常見農(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

摘 要：

針對農(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構、秸稈的化學成分、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。開展秸稈物料特性分析、適合多種類型農(nóng)作物秸稈的復合式秸稈粉碎機是農(nóng)作物秸稈資源化利用的一些研究方向。

關鍵詞：

農(nóng)作物秸稈;物料特性;切碎方法;研究

中圖分類號：S217.9

文獻標識碼：A

DOI：10.19754/j.nyyjs.20191130006

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

引言

我國是一個農(nóng)業(yè)大國，用占世界7%的土地養(yǎng)活了占世界22%的人口，全國耕地面積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題，歐美工業(yè)化國家及日本等國在秸稈物料加工特性方面做了大量的研究。近年來，我國對農(nóng)作物秸稈的資源化利用高度重視，國內(nèi)的許多科研部門和科學專家在農(nóng)作物秸稈物料合理利用方面做了許多研究工作，包括秸稈的結構、力學特性[2]。專家學者們從現(xiàn)有設備入手，開展了理論研究、秸稈加工設備的升級改造，研究出不同加工方式的秸稈加工機具和秸稈物料產(chǎn)品[3]，2017年，中共中央辦公廳、國務院辦公廳印發(fā)《關于創(chuàng)新體制機制推進農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展的意見》，提出到2020年秸稈綜合利用率要達到85%，對常見農(nóng)作物秸稈物料特性和加工現(xiàn)狀進行研究，意義重大，影響深遠。

1 農(nóng)作物秸稈的物料特性

1.1 農(nóng)作物秸稈的組織結構

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、高粱的莖為實心，莖高大，地上部分節(jié)數(shù)有17～18節(jié)，節(jié)間粗、堅硬、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、木質部和髓3部分，按重量比，棉花秸稈（圖1）的皮占30%、木質部分占65%、髓占4.5%，按體積比，棉花秸稈的皮占20.47%、木質部占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度蒸發(fā)和病菌侵入，一般為1層細胞的初生結構，通常會角質化或硅質化，對作物內(nèi)部的其他組織起保護作用。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，維管束都埋藏貫穿在薄壁組織內(nèi)。在韌皮部、木質部等復合組織中，薄壁組織起著聯(lián)系作用。在維管系統(tǒng)中，除薄壁組織外，主要有木質部和韌皮部，兩者相互結合。禾本科作物維管束中木質部完成把農(nóng)作物吸收的水和無機鹽等物質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橫切面中[4-7]。

1.2 農(nóng)作物秸稈的化學成分

農(nóng)作物秸稈是由大量的有機物和少量的無機物及水所組成的，其中有機物的主要成分是纖維素類物質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和粗脂肪。由纖維素、半纖維素和木質素等物質組成的纖維素類物質是植物細胞壁的主要成分。

農(nóng)作物秸稈中包含的化學元素有碳（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械強度。半纖維素由多聚糖組成，在貯存過程中易水解，轉變成木質素。木質素在農(nóng)作物秸稈中占20%左右的含量，其獨特3維空間結構由苯丙烷結構單體構成，保證了農(nóng)作物秸稈高的硬度和剛度。農(nóng)作物秸稈的組織結構在軸向和徑向上有所不同，表現(xiàn)出不同的力學性質，使農(nóng)作物秸稈在切割、揉搓、壓縮及粉碎等加工過程中，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，農(nóng)作物秸稈的外皮機械強度高，內(nèi)穰機械強度較低。國外對麥秸、飼草等軟莖稈的拉伸強度、剪切強度、彈性模量、剛度模量等物理特性研究較多（ODogherty，1995），國內(nèi)開展的研究較少，孫驪（1998）、徐學耘（2000）等對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)作物秸稈具有各項異性的物理性質，國外的研究學者對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，對小麥秸稈、水稻秸稈的切碎能耗、切碎長度和切斷效率等影響因素進行了研

究。其中德國學者O.Dogherty等對切割設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)的小麥秸稈進行了試驗研究，分析了不同條件對小麥秸稈切割過程的影響，找到小麥秸稈的物理機械特性，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度21.2～31.2MPa，剪切強度4.91～7.26MPa，彈性模量4.76～6.58GPa，剛性模量267～547MPa[13]。國內(nèi)的許多學者在進行加工機具改進和新機型設計的研究中，對秸稈的力學特性進行了試驗研究。主要是對切碎能耗和切斷效率的研究，張晉國[14]利用自制的秸稈切碎試驗臺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]開展了不同割刀參數(shù)的切割設備切割不同受切根數(shù)的農(nóng)作物秸稈研究，發(fā)現(xiàn)不同的切碎長度是影響切割設備功耗、物料壓縮成型的主要因素;李媛[16]利用INSTRON4411型材料試驗儀，對玉米秸稈進行了3點彎曲、軸向剪切和徑向剪切實驗研究，得出了對玉米秸稈進行的加工是3點彎曲、徑向剪切以及軸向剪切共同作用的結論;馬永昌等[17]設計了圓盤式秸稈切碎裝置試驗臺，并用該試驗臺對水稻秸稈在不同條件下的切斷速度開展了試驗研究，通過試驗證明，定刀式切碎結構對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，水稻秸稈物料的含水率對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，需要通過機械設備進行加工后才可以進行飼料化、肥料化、能源化等資源化利用，秸稈切碎是進行秸稈資源化利用基礎。目前，國內(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，在實際生產(chǎn)中沒有得到很好的應用。根據(jù)對秸稈進行切碎加工時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，目前國內(nèi)農(nóng)作物秸稈加工機具的研究設計基本上都按上述幾種方式進行，鍘草機、粉碎機、揉搓（切）機等是秸稈切碎加工的主要設備[18]。

2.1 滾筒式切碎

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

圖2 滾筒式切碎機

1.秸稈;2.上喂入輥;3.;動刀片;4.;切碎滾筒;5.定刀片;6.下喂入輥

2.2 圓盤式切碎機

農(nóng)作物秸稈的圓盤式切碎通過圓盤式切碎機完成。圓盤式切碎機也叫盤刀式切碎機（圖3），圓盤式飼草切碎機在構造上與滾筒式相似，喂入部分多了一個鏈板式輸送器。工作時，秸稈等草料在鏈式輸送器上送向喂入輥，喂入輥將草料壓緊卷入，由動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。圓盤式切碎機質量輕、結構簡單、縱向尺寸小、刀盤轉動慣量大，有利于克服負荷不均，工作時切碎均勻[19]。適用于切碎長桿類農(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

錘片式切碎設備是錘片式粉碎機（圖4），可以

圖3 圓盤式切碎機

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

通過篩片控制切碎后物料的粒度，完成對物料的細粉碎，我國的錘片式粉碎機主要以粉碎糧食等精飼料為主，粉碎機高速旋轉的轉子上由錘片固定銷軸安裝多組錘片，按照進料方向的不同，可分為切向進料式、軸向進料式、徑向進料式3種[20]。錘片式粉碎機在工作狀態(tài)下的錘片成射線狀分布，物料在進入粉碎室后，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，物料通過篩網(wǎng)，完成物料的粉碎。在打擊、撞擊的同時，物料還受到錘片端部及篩面的摩擦、搓擦作用而進一步粉碎。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、小麥秸稈時效果較好，長桿類農(nóng)作物秸稈直接采用錘片式粉碎機的加工效率較低[21]。

圖4 錘片式粉碎機

1.自動破碎倉;2.撥料齒;3.軸承及軸承座;4.安全擋料板;5.錘片;6.轉子盤;7.粉碎室;8.篩片;9.風機;10.集粉器;11.電機;12.進料閘門

2.4 組合式切碎

組合式農(nóng)作物秸稈切碎技術是將鍘切、粉碎、揉搓等不同的功能中的2種或2種以上切碎技術合理組合在一臺設備上的技術。汪莉萍[22]從揉切工作部件、物料喂入方式和尺寸等方面開展研究，設計了一款集切碎和揉搓粉碎為一體的復合式秸稈粉碎機，提高了生產(chǎn)率、降低了能耗，同時對多種物料的適應性大大提高;農(nóng)業(yè)部南京農(nóng)業(yè)機械化研究所肖宏儒等[23]研究設計的JF-720型多功能秸稈粉碎機有搓揉與粉碎2個加工室，集搓揉與粉碎功能為一體，粉碎效果好，技術性能穩(wěn)定;黑龍江八一農(nóng)墾大學將切斷、粉碎、揉搓功能科學合理的組合在一起，研制了93RZ-40型揉漿機，使秸稈物料在動刀、定刀、錘和齒板的綜合作用下被粉碎，在離心力和風機作用下排出，目前在江西必高生物質能科技有限公司、清華大學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)均使用了該技術設備，提高了粉碎的質量與效率[22]。

3 結論

目前，我國對大量農(nóng)作物秸稈的各種資源化利用技術研究很多。但是農(nóng)作物秸稈的實際利用率不高，農(nóng)作物秸稈資源浪費嚴重。全國應根據(jù)各個地方的不同特點研究各自適宜的農(nóng)作物秸稈利用模式，加大對技術研究的投入，加強管理，減少秸稈焚燒等形式對資源的浪費和對環(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開展農(nóng)作物秸稈高效生產(chǎn)加工技術的研究，提供理論技術支撐，對農(nóng)作物秸稈資源化利用將會有很大的幫助。

根據(jù)現(xiàn)有農(nóng)作物秸稈切碎方法，結合農(nóng)作物秸稈的物料特性和切碎特性，大力開展組合式農(nóng)作物秸稈切碎結構設計，進行適合多種類型農(nóng)作物秸稈的復合式秸稈粉碎機將是農(nóng)機科研人員應該考慮的問題。

參考文獻

[1]譚瑞虹.西北地區(qū)主要農(nóng)作物秸稈的熱物性研究[D].咸陽：西北農(nóng)林科技大學，2017.

[2]李玉道，杜現(xiàn)軍，宋占華，等.棉花秸稈剪切力學性能試驗[J].農(nóng)業(yè)工程學報，2011，27（2）124-128.

[3]孟海波，韓魯佳.秸稈物料的特性及其加工利用研究現(xiàn)狀與應用前景[J].中國農(nóng)業(yè)大學學報，2003（6）：38-41.

[4]隋美麗.秸稈壓塊飼料機勻料充型區(qū)的物流分析與計算機仿真[D].保定：河北農(nóng)業(yè)大學，2005.

[5]劉志明，王逢瑚，蘇潤洲.麥稈表面形貌及表面元素分析[J].東北林業(yè)大學學報，2002，30（2）：62-65.

[6]周曉燕，周定國，施登軍.微波處理對稻草表面特性的影響[J].林業(yè)產(chǎn)業(yè)，2005，32（5）：28-30.

[7]李玉道，杜現(xiàn)軍，宋占華，李法德.棉花秸稈剪切力學性能試驗[J].農(nóng)業(yè)工程學報，2011，27（2）124-128.

[8]牛文娟.主要農(nóng)作物秸稈組成成分和能源利用潛力[D].北京：中國農(nóng)業(yè)大學，2015.

[9]陳桂華，向仕龍，唐忠榮.高粱稈表面形貌與化學成分研究[J].中南林業(yè)科技大學學報，2007，27（6）：127-129.

[10]錢湘群.秸稈切碎及壓縮成型特性與設備研究[D].杭州：浙江大學，2003.

[11]霍麗麗，田宜水，趙立欣，姚宗路，侯書林，孟海波.農(nóng)作物秸稈原料物理特性及測試方法研究[J].可再生能源，2011，29（6）：86-92.

[12]程堯，方雷，石報榮.農(nóng)作物秸稈物料特性及粉碎設備的研究[J].貴州大學學報，2009，26（3）：86-90.

[13]張文倩.麥稻秸稈鍘撕機的設計研究[D].武漢：華中農(nóng)業(yè)大學，2009.

[14]張晉國，高煥文，楊光.不同條件下麥秸稈切碎效果的試驗研究[J].農(nóng)業(yè)工程學報，2000，16（3）：70-72.

[15]吳子岳，高煥文，張晉國.玉米秸稈切斷速度和切斷功耗的試驗研究[J].農(nóng)業(yè)機械學報，2001，32（2）：38-41.

[16]李媛.新型秸稈揉切機的研究[D].北京：中國農(nóng)業(yè)大學，1999.

[17]馬永昌，李慶東，張建軍.稻秸稈受切特性的試驗研究[J].農(nóng)機化研究，2006，8（8）：165-167.

[18]茆光華.軟秸稈散包粗碎機的設計與分析[D].南京：南京林業(yè)大學，2014.

[19]馮斌，李浩，養(yǎng)牛機械化技術[M].北京：中國農(nóng)業(yè)出版社，2014.

[20]黃濤. 畜牧工程學[M].北京： 中國農(nóng)業(yè)科學技術出版社， 2007.

[21]李浩，沈衛(wèi)強，班婷.我國秸稈利用技術及秸稈粉碎設備的研究進展[J].中國農(nóng)機化學報，2018，39（1）：17-21.

[22]汪莉萍.復合式秸稈粉碎機設計方法理論研究[D].哈爾濱：東北林業(yè)大學，2010.

[23]肖宏儒，朱德文，鐘成義.農(nóng)作物秸稈多功能粉碎機的試驗研究[J].農(nóng)業(yè)裝備技術，2009，10（5）：8-12.

作者簡介：

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