農(nóng)業(yè)秸稈纖維加工工藝及設(shè)備配置

摘要分析了農(nóng)業(yè)秸稈纖維化的意義,介紹了農(nóng)業(yè)秸稈纖維的加工工藝及專用加工設(shè)備,以期為推動(dòng)農(nóng)業(yè)秸稈纖維化提供指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞農(nóng)業(yè)秸稈;纖維化;加工工藝;專用設(shè)備

中圖分類號(hào) F303.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A文章編號(hào) 1007-5739(2009)14-0231-02

隨著國(guó)家經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展,對(duì)木材的需求量迅速增大。一方面,我國(guó)是木材資源短缺的國(guó)家,人均森林面積不到世界平均水平的1/4,木材供不應(yīng)求的局面將會(huì)長(zhǎng)期存在;另一方面,我國(guó)又是農(nóng)業(yè)大國(guó),每年產(chǎn)生約7億噸的農(nóng)業(yè)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(wú)論是參天大樹還是花花草草,主要由3類物質(zhì)組成:纖維素、半纖維素和木質(zhì)素。農(nóng)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(shí)際應(yīng)用上還有一定困難。目前,已開始應(yīng)用秸稈代替木材,如秸稈生產(chǎn)密度板、刨花板;用秸稈生產(chǎn)木塑復(fù)合材料;用秸稈生產(chǎn)建筑墻體材料等。

1農(nóng)業(yè)秸稈纖維化的意義

目前,國(guó)內(nèi)外在秸稈替代木材綜合利用上尚沒(méi)有形成成熟的技術(shù)、生產(chǎn)裝備與產(chǎn)業(yè)化規(guī)模。缺乏高效先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)適用的工藝技術(shù)及專用設(shè)備,是嚴(yán)重制約這個(gè)產(chǎn)業(yè)發(fā)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(chǎn)的板材首先是將木材原料加工成片狀,再經(jīng)過(guò)鋼磨將片狀的木材搓磨成一定長(zhǎng)徑比的纖維,經(jīng)過(guò)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?yàn)槔w維狀板材與粉末狀板材的質(zhì)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(nóng)業(yè)秸稈來(lái)替代木材纖維,但是只能將農(nóng)業(yè)秸稈粉碎成粉末或切成碎片,無(wú)法將農(nóng)業(yè)秸稈加工成纖維,對(duì)纖維板產(chǎn)品的質(zhì)量有很大的影響。

我國(guó)目前農(nóng)業(yè)秸稈在代木的利用上是八仙過(guò)海,各顯神通。農(nóng)業(yè)秸稈在人造板、木塑、建材等行業(yè)的利用雖然轟轟烈烈,但真正有突破性進(jìn)展的不多,大多數(shù)企業(yè)都是在利用農(nóng)業(yè)秸稈制作的產(chǎn)品上下的功夫較大,還沒(méi)有人把農(nóng)業(yè)秸稈作為原材料來(lái)加以研究,然而沒(méi)有好的原材料是做不出好產(chǎn)品的。因此在產(chǎn)品的質(zhì)量、檔次和使用范圍上都存有問(wèn)題。

農(nóng)業(yè)秸稈主要含纖維素、半纖維素、木質(zhì)素、淀粉、粗蛋白、酶等有機(jī)物,還含有氮、磷、鉀等營(yíng)養(yǎng)元素。由于秸稈內(nèi)含物質(zhì)的復(fù)雜性,在工業(yè)利用方面不是簡(jiǎn)單的粉碎或切斷后攪拌均勻再加入某些化工產(chǎn)品經(jīng)過(guò)擠出或壓制就能出產(chǎn)品。為克服秸稈碎料表面不易粘合的缺點(diǎn),必須使用大量昂貴的化學(xué)粘膠劑,不但增加了成本,而且在強(qiáng)度、性能上都遠(yuǎn)不如將秸稈加工成纖維后再制成的產(chǎn)品。

要想使農(nóng)業(yè)秸稈在人造板、木塑、建材等行業(yè)的綜合利用真正有效的持續(xù)發(fā)展,必須要把農(nóng)業(yè)秸稈作為原材料加以深入研究,并且在對(duì)待不同的行業(yè)必須有不同的加工工藝和加工設(shè)備。如用秸稈生產(chǎn)飼料,在養(yǎng)豬方面則需要將秸稈處理成粉末狀;在養(yǎng)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(chǎn)品、建筑墻體材料,則必須把秸稈處理成纖維狀;在有些產(chǎn)品上要將秸稈材料加以改性后才能達(dá)到相關(guān)的使用要求。猶如塑料行業(yè)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(jù)用戶需求生產(chǎn)出不同材料的產(chǎn)品。秸稈的原材料加工就要做到像塑料行業(yè)那樣有多品種、系列化的原料基地,才能生產(chǎn)出高品質(zhì)和多元化的產(chǎn)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(zhì)量上都得到提高。二是可以按一定比例添加到木質(zhì)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(jīng)過(guò)試驗(yàn),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(zhì)的板材性能和功能上要好得多,特別是在作為木塑產(chǎn)品的原材料方面表現(xiàn)得更為明顯。四是用作木塑產(chǎn)品的原材料比粉碎的秸稈材料在強(qiáng)度和質(zhì)量上提高不止1個(gè)檔次。用秸稈纖維替代木質(zhì)纖維加工成木塑產(chǎn)品已試驗(yàn)成功,經(jīng)檢測(cè)已達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求。五是經(jīng)過(guò)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(jìn)行,且改性效果不明顯。六是可以加工成編織品(當(dāng)然這需要將秸稈加工成一定長(zhǎng)徑比的秸稈纖維,比用作其他產(chǎn)品的纖維加工要求條件更高一點(diǎn))。

秸稈纖維化以后的用途非常廣泛,但仍未能進(jìn)行大量生產(chǎn),主要是因?yàn)榻斩捓w維的加工工藝比較復(fù)雜,成本較高,加上秸稈在代木上我國(guó)目前還處于初級(jí)階段,沒(méi)有真正推廣開來(lái)。

2農(nóng)業(yè)秸稈纖維加工的工藝

農(nóng)業(yè)秸稈的成分比較復(fù)雜,秸稈與木材原料相比,纖維長(zhǎng)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(zhì),易腐、易燃、易霉。這些基本特點(diǎn)決定了要采用特殊的加工工藝和專用的設(shè)備。

用農(nóng)業(yè)秸稈替代木材在我國(guó)雖然已有一定的年數(shù),但真正重視和發(fā)展起來(lái)是近幾年的事,因此在秸稈纖維化的加工上也是試驗(yàn)和探索性的,在工藝和設(shè)備上沒(méi)有形成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。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(nèi)部的一致性。當(dāng)前國(guó)內(nèi)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(jìn)行噴蒸處理,再用纖維解離設(shè)備將秸稈表面含有不利于膠合的物質(zhì)進(jìn)行有效分離,盡可能使秸稈原料呈纖維狀,然后經(jīng)過(guò)干燥得到秸稈纖維(圖1)。這種工藝比較復(fù)雜,需用設(shè)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(jīng)過(guò)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(shè)備換成了搓揉設(shè)備,不同的地方在于設(shè)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(guò)程中所添加的化學(xué)試劑和纖維的加工設(shè)備上有所區(qū)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(méi)有加工成纖維的秸稈是沒(méi)有辦法反復(fù)加工的,多少都有一點(diǎn)缺陷。

總的來(lái)說(shuō),目前的秸稈纖維加工工藝還是比較復(fù)雜的,所需設(shè)備較多、進(jìn)出料麻煩、所需時(shí)間較長(zhǎng)且效率不高,因此成本較大。

3農(nóng)業(yè)秸稈纖維的專用加工設(shè)備

因?yàn)檗r(nóng)業(yè)秸稈是一種重量輕、體積大的材料。為了保證加工的產(chǎn)量,必須把設(shè)備做得很龐大,這樣生產(chǎn)的車間和材料進(jìn)出的場(chǎng)地也需要很大,給企業(yè)增加了額外的負(fù)擔(dān)。因此,秸稈纖維的生產(chǎn)一直沒(méi)有形成產(chǎn)業(yè),也直接影響了下游企業(yè)的生產(chǎn)要求。

我國(guó)目前需要的是一種專用的秸稈纖維加工設(shè)備,能一步法大批量生產(chǎn)符合要求的秸稈纖維產(chǎn)品,并可根據(jù)用戶要求隨時(shí)調(diào)整使其達(dá)到一定長(zhǎng)徑比的秸稈纖維產(chǎn)品。目前已有科研單位研制出一步法加工秸稈纖維的設(shè)備,并獲得了發(fā)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(xué)試劑)、搓揉、干燥幾個(gè)工序放在1個(gè)設(shè)備里完成,減少了上下料的步驟,縮短了加工時(shí)間,也減少了材料的損耗(圖5)。該加工設(shè)備主要的突破是在秸稈加溫、加壓、蒸煮過(guò)程中同時(shí)進(jìn)行初步搓揉,在進(jìn)一步搓揉的過(guò)程中進(jìn)行干燥。另外,它還可以調(diào)節(jié)秸稈纖維加工的長(zhǎng)徑比,且沒(méi)有廢水產(chǎn)生。

農(nóng)業(yè)秸稈纖維專用制備裝置的主要結(jié)構(gòu)是:在主機(jī)架上依次安裝秸稈喂送平臺(tái)、1對(duì)送料軋輥;送料軋輥出料口處設(shè)有定刀片和動(dòng)刀片;機(jī)架中部皮帶輪聯(lián)軸器的兩端分別連接電扇和飛錘搓揉機(jī)構(gòu);機(jī)架中后部安裝另一個(gè)飛錘搓揉機(jī)構(gòu);出料為一螺旋輸出機(jī)構(gòu)。農(nóng)業(yè)秸稈纖維專用制備裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,自動(dòng)化程度高,可實(shí)現(xiàn)連續(xù)生產(chǎn),能耗低,生產(chǎn)周期短,并且維修方便,解決了缺乏農(nóng)業(yè)秸稈纖維專用生產(chǎn)設(shè)備的問(wèn)題。

農(nóng)業(yè)秸稈纖維專用制備裝置的主要特點(diǎn)是:能加工所有的農(nóng)業(yè)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(duì)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(diǎn),但是它可以在一臺(tái)設(shè)備里完成所有的農(nóng)業(yè)秸稈加工,減少了設(shè)備投資。

4參考文獻(xiàn)

[1] 李凱夫,彭萬(wàn)喜.國(guó)內(nèi)外秸稈制人造板的研究現(xiàn)狀與趨勢(shì)[J].世界林業(yè)研究,2004(2):34-36.

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