秸稈飼料化加工機械現狀與展望

董云哲耿欣李君興譚杰徐慧磊孫玲于海濤

(吉林省農業機械研究院，吉林 長春 130022)

前言

作為農業大國,我國秸稈年均產量在8.65億t[1]。農村人口空心化、農村地區清潔取暖工作的推進[2],禁止露天焚燒秸稈法規的陸續出臺,秸稈如何處理成了一道難題。為此農業農村部下發了《農業農村部辦公廳關于全面做好秸稈綜合利用工作的通知》,秸稈飼料化是解決農業廢棄物(秸稈),提高秸稈價值重要手段之一[3]。通過秸稈飼料化加工機械加工,可以破壞秸稈表面硬質結節,提高牲畜的采食率[4],有效促進牛羊的消化吸收,進而提高了秸稈飼料的利用率。為此,秸稈飼料化加工機械產品不斷更新,種類也逐步增多。秸稈飼料化加工機械也由功能單一的鍘切機逐步發展為揉絲機、揉切機,近年來又出現了秸稈膨化機、皮穰分離機,以及集撿拾、揉搓、除塵、打捆多種功能為一體的秸稈飼料打捆機。

1 我國秸稈飼料化加工機械發展進程

我國秸稈加工機械從20世紀50年代仿蘇聯風送式鍘草機開始,20世紀60—70年代開發了泰山-300型、ZC-1.0型等滾刀式鍘草機和9CF-1.0型、9QS-70型等圓盤式鍘草機。20世紀80年代隨著家庭聯產承包責任制的展開,鍘草機向小型、微型化鍘草機方向發展,開發了9Z-0.5型、93ZT-500型鍘草機,鍘草機的研究也趨于成熟,國家相應的頒布了一些標準如NJ 283-82《鍘草機試驗方法》、GB 7681-1987《鍘草機安全技術要求》、JB/T 7689-94《圓盤鍘草機技術參數》等[5]。為了提高牛、羊對秸稈的采食率,20世紀90年代我國又陸續開發了以9RC-40型、9RF-40型、9SC-400型等為代表的系列秸稈揉搓機,2002年農業部頒布了NY/T 509-2002《秸稈揉絲機》行業標準,提出了含水率在14%～22%的我國主要糧食作物秸稈(包括玉米、大豆、稻草、高粱及小麥)揉絲機的性能指標[6]。隨著農村勞動力的轉移和農業機械化的發展,農村養牛的目的也發生了轉變,以耕地為目的逐步轉變為以出售牛犢、肉牛、牛奶為目的,規模也由一戶存欄1頭或幾頭向幾十頭規模以上發展。因此小型鍘草機、揉絲機的市場趨于飽和,高密度方捆草包成了養殖戶的最愛。為此我國陸續開發了如9YF-66型、DR-72-G30型等固定式打捆機,集揉搓、打包功能于一體。由于固定式打包機沒有解決秸稈離地的問題,2010年以來,我國又開始了集撿拾、粉碎、除塵及打包多功能為一體的秸稈飼料打捆機的研究,2016年以來陸續出現了9YFZ-2.2型、9YF-2.2B型、9YZ-2250B型等為代表的秸稈飼料打捆機。為了更充分利用秸稈資源,國內一些學者同時開展了秸稈膨化、皮穰分離等技術的研究,并取得了一些成果。我國秸稈膨化技術開始于20世紀90年代,陳洪章等對秸稈采用氣爆膨化技術[7],破碎了秸稈致密纖維素結晶組織,改善了秸稈飼料的適口性；2000年沈陽農業大學張祖立等利用單螺桿擠壓機對秸稈進行膨化加工試驗,證實了秸稈膨化改變了秸稈的理化性狀和營養成份[8]；徐洪朋等利用雙螺桿擠壓機膨化處理玉米秸稈,木質素與纖維素發生了分離[9]。目前市面上能見到9P-150型、9P-250型等秸稈膨化機的身影。

2 秸稈飼料化加工機械結構特點

2.1 秸稈粉碎機

秸稈粉碎機的研制使用已有幾十年的歷史,按其對秸稈的處理方式可再分為鍘切機、粉碎機、揉絲機、揉切機。

2.1.1 鍘切機

鍘切機(俗稱鍘草機)在我國的使用和研制已有70多年的歷史,是發展較成熟和使用數量和應用較廣泛的飼草料加工機械之一[10]。其工作原理如圖1所示,為通過動刀與定刀的剪切作用,將秸稈切成一定長度的草段。按秸稈進料方式,分為徑向進料和軸向進料,徑向進料切碎機也就滾刀式切碎機,其結構緊湊,動刀回轉半徑小,多用于小型切碎機。軸向進料切碎機也就是盤刀式切碎機,刀盤回轉半徑大且帶有拋送板,可將切斷的秸稈拋送較遠的地方,多用于大、中型鍘草機。由于鍘切機只能對秸稈進行橫向剪切,所以其破節能力弱,不能將秸稈中的莖節加工成絲狀,對牛、羊等食草性動物的采食率有較大影響,降低了秸稈的利用率,但其最大的優點是能耗小。

圖1 鍘切機工作原理圖

2.1.2 粉碎機

秸稈粉碎機將秸稈粉碎成適于做草顆粒原料的草粉,其工作原理是通過高速旋轉的錘片(錘片末端線速度40～70m·s-1)將秸稈擊碎、磨碎,當草粉粒度達到要求時,通過篩網到達出料口。為了順利出料,小型粉碎機需加葉片將草粉吹出,大型粉碎機則需加負壓吸風裝置。由于秸稈類物料屬于粘彈性體,秸稈含水率對其性能影響尤為突出,一般其加工對象為含水量小于15%的干秸稈,為了提高效率,常在喂入口加切碎裝置[11]。

2.1.3 揉絲機

揉絲機在我國的發展已有30a以上。秸稈經過入料斗進入揉碎室,即被高速轉子抓住,卷到揉碎腔中,受到高速旋轉的錘片打擊后,撞擊到齒板上,又受到齒板反作用力的打擊及齒板與物料之間的摩擦力阻力的揉搓,在所有外力綜合作用下,秸稈被揉搓成長5～15mm柔軟絲狀物[12]。9RF-40型秸稈揉搓機結構示意圖如圖2所示。由于秸稈加工后,破碎的秸稈適口性較好,近年來發展較為迅速。但其缺點也十分顯著,如生產率低、能耗大不適用于多濕,韌性大的秸稈。

圖2 9RF-40型秸稈揉搓機結構示意圖

2.1.4 揉切機

揉切機綜合了鍘切機和揉碎機的優點,其工作原理如圖3所示,秸稈經進料斗喂入到揉切室中,在動刀和定刀組之間進行鍘切、揉搓,同時部分秸稈在動刀組和揉切室壁之間進行揉搓,這樣既提高了效率又適當降低了能耗,近年來發展較為迅速。

圖3 揉切機原理圖

2.2 秸稈膨化機

由于秸稈皮外表層含有大量的纖維素、木質素,極難被草食動物消化和吸收,為此近年來又出現了秸稈膨化技術,通過膨化技術破壞秸稈細胞壁秸稈,使得秸稈內各物質分離,進而提高草食動物吸收率[13]。螺桿秸稈膨化機原理為通過螺槽和螺桿擠壓、摩擦的方式,使玉米秸稈在壓縮腔內受到擠壓、摩擦、剪切作用而產生大量熱量,使得秸稈的物理結構發生改變,由屑狀、粉狀變為糊狀,壓縮腔內的高溫高壓破壞玉米秸稈表面原有的蠟質層,從而使秸稈纖維細胞壁斷裂。通過出料口,壓力驟降使秸稈形成噴放過程,形成膨松柔軟的優質飼料。根據螺桿的數量,秸稈膨化機分為單螺桿秸稈膨化機、雙螺桿膨化機和三螺桿膨化機[14],其性能比較如表1所示。

表1 秸稈螺桿膨化機性能對比

2.3 皮穰分離機

玉米秸稈的皮、穰和葉3個部位的化學成分差異較大,營養物分布不均勻。穰和葉含有豐富的粗蛋白、粗脂肪、半纖維和糖等,是飼養牲畜的優良飼料。皮的主要成分是纖維素半纖維素和木質素,強度高、韌性好,是造紙、人造板等行業的好材料,但秸稈皮作為飼料適口性差,較難消化吸收,表2為玉米秸稈各部位營養成分質量分數[15]。

表2 干玉米秸稈各部分營養成分

皮穰分離機是采用物理的方法將秸稈皮與穰分離開來,目前皮穰分離主要采用2種方式,粉碎后比重法分離；根據不同部位強度的不同進行機械分離[16,17]。由于秸稈含水率對秸稈皮與秸稈穰的比重的影響大,故采用比重法進行皮穰分離的設備對秸稈含水率要求高,而且為了更充分地分離秸稈皮穰,所以分離機設備需要空間大。采用機械法進行秸稈皮穰分離的一般工藝如圖4所示。機械法皮穰分離機尺寸小,對秸稈含水率要求低,由于受到攤平喂入、玉米秸稈尺寸不一等技術制約,生產效率低,有待進一步完善。

圖4 9JF-08皮穰分離機分離工藝

2.4 秸稈撿拾粉碎打捆機

我國對打捆機研究工作的起步于20世紀70年代末從引進國外打捆機開始,20世紀80年代研發出小型打捆機[18]。近年來隨著我國禁止焚燒秸稈政策的出臺,秸稈離地成為種糧戶的難題,為此秸稈打捆機市場需求旺盛,打捆機的銷量2013—2018年呈現6連增的態勢,近年來雖有所放緩,2021年打捆機仍累計銷售3.35萬臺[19]。秸稈飼料撿拾打捆機是在秸稈打捆機的基礎上發展的新型設備,其在保持打捆機原有的撿拾打捆功能的基礎上增加了粉碎揉搓和除塵功能,撿拾的秸稈變成可直接投飼的粗飼料。秸稈飼料打捆機工作過程如圖5所示。

圖5 秸稈撿拾打捆機工作工藝

近年來,該機型逐步受到農戶和養殖戶的認可和歡迎,由于市場需求旺盛,出現了多家廠家進行該種機型的生產,表3為部分秸稈飼料打捆機的生產廠家及其產品的技術參數。

表3 部分秸稈飼料打捆機型號及草捆規格

從表3可以看出,我國秸稈飼料撿拾打捆機存在草捆尺寸規格小,草捆規格尺寸僅能達到國外同類產品1/8,草捆基本采用塑料網包裝。由于打捆機在撿拾秸稈的同時會帶起大量的塵土,所以在風送除塵過程中會產生大量的PM10和PM2.5等粉塵污染,破解秸稈飼料大方捆成型技術和改善秸稈飼料打捆機揚塵是我國秸稈飼料打捆機的亟需解決的問題。

3 解決秸稈飼料化加工機械問題的方法

秸稈加工機械在我國發展幾十年,仍存在一些問題亟待解決。

3.1 進一步落實和強化秸稈飼料化加工機械各類標準的落實

由于生產秸稈飼料化加工機械門檻低,秸稈飼料化加工機械需求量大,所以生產秸稈加工機械的廠家眾多,強化標準的落實有利于實現優勝劣汰,減少不合格產品的輸出,避免秸稈加工機械高速旋轉的運動部件傷人事件的發生。部分國家標準需進一步完善細化,如史奎等指出的《秸稈揉絲機》行業標準中秸稈絲的定義不準確、未明確錘片淬火區和非淬火區的分界線等意見[20]。

3.2 進一步加強秸稈物理特性的研究

不同秸稈有不同的物理特性,同一種秸稈含水率不同其物理特性差異也較大,應根據不同秸稈、不同含水率設計出不同的秸稈飼料化加工設備和不同加工工藝,避免一刀切,這樣才能制造出低能耗符合綠色發展理念的秸稈飼料化加工機械。

3.3 進一步加強秸稈加工機械的技術創新與研發

我國秸稈加工機械種類繁多,仍存在一些技術難題需要解決,如秸稈飼料打捆機大方捆成型問題、秸稈飼料打捆機工作揚塵問題、由于秸稈之間相互勾連致使機械式皮穰分離機秸稈喂入時攤平難的問題,秸稈膨化機螺桿易磨損的問題等。

4 展望

我國秸稈飼料化機具發展已有70a以上,隨著土地集約和養殖業需求,秸稈飼料化機械已從單一功能向多功能組合方向發展,從機械破壞秸稈纖維結構向通過高溫高壓改變秸稈分子結構方向發展,從粗放式的整株揉搓粉碎向根據秸稈不同部位采用不同處理方式的精細化加工方向發展。總之,隨著科技進步,秸稈飼料化機械向著高效、節能、大型化、智能化、特色化方向發展。