常見(jiàn)農(nóng)作物秸稈的物料特性及切碎方法研究

李浩　班婷　郭兆峰　沈衛(wèi)強(qiáng)

摘 要：

針對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中數(shù)量最多的副產(chǎn)品農(nóng)作物秸稈，其物料特性研究主要有秸稈的組織結(jié)構(gòu)、秸稈的化學(xué)成分、秸稈的物理特性和秸稈的切碎特性等方面;本文分別介紹了滾筒式切碎、圓盤(pán)式切碎、錘片式切碎、組合式切碎等幾種典型的秸稈切碎方法。開(kāi)展秸稈物料特性分析、適合多種類型農(nóng)作物秸稈的復(fù)合式秸稈粉碎機(jī)是農(nóng)作物秸稈資源化利用的一些研究方向。

關(guān)鍵詞：

農(nóng)作物秸稈;物料特性;切碎方法;研究

中圖分類號(hào)：S217.9

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

DOI：10.19754/j.nyyjs.20191130006

基金項(xiàng)目：新疆維吾爾自治區(qū)自然科學(xué)基金項(xiàng)目“秸稈無(wú)篩粉碎效果的影響因素研究” （項(xiàng)目編號(hào)：2017D01A46）為本文通訊作者

引言

我國(guó)是一個(gè)農(nóng)業(yè)大國(guó)，用占世界7%的土地養(yǎng)活了占世界22%的人口，全國(guó)耕地面積1.35億hm2，每年產(chǎn)生水稻等農(nóng)作物秸稈8億多t[1]。為解決農(nóng)作物秸稈合理利用的問(wèn)題，歐美工業(yè)化國(guó)家及日本等國(guó)在秸稈物料加工特性方面做了大量的研究。近年來(lái)，我國(guó)對(duì)農(nóng)作物秸稈的資源化利用高度重視，國(guó)內(nèi)的許多科研部門(mén)和科學(xué)專家在農(nóng)作物秸稈物料合理利用方面做了許多研究工作，包括秸稈的結(jié)構(gòu)、力學(xué)特性[2]。專家學(xué)者們從現(xiàn)有設(shè)備入手，開(kāi)展了理論研究、秸稈加工設(shè)備的升級(jí)改造，研究出不同加工方式的秸稈加工機(jī)具和秸稈物料產(chǎn)品[3]，2017年，中共中央辦公廳、國(guó)務(wù)院辦公廳印發(fā)《關(guān)于創(chuàng)新體制機(jī)制推進(jìn)農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展的意見(jiàn)》，提出到2020年秸稈綜合利用率要達(dá)到85%，對(duì)常見(jiàn)農(nóng)作物秸稈物料特性和加工現(xiàn)狀進(jìn)行研究，意義重大，影響深遠(yuǎn)。

1 農(nóng)作物秸稈的物料特性

1.1 農(nóng)作物秸稈的組織結(jié)構(gòu)

水稻、小麥、玉米、高粱等禾本科作物的植株由根、莖、葉、花和籽實(shí)等器官組成，莖、葉是秸稈的主要組成部分。禾本科作物的莖呈圓筒狀，莖中有髓或有空腔，莖可分為若干節(jié)，節(jié)與節(jié)之間的部分叫節(jié)段。水稻和小麥的莖稈比較細(xì)軟，地上部分有5～6節(jié)，節(jié)間中空，曲折度大，有彈性;玉米、高粱的莖為實(shí)心，莖高大，地上部分節(jié)數(shù)有17～18節(jié)，節(jié)間粗、堅(jiān)硬、不易折斷;棉稈屬于一年生禾本科植物，正株棉包括根、莖、冠3部分， 根系由主根和毛根組成，莖由主干和支干組成，冠由分枝、葉、桃組成，橫向截面分為皮、木質(zhì)部和髓3部分，按重量比，棉花秸稈（圖1）的皮占30%、木質(zhì)部分占65%、髓占4.5%，按體積比，棉花秸稈的皮占20.47%、木質(zhì)部占63.3%、髓占15.95%。

禾本科作物莖的節(jié)間橫切面上有表皮系統(tǒng)、基本系統(tǒng)和維管系統(tǒng)等3種系統(tǒng)。禾本科作物表皮可以防止水分的過(guò)度蒸發(fā)和病菌侵入，一般為1層細(xì)胞的初生結(jié)構(gòu)，通常會(huì)角質(zhì)化或硅質(zhì)化，對(duì)作物內(nèi)部的其他組織起保護(hù)作用。各種器官中數(shù)量最多的組織是薄壁組織，也叫基本組織，是作物組成的基礎(chǔ)，維管束都埋藏貫穿在薄壁組織內(nèi)。在韌皮部、木質(zhì)部等復(fù)合組織中，薄壁組織起著聯(lián)系作用。在維管系統(tǒng)中，除薄壁組織外，主要有木質(zhì)部和韌皮部，兩者相互結(jié)合。禾本科作物維管束中木質(zhì)部完成把農(nóng)作物吸收的水和無(wú)機(jī)鹽等物質(zhì)輸送到植株需要的部分。小麥、水稻等農(nóng)作物的莖中維管束排成2圈，較小的一圈靠近外圍，較大一圈插入莖中;玉米、高粱等農(nóng)作物的莖中的維管束則分散于整個(gè)橫切面中[4-7]。

1.2 農(nóng)作物秸稈的化學(xué)成分

農(nóng)作物秸稈是由大量的有機(jī)物和少量的無(wú)機(jī)物及水所組成的，其中有機(jī)物的主要成分是纖維素類物質(zhì)和可溶性糖類組成的纖維素類碳水化合物，除此之外還包括少量的粗蛋白質(zhì)和粗脂肪。由纖維素、半纖維素和木質(zhì)素等物質(zhì)組成的纖維素類物質(zhì)是植物細(xì)胞壁的主要成分。

農(nóng)作物秸稈中包含的化學(xué)元素有碳（C）、氮（N）、磷（P）、鉀（K）、氧（O）、硫（S）、鈣（Ca）、鎂（Mg）、鐵（Fe）、氫（H）、銅（Cu）、鈉（Na）、鋅（Zn）等[8，9]。

1.3 農(nóng)作物秸稈的物理特性

農(nóng)作物秸稈具有松散、體積大、密度小的特性，不便于運(yùn)輸、貯存和加工處理，其本身的物理特性是影響秸稈切割、揉搓、壓縮及粉碎等加工的主要因素。不同農(nóng)作物秸稈的物理特性不盡相同，同一種農(nóng)作物秸稈受作物產(chǎn)地、成熟度等多種因素的影響，其物理特性也有一定的差別。纖維素是農(nóng)作物秸稈中的主要成分，使農(nóng)作物秸稈保持了一定彈性和機(jī)械強(qiáng)度。半纖維素由多聚糖組成，在貯存過(guò)程中易水解，轉(zhuǎn)變成木質(zhì)素。木質(zhì)素在農(nóng)作物秸稈中占20%左右的含量，其獨(dú)特3維空間結(jié)構(gòu)由苯丙烷結(jié)構(gòu)單體構(gòu)成，保證了農(nóng)作物秸稈高的硬度和剛度。農(nóng)作物秸稈的組織結(jié)構(gòu)在軸向和徑向上有所不同，表現(xiàn)出不同的力學(xué)性質(zhì)，使農(nóng)作物秸稈在切割、揉搓、壓縮及粉碎等加工過(guò)程中，體現(xiàn)出了抗拉、抗折、抗彎、抗擠壓、抗剪切抗磨、抗撕等各種特性;同時(shí)，農(nóng)作物秸稈的外皮機(jī)械強(qiáng)度高，內(nèi)穰機(jī)械強(qiáng)度較低。國(guó)外對(duì)麥秸、飼草等軟莖稈的拉伸強(qiáng)度、剪切強(qiáng)度、彈性模量、剛度模量等物理特性研究較多（ODogherty，1995），國(guó)內(nèi)開(kāi)展的研究較少，孫驪（1998）、徐學(xué)耘（2000）等對(duì)麥秸和棉桿的物理特性作了初步的分析[10-12]。

1.4 農(nóng)作物秸稈的切碎特性

由于農(nóng)作物秸稈具有各項(xiàng)異性的物理性質(zhì)，國(guó)外的研究學(xué)者對(duì)秸稈切碎的研究主要集中在小麥秸稈、水稻秸稈等軟莖秸稈上，對(duì)小麥秸稈、水稻秸稈的切碎能耗、切碎長(zhǎng)度和切斷效率等影響因素進(jìn)行了研

究。其中德國(guó)學(xué)者O.Dogherty等對(duì)切割設(shè)備采用不同的切割速度、割刀參數(shù)的情況下，切割不同根數(shù)的小麥秸稈進(jìn)行了試驗(yàn)研究，分析了不同條件對(duì)小麥秸稈切割過(guò)程的影響，找到小麥秸稈的物理機(jī)械特性，在小麥秸稈的成熟度、含水率不同的情況下，得出了小麥秸稈的拉伸強(qiáng)度21.2～31.2MPa，剪切強(qiáng)度4.91～7.26MPa，彈性模量4.76～6.58GPa，剛性模量267～547MPa[13]。國(guó)內(nèi)的許多學(xué)者在進(jìn)行加工機(jī)具改進(jìn)和新機(jī)型設(shè)計(jì)的研究中，對(duì)秸稈的力學(xué)特性進(jìn)行了試驗(yàn)研究。主要是對(duì)切碎能耗和切斷效率的研究，張晉國(guó)[14]利用自制的秸稈切碎試驗(yàn)臺(tái)研究了小麥秸稈的受切特性，發(fā)現(xiàn)小麥秸稈含水率是影響切斷率的最主要因素之一;吳子岳等[15]開(kāi)展了不同割刀參數(shù)的切割設(shè)備切割不同受切根數(shù)的農(nóng)作物秸稈研究，發(fā)現(xiàn)不同的切碎長(zhǎng)度是影響切割設(shè)備功耗、物料壓縮成型的主要因素;李媛[16]利用INSTRON4411型材料試驗(yàn)儀，對(duì)玉米秸稈進(jìn)行了3點(diǎn)彎曲、軸向剪切和徑向剪切實(shí)驗(yàn)研究，得出了對(duì)玉米秸稈進(jìn)行的加工是3點(diǎn)彎曲、徑向剪切以及軸向剪切共同作用的結(jié)論;馬永昌等[17]設(shè)計(jì)了圓盤(pán)式秸稈切碎裝置試驗(yàn)臺(tái)，并用該試驗(yàn)臺(tái)對(duì)水稻秸稈在不同條件下的切斷速度開(kāi)展了試驗(yàn)研究，通過(guò)試驗(yàn)證明，定刀式切碎結(jié)構(gòu)對(duì)水稻秸稈的切斷速度有較顯著的影響，雙定刀及較小的刀片間隙有利于切斷秸稈，同時(shí)，水稻秸稈物料的含水率對(duì)切斷速度影響也比較顯著，水稻秸稈的切斷速度隨著含水率增加而顯著增大。

2 農(nóng)作物秸稈的切碎方法

在農(nóng)作物收獲后，秸稈一般都不能直接利用，需要通過(guò)機(jī)械設(shè)備進(jìn)行加工后才可以進(jìn)行飼料化、肥料化、能源化等資源化利用，秸稈切碎是進(jìn)行秸稈資源化利用基礎(chǔ)。目前，國(guó)內(nèi)農(nóng)作物秸稈的資源化利用方式多種多樣，但是部分利用方式還處于研究階段，在實(shí)際生產(chǎn)中沒(méi)有得到很好的應(yīng)用。根據(jù)對(duì)秸稈進(jìn)行切碎加工時(shí)施力種類與方式的不同，秸稈加工有彎曲折斷、剪切破壞、撕裂、粉碎等的切碎加工方式，目前國(guó)內(nèi)農(nóng)作物秸稈加工機(jī)具的研究設(shè)計(jì)基本上都按上述幾種方式進(jìn)行，鍘草機(jī)、粉碎機(jī)、揉搓（切）機(jī)等是秸稈切碎加工的主要設(shè)備[18]。

2.1 滾筒式切碎

農(nóng)作物秸稈的滾筒式切碎通過(guò)滾筒式切碎機(jī)完成。滾筒式切碎機(jī)（圖2）有螺旋滾筒式和平板刀滾筒式，滾筒式秸稈切碎機(jī)由上喂入輥、下喂入輥、定刀片、切碎滾筒等組成。工作時(shí)，上下喂入輥以相反的方向轉(zhuǎn)動(dòng)，秸稈等草料被壓緊送入，由滾筒上的動(dòng)刀片配合定刀片將秸稈等草料切成碎段，從排出槽排出，或從風(fēng)扇吹到指定地點(diǎn)[19]。適用于切碎長(zhǎng)桿類農(nóng)作物秸稈。

圖2 滾筒式切碎機(jī)

1.秸稈;2.上喂入輥;3.;動(dòng)刀片;4.;切碎滾筒;5.定刀片;6.下喂入輥

2.2 圓盤(pán)式切碎機(jī)

農(nóng)作物秸稈的圓盤(pán)式切碎通過(guò)圓盤(pán)式切碎機(jī)完成。圓盤(pán)式切碎機(jī)也叫盤(pán)刀式切碎機(jī)（圖3），圓盤(pán)式飼草切碎機(jī)在構(gòu)造上與滾筒式相似，喂入部分多了一個(gè)鏈板式輸送器。工作時(shí)，秸稈等草料在鏈?zhǔn)捷斔推魃纤拖蛭谷胼仯谷胼亴⒉萘蠅壕o卷入，由動(dòng)刀片配合定刀片把飼草切成碎段，由拋送葉板拋送到貯存地點(diǎn)。圓盤(pán)式切碎機(jī)質(zhì)量輕、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、縱向尺寸小、刀盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量大，有利于克服負(fù)荷不均，工作時(shí)切碎均勻[19]。適用于切碎長(zhǎng)桿類農(nóng)作物秸稈，切碎小麥秸稈、水稻秸稈效果一般。

2.3 錘片式切碎

錘片式切碎設(shè)備是錘片式粉碎機(jī)（圖4），可以

圖3 圓盤(pán)式切碎機(jī)

1.鏈板式輸送器;2.上喂入輥;3.;動(dòng)刀片;4.拋送葉板;5.刀盤(pán);6.定刀片;7.下喂入輥

通過(guò)篩片控制切碎后物料的粒度，完成對(duì)物料的細(xì)粉碎，我國(guó)的錘片式粉碎機(jī)主要以粉碎糧食等精飼料為主，粉碎機(jī)高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子上由錘片固定銷軸安裝多組錘片，按照進(jìn)料方向的不同，可分為切向進(jìn)料式、軸向進(jìn)料式、徑向進(jìn)料式3種[20]。錘片式粉碎機(jī)在工作狀態(tài)下的錘片成射線狀分布，物料在進(jìn)入粉碎室后，被錘片擊打，并撞擊篩片，直至被粉碎物料破碎粒度小于篩孔直徑時(shí)，物料通過(guò)篩網(wǎng)，完成物料的粉碎。在打擊、撞擊的同時(shí)，物料還受到錘片端部及篩面的摩擦、搓擦作用而進(jìn)一步粉碎。錘片式切碎方式能耗比較高，適合加工經(jīng)粗碎后的秸稈物料。在粉碎稻草、小麥秸稈時(shí)效果較好，長(zhǎng)桿類農(nóng)作物秸稈直接采用錘片式粉碎機(jī)的加工效率較低[21]。

圖4 錘片式粉碎機(jī)

1.自動(dòng)破碎倉(cāng);2.撥料齒;3.軸承及軸承座;4.安全擋料板;5.錘片;6.轉(zhuǎn)子盤(pán);7.粉碎室;8.篩片;9.風(fēng)機(jī);10.集粉器;11.電機(jī);12.進(jìn)料閘門(mén)

2.4 組合式切碎

組合式農(nóng)作物秸稈切碎技術(shù)是將鍘切、粉碎、揉搓等不同的功能中的2種或2種以上切碎技術(shù)合理組合在一臺(tái)設(shè)備上的技術(shù)。汪莉萍[22]從揉切工作部件、物料喂入方式和尺寸等方面開(kāi)展研究，設(shè)計(jì)了一款集切碎和揉搓粉碎為一體的復(fù)合式秸稈粉碎機(jī)，提高了生產(chǎn)率、降低了能耗，同時(shí)對(duì)多種物料的適應(yīng)性大大提高;農(nóng)業(yè)部南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所肖宏儒等[23]研究設(shè)計(jì)的JF-720型多功能秸稈粉碎機(jī)有搓揉與粉碎2個(gè)加工室，集搓揉與粉碎功能為一體，粉碎效果好，技術(shù)性能穩(wěn)定;黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)將切斷、粉碎、揉搓功能科學(xué)合理的組合在一起，研制了93RZ-40型揉漿機(jī)，使秸稈物料在動(dòng)刀、定刀、錘和齒板的綜合作用下被粉碎，在離心力和風(fēng)機(jī)作用下排出，目前在江西必高生物質(zhì)能科技有限公司、清華大學(xué)清潔能源研究與教育中心、北京佳禾木科技有限公司、遼寧天鑫飼料有限公司、江蘇鼎元科技發(fā)展有限公司等企業(yè)均使用了該技術(shù)設(shè)備，提高了粉碎的質(zhì)量與效率[22]。

3 結(jié)論

目前，我國(guó)對(duì)大量農(nóng)作物秸稈的各種資源化利用技術(shù)研究很多。但是農(nóng)作物秸稈的實(shí)際利用率不高，農(nóng)作物秸稈資源浪費(fèi)嚴(yán)重。全國(guó)應(yīng)根據(jù)各個(gè)地方的不同特點(diǎn)研究各自適宜的農(nóng)作物秸稈利用模式，加大對(duì)技術(shù)研究的投入，加強(qiáng)管理，減少秸稈焚燒等形式對(duì)資源的浪費(fèi)和對(duì)環(huán)境的破壞，盡快形成一種良性循環(huán)的生態(tài)農(nóng)業(yè)模式。

分析不同農(nóng)作物秸稈原料的物料特性，根據(jù)農(nóng)作物秸稈的物料特性對(duì)開(kāi)展農(nóng)作物秸稈高效生產(chǎn)加工技術(shù)的研究，提供理論技術(shù)支撐，對(duì)農(nóng)作物秸稈資源化利用將會(huì)有很大的幫助。

根據(jù)現(xiàn)有農(nóng)作物秸稈切碎方法，結(jié)合農(nóng)作物秸稈的物料特性和切碎特性，大力開(kāi)展組合式農(nóng)作物秸稈切碎結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，進(jìn)行適合多種類型農(nóng)作物秸稈的復(fù)合式秸稈粉碎機(jī)將是農(nóng)機(jī)科研人員應(yīng)該考慮的問(wèn)題。

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作者簡(jiǎn)介：

李浩（1985-），男，碩士，助理研究員。研究方向：畜牧工程裝備研究;

沈衛(wèi)強(qiáng)（1968-）男，碩士，研究員。研究方向：農(nóng)副產(chǎn)品加工裝備研究。