秸秆饲料化加工机械现状与展望

董云哲耿欣李君兴谭杰徐慧磊孙玲于海涛

(吉林省农业机械研究院，吉林 长春 130022)

前言

作为农业大国,我国秸秆年均产量在8.65亿t[1]。农村人口空心化、农村地区清洁取暖工作的推进[2],禁止露天焚烧秸秆法规的陆续出台,秸秆如何处理成了一道难题。为此农业农村部下发了《农业农村部办公厅关于全面做好秸秆综合利用工作的通知》,秸秆饲料化是解决农业废弃物(秸秆),提高秸秆价值重要手段之一[3]。通过秸秆饲料化加工机械加工,可以破坏秸秆表面硬质结节,提高牲畜的采食率[4],有效促进牛羊的消化吸收,进而提高了秸秆饲料的利用率。为此,秸秆饲料化加工机械产品不断更新,种类也逐步增多。秸秆饲料化加工机械也由功能单一的铡切机逐步发展为揉丝机、揉切机,近年来又出现了秸秆膨化机、皮穰分离机,以及集捡拾、揉搓、除尘、打捆多种功能为一体的秸秆饲料打捆机。

1 我国秸秆饲料化加工机械发展进程

我国秸秆加工机械从20世纪50年代仿苏联风送式铡草机开始,20世纪60—70年代开发了泰山-300型、ZC-1.0型等滚刀式铡草机和9CF-1.0型、9QS-70型等圆盘式铡草机。20世纪80年代随着家庭联产承包责任制的展开,铡草机向小型、微型化铡草机方向发展,开发了9Z-0.5型、93ZT-500型铡草机,铡草机的研究也趋于成熟,国家相应的颁布了一些标准如NJ 283-82《铡草机试验方法》、GB 7681-1987《铡草机安全技术要求》、JB/T 7689-94《圆盘铡草机技术参数》等[5]。为了提高牛、羊对秸秆的采食率,20世纪90年代我国又陆续开发了以9RC-40型、9RF-40型、9SC-400型等为代表的系列秸秆揉搓机,2002年农业部颁布了NY/T 509-2002《秸秆揉丝机》行业标准,提出了含水率在14%～22%的我国主要粮食作物秸秆(包括玉米、大豆、稻草、高粱及小麦)揉丝机的性能指标[6]。随着农村劳动力的转移和农业机械化的发展,农村养牛的目的也发生了转变,以耕地为目的逐步转变为以出售牛犊、肉牛、牛奶为目的,规模也由一户存栏1头或几头向几十头规模以上发展。因此小型铡草机、揉丝机的市场趋于饱和,高密度方捆草包成了养殖户的最爱。为此我国陆续开发了如9YF-66型、DR-72-G30型等固定式打捆机,集揉搓、打包功能于一体。由于固定式打包机没有解决秸秆离地的问题,2010年以来,我国又开始了集捡拾、粉碎、除尘及打包多功能为一体的秸秆饲料打捆机的研究,2016年以来陆续出现了9YFZ-2.2型、9YF-2.2B型、9YZ-2250B型等为代表的秸秆饲料打捆机。为了更充分利用秸秆资源,国内一些学者同时开展了秸秆膨化、皮穰分离等技术的研究,并取得了一些成果。我国秸秆膨化技术开始于20世纪90年代,陈洪章等对秸秆采用气爆膨化技术[7],破碎了秸秆致密纤维素结晶组织,改善了秸秆饲料的适口性；2000年沈阳农业大学张祖立等利用单螺杆挤压机对秸秆进行膨化加工试验,证实了秸秆膨化改变了秸秆的理化性状和营养成份[8]；徐洪朋等利用双螺杆挤压机膨化处理玉米秸秆,木质素与纤维素发生了分离[9]。目前市面上能见到9P-150型、9P-250型等秸秆膨化机的身影。

2 秸秆饲料化加工机械结构特点

2.1 秸秆粉碎机

秸秆粉碎机的研制使用已有几十年的历史,按其对秸秆的处理方式可再分为铡切机、粉碎机、揉丝机、揉切机。

2.1.1 铡切机

铡切机(俗称铡草机)在我国的使用和研制已有70多年的历史,是发展较成熟和使用数量和应用较广泛的饲草料加工机械之一[10]。其工作原理如图1所示,为通过动刀与定刀的剪切作用,将秸秆切成一定长度的草段。按秸秆进料方式,分为径向进料和轴向进料,径向进料切碎机也就滚刀式切碎机,其结构紧凑,动刀回转半径小,多用于小型切碎机。轴向进料切碎机也就是盘刀式切碎机,刀盘回转半径大且带有抛送板,可将切断的秸秆抛送较远的地方,多用于大、中型铡草机。由于铡切机只能对秸秆进行横向剪切,所以其破节能力弱,不能将秸秆中的茎节加工成丝状,对牛、羊等食草性动物的采食率有较大影响,降低了秸秆的利用率,但其最大的优点是能耗小。

图1 铡切机工作原理图

2.1.2 粉碎机

秸秆粉碎机将秸秆粉碎成适于做草颗粒原料的草粉,其工作原理是通过高速旋转的锤片(锤片末端线速度40～70m·s-1)将秸秆击碎、磨碎,当草粉粒度达到要求时,通过筛网到达出料口。为了顺利出料,小型粉碎机需加叶片将草粉吹出,大型粉碎机则需加负压吸风装置。由于秸秆类物料属于粘弹性体,秸秆含水率对其性能影响尤为突出,一般其加工对象为含水量小于15%的干秸秆,为了提高效率,常在喂入口加切碎装置[11]。

2.1.3 揉丝机

揉丝机在我国的发展已有30a以上。秸秆经过入料斗进入揉碎室,即被高速转子抓住,卷到揉碎腔中,受到高速旋转的锤片打击后,撞击到齿板上,又受到齿板反作用力的打击及齿板与物料之间的摩擦力阻力的揉搓,在所有外力综合作用下,秸秆被揉搓成长5～15mm柔软丝状物[12]。9RF-40型秸秆揉搓机结构示意图如图2所示。由于秸秆加工后,破碎的秸秆适口性较好,近年来发展较为迅速。但其缺点也十分显著,如生产率低、能耗大不适用于多湿,韧性大的秸秆。

图2 9RF-40型秸秆揉搓机结构示意图

2.1.4 揉切机

揉切机综合了铡切机和揉碎机的优点,其工作原理如图3所示,秸秆经进料斗喂入到揉切室中,在动刀和定刀组之间进行铡切、揉搓,同时部分秸秆在动刀组和揉切室壁之间进行揉搓,这样既提高了效率又适当降低了能耗,近年来发展较为迅速。

图3 揉切机原理图

2.2 秸秆膨化机

由于秸秆皮外表层含有大量的纤维素、木质素,极难被草食动物消化和吸收,为此近年来又出现了秸秆膨化技术,通过膨化技术破坏秸秆细胞壁秸秆,使得秸秆内各物质分离,进而提高草食动物吸收率[13]。螺杆秸秆膨化机原理为通过螺槽和螺杆挤压、摩擦的方式,使玉米秸秆在压缩腔内受到挤压、摩擦、剪切作用而产生大量热量,使得秸秆的物理结构发生改变,由屑状、粉状变为糊状,压缩腔内的高温高压破坏玉米秸秆表面原有的蜡质层,从而使秸秆纤维细胞壁断裂。通过出料口,压力骤降使秸秆形成喷放过程,形成膨松柔软的优质饲料。根据螺杆的数量,秸秆膨化机分为单螺杆秸秆膨化机、双螺杆膨化机和三螺杆膨化机[14],其性能比较如表1所示。

表1 秸秆螺杆膨化机性能对比

2.3 皮穰分离机

玉米秸秆的皮、穰和叶3个部位的化学成分差异较大,营养物分布不均匀。穰和叶含有丰富的粗蛋白、粗脂肪、半纤维和糖等,是饲养牲畜的优良饲料。皮的主要成分是纤维素半纤维素和木质素,强度高、韧性好,是造纸、人造板等行业的好材料,但秸秆皮作为饲料适口性差,较难消化吸收,表2为玉米秸秆各部位营养成分质量分数[15]。

表2 干玉米秸秆各部分营养成分

皮穰分离机是采用物理的方法将秸秆皮与穰分离开来,目前皮穰分离主要采用2种方式,粉碎后比重法分离；根据不同部位强度的不同进行机械分离[16,17]。由于秸秆含水率对秸秆皮与秸秆穰的比重的影响大,故采用比重法进行皮穰分离的设备对秸秆含水率要求高,而且为了更充分地分离秸秆皮穰,所以分离机设备需要空间大。采用机械法进行秸秆皮穰分离的一般工艺如图4所示。机械法皮穰分离机尺寸小,对秸秆含水率要求低,由于受到摊平喂入、玉米秸秆尺寸不一等技术制约,生产效率低,有待进一步完善。

图4 9JF-08皮穰分离机分离工艺

2.4 秸秆捡拾粉碎打捆机

我国对打捆机研究工作的起步于20世纪70年代末从引进国外打捆机开始,20世纪80年代研发出小型打捆机[18]。近年来随着我国禁止焚烧秸秆政策的出台,秸秆离地成为种粮户的难题,为此秸秆打捆机市场需求旺盛,打捆机的销量2013—2018年呈现6连增的态势,近年来虽有所放缓,2021年打捆机仍累计销售3.35万台[19]。秸秆饲料捡拾打捆机是在秸秆打捆机的基础上发展的新型设备,其在保持打捆机原有的捡拾打捆功能的基础上增加了粉碎揉搓和除尘功能,捡拾的秸秆变成可直接投饲的粗饲料。秸秆饲料打捆机工作过程如图5所示。

图5 秸秆捡拾打捆机工作工艺

近年来,该机型逐步受到农户和养殖户的认可和欢迎,由于市场需求旺盛,出现了多家厂家进行该种机型的生产,表3为部分秸秆饲料打捆机的生产厂家及其产品的技术参数。

表3 部分秸秆饲料打捆机型号及草捆规格

从表3可以看出,我国秸秆饲料捡拾打捆机存在草捆尺寸规格小,草捆规格尺寸仅能达到国外同类产品1/8,草捆基本采用塑料网包装。由于打捆机在捡拾秸秆的同时会带起大量的尘土,所以在风送除尘过程中会产生大量的PM10和PM2.5等粉尘污染,破解秸秆饲料大方捆成型技术和改善秸秆饲料打捆机扬尘是我国秸秆饲料打捆机的亟需解决的问题。

3 解决秸秆饲料化加工机械问题的方法

秸秆加工机械在我国发展几十年,仍存在一些问题亟待解决。

3.1 进一步落实和强化秸秆饲料化加工机械各类标准的落实

由于生产秸秆饲料化加工机械门槛低,秸秆饲料化加工机械需求量大,所以生产秸秆加工机械的厂家众多,强化标准的落实有利于实现优胜劣汰,减少不合格产品的输出,避免秸秆加工机械高速旋转的运动部件伤人事件的发生。部分国家标准需进一步完善细化,如史奎等指出的《秸秆揉丝机》行业标准中秸秆丝的定义不准确、未明确锤片淬火区和非淬火区的分界线等意见[20]。

3.2 进一步加强秸秆物理特性的研究

不同秸秆有不同的物理特性,同一种秸秆含水率不同其物理特性差异也较大,应根据不同秸秆、不同含水率设计出不同的秸秆饲料化加工设备和不同加工工艺,避免一刀切,这样才能制造出低能耗符合绿色发展理念的秸秆饲料化加工机械。

3.3 进一步加强秸秆加工机械的技术创新与研发

我国秸秆加工机械种类繁多,仍存在一些技术难题需要解决,如秸秆饲料打捆机大方捆成型问题、秸秆饲料打捆机工作扬尘问题、由于秸秆之间相互勾连致使机械式皮穰分离机秸秆喂入时摊平难的问题,秸秆膨化机螺杆易磨损的问题等。

4 展望

我国秸秆饲料化机具发展已有70a以上,随着土地集约和养殖业需求,秸秆饲料化机械已从单一功能向多功能组合方向发展,从机械破坏秸秆纤维结构向通过高温高压改变秸秆分子结构方向发展,从粗放式的整株揉搓粉碎向根据秸秆不同部位采用不同处理方式的精细化加工方向发展。总之,随着科技进步,秸秆饲料化机械向着高效、节能、大型化、智能化、特色化方向发展。