秸稈利用技術及秸稈粉碎設備的研究現(xiàn)狀及發(fā)展探究

紀曉雪

（聊城市茌平區(qū)振興街道辦事處，山東聊城 252100）

0 引言

在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)進程中秸稈數(shù)量較多，屬于常見副產(chǎn)品，是寶貴的永續(xù)性資源之一，在我國生產(chǎn)小麥、棉花、玉米等農(nóng)作物的過程中會得到豐富的秸稈資源。據(jù)統(tǒng)計，每年我國秸稈總量超7億t，然而秸稈在燃料、肥料、飼料等工業(yè)化加工及再利用環(huán)節(jié)的投入率卻僅為33%左右，多數(shù)秸稈被丟棄或直接焚燒，這不僅浪費秸稈資源，還嚴重污染環(huán)境，并不利于農(nóng)作物秸稈有效創(chuàng)造價值。

在綜合利用秸稈資源的過程中秸稈粉碎是關鍵一步，多數(shù)秸稈通過粉碎加工處理成為飼料、肥料等具有利用價值的物質(zhì)，在機械化加工水平不斷提升的大背景下，秸稈粉碎處理技術研究屬于一大熱點，這為多種粉碎方式的應用推廣給予支持。粉碎設備對秸稈加工處理的程度存在區(qū)別，可從成本、能耗、操作方式、加工穩(wěn)定性及設備使用壽命等角度出發(fā)對加工處理程度進行綜合性分析，并明晰秸稈粉碎基本要求[1]?；诖?，圍繞秸稈機械化粉碎處理技術進行研究，對充分利用農(nóng)業(yè)秸稈資源并推動農(nóng)業(yè)機械化、可持續(xù)發(fā)展意義深遠。

1 秸稈利用技術

1.1 秸稈飼料化技術

秸稈自古就是常見粗飼料，在飼養(yǎng)牛羊等家畜中廣泛應用。在養(yǎng)殖業(yè)發(fā)展過程中，人們發(fā)現(xiàn)秸稈直接投喂會降低飼料營養(yǎng)，存在牲畜采食量低、適口性弱、飼料成本高等問題。當前秸稈在飼料加工中的應用處理以微貯、青貯、粉碎等方式為主，既能優(yōu)化飼料營養(yǎng)成分，又能增強其適口性，使飼料得以充分利用。近年，復合型秸稈顆粒處理技術應用普遍，加之飼養(yǎng)管理標準化，人們發(fā)現(xiàn)將秸稈顆粒與其他飼料混合在一起能更好的提升育肥水平及產(chǎn)肉性能，牲畜育肥率提高，規(guī)范化養(yǎng)殖勞動成本有所降低，使養(yǎng)殖業(yè)、畜牧業(yè)等產(chǎn)業(yè)能獲得更高的生態(tài)效益及經(jīng)濟效益。

1.2 秸稈肥料化技術

秸稈中有許多微量元素，如磷、氮、鉀等，這些微量元素及有機質(zhì)對農(nóng)作物生產(chǎn)有益。測算顯示，7億t秸稈磷、氮、鉀含量分別為80萬t、350萬t及800萬t，是我國全年化肥使用量的1/5。

在秸稈助力農(nóng)作物生長的過程中秸稈還田技術較為常用，主要方式包括堆漚還田、直接還田等。直接還田常見渠道有兩個，一是覆蓋還田，二是翻壓還田，其中翻壓還田指的是農(nóng)作物采收后秸稈留高茬或粉碎翻壓入土，覆蓋還田主要是指在采收前播種作物，把整稈或粉碎后的秸稈直接均勻覆于地面，亦可在收獲結束后覆蓋秸稈，下茬作物則可免耕直播，亦可把秸稈蓋在田塊上，達到降低土壤蒸發(fā)水分的幾率及調(diào)節(jié)地面溫度的作用，還可提高土壤有機質(zhì)含量，減少雜草總量，以免雜草與農(nóng)作物爭奪養(yǎng)分，將秸稈蓋在田塊上還能減少勞動力投入，緩解茬口矛盾。堆漚還田主要是指把秸稈制成堆肥，通過發(fā)酵的方式助其在土壤中釋放養(yǎng)分，改善土壤條件。常見發(fā)酵方式有好氧發(fā)酵、厭氧發(fā)酵，后者是指將秸稈堆在一起后保障其處于密不透風的環(huán)境中，前者是指堆放好秸稈后內(nèi)設通風溝。秸稈堆漚需在前期用鍘草機等設備將其粉碎，通常粉碎規(guī)格為1～3 cm，粉碎后浸透水，保障秸稈含水率約為70%，而后適量添加腐熟機肥，拌勻后堆好，在秸稈堆的表面覆蓋塑料或泥漿，達到嚴密封存的目的，好氧發(fā)酵需用設備翻動秸稈堆，為的是促其快速熟化，使秸稈肥力得以增強。

1.3 秸稈能源化技術

在農(nóng)村生活中秸稈屬于常用燃料的一種，據(jù)統(tǒng)計其能源化與農(nóng)村生活總用能之比約為35%。相較于西方發(fā)達國家，我國秸稈資源以燃料為主的技術性研究處于起步階段，存在秸稈能源使用技術性較差、能耗較高、利用率較低等問題，相關技術研究主要方向為秸稈固化成型、液化、沼氣、氣化、發(fā)電等[2]。秸稈中的半纖維及纖維素成分較多，通過生物、化學、物理等方式能轉(zhuǎn)變成液體燃料，如可燃性油、醇類及其他化工材料。在纖維素乙醇生產(chǎn)進程中玉米芯廢渣功能性較強，主要源于此物質(zhì)中有較多的纖維素。有些公司將玉米芯視為主要材料推動循環(huán)利用體系，先用該物質(zhì)生產(chǎn)功能糖產(chǎn)品，而后用生產(chǎn)廢料提取質(zhì)素并用于加工纖維素乙醇，生產(chǎn)廢水可制成沼氣，固體廢料可用于生物質(zhì)發(fā)電、種植蘑菇，繼而形成環(huán)環(huán)相扣的玉米芯利用鏈路，實現(xiàn)能源充分利用的目標。

1.4 秸稈其他利用技術

實踐證明，秸稈既可用于肥料、飼料及能源性材料的制作，又可用于板材、紙張制作及食用菌栽培等領域。數(shù)據(jù)顯示，2005年用秸稈、稻草制成的紙張總計2 323萬t，是總秸稈的4%左右。上世紀90年代秸稈在零甲醛人造板生產(chǎn)制作中屬于主要材料，同時推動相關制造技術與時俱進。秸稈木質(zhì)素、纖維素豐富，可用來栽培食用菌，如香菇、平菇、蘑菇、金針菇等，超36種。利用秸稈栽培食用菌可促成生態(tài)化產(chǎn)業(yè)鏈，即秸稈搜集—菌類栽培—菌渣處理—有機肥制作—秸稈還田。

2 秸稈粉碎設備現(xiàn)狀

從粉碎手段、粉碎形式角度來講，秸稈粉碎設備類型有組合式、揉切式、錘片式、鍘切式等。

2.1 鍘切式粉碎

在秸稈粉碎中鍘切式設備的合理使用具有揉搓、粉碎等功能作用，該設備的主體為鍘草機，此機器按照體積可分為大、中、小三型，按照粉碎方式可分為圓盤式、滾筒式兩類，按照作業(yè)流程可分為固定式、田間直接收獲兩種。當前應用頻率較高的設備為滾筒式、小型、圓盤式的鍘切機。

當前青飼料切碎機、鍘切機生產(chǎn)地主要為四川、甘肅、河南、江蘇等，共計200多家，年產(chǎn)量20萬臺左右。不同功能型號的機械設備鍘草效率存在差別，例如9ZP系列設備每小時鍘草700～30 000 kg不等，滿足用戶不同鍘草需求。遼寧生產(chǎn)鍘草設備的企業(yè)超30家，年產(chǎn)量超6萬臺，河南生產(chǎn)該設備的企業(yè)超20家，年產(chǎn)量超3萬臺。其他地區(qū)生產(chǎn)鍘草設備的數(shù)量與遼寧、河南存在差距。在設計生產(chǎn)鍘草機的過程中高校積極參與，為的是科研技術有效轉(zhuǎn)化，陳玉華（山東農(nóng)業(yè)大學）等人設計推行青貯秸稈鍘揉生產(chǎn)設備制造方案[3]，對相關設備輸送、鍘揉、拋料等部位加以優(yōu)化，對秸稈物料含水率進行計算，發(fā)現(xiàn)含水率均值為55%，鍘揉長度及秸稈破節(jié)率分別為1 060 mm及91%，草長標準率約為89%。青貯秸稈鍘揉機設計與應用使畜牧業(yè)得以有效解決飼料生產(chǎn)難題，保障飼料質(zhì)量較高，飼料機械化生產(chǎn)與畜牧業(yè)規(guī)?；l(fā)展相契合，在有效使用秸稈資料的基礎上可提高畜牧養(yǎng)殖效益，同時對環(huán)保事業(yè)發(fā)展有益。

2.2 錘片式粉碎

在我國應用最多的是錘片式粉碎機，此設備作用原理為通過高速旋轉(zhuǎn)錘片助物料被擊碎，依據(jù)進料方向可分為軸向進料、切向進料、徑直進料三型。

錘片式粉碎機在精飼料、糧食粉碎中較常應用，因為實踐經(jīng)驗較多，所以設備性能指標及功能作用較為穩(wěn)定，助力相關設備規(guī)范化生產(chǎn)與應用，滿足糧食及精飼料加工切實需求。當前此設備研究以應用試驗、結構改良及運行理論為主。例如，崔祥祥（安徽工程大學）等人對錘片式粉碎機的研制進行分析，將可旋轉(zhuǎn)裝置、粉碎室等結構設計制作視為研究對象，為的是改進刀具、錘片架等裝置，確保相關裝置能拆卸，便于更換與養(yǎng)護，同時刀具規(guī)格調(diào)整能使粉碎充分性得以提高，這在靈活換刀的條件下可提高秸稈粉碎率，為秸稈資源充分利用給予支持。在改良錘片式粉碎機后，粉碎刀具更換簡便，可以在換刀環(huán)節(jié)節(jié)省較多時間，采用負壓裝置，利用空氣吸入秸稈，使粉碎顆粒收集效果得以優(yōu)化，解決粉碎環(huán)節(jié)揚塵較多污染環(huán)境的問題。胡圣國（上海禾粟粉碎機公司）研究得出新型錘片式粉碎機，該設備由上體機、下體機兩部分構成，上部進料口超過1個，進料口位置設計翻板，經(jīng)轉(zhuǎn)動可固定，位于進料口中位線上，斜向抵靠內(nèi)壁一側為出料口，翻板下部設有擋板，為的是把上體機、空隙空間分離開來，以免粉碎物料在空間內(nèi)大量積存并降低粉碎效率。此款設備解決了錘片式粉碎機粉碎室秸稈積攢過多的問題，還能避免機器設備內(nèi)部存在死角或連續(xù)粉碎，使粉碎效率有所提高，粉碎時間減少，為充分利用秸稈資源給予支持。

2.3 揉切式粉碎

在粉碎秸稈時可使用揉切式粉碎機，該機器包括揉碎機、揉搓機兩種，后者的演變基礎為錘片式粉碎機，在結構中篩片被齒板替代，通過高速旋轉(zhuǎn)將秸稈打碎，加之齒板作用，使秸稈可成為絲狀。揉搓機錘片排列方式為螺旋狀，為的是保障揉搓徹底，用風機將秸稈拋送到設備內(nèi)，加工物料可達到細碎或破碎的目的，與其他設備相比生產(chǎn)效率較低。以張姬（山東農(nóng)業(yè)大學）等人研究的工控調(diào)速揉切設備為例，此設備由刀軸、聯(lián)軸器、機架、異步電動機、工控調(diào)頻系統(tǒng)、刀片、底殼、軸承座等構件組成，其中異步電動機、工控變頻調(diào)速機制相連，刀軸、異步電動機基于聯(lián)軸器相連，軸承座將刀軸、底殼連接到一起，在機架上設置底殼，底殼中部靠下位置設有輸送出口，刀軸上排列螺旋式刀片，刀軸沿中線將刀片對稱排列在兩側，操控系統(tǒng)更換刀片并能控制其速度，通過設計制動參數(shù)進行比較性試驗，試驗結果顯示此設備具有效率高、便于操作等優(yōu)勢。當前40型揉搓機（遼寧）及300型揉搓機（安徽）等其他的揉搓機通過鑒定。

20世紀90年代秸稈揉碎加工屬于最為重要且基礎性較強的秸稈資源利用舉措，因為技術及設備利用普遍，所以專業(yè)性研究較少[4]。揉碎機可將秸稈制作成絲狀且質(zhì)地柔軟，根據(jù)需要能控制秸稈的粗細及長度等規(guī)格，使秸稈作為飼料具有適口性強、便于消化等優(yōu)勢。

2.4 組合式粉碎

在秸稈加工制作中組合式粉碎設備主要是指利用揉搓、磨搓、粉碎、碰撞等功能，對秸稈加工制作進行綜合性處理，此為新型秸稈粉碎方式[5]。例如，王秋菊（黑龍江農(nóng)業(yè)科學院）等人研制得出集中深埋犁秸稈粉碎裝置，主要包括鏵式犁、粉碎集條機兩部分，機架后面與鏵式犁相連，前面與牽引機械相連，螺旋輸送機、秸稈粉碎刀具安裝在設備的下部，機架上設置變速箱，箱體牽引機械、輸入端與傳動設備連接，輸出端變速箱由第一螺旋軸驅(qū)動，同時驅(qū)動粉碎刀具，機殼前部為進料槽，出料口、牽引機械正對于一側車輪，出料口在犁頭前方靠外的位置。此機械設備組合方式具有作業(yè)成本低、粉碎效率高、操作簡單等優(yōu)勢，同時在粉碎秸稈的過程中能完成田塊深翻及秸稈搜集等任務，機具功能較多，有效節(jié)省人力，繼而有效化解了工作人員數(shù)量較少及秸稈粉碎利用壓力較大之間的矛盾。

3 秸稈粉碎設備應用現(xiàn)存問題

通過對我國當前常見秸稈粉碎加工裝置進行分析可知，雖然秸稈資源利用率有所提高，但仍存在機械設備加工處理不及預期的問題，尤其在技術水平不斷提升的新時代，相關設備技術含量有待增加，影響秸稈資源的綜合利用成效，基于此，需對相關設備現(xiàn)存問題進行分析，為今后優(yōu)化有關機械設備指明方向。

第一，雖然秸稈綜合加工處理方式較多，但配套設備及技術在應用過程中存在成本高、操作難、利用率低等問題，使秸稈資源大量浪費，有些地區(qū)秸稈焚燒處理，嚴重污染環(huán)境，并不利于秸稈作為寶貴資源的可持續(xù)開發(fā)利用。

第二，在長桿類秸稈加工處理中鍘草機功能作用較優(yōu)，然而相關設備在加工短桿秸稈類農(nóng)作物時卻存在鍘切效果欠佳的現(xiàn)象，切刀與秸稈容易平行，秸稈粉碎率降低，顆粒不均勻，不利于將秸稈與飼料混合在一起，降低飼料適口性及消化吸收有效性。

第三，當前與錘片式粉碎機有關研究較少，主要用來加工制作精料，通過粉碎粗飼料滿足牲畜喂養(yǎng)需求，該設備在使用過程中存在成本高、效率低、能耗大等問題，在加工濕秸稈時容易擁堵機器使之無法繼續(xù)粉碎秸稈。

第四，在加工絲狀秸稈時常用揉搓機，為的是保障秸稈能更利于牲畜營養(yǎng)吸收，然而在應用進程中相關設備存在效率較低、適濕性差、能耗高及加工韌性較強秸稈難度較大等問題。

4 發(fā)展及應用展望

因為錘片粉碎機內(nèi)含篩片，所以存在粗飼料加工效率較低的問題，對于部分針狀、尺寸較大的秸稈物料來講，會出現(xiàn)過篩率不及預期的現(xiàn)象?；诖?，在改善錘片粉碎機時可從篩片的升級著手，除設計制作可更換篩片外，還可設計無篩片的粉碎機，通過篩片優(yōu)化處理解決加工不到位、粉碎不充分的問題。秸稈有韌性，在粉碎加工時需考慮到其可能出現(xiàn)的纏軸問題，需在揉絲、粉碎、鍘草加工處理的進程中設計專用性較強的粉碎機，為的是根據(jù)秸稈物理性質(zhì)靈活予以選擇，使加工處理舉措更為豐富，滿足秸稈物料多元化加工處理需求。在秸稈打捆技術應用推廣的過程中，需考慮到方捆秸稈粉碎勞動強度大、生產(chǎn)率低、散捆耗時長等問題，保障設備使用具有科學性、高效性、安全性，將方捆秸稈粉碎專用機械設備視為研究主要方向之一。