董云哲耿欣李君興譚杰徐慧磊孫玲于海濤

(吉林省農(nóng)業(yè)機(jī)械研究院，吉林 長(zhǎng)春 130022)

前言

作為農(nóng)業(yè)大國(guó),我國(guó)秸稈年均產(chǎn)量在8.65億t[1]。農(nóng)村人口空心化、農(nóng)村地區(qū)清潔取暖工作的推進(jìn)[2],禁止露天焚燒秸稈法規(guī)的陸續(xù)出臺(tái),秸稈如何處理成了一道難題。為此農(nóng)業(yè)農(nóng)村部下發(fā)了《農(nóng)業(yè)農(nóng)村部辦公廳關(guān)于全面做好秸稈綜合利用工作的通知》,秸稈飼料化是解決農(nóng)業(yè)廢棄物(秸稈),提高秸稈價(jià)值重要手段之一[3]。通過秸稈飼料化加工機(jī)械加工,可以破壞秸稈表面硬質(zhì)結(jié)節(jié),提高牲畜的采食率[4],有效促進(jìn)牛羊的消化吸收,進(jìn)而提高了秸稈飼料的利用率。為此,秸稈飼料化加工機(jī)械產(chǎn)品不斷更新,種類也逐步增多。秸稈飼料化加工機(jī)械也由功能單一的鍘切機(jī)逐步發(fā)展為揉絲機(jī)、揉切機(jī),近年來(lái)又出現(xiàn)了秸稈膨化機(jī)、皮穰分離機(jī),以及集撿拾、揉搓、除塵、打捆多種功能為一體的秸稈飼料打捆機(jī)。

1 我國(guó)秸稈飼料化加工機(jī)械發(fā)展進(jìn)程

我國(guó)秸稈加工機(jī)械從20世紀(jì)50年代仿蘇聯(lián)風(fēng)送式鍘草機(jī)開始,20世紀(jì)60—70年代開發(fā)了泰山-300型、ZC-1.0型等滾刀式鍘草機(jī)和9CF-1.0型、9QS-70型等圓盤式鍘草機(jī)。20世紀(jì)80年代隨著家庭聯(lián)產(chǎn)承包責(zé)任制的展開,鍘草機(jī)向小型、微型化鍘草機(jī)方向發(fā)展,開發(fā)了9Z-0.5型、93ZT-500型鍘草機(jī),鍘草機(jī)的研究也趨于成熟,國(guó)家相應(yīng)的頒布了一些標(biāo)準(zhǔn)如NJ 283-82《鍘草機(jī)試驗(yàn)方法》、GB 7681-1987《鍘草機(jī)安全技術(shù)要求》、JB/T 7689-94《圓盤鍘草機(jī)技術(shù)參數(shù)》等[5]。為了提高牛、羊?qū)斩挼牟墒陈?20世紀(jì)90年代我國(guó)又陸續(xù)開發(fā)了以9RC-40型、9RF-40型、9SC-400型等為代表的系列秸稈揉搓機(jī),2002年農(nóng)業(yè)部頒布了NY/T 509-2002《秸稈揉絲機(jī)》行業(yè)標(biāo)準(zhǔn),提出了含水率在14%～22%的我國(guó)主要糧食作物秸稈(包括玉米、大豆、稻草、高粱及小麥)揉絲機(jī)的性能指標(biāo)[6]。隨著農(nóng)村勞動(dòng)力的轉(zhuǎn)移和農(nóng)業(yè)機(jī)械化的發(fā)展,農(nóng)村養(yǎng)牛的目的也發(fā)生了轉(zhuǎn)變,以耕地為目的逐步轉(zhuǎn)變?yōu)橐猿鍪叟?、肉牛、牛奶為目?規(guī)模也由一戶存欄1頭或幾頭向幾十頭規(guī)模以上發(fā)展。因此小型鍘草機(jī)、揉絲機(jī)的市場(chǎng)趨于飽和,高密度方捆草包成了養(yǎng)殖戶的最愛。為此我國(guó)陸續(xù)開發(fā)了如9YF-66型、DR-72-G30型等固定式打捆機(jī),集揉搓、打包功能于一體。由于固定式打包機(jī)沒有解決秸稈離地的問題,2010年以來(lái),我國(guó)又開始了集撿拾、粉碎、除塵及打包多功能為一體的秸稈飼料打捆機(jī)的研究,2016年以來(lái)陸續(xù)出現(xiàn)了9YFZ-2.2型、9YF-2.2B型、9YZ-2250B型等為代表的秸稈飼料打捆機(jī)。為了更充分利用秸稈資源,國(guó)內(nèi)一些學(xué)者同時(shí)開展了秸稈膨化、皮穰分離等技術(shù)的研究,并取得了一些成果。我國(guó)秸稈膨化技術(shù)開始于20世紀(jì)90年代,陳洪章等對(duì)秸稈采用氣爆膨化技術(shù)[7],破碎了秸稈致密纖維素結(jié)晶組織,改善了秸稈飼料的適口性；2000年沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)張祖立等利用單螺桿擠壓機(jī)對(duì)秸稈進(jìn)行膨化加工試驗(yàn),證實(shí)了秸稈膨化改變了秸稈的理化性狀和營(yíng)養(yǎng)成份[8]；徐洪朋等利用雙螺桿擠壓機(jī)膨化處理玉米秸稈,木質(zhì)素與纖維素發(fā)生了分離[9]。目前市面上能見到9P-150型、9P-250型等秸稈膨化機(jī)的身影。

2 秸稈飼料化加工機(jī)械結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

2.1 秸稈粉碎機(jī)

秸稈粉碎機(jī)的研制使用已有幾十年的歷史,按其對(duì)秸稈的處理方式可再分為鍘切機(jī)、粉碎機(jī)、揉絲機(jī)、揉切機(jī)。

2.1.1 鍘切機(jī)

鍘切機(jī)(俗稱鍘草機(jī))在我國(guó)的使用和研制已有70多年的歷史,是發(fā)展較成熟和使用數(shù)量和應(yīng)用較廣泛的飼草料加工機(jī)械之一[10]。其工作原理如圖1所示,為通過動(dòng)刀與定刀的剪切作用,將秸稈切成一定長(zhǎng)度的草段。按秸稈進(jìn)料方式,分為徑向進(jìn)料和軸向進(jìn)料,徑向進(jìn)料切碎機(jī)也就滾刀式切碎機(jī),其結(jié)構(gòu)緊湊,動(dòng)刀回轉(zhuǎn)半徑小,多用于小型切碎機(jī)。軸向進(jìn)料切碎機(jī)也就是盤刀式切碎機(jī),刀盤回轉(zhuǎn)半徑大且?guī)в袙佀桶?可將切斷的秸稈拋送較遠(yuǎn)的地方,多用于大、中型鍘草機(jī)。由于鍘切機(jī)只能對(duì)秸稈進(jìn)行橫向剪切,所以其破節(jié)能力弱,不能將秸稈中的莖節(jié)加工成絲狀,對(duì)牛、羊等食草性動(dòng)物的采食率有較大影響,降低了秸稈的利用率,但其最大的優(yōu)點(diǎn)是能耗小。

圖1 鍘切機(jī)工作原理圖

2.1.2 粉碎機(jī)

秸稈粉碎機(jī)將秸稈粉碎成適于做草顆粒原料的草粉,其工作原理是通過高速旋轉(zhuǎn)的錘片(錘片末端線速度40～70m·s-1)將秸稈擊碎、磨碎,當(dāng)草粉粒度達(dá)到要求時(shí),通過篩網(wǎng)到達(dá)出料口。為了順利出料,小型粉碎機(jī)需加葉片將草粉吹出,大型粉碎機(jī)則需加負(fù)壓吸風(fēng)裝置。由于秸稈類物料屬于粘彈性體,秸稈含水率對(duì)其性能影響尤為突出,一般其加工對(duì)象為含水量小于15%的干秸稈,為了提高效率,常在喂入口加切碎裝置[11]。

2.1.3 揉絲機(jī)

揉絲機(jī)在我國(guó)的發(fā)展已有30a以上。秸稈經(jīng)過入料斗進(jìn)入揉碎室,即被高速轉(zhuǎn)子抓住,卷到揉碎腔中,受到高速旋轉(zhuǎn)的錘片打擊后,撞擊到齒板上,又受到齒板反作用力的打擊及齒板與物料之間的摩擦力阻力的揉搓,在所有外力綜合作用下,秸稈被揉搓成長(zhǎng)5～15mm柔軟絲狀物[12]。9RF-40型秸稈揉搓機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。由于秸稈加工后,破碎的秸稈適口性較好,近年來(lái)發(fā)展較為迅速。但其缺點(diǎn)也十分顯著,如生產(chǎn)率低、能耗大不適用于多濕,韌性大的秸稈。

圖2 9RF-40型秸稈揉搓機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

2.1.4 揉切機(jī)

揉切機(jī)綜合了鍘切機(jī)和揉碎機(jī)的優(yōu)點(diǎn),其工作原理如圖3所示,秸稈經(jīng)進(jìn)料斗喂入到揉切室中,在動(dòng)刀和定刀組之間進(jìn)行鍘切、揉搓,同時(shí)部分秸稈在動(dòng)刀組和揉切室壁之間進(jìn)行揉搓,這樣既提高了效率又適當(dāng)降低了能耗,近年來(lái)發(fā)展較為迅速。

圖3 揉切機(jī)原理圖

2.2 秸稈膨化機(jī)

由于秸稈皮外表層含有大量的纖維素、木質(zhì)素,極難被草食動(dòng)物消化和吸收,為此近年來(lái)又出現(xiàn)了秸稈膨化技術(shù),通過膨化技術(shù)破壞秸稈細(xì)胞壁秸稈,使得秸稈內(nèi)各物質(zhì)分離,進(jìn)而提高草食動(dòng)物吸收率[13]。螺桿秸稈膨化機(jī)原理為通過螺槽和螺桿擠壓、摩擦的方式,使玉米秸稈在壓縮腔內(nèi)受到擠壓、摩擦、剪切作用而產(chǎn)生大量熱量,使得秸稈的物理結(jié)構(gòu)發(fā)生改變,由屑狀、粉狀變?yōu)楹隣?壓縮腔內(nèi)的高溫高壓破壞玉米秸稈表面原有的蠟質(zhì)層,從而使秸稈纖維細(xì)胞壁斷裂。通過出料口,壓力驟降使秸稈形成噴放過程,形成膨松柔軟的優(yōu)質(zhì)飼料。根據(jù)螺桿的數(shù)量,秸稈膨化機(jī)分為單螺桿秸稈膨化機(jī)、雙螺桿膨化機(jī)和三螺桿膨化機(jī)[14],其性能比較如表1所示。

表1 秸稈螺桿膨化機(jī)性能對(duì)比

2.3 皮穰分離機(jī)

玉米秸稈的皮、穰和葉3個(gè)部位的化學(xué)成分差異較大,營(yíng)養(yǎng)物分布不均勻。穰和葉含有豐富的粗蛋白、粗脂肪、半纖維和糖等,是飼養(yǎng)牲畜的優(yōu)良飼料。皮的主要成分是纖維素半纖維素和木質(zhì)素,強(qiáng)度高、韌性好,是造紙、人造板等行業(yè)的好材料,但秸稈皮作為飼料適口性差,較難消化吸收,表2為玉米秸稈各部位營(yíng)養(yǎng)成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)[15]。

表2 干玉米秸稈各部分營(yíng)養(yǎng)成分

皮穰分離機(jī)是采用物理的方法將秸稈皮與穰分離開來(lái),目前皮穰分離主要采用2種方式,粉碎后比重法分離；根據(jù)不同部位強(qiáng)度的不同進(jìn)行機(jī)械分離[16,17]。由于秸稈含水率對(duì)秸稈皮與秸稈穰的比重的影響大,故采用比重法進(jìn)行皮穰分離的設(shè)備對(duì)秸稈含水率要求高,而且為了更充分地分離秸稈皮穰,所以分離機(jī)設(shè)備需要空間大。采用機(jī)械法進(jìn)行秸稈皮穰分離的一般工藝如圖4所示。機(jī)械法皮穰分離機(jī)尺寸小,對(duì)秸稈含水率要求低,由于受到攤平喂入、玉米秸稈尺寸不一等技術(shù)制約,生產(chǎn)效率低,有待進(jìn)一步完善。

圖4 9JF-08皮穰分離機(jī)分離工藝

2.4 秸稈撿拾粉碎打捆機(jī)

我國(guó)對(duì)打捆機(jī)研究工作的起步于20世紀(jì)70年代末從引進(jìn)國(guó)外打捆機(jī)開始,20世紀(jì)80年代研發(fā)出小型打捆機(jī)[18]。近年來(lái)隨著我國(guó)禁止焚燒秸稈政策的出臺(tái),秸稈離地成為種糧戶的難題,為此秸稈打捆機(jī)市場(chǎng)需求旺盛,打捆機(jī)的銷量2013—2018年呈現(xiàn)6連增的態(tài)勢(shì),近年來(lái)雖有所放緩,2021年打捆機(jī)仍累計(jì)銷售3.35萬(wàn)臺(tái)[19]。秸稈飼料撿拾打捆機(jī)是在秸稈打捆機(jī)的基礎(chǔ)上發(fā)展的新型設(shè)備,其在保持打捆機(jī)原有的撿拾打捆功能的基礎(chǔ)上增加了粉碎揉搓和除塵功能,撿拾的秸稈變成可直接投飼的粗飼料。秸稈飼料打捆機(jī)工作過程如圖5所示。

圖5 秸稈撿拾打捆機(jī)工作工藝

近年來(lái),該機(jī)型逐步受到農(nóng)戶和養(yǎng)殖戶的認(rèn)可和歡迎,由于市場(chǎng)需求旺盛,出現(xiàn)了多家廠家進(jìn)行該種機(jī)型的生產(chǎn),表3為部分秸稈飼料打捆機(jī)的生產(chǎn)廠家及其產(chǎn)品的技術(shù)參數(shù)。

表3 部分秸稈飼料打捆機(jī)型號(hào)及草捆規(guī)格

從表3可以看出,我國(guó)秸稈飼料撿拾打捆機(jī)存在草捆尺寸規(guī)格小,草捆規(guī)格尺寸僅能達(dá)到國(guó)外同類產(chǎn)品1/8,草捆基本采用塑料網(wǎng)包裝。由于打捆機(jī)在撿拾秸稈的同時(shí)會(huì)帶起大量的塵土,所以在風(fēng)送除塵過程中會(huì)產(chǎn)生大量的PM10和PM2.5等粉塵污染,破解秸稈飼料大方捆成型技術(shù)和改善秸稈飼料打捆機(jī)揚(yáng)塵是我國(guó)秸稈飼料打捆機(jī)的亟需解決的問題。

3 解決秸稈飼料化加工機(jī)械問題的方法

秸稈加工機(jī)械在我國(guó)發(fā)展幾十年,仍存在一些問題亟待解決。

3.1 進(jìn)一步落實(shí)和強(qiáng)化秸稈飼料化加工機(jī)械各類標(biāo)準(zhǔn)的落實(shí)

由于生產(chǎn)秸稈飼料化加工機(jī)械門檻低,秸稈飼料化加工機(jī)械需求量大,所以生產(chǎn)秸稈加工機(jī)械的廠家眾多,強(qiáng)化標(biāo)準(zhǔn)的落實(shí)有利于實(shí)現(xiàn)優(yōu)勝劣汰,減少不合格產(chǎn)品的輸出,避免秸稈加工機(jī)械高速旋轉(zhuǎn)的運(yùn)動(dòng)部件傷人事件的發(fā)生。部分國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)需進(jìn)一步完善細(xì)化,如史奎等指出的《秸稈揉絲機(jī)》行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中秸稈絲的定義不準(zhǔn)確、未明確錘片淬火區(qū)和非淬火區(qū)的分界線等意見[20]。

3.2 進(jìn)一步加強(qiáng)秸稈物理特性的研究

不同秸稈有不同的物理特性,同一種秸稈含水率不同其物理特性差異也較大,應(yīng)根據(jù)不同秸稈、不同含水率設(shè)計(jì)出不同的秸稈飼料化加工設(shè)備和不同加工工藝,避免一刀切,這樣才能制造出低能耗符合綠色發(fā)展理念的秸稈飼料化加工機(jī)械。

3.3 進(jìn)一步加強(qiáng)秸稈加工機(jī)械的技術(shù)創(chuàng)新與研發(fā)

我國(guó)秸稈加工機(jī)械種類繁多,仍存在一些技術(shù)難題需要解決,如秸稈飼料打捆機(jī)大方捆成型問題、秸稈飼料打捆機(jī)工作揚(yáng)塵問題、由于秸稈之間相互勾連致使機(jī)械式皮穰分離機(jī)秸稈喂入時(shí)攤平難的問題,秸稈膨化機(jī)螺桿易磨損的問題等。

4 展望

我國(guó)秸稈飼料化機(jī)具發(fā)展已有70a以上,隨著土地集約和養(yǎng)殖業(yè)需求,秸稈飼料化機(jī)械已從單一功能向多功能組合方向發(fā)展,從機(jī)械破壞秸稈纖維結(jié)構(gòu)向通過高溫高壓改變秸稈分子結(jié)構(gòu)方向發(fā)展,從粗放式的整株揉搓粉碎向根據(jù)秸稈不同部位采用不同處理方式的精細(xì)化加工方向發(fā)展?？傊?隨著科技進(jìn)步,秸稈飼料化機(jī)械向著高效、節(jié)能、大型化、智能化、特色化方向發(fā)展。