移動作業式秸稈造粒機研究進展

葛艷艷 蘇子超

摘要 在資源消耗與環境污染的背景下，數量龐大的秸稈類生物質資源的有效利用受到關注。移動作業式秸稈造粒機是一種集秸稈的收集、粉碎和制粒于一體的設備，可以在田間地頭完成對秸稈等生物質的收獲造粒，其移動方便，有效減少儲存和運輸的成本，對提高勞動生產率很有意義。為此，綜述了國內外現有的移動作業式秸稈造粒機的工作特點以及結構特性，從而提出了我國發展移動作業式秸稈造粒機的制約因素，對未來我國移動作業式秸稈造粒機的發展做出展望。

關鍵詞 生物質;移動作業式;秸稈造粒機

中圖分類號 S226 文獻標識碼 A

文章編號 0517-6611（2021）17-0020-03

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2021.17.005

Abstract In the context of resource consumption and environmental pollution，the effective utilization of a large number of straw biomass resources has attracted attention.The mobile pellet harvester is a kind of equipment that integrates the collection，crushing and granulation of straw，which can complete the granulation of straw in the field.It is easy to move and effectively reduces the cost of storage and transportation.It is meaningful to increase labor productivity.Therefore，this paper summarizes the working characteristics and structural characteristics of the existing mobile pellet harvester at home and abroad，and puts forward the restrictive factors for the development of mobile pellet harvester in China.The future development of mobile pellet harvester in China is prospected.

Key words Biomass;Mobile;Straw pelletizer

隨著世界各方面的不斷發展，人類對能源的消耗與日俱增，現如今，能源危機問題日益嚴重，化石能源作為不可再生能源，面臨著消耗殆盡的結果。根據相關部門的研究，煤炭大約還能夠繼續開采150年。而全球的天然氣與石油，根據它們的儲存量和人類的消耗量預計，也只能維持到2050年左右。除此之外，其燃燒所帶來的污染十分嚴峻。所以，從能源需求與環境保護角度，尋找一些新的高效、安全、清潔、可再生的能源是一種必然的趨勢。生物質能源是近幾年來受到人們廣泛關注的一種清潔的可再生能源，具有很好的利用前景，是組成能源系統的一部分，是繼石油、煤炭和天然氣之后最具有發展潛力的可再生能源。近年來所研究的生物質固體燃料成型技術，可通過此技術，生產高效的生物質能源顆粒。生物質顆粒燃料具有抗變形性、高流動性、高燃燒效率等優良的特性，并且可以節約化石能源與減少各種有害氣體的排放。生物質秸稈作為一種生物質，其能量的來源主要為植物的光合作用轉換并存儲下來的太陽能，不會產生類似二氧化硫等有害的氣體[1-3]。

作為一個農業大國，我國每年會產生的生物質秸稈高達6億～7億t，這些秸稈的處理方式五花八門，但是主要分為以下幾種：①秸稈直接還田。現如今，依然有大量的農民選擇將秸稈粉碎之后直接還田，這會帶來一些問題，大量的秸稈致使土地并不能完全將其分解，帶來土質疏松;除此之外，秸稈中的害蟲蟲卵會殘害下一季的農作物。②沼氣循環利用。將秸稈投入到沼氣池中，生成的沼氣可以用來取暖和煮飯。但是，將秸稈轉化為沼氣，需要面臨大量的儲存與運輸問題，這其中所帶來的成本十分巨大。③畜牧業飼料。有一些畜牧業企業會購買秸稈作為動物飼料，這一方面會帶來高額的儲存和運輸成本，另一方面，企業所需的秸稈量并不是太多。④秸稈直接燃燒。就地燃燒之后，可以作為下一季的肥料，但這會產生大量的有毒氣體，帶來環境污染，并且，還會引起土地板結的發生，經常會引起火災，危害人身與財產安全。秸稈除了以上的主要處理方法，還有秸稈乙醇、秸稈建筑等用途，這些都不能從根本上解決秸稈的問題[4-5]。

1 移動作業式秸稈造粒機優勢及工作主要方式

由此看來，對于秸稈的收集利用一直是一個較為棘手的問題，從我國國情來看，農作物有著季節性與產地分散的特點[6]。目前，我國絕大部分的秸稈造粒機還是固定式的，主要在廠房內完成制粒過程，一般還配有切碎、輸送、除塵、降溫、包裝等工作系統。固定作業式的秸稈造粒設備，必須購買大量的大型秸稈加工設備，從而必須有廠房來放置和運行這些設備;另外，大部分的田地較為分散，將這些生物質原料收集再運輸到加工廠房，產生大量的成本，可以獲得的利潤較低。生物質原料的分散性特點就決定了其運輸成本要遠高于原料本身的價格。所以，為了能夠減少運輸成本和增加利潤收益，做到在原料產生地成型，就需要研發功能完善的移動式造粒機械。

移動作業式秸稈造粒機是對固定作業式的創新，基本上是以柴油發動機作為動力來源。行走方式分為自走式與牽引式兩種。自走式動力來源于本身安裝的發動機，牽引式由拖拉機牽引，動力來源為拖拉機后動力輸出。目前，國內的部分廠家在進行牽引式秸稈造粒機的研發與試驗，對各個系統的整機匹配進行研究與探索。相比牽引式，自走式秸稈造粒機方面的研究進展剛剛起步，還有很長的路要走。

1.1 優勢

相比于固定作業式秸稈造粒機，移動式秸稈造粒機的主要優勢體現在兩方面[7]。①運輸成本上的優勢。總體上看，固定式的廠房生產加工時，每天基本上要9～10 t的原料才能維持設備的正常運轉。在農村地區，相鄰的村落之間一般有3 km左右的距離，若要滿足原料的需求，根據數據測算，需要收集半徑在50 km區域以內的秸稈，這帶來的運輸成本很高。移動作業式的設備，可以根據原料靈活移動，即使是有設備的吊裝與運輸成本，對比大量的運輸原料，花費也要大大降低。②投資上的優勢。固定式的設備價格十分昂貴，且必須配備相應的設施。例如需要占據廠房，專門的變壓器等等。如果是移動作業式的加工機器，可在田間地頭加工，無須眾多配套設施。而且相對于固定設備，成本較低，投入資金回報快，設備維護使用也更加便捷。

1.2 工作主要方式

移動式秸稈造粒機的作業流程，主要可以劃分為5個步驟：切割、撿拾、粉碎、烘干和制粒。作業時，可以在田間收割農作物殘余物的同時完成切割、控溫、碾磨、除塵、壓縮成型全過程，直接生產可供多種用途的生物質顆粒。

1.2.1 切割撿拾的發展現狀。

切割撿拾結構是將秸稈從田地收割、撿拾、打碎的部件，作為移動作業式秸稈造粒機的重要結構之一，切割撿拾機構影響著后續步驟的進行。關于收割撿拾機構的設計研發，國外已經相當成熟[8]，美國的約翰·迪爾公司新研制的彈齒式撿拾機構對收割機構下的秸稈直接撿拾，可通過調節彈齒間距來提高撿拾的效率。而德國的Klass公司所開發的帶有彈性齒尖鉤設計的撿拾機構則顯著提高了拈選的效率。國內的中聯重機公司最近研制了一種關于分禾裝置的撿拾器，可以根據秸稈的長度進行分類，有效預防收割撿拾機構兩端與喂入機構間的堵塞，給移動作業式秸稈造粒機提供了創新的技術支持。

1.2.2 粉碎烘干機構的發展現狀。

秸稈粉碎的效果對后續的制粒環節影響顯著[9]。初步粉碎的秸稈在秸稈粉碎機的高速旋轉下實現粉碎的過程，調節旋轉速度和刀片的分布密度可以改變粉碎的精度。因為秸稈太高的含水量，要進行必要的烘干處理。市面上的粉碎設施，美國CPM公司研發的一款HM系列的水滴型臥式粉碎機，有著優良的性能，可以從兩個方向進行物料輸入，篩網的有效利用面積大大增加，同時錘片的使用壽命也得到了延長。而且水滴型的篩網可有效地阻止粉碎室內部產生物料環流層，提高了粉碎的效率。

1.2.3 制粒的發展現狀。

制粒是影響移動作業式秸稈造粒機性能最主要的部分，秸稈的制粒過程可總結如下：秸稈通過進料區、變形壓緊區和擠出成形區在制粒室形成顆粒。對于制粒的過程，除了原料的成分會影響顆粒的成形，還有物料的含水量、喂入速度等等都至關重要。一般來講，生物質顆粒的成型作業不需要去除雜質，可以直接對農作物料進行干燥、粉碎、壓縮的處理，工藝較為簡單。國外的Stelte等[10]研究表明，在一定的壓力范圍內，顆粒形成的密度會隨著壓力的增加而增加，但是一旦壓力增加到一定大小時，顆粒的密度就不再有明顯的變化。

生物質顆粒壓縮成型的工藝可以根據多種方式進行分類，比如可以依照原料在壓縮成型工藝時是否添加黏合劑分為不加黏合劑與加黏合劑的成型工藝。按照壓縮力的大小又可以分為高壓壓縮（>100 MPa）;采用加熱的中等壓力壓縮（5～100 MPa）;添加黏結劑的低壓壓縮（<5 MPa）。在廣義上通常將生物質的壓縮成型工藝分為3種主要的成型方式：炭化成型、熱壓成型與濕壓成型[11]。意大利就發明了叫EcoTre System的技術（ETS技術）[12]，這種技術十分創新，對于大部分的物料，可以不必進行干燥處理，即可直接制粒。除此之外，在制粒之后，傳統的工藝需要對顆粒進行冷卻處理，采用這種技術，無須冷卻。這大大降低了整個工序的消耗，節省了成本。在秸稈顆粒成本降到接近于煤炭時，增加了其代替煤炭的可能性。

現在，秸稈的制粒機器主要有螺旋擠壓式的成型機、活塞沖壓式成型機和壓輥式成型機3種。在這當中，螺旋擠壓式成型機和活塞沖壓式采取的是熱壓成型工藝，而壓輥式成型機采取的為冷壓成型工藝，壓輥式成型機可分為平模成型機與環模成型機2種。農業農村部規劃設計院在北京大興研究了一款適宜于農作物秸稈的HM-485型環模式成型機，同時還建成并投產運行了年產2萬t的生物質固體燃料生產線，此型號成型機生產率高達1.5 t/h，主要結構的壽命超過400 h。

2 國內外移動作業式秸稈造粒機發展狀況

2.1 國外的發展狀況

對農作物秸稈的處理技術能夠追溯到20世紀30年代，美國與德國就開始對秸稈造粒進行研究[12-13]。美國當時開發的活塞-模頭造粒機便能夠用活塞壓力通過成型模具制造秸稈顆粒。日本在20世紀50年代研制出了一款螺旋制粒機，通過螺旋擠壓將木屑加工為棒狀的顆粒。在此期間，德國與瑞典將進行改進研制出了以液壓為動力的活塞沖壓式造粒機。到了20世紀70年代，全球能源危機出現以及人們的環保意識逐漸加強，世界各國都逐漸重視對農作物秸稈的開發利用。同一時期，法國、意大利、芬蘭、德國等國家研發了許多的農作物秸稈造粒設備。在20世紀末，凝結成型設備與顆粒燃料在日本、西歐和北美一些發達國家實現了商業化。對于移動作業式秸稈造粒機，美國、德國、意大利、日本、奧地利等國家的技術處于世界的領先地位。像德國Bauer Power公司和奧地利Co-Pax GmbH公司的移動作業式農作物秸稈造粒機的一體化設備，將農作物秸稈的收集、粉碎和壓縮成型集于一體，將整個秸稈造粒的生產線整合為一個集裝箱大小，可以運送到生產場地，類似一個小型的工廠。而德國的Krone（科羅尼）公司生產研發的Premos 5000型的移動作業式秸稈造粒機[14]，則更加靈活，其由拖拉機牽引行走，后車工作部分包括秸稈撿拾機構、秸稈粉碎裝置和核心的造粒裝置。該設備能生產直徑為16 mm的球形顆粒，不需要預先進行粉碎，該設備通過寬度為2.35 m的拾禾器將地面上的農作物秸稈運到下一個工序，隨后作物秸稈被平鋪在傳送帶上，運送到直徑為800 mm的兩個壓輥之間，通過壓輥上的齒與排孔，將作物秸稈送入2×105 kPa的壓力下，秸稈就被壓制成為顆粒。

2.2 國內的發展狀況

國內的生物質造粒機的研究工作起步較晚[15]，隨著國家關于生物質能源發展政策的不斷調整，秸稈顆粒機也在逐步發展。秸稈造粒機在我國的發展道路曲折，在最近10年產品技術才慢慢成熟起來，而移動作業式造粒機的研制也不過最近幾年才開始，隨著先進的加工工藝和技術引進行業，國內的一些企業與機構也在研發移動作業式秸稈造粒機。遼寧省能源研究所研制的可移動生物質顆粒燃料設備系統，創新性地采用了風力來運送秸稈顆粒，整體設備體積質量大大縮小，達到了移動作業的能力。

泰州市泰興市金鰲機械制造有限公司設計的多功能生物質顆粒機，底部裝有滑輪，可以移動，該設計解決了原有顆粒機吸塵效果不佳的問題。北京航空航天大學提出了一種內燃機驅動移動式秸稈生物質顆粒加工系統方案，其特征在于：該系統包括秸稈粉碎子系統、烘干子系統、顆粒加工子系統、旋耕子系統和驅動行走子系統，為移動式，以內燃機為動力，通過系統平臺的移動實現秸稈采集和制粒同步進行，省去了輸運秸稈的環節，制成的顆粒物一部分存儲，一部分送去燃燒室燃燒給烘干器提供熱量，系統處理對象為各種類型秸稈。由于行業大發展需求和移動作業式秸稈造粒機的優勢，國內相關研究也越來越多，在行業內也越來越受到重視[16]。

3 移動作業式秸稈造粒機的制約因素

我國的移動作業式秸稈造粒機技術經過近些年來的努力研發已經有了初步的成效[17]，但是與國外相比，依舊差距顯著。有以下幾個原因。

3.1 氣候較濕潤

相對于歐洲較為干燥的氣候環境，我國的種植環境更濕潤一些，所以農作物秸稈內的含水量比歐洲的要高一點，所以對烘干過程降低秸稈的含水量的要求更高。目前市面上有熱風烘干、真空烘干、蒸汽烘干等可以降低秸稈原料的含水量，其中一般不采用效果較差的蒸汽烘干。雖然熱風烘干和氣流烘干兩種方法效率要高，但它們的設備占地面積過大，工作能耗也較大，對于移動作業式秸稈造粒機有一定的載荷上限與供能上限，因此帶來了較大的研發難度。

3.2 種植國情限制 歐洲的作物屬于聚集類的大片種植方法，作業設備在農田中可以較好地連續作業，無須頻繁更換工作區域，我國大部分的地區種植可以總結為“大分散，小聚集”，是小塊區域種植，一片農田可能分屬于多個農戶，種植了不同的農作物，導致收獲的時間與品種的不同，阻礙了移動作業式秸稈造粒機應用。

3.3 應用推廣

在西方的一些發達國家，使用秸稈顆粒燃料早已相當常見，相關的配套設施也已經十分完善。我國目前的顆粒燃料遠遠沒有普及，只是在熱風爐、鍋爐和生物質氣化爐上有一定的普及，在一些主要的用能單位并沒推廣普及。另外，一些地方政府的環保與監管力度欠缺，直接將大型的鍋爐改為天然氣型，使得生物質顆粒得不到普及應用，從而影響移動作業式秸稈造粒機的推廣。

3.4 缺乏試驗 移動作業式造粒機的研發還比較落后，相關設備的試驗還十分欠缺，相關的研發性人才缺乏，導致設備的研發創新相當緩慢。

3.5 適用范圍 一方面，各類的秸稈都能夠壓制成顆粒;另一方面，造粒機在不調換環模（壓縮比相同）的情況下，能加工的物料就較為單一。除此之外，目前主流的機器對物料的含水量要求很苛刻，在不烘干的前提下無法制粒。就算是同一種物料水分不同，依然要調換環模。

3.6 殘膜壓縮

目前，農田中會使用大量的地膜，在田間隨處可見殘膜等非生物質物料，若處理不當，不僅會影響生態環境，還會影響造粒。關于農田殘膜的壓縮技術的研究剛剛起步，一些難題還在攻克中[18]。

4 移動作業式造粒機的發展趨勢

在當前的世界發展環境下，對于環境的保護是一個重點的問題，秸稈顆粒作為生物質能源中十分突出的一種能源，對于它的處理和利用技術還十分不成熟，因此，相比目前的一些秸稈處理設備，移動作業式秸稈造粒機的效率要更高一些，成本也要低，在未來的秸稈處理市場上，一定會占據十分重要的位置。根據目前國內移動作業式秸稈造粒機的研究，結合國外相關領域的先進技術，未來我國的移動作業式秸稈造粒機技術領域將會逐漸構建完整的技術體系，包括造粒工藝和智能化控制等。在歐洲，一些發達的國家的技術體系已相對健全，從制粒工藝、裝備設計與制造、智能控制技術、專家診斷與服務技術等多個方面進行了較為系統的研究，國內可以不斷學習國際上的先進技術與工藝[19]，逐步搭建出適合我國國情的移動作業式秸稈造粒機的體系。與此同時，對于環模、壓輥等核心的零部件技術的不斷優化，促進核心零部件的適應性并且延長壽命，提高造粒機的性能與工作效率。除此之外，制粒的過程主要依靠的是擠壓力與摩擦力，因此需要對磨損進行深入的研究，不斷發展新的耐磨材料與耐磨工藝，從而優化移動作業式造粒機的性能。國內還可以引進ETS制粒新技術，可使大部分的原料無須干燥，即可制粒，這樣可去掉干燥與冷卻兩道工序，降低能耗，節省成本。

高端化與智能化也是未來移動作業式秸稈造粒機的發展趨勢[20]，通過不斷的引入智能化控制技術，不斷提高設備的智能化監控和操作水平，從而提升造粒機的整體技術水平。移動作業式造粒機有牽引式和自走式兩種，歐美一些先進的設備都是自走式，而國內一些生產農機設備的中小企業更多的為牽引式，這主要和現有的種植現狀有關，從未來長遠來看，自走式的優勢較大，所以后期自走式秸稈造粒機會成為主流的產品。

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