常见农作物秸秆的物料特性及切碎方法研究

李浩　班婷　郭兆峰　沈卫强

摘 要：

针对农业生产中数量最多的副产品农作物秸秆，其物料特性研究主要有秸秆的组织结构、秸秆的化学成分、秸秆的物理特性和秸秆的切碎特性等方面;本文分别介绍了滚筒式切碎、圆盘式切碎、锤片式切碎、组合式切碎等几种典型的秸秆切碎方法。开展秸秆物料特性分析、适合多种类型农作物秸秆的复合式秸秆粉碎机是农作物秸秆资源化利用的一些研究方向。

关键词：

农作物秸秆;物料特性;切碎方法;研究

中圖分类号：S217.9

文献标识码：A

DOI：10.19754/j.nyyjs.20191130006

基金项目：新疆维吾尔自治区自然科学基金项目“秸秆无筛粉碎效果的影响因素研究” （项目编号：2017D01A46）为本文通讯作者

引言

我国是一个农业大国，用占世界7%的土地养活了占世界22%的人口，全国耕地面积1.35亿hm2，每年产生水稻等农作物秸秆8亿多t[1]。为解决农作物秸秆合理利用的问题，欧美工业化国家及日本等国在秸秆物料加工特性方面做了大量的研究。近年来，我国对农作物秸秆的资源化利用高度重视，国内的许多科研部门和科学专家在农作物秸秆物料合理利用方面做了许多研究工作，包括秸秆的结构、力学特性[2]。专家学者们从现有设备入手，开展了理论研究、秸秆加工设备的升级改造，研究出不同加工方式的秸秆加工机具和秸秆物料产品[3]，2017年，中共中央办公厅、国务院办公厅印发《关于创新体制机制推进农业绿色发展的意见》，提出到2020年秸秆综合利用率要达到85%，对常见农作物秸秆物料特性和加工现状进行研究，意义重大，影响深远。

1 农作物秸秆的物料特性

1.1 农作物秸秆的组织结构

水稻、小麦、玉米、高粱等禾本科作物的植株由根、茎、叶、花和籽实等器官组成，茎、叶是秸秆的主要组成部分。禾本科作物的茎呈圆筒状，茎中有髓或有空腔，茎可分为若干节，节与节之间的部分叫节段。水稻和小麦的茎秆比较细软，地上部分有5～6节，节间中空，曲折度大，有弹性;玉米、高粱的茎为实心，茎高大，地上部分节数有17～18节，节间粗、坚硬、不易折断;棉秆属于一年生禾本科植物，正株棉包括根、茎、冠3部分， 根系由主根和毛根组成，茎由主干和支干组成，冠由分枝、叶、桃组成，横向截面分为皮、木质部和髓3部分，按重量比，棉花秸秆（图1）的皮占30%、木质部分占65%、髓占4.5%，按体积比，棉花秸秆的皮占20.47%、木质部占63.3%、髓占15.95%。

禾本科作物茎的节间横切面上有表皮系统、基本系统和维管系统等3种系统。禾本科作物表皮可以防止水分的过度蒸发和病菌侵入，一般为1层细胞的初生结构，通常会角质化或硅质化，对作物内部的其他组织起保护作用。各种器官中数量最多的组织是薄壁组织，也叫基本组织，是作物组成的基础，维管束都埋藏贯穿在薄壁组织内。在韧皮部、木质部等复合组织中，薄壁组织起着联系作用。在维管系统中，除薄壁组织外，主要有木质部和韧皮部，两者相互结合。禾本科作物维管束中木质部完成把农作物吸收的水和无机盐等物质输送到植株需要的部分。小麦、水稻等农作物的茎中维管束排成2圈，较小的一圈靠近外围，较大一圈插入茎中;玉米、高粱等农作物的茎中的维管束则分散于整个横切面中[4-7]。

1.2 农作物秸秆的化学成分

农作物秸秆是由大量的有机物和少量的无机物及水所组成的，其中有机物的主要成分是纤维素类物质和可溶性糖类组成的纤维素类碳水化合物，除此之外还包括少量的粗蛋白质和粗脂肪。由纤维素、半纤维素和木质素等物质组成的纤维素类物质是植物细胞壁的主要成分。

农作物秸秆中包含的化学元素有碳（C）、氮（N）、磷（P）、钾（K）、氧（O）、硫（S）、钙（Ca）、镁（Mg）、铁（Fe）、氢（H）、铜（Cu）、钠（Na）、锌（Zn）等[8，9]。

1.3 农作物秸秆的物理特性

农作物秸秆具有松散、体积大、密度小的特性，不便于运输、贮存和加工处理，其本身的物理特性是影响秸秆切割、揉搓、压缩及粉碎等加工的主要因素。不同农作物秸秆的物理特性不尽相同，同一种农作物秸秆受作物产地、成熟度等多种因素的影响，其物理特性也有一定的差别。纤维素是农作物秸秆中的主要成分，使农作物秸秆保持了一定弹性和机械强度。半纤维素由多聚糖组成，在贮存过程中易水解，转变成木质素。木质素在农作物秸秆中占20%左右的含量，其独特3维空间结构由苯丙烷结构单体构成，保证了农作物秸秆高的硬度和刚度。农作物秸秆的组织结构在轴向和径向上有所不同，表现出不同的力学性质，使农作物秸秆在切割、揉搓、压缩及粉碎等加工过程中，体现出了抗拉、抗折、抗弯、抗挤压、抗剪切抗磨、抗撕等各种特性;同时，农作物秸秆的外皮机械强度高，内穰机械强度较低。国外对麦秸、饲草等软茎秆的拉伸强度、剪切强度、弹性模量、刚度模量等物理特性研究较多（ODogherty，1995），国内开展的研究较少，孙骊（1998）、徐学耘（2000）等对麦秸和棉杆的物理特性作了初步的分析[10-12]。

1.4 农作物秸秆的切碎特性

由于农作物秸秆具有各项异性的物理性质，国外的研究学者对秸秆切碎的研究主要集中在小麦秸秆、水稻秸秆等软茎秸秆上，对小麦秸秆、水稻秸秆的切碎能耗、切碎长度和切断效率等影响因素进行了研

究。其中德国学者O.Dogherty等对切割设备采用不同的切割速度、割刀参数的情况下，切割不同根数的小麦秸秆进行了试验研究，分析了不同条件对小麦秸秆切割过程的影响，找到小麦秸秆的物理机械特性，在小麦秸秆的成熟度、含水率不同的情况下，得出了小麦秸秆的拉伸强度21.2～31.2MPa，剪切强度4.91～7.26MPa，弹性模量4.76～6.58GPa，刚性模量267～547MPa[13]。国内的许多学者在进行加工机具改进和新机型设计的研究中，对秸秆的力学特性进行了试验研究。主要是对切碎能耗和切断效率的研究，张晋国[14]利用自制的秸秆切碎试验台研究了小麦秸秆的受切特性，发现小麦秸秆含水率是影响切断率的最主要因素之一;吴子岳等[15]开展了不同割刀参数的切割设备切割不同受切根数的农作物秸秆研究，发现不同的切碎长度是影响切割设备功耗、物料压缩成型的主要因素;李媛[16]利用INSTRON4411型材料试验仪，对玉米秸秆进行了3点弯曲、轴向剪切和径向剪切实验研究，得出了对玉米秸秆进行的加工是3点弯曲、径向剪切以及轴向剪切共同作用的结论;马永昌等[17]设计了圆盘式秸秆切碎装置试验台，并用该试验台对水稻秸秆在不同条件下的切断速度开展了试验研究，通过试验证明，定刀式切碎结构对水稻秸秆的切断速度有较显著的影响，双定刀及较小的刀片间隙有利于切断秸秆，同时，水稻秸秆物料的含水率对切断速度影响也比较显著，水稻秸秆的切断速度随着含水率增加而显著增大。

2 农作物秸秆的切碎方法

在农作物收获后，秸秆一般都不能直接利用，需要通过机械设备进行加工后才可以进行饲料化、肥料化、能源化等资源化利用，秸秆切碎是进行秸秆资源化利用基础。目前，国内农作物秸秆的资源化利用方式多种多样，但是部分利用方式还处于研究阶段，在实际生产中没有得到很好的应用。根据对秸秆进行切碎加工时施力种类与方式的不同，秸秆加工有弯曲折断、剪切破坏、撕裂、粉碎等的切碎加工方式，目前国内农作物秸秆加工机具的研究设计基本上都按上述几种方式进行，铡草机、粉碎机、揉搓（切）机等是秸秆切碎加工的主要设备[18]。

2.1 滚筒式切碎

农作物秸秆的滚筒式切碎通过滚筒式切碎机完成。滚筒式切碎机（图2）有螺旋滚筒式和平板刀滚筒式，滚筒式秸秆切碎机由上喂入辊、下喂入辊、定刀片、切碎滚筒等组成。工作时，上下喂入辊以相反的方向转动，秸秆等草料被压紧送入，由滚筒上的动刀片配合定刀片将秸秆等草料切成碎段，从排出槽排出，或从风扇吹到指定地点[19]。适用于切碎长杆类农作物秸秆。

图2 滚筒式切碎机

1.秸秆;2.上喂入辊;3.;动刀片;4.;切碎滚筒;5.定刀片;6.下喂入辊

2.2 圆盘式切碎机

农作物秸秆的圆盘式切碎通过圆盘式切碎机完成。圆盘式切碎机也叫盘刀式切碎机（图3），圆盘式饲草切碎机在构造上与滚筒式相似，喂入部分多了一个链板式输送器。工作时，秸秆等草料在链式输送器上送向喂入辊，喂入辊将草料压紧卷入，由动刀片配合定刀片把饲草切成碎段，由抛送叶板抛送到贮存地点。圆盘式切碎机质量轻、结构简单、纵向尺寸小、刀盘转动惯量大，有利于克服负荷不均，工作时切碎均匀[19]。适用于切碎长杆类农作物秸秆，切碎小麦秸秆、水稻秸秆效果一般。

2.3 锤片式切碎

锤片式切碎设备是锤片式粉碎机（图4），可以

图3 圆盘式切碎机

1.链板式输送器;2.上喂入辊;3.;动刀片;4.抛送叶板;5.刀盘;6.定刀片;7.下喂入辊

通过筛片控制切碎后物料的粒度，完成对物料的细粉碎，我国的锤片式粉碎机主要以粉碎粮食等精饲料为主，粉碎机高速旋转的转子上由锤片固定销轴安装多组锤片，按照进料方向的不同，可分为切向进料式、轴向进料式、径向进料式3种[20]。锤片式粉碎机在工作状态下的锤片成射线状分布，物料在进入粉碎室后，被锤片击打，并撞击筛片，直至被粉碎物料破碎粒度小于筛孔直径时，物料通过筛网，完成物料的粉碎。在打击、撞击的同时，物料还受到锤片端部及筛面的摩擦、搓擦作用而进一步粉碎。锤片式切碎方式能耗比较高，适合加工经粗碎后的秸秆物料。在粉碎稻草、小麦秸秆时效果较好，长杆类农作物秸秆直接采用锤片式粉碎机的加工效率较低[21]。

图4 锤片式粉碎机

1.自动破碎仓;2.拨料齿;3.轴承及轴承座;4.安全挡料板;5.锤片;6.转子盘;7.粉碎室;8.筛片;9.风机;10.集粉器;11.电机;12.进料闸门

2.4 组合式切碎

组合式农作物秸秆切碎技术是将铡切、粉碎、揉搓等不同的功能中的2种或2种以上切碎技术合理组合在一台设备上的技术。汪莉萍[22]从揉切工作部件、物料喂入方式和尺寸等方面开展研究，设计了一款集切碎和揉搓粉碎为一体的复合式秸秆粉碎机，提高了生产率、降低了能耗，同时对多种物料的适应性大大提高;农业部南京农业机械化研究所肖宏儒等[23]研究设计的JF-720型多功能秸秆粉碎机有搓揉与粉碎2个加工室，集搓揉与粉碎功能为一体，粉碎效果好，技术性能稳定;黑龙江八一农垦大学将切断、粉碎、揉搓功能科学合理的组合在一起，研制了93RZ-40型揉浆机，使秸秆物料在动刀、定刀、锤和齿板的综合作用下被粉碎，在离心力和风机作用下排出，目前在江西必高生物质能科技有限公司、清华大学清洁能源研究与教育中心、北京佳禾木科技有限公司、辽宁天鑫饲料有限公司、江苏鼎元科技发展有限公司等企业均使用了该技术设备，提高了粉碎的质量与效率[22]。

3 结论

目前，我国对大量农作物秸秆的各种资源化利用技术研究很多。但是农作物秸秆的实际利用率不高，农作物秸秆资源浪费严重。全國应根据各个地方的不同特点研究各自适宜的农作物秸秆利用模式，加大对技术研究的投入，加强管理，减少秸秆焚烧等形式对资源的浪费和对环境的破坏，尽快形成一种良性循环的生态农业模式。

分析不同农作物秸秆原料的物料特性，根据农作物秸秆的物料特性对开展农作物秸秆高效生产加工技术的研究，提供理论技术支撑，对农作物秸秆资源化利用将会有很大的帮助。

根据现有农作物秸秆切碎方法，结合农作物秸秆的物料特性和切碎特性，大力开展组合式农作物秸秆切碎结构设计，进行适合多种类型农作物秸秆的复合式秸秆粉碎机将是农机科研人员应该考虑的问题。

参考文献

[1]谭瑞虹.西北地区主要农作物秸秆的热物性研究[D].咸阳：西北农林科技大学，2017.

[2]李玉道，杜现军，宋占华，等.棉花秸秆剪切力学性能试验[J].农业工程学报，2011，27（2）124-128.

[3]孟海波，韩鲁佳.秸秆物料的特性及其加工利用研究现状与应用前景[J].中国农业大学学报，2003（6）：38-41.

[4]隋美丽.秸秆压块饲料机匀料充型区的物流分析与计算机仿真[D].保定：河北农业大学，2005.

[5]刘志明，王逢瑚，苏润洲.麦秆表面形貌及表面元素分析[J].东北林业大学学报，2002，30（2）：62-65.

[6]周晓燕，周定国，施登军.微波处理对稻草表面特性的影响[J].林业产业，2005，32（5）：28-30.

[7]李玉道，杜现军，宋占华，李法德.棉花秸秆剪切力学性能试验[J].农业工程学报，2011，27（2）124-128.

[8]牛文娟.主要农作物秸秆组成成分和能源利用潜力[D].北京：中国农业大学，2015.

[9]陈桂华，向仕龙，唐忠荣.高粱秆表面形貌与化学成分研究[J].中南林业科技大学学报，2007，27（6）：127-129.

[10]钱湘群.秸秆切碎及压缩成型特性与设备研究[D].杭州：浙江大学，2003.

[11]霍丽丽，田宜水，赵立欣，姚宗路，侯书林，孟海波.农作物秸秆原料物理特性及测试方法研究[J].可再生能源，2011，29（6）：86-92.

[12]程尧，方雷，石报荣.农作物秸秆物料特性及粉碎设备的研究[J].贵州大学学报，2009，26（3）：86-90.

[13]张文倩.麦稻秸秆铡撕机的设计研究[D].武汉：华中农业大学，2009.

[14]张晋国，高焕文，杨光.不同条件下麦秸秆切碎效果的试验研究[J].农业工程学报，2000，16（3）：70-72.

[15]吴子岳，高焕文，张晋国.玉米秸秆切断速度和切断功耗的试验研究[J].农业机械学报，2001，32（2）：38-41.

[16]李媛.新型秸秆揉切机的研究[D].北京：中国农业大学，1999.

[17]马永昌，李庆东，张建军.稻秸秆受切特性的试验研究[J].农机化研究，2006，8（8）：165-167.

[18]茆光华.软秸秆散包粗碎机的设计与分析[D].南京：南京林业大学，2014.

[19]冯斌，李浩，养牛机械化技术[M].北京：中国农业出版社，2014.

[20]黄涛. 畜牧工程学[M].北京： 中国农业科学技术出版社， 2007.

[21]李浩，沈衛强，班婷.我国秸秆利用技术及秸秆粉碎设备的研究进展[J].中国农机化学报，2018，39（1）：17-21.

[22]汪莉萍.复合式秸秆粉碎机设计方法理论研究[D].哈尔滨：东北林业大学，2010.

[23]肖宏儒，朱德文，钟成义.农作物秸秆多功能粉碎机的试验研究[J].农业装备技术，2009，10（5）：8-12.

作者简介：

李浩（1985-），男，硕士，助理研究员。研究方向：畜牧工程装备研究;

沈卫强（1968-）男，硕士，研究员。研究方向：农副产品加工装备研究。