加溫和纖維分離合在一起,比前3種少了1道工序。相比較而言,搓揉法是最好的一種工藝,它可以一直把秸稈搓揉到所需要的纖維狀為止;而其他幾種工藝都是不可逆的,如果剩有少量沒有加工成纖維的秸稈是沒有辦法反復加工的,多少都有一點缺陷。

總的來說,目前的秸稈纖維加工工藝還是比較復雜的,所需設備較多、進出料麻煩、所需時間較長且效率不高,因此成本較大。

3農業秸稈纖維的專用加工設備

因為農業秸稈是一種重量輕、體積大的材料。為了保證加工的產量,必須把設備做得很龐大,這樣生產的車間和材料進出的場地也需要很大,給企業增加了額外的負擔。因此,秸稈纖維的生產一直沒有形成產業,也直接影響了下游企業的生產要求。

我國目前需要的是一種專用的秸稈纖維加工設備,能一步法大批量生產符合要求的秸稈纖維產品,并可根據用戶要求隨時調整使其達到一定長徑比的秸稈纖維產品。目前已有科研單位研制出一步法加工秸稈纖維的設備,并獲得了發明專利。它采用的是搓揉法加工工藝,將秸稈切段、蒸煮(也就是加溫、加壓、添加化學試劑)、搓揉、干燥幾個工序放在1個設備里完成,減少了上下料的步驟,縮短了加工時間,也減少了材料的損耗(圖5)。該加工設備主要的突破是在秸稈加溫、加壓、蒸煮過程中同時進行初步搓揉,在進一步搓揉的過程中進行干燥。另外,它還可以調節秸稈纖維加工的長徑比,且沒有廢水產生。

農業秸稈纖維專用制備裝置的主要結構是:在主機架上依次安裝秸稈喂送平臺、1對送料軋輥;送料軋輥出料口處設有定刀片和動刀片;機架中部皮帶輪聯軸器的兩端分別連接電扇和飛錘搓揉機構;機架中后部安裝另一個飛錘搓揉機構;出料為一螺旋輸出機構。農業秸稈纖維專用制備裝置結構簡單,自動化程度高,可實現連續生產,能耗低,生產周期短,并且維修方便,解決了缺乏農業秸稈纖維專用生產設備的問題。

農業秸稈纖維專用制備裝置的主要特點是:能加工所有的農業秸稈,主要加工以稻草、麥秸稈、油菜秸稈等比較柔軟的禾本科秸稈為主,對于棉花秸稈等較硬的木本秸稈,則必須更換備用的刀片和搓揉的飛錘。雖然麻煩一點,但是它可以在一臺設備里完成所有的農業秸稈加工,減少了設備投資。

4參考文獻

[1] 李凱夫,彭萬喜.國內外秸稈制人造板的研究現狀與趨勢[J].世界林業研究,2004(2):34-36.

[2] 劉伯元,俞祝生.木塑復合材料的確定之——秸稈生物質纖維的研究[J].塑料技術,2007(2):3-11.