玉米秸秆丝化压缩临界成型条件试验

刘 洋，刘德军，高 巍，宫元娟，王瑞丽，白雪卫,秦军伟

(沈阳农业大学 工程学院，沈阳 110866)



玉米秸秆丝化压缩临界成型条件试验

刘 洋，刘德军，高 巍，宫元娟，王瑞丽，白雪卫,秦军伟

(沈阳农业大学 工程学院，沈阳 110866)

因玉米秸秆丝化压缩成型不同于一般物料的粉碎制粒和压缩打捆，因此通过自制压缩成型模具和计算机控制的电子万能试验机对丝化后的秸秆物料进行压缩成型试验，研究了不同物料尺寸、不同含水率及不同压缩方式对丝化后玉米秸秆成型块松弛比的影响。研究结果表明：考虑到用途和功率消耗因素，玉米秸秆丝化压缩成型的最佳含水率应控制在10%～20%范围内，使用多频快速压缩(压缩速度500mm/min,连续压缩5～8次)，玉米秸秆丝化压缩成型的最小压力为6.22MPa，否则要应用更大的压力才能成型。该试验对压缩工艺的优化、压缩设备的研制和压缩成型后产品的特性研究具有重要参考意义。

玉米秸秆；丝化；压缩成型；松弛比

0 引言

玉米秸秆资源的重要性及其开发利用已引起国内外的高度重视，然而制约秸秆充分有效利用的一个重要因素就是其质地疏松、容积密度小、储存和运输过程占用空间大及成本高的问题[1-7 ]。通过机械压缩的方式，将粉碎后的玉米秸秆制成形状规则的颗粒或者草块，可使其密度提高9～12倍，能有效降低运输和贮藏成本，便于秸秆进入市场流通[8]。深入研究玉米秸秆粉碎制粒及压缩打捆加工工艺和方法、完善压缩理论、优化和改进压缩装置及设备等方面的研究一直是重要研究课题，对玉米秸秆产业化生产具有重要的现实指导意义[1-2,5-7,9-11]。玉米秸秆丝化加工后用于牲畜饲料是我国目前对玉米秸秆饲料化利用的一种主要加工形式，但对其丝化后的压缩成型研究鲜有报道[1,7]。

本文对丝化玉米秸秆压缩成型的临界条件进行试验研究，以便为玉米秸秆丝化压缩成型的可能性、相应压缩设备的功率匹配及压缩成型原理等研究提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验用玉米秸秆来源于沈阳农业大学土地与环境学院试验基地，玉米品种为东丹80，收集于2014年12月份，平均含水率8%左右。为了获得玉米秸秆的不同水分含量，将材料用喷雾器喷水，然后室温23℃下储存24h后以备使用。随着时间和含水率的变化，分别确定试验时含水率分别为29.8%、22.8%、16.5%、8.2%。采用由大沈农牧业科技推广中心研制的“9WJS —20多功能微型秸秆丝化机”对玉米秸秆进行丝化加工，该机可通过更换筛片和出料口的位置来改变秸秆丝化的粗细程度。为了进一步探讨秸秆丝化质量对成型块质量的影响，试验对丝化后的玉米秸秆采取过筛和人工拣选相结合的方式进行了筛选，获得粗细比较均匀的3种物料类型：①丝化长度小于30mm，宽度小于3mm；②长度30～60mm，宽度3～6mm；③长度大于60mm，宽度大于6mm。压成块的物料如图1所示。

1.2 试验设备

成型块压缩采用济南试金集团有限公司生产的型号WDW-200微机控制电子式万能试验机，最大压缩力200kN，压缩速度范围为1、2、5、10、20、50、100、200mm/min至500mm/min。玉米秸秆丝化压块成型模具采用六缸发动机汽缸套自制而成，压缩盘直径和高度分别为128mm和294mm。试验中，含水率的测定采用深圳市冠亚电子科技有限公司生产的、型号为SFY-60的远红外快速水分测定仪。

1.3 试验方法

图1 3种秸秆丝条压缩成型块

2 结果与讨论

2.1 玉米秸秆丝化质量对成型块效果的影响

3种类型的玉米秸秆丝化物料压缩成型试验表明：对于某一确定的压缩成型条件，第1种和第2种物料压缩成型效果都比较好，不但压缩密实，48h后只出现轻微松弛，松弛比在1.2左右；而第3种物料压缩松散，48h后松散严重。3种类型的物料在某一确定的最大压缩力下的压缩成型松弛比如图2所示。

图2 丝化玉米秸秆大小和形状对成型块松弛比的影响

图2表明：在相同的压力下，随着丝化物料尺寸的增大，松弛比也随之增加；类型③的成型块松散比较严重，单次压缩压力6.22MPa制成的成型块松弛比为1.79；而在相同压力下，类型①的松弛比是1.41。对于某一种物料，随着最大压缩力的增加，其成型块的松弛比有微小的下降趋势。结果表明：在6.22MPa压力下，第1种和第2种物料都有比较好的成型效果，其松弛比在1.5以下；而要使第3种物料的成型块松弛比达到1.5以下，则需要至少12.4MPa的压缩力。考虑到丝化后的玉米秸秆主要用于家畜饲料，松弛比在1.5以下都是可接受的范围，太硬的成型块不利于牲畜的饲喂。另外，丝化后的玉米秸秆丝条尺寸过小，不但生产率降低，也不利于动物的食用。所以，建议丝化后的秸秆丝条只要在6mm以下、粗细均匀即可。相关的研究表明：生物质微粒的大小对生物质颗粒的耐久性具有重要影响，微粒越小，耐久性越高，并且与大的微粒相比，较小微粒可以吸收更多水分[15-16]。考虑到牲畜的适口性和机器摩擦消耗的功率，样品类型②比较适合做牲畜饲料。

2.2 秸秆含水率对成型块质量的影响

在研究影响生物质致密化和耐久性因素试验中，外国专家Kaliyan和Morey经过分析研究得出：随着含水率的增加，生物质的强度和耐用性都会增加，直到达到最佳的含水量。苜蓿干草最佳的含水量为10%～23% ，苜蓿颗粒最佳含水量为8%～9%，小麦秸秆的最佳含水量为10%～15%，玉米秸秆压缩的最佳含水量为10%～20%[15]。当丝化玉米秸秆类型②被单独以50mm/min的速度压缩时，不同含水率和最大压力下的成型块松弛比的曲线关系如图3所示。

图3 松弛比、最大压力和含水率之间的曲线关系

and moisture content

由图3可以看出：当含水率是8.2%时，使用最大压力100kN (7.78MPa)压缩时成型块才会成型，并且3次试验经过48h后得到的平均松弛比为1.32；而当压缩力低至80kN(6.22MPa)时，得到的成型块放置不久后便会松散。这说明，丝化的玉米秸秆在自然干燥的状态(7.8%～9%(WB)的水分含量)下，成型的最小压力是7.78MPa。随着压力的增加，当达到180kN(14MPa)时，成型块最佳的松弛比是1.12。当含水量增加到16.3%(WB)时，仍然用80kN作为最大压力压缩时，丝化的玉米秸秆可以成型，其平均松弛比为1.36；并且与最大压力为180kN相比，平均松弛比只有微小的变化(1.31)。这表明，样品含水率在这个范围内具有更好的压缩性，可以获得耐久性非常好的成型块。所以，要获得更好的成型块且用较少的压力，丝化的玉米秸秆含水率应控制在10%～20%。当含水率大于20%时(在此试验中，含水率22.9%)，成型块松弛比较大；当最大压力增加到180kN(14MPa)时，获得的成型块松弛比为1.52，成型困难；当丝化玉米秸秆的含水率达到29.7%时，压缩的过程中部分水分被挤压出去，更难以成型。

因此，若丝化的玉米秸秆作为牲畜饲料来压缩成型的话，含水率应控制在10%～20%范围内，而这一结果与Kaliyan的研究结果一致[15]。

可见，含水率的大小不但影响着成型方式及工艺参数的选取，而且还影响成品的性能。原料含水率高或低都不能很好地成型，适量的秸秆含水率可以起到降低内摩擦力的作用，并使复合粘结剂均匀分布于秸秆丝条表面。过高的水分含量会导致水膜过厚，使秸秆丝条之间接触不紧，同时削弱秸秆丝条之间的粘结力，影响成品强度，成型困难[15]。

2.3 保压时间对成型块质量的影响

保压时间对秸秆丝化成型块质量的影响如图4所示。图4显示了含水率为16.3%的丝化玉米秸秆分别用80、100、120kN,压力压缩并且分别保持10、30、60、90s后的成型块松弛比。将结果进行比较，同时将成型块的松弛比和保压时间进行一元线性回归分析，得到相关系数为0.514。这表明，保压压缩方式不但浪费时间，且保压时间对成型块的影响不显著。

图4 保压压缩时间对成型块质量的影响

2.4 压缩方法对成型块质量的影响

图5显示出含水率为16.3%的丝化玉米秸秆分别以80、100、120、140、160、180kN压力压缩并且以恒定速度50mm/min分别压5次和8次进行多频压缩的松弛比。为了与单次压缩试验方法进行比较，单次压缩的松弛比也插入在图5中。结果表明:在相同的压力和含水率下，多频压缩与单次压缩相比较，多频压缩得到的松弛比较小，变化不是特别显著；且在一定范围内，多频压缩得到的松弛比与单次压缩得到的松弛相近。例如，在120kN的最大压力下，单次压缩获得成型块的松弛比与压缩5次获得成型块的松弛比几乎相同。

图5 压缩次数对成型块松弛比的影响

在相同的情况下(包括相同的最大压力和相同的压缩频率)，比较压缩速度对松弛比的影响如图6所示。以相同的最大压力80kN(6.22MPa)进行压缩，随着压缩速度的增加，所得到的成型块的松弛比逐渐降低，且压缩的次数越多，松弛比越小。因此，成型块的松弛比不仅仅与最大压力有关，也与压缩的方法有关。在相同的最大压力下，更高的压缩频率和更快的压缩速度可以得到更小的松弛比，换言之就是成型块的成型效果更好。通过对其他的样品进行试验也得到了类似的试验结果，如以200mm/min的速度对类型①含水率为8.2%的丝化玉米秸秆进行10次压缩得到的松弛比为1.08。因此，通过使用多频压缩方法可以使成型块的成型效果更好。

图6 压缩速度对成型块松弛比的影响

3 结论

玉米秸秆丝化后压缩成型试验表明：丝化后的玉米秸秆丝条最好粗细均匀，长度在6mm以下，否则需要更大的压缩力才能成型；太粗的秸秆丝条压缩成型后，松弛比较大，成型困难；要使控制秸秆含水率在10%～20%的范围内，才能使丝化后的玉米秸秆达到更好的成型效果，使松弛比在1.2～1.5范围内。在相同的最大压缩力作用下，多频次快速压缩对成型块的松弛比明显小于单次压缩，使用多频快速压缩(压缩速度500mm/min, 压缩次数5～8次)，玉米秸秆丝化压缩最小临界成型压力为6.22MPa，否则就要增大压力才能压缩成型。总之，多频快速压缩方式能够使丝化后的玉米秸秆在很小的压缩力作用下获得更好的成型效果，而保压压缩方式对成型块的松弛比影响不显著。

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The Experiment of Critical Forming Condition of Corn Stalk Silk Compression

Liu Yang, Liu Dejun, Gao Wei, Gong Yuanjuan, Wang Ruili, Bai Xuewei, Qin Junwei

(College of Engineering, Shenyang Agricultural University, Shenyang 110866, China)

Compression molding of the silken corn stalk is different from pelletizing after crushed and balling. The compressive molding experiments were performed by using the homemade mold and electronic testing machine controlled by computer, in this experiments, effects of the size of materials, moisture content and different compressive methods on the slack ratios of briquette were studied. The results shows that the suitable moisture content should be controlled in the range of 10～20%, the minimum pressure is 6.22MPa for the silken corn stalk compression molding under the multi-frequency rapid compressive method with compressive velocity of 500mm/min and 5～8times compression, otherwise, more pressure is necessary. The experiments is significant for the optimization of the compression process, the development of compression equipment and the characteristics after compression molding.

silken; corn stalk; compression molding; the slack ratios

2016-03-14

公益性行业(农业)科研专项(201503134)

刘 洋(1991-),男，内蒙古兴安盟人，硕士研究生，(E-mail)1064766874@qq.com。

刘德军(1972-)，男，辽宁朝阳人，副教授，硕士生导师，(E-mail)ldjldj@126.com。

S216.2；S313

A

1003-188X(2017)04-0168-05