秸稈利用技術及秸稈粉碎設備的研究現狀及發展探究

紀曉雪

（聊城市茌平區振興街道辦事處，山東聊城 252100）

0 引言

在農業生產進程中秸稈數量較多，屬于常見副產品，是寶貴的永續性資源之一，在我國生產小麥、棉花、玉米等農作物的過程中會得到豐富的秸稈資源。據統計，每年我國秸稈總量超7億t，然而秸稈在燃料、肥料、飼料等工業化加工及再利用環節的投入率卻僅為33%左右，多數秸稈被丟棄或直接焚燒，這不僅浪費秸稈資源，還嚴重污染環境，并不利于農作物秸稈有效創造價值。

在綜合利用秸稈資源的過程中秸稈粉碎是關鍵一步，多數秸稈通過粉碎加工處理成為飼料、肥料等具有利用價值的物質，在機械化加工水平不斷提升的大背景下，秸稈粉碎處理技術研究屬于一大熱點，這為多種粉碎方式的應用推廣給予支持。粉碎設備對秸稈加工處理的程度存在區別，可從成本、能耗、操作方式、加工穩定性及設備使用壽命等角度出發對加工處理程度進行綜合性分析，并明晰秸稈粉碎基本要求[1]。基于此，圍繞秸稈機械化粉碎處理技術進行研究，對充分利用農業秸稈資源并推動農業機械化、可持續發展意義深遠。

1 秸稈利用技術

1.1 秸稈飼料化技術

秸稈自古就是常見粗飼料，在飼養牛羊等家畜中廣泛應用。在養殖業發展過程中，人們發現秸稈直接投喂會降低飼料營養，存在牲畜采食量低、適口性弱、飼料成本高等問題。當前秸稈在飼料加工中的應用處理以微貯、青貯、粉碎等方式為主，既能優化飼料營養成分，又能增強其適口性，使飼料得以充分利用。近年，復合型秸稈顆粒處理技術應用普遍，加之飼養管理標準化，人們發現將秸稈顆粒與其他飼料混合在一起能更好的提升育肥水平及產肉性能，牲畜育肥率提高，規范化養殖勞動成本有所降低，使養殖業、畜牧業等產業能獲得更高的生態效益及經濟效益。

1.2 秸稈肥料化技術

秸稈中有許多微量元素，如磷、氮、鉀等，這些微量元素及有機質對農作物生產有益。測算顯示，7億t秸稈磷、氮、鉀含量分別為80萬t、350萬t及800萬t，是我國全年化肥使用量的1/5。

在秸稈助力農作物生長的過程中秸稈還田技術較為常用，主要方式包括堆漚還田、直接還田等。直接還田常見渠道有兩個，一是覆蓋還田，二是翻壓還田，其中翻壓還田指的是農作物采收后秸稈留高茬或粉碎翻壓入土，覆蓋還田主要是指在采收前播種作物，把整稈或粉碎后的秸稈直接均勻覆于地面，亦可在收獲結束后覆蓋秸稈，下茬作物則可免耕直播，亦可把秸稈蓋在田塊上，達到降低土壤蒸發水分的幾率及調節地面溫度的作用，還可提高土壤有機質含量，減少雜草總量，以免雜草與農作物爭奪養分，將秸稈蓋在田塊上還能減少勞動力投入，緩解茬口矛盾。堆漚還田主要是指把秸稈制成堆肥，通過發酵的方式助其在土壤中釋放養分，改善土壤條件。常見發酵方式有好氧發酵、厭氧發酵，后者是指將秸稈堆在一起后保障其處于密不透風的環境中，前者是指堆放好秸稈后內設通風溝。秸稈堆漚需在前期用鍘草機等設備將其粉碎，通常粉碎規格為1～3 cm，粉碎后浸透水，保障秸稈含水率約為70%，而后適量添加腐熟機肥，拌勻后堆好，在秸稈堆的表面覆蓋塑料或泥漿，達到嚴密封存的目的，好氧發酵需用設備翻動秸稈堆，為的是促其快速熟化，使秸稈肥力得以增強。

1.3 秸稈能源化技術

在農村生活中秸稈屬于常用燃料的一種，據統計其能源化與農村生活總用能之比約為35%。相較于西方發達國家，我國秸稈資源以燃料為主的技術性研究處于起步階段，存在秸稈能源使用技術性較差、能耗較高、利用率較低等問題，相關技術研究主要方向為秸稈固化成型、液化、沼氣、氣化、發電等[2]。秸稈中的半纖維及纖維素成分較多，通過生物、化學、物理等方式能轉變成液體燃料，如可燃性油、醇類及其他化工材料。在纖維素乙醇生產進程中玉米芯廢渣功能性較強，主要源于此物質中有較多的纖維素。有些公司將玉米芯視為主要材料推動循環利用體系，先用該物質生產功能糖產品，而后用生產廢料提取質素并用于加工纖維素乙醇，生產廢水可制成沼氣，固體廢料可用于生物質發電、種植蘑菇，繼而形成環環相扣的玉米芯利用鏈路，實現能源充分利用的目標。

1.4 秸稈其他利用技術

實踐證明，秸稈既可用于肥料、飼料及能源性材料的制作，又可用于板材、紙張制作及食用菌栽培等領域。數據顯示，2005年用秸稈、稻草制成的紙張總計2 323萬t，是總秸稈的4%左右。上世紀90年代秸稈在零甲醛人造板生產制作中屬于主要材料，同時推動相關制造技術與時俱進。秸稈木質素、纖維素豐富，可用來栽培食用菌，如香菇、平菇、蘑菇、金針菇等，超36種。利用秸稈栽培食用菌可促成生態化產業鏈，即秸稈搜集—菌類栽培—菌渣處理—有機肥制作—秸稈還田。

2 秸稈粉碎設備現狀

從粉碎手段、粉碎形式角度來講，秸稈粉碎設備類型有組合式、揉切式、錘片式、鍘切式等。

2.1 鍘切式粉碎

在秸稈粉碎中鍘切式設備的合理使用具有揉搓、粉碎等功能作用，該設備的主體為鍘草機，此機器按照體積可分為大、中、小三型，按照粉碎方式可分為圓盤式、滾筒式兩類，按照作業流程可分為固定式、田間直接收獲兩種。當前應用頻率較高的設備為滾筒式、小型、圓盤式的鍘切機。

當前青飼料切碎機、鍘切機生產地主要為四川、甘肅、河南、江蘇等，共計200多家，年產量20萬臺左右。不同功能型號的機械設備鍘草效率存在差別，例如9ZP系列設備每小時鍘草700～30 000 kg不等，滿足用戶不同鍘草需求。遼寧生產鍘草設備的企業超30家，年產量超6萬臺，河南生產該設備的企業超20家，年產量超3萬臺。其他地區生產鍘草設備的數量與遼寧、河南存在差距。在設計生產鍘草機的過程中高校積極參與，為的是科研技術有效轉化，陳玉華（山東農業大學）等人設計推行青貯秸稈鍘揉生產設備制造方案[3]，對相關設備輸送、鍘揉、拋料等部位加以優化，對秸稈物料含水率進行計算，發現含水率均值為55%，鍘揉長度及秸稈破節率分別為1 060 mm及91%，草長標準率約為89%。青貯秸稈鍘揉機設計與應用使畜牧業得以有效解決飼料生產難題，保障飼料質量較高，飼料機械化生產與畜牧業規?；l展相契合，在有效使用秸稈資料的基礎上可提高畜牧養殖效益，同時對環保事業發展有益。

2.2 錘片式粉碎

在我國應用最多的是錘片式粉碎機，此設備作用原理為通過高速旋轉錘片助物料被擊碎，依據進料方向可分為軸向進料、切向進料、徑直進料三型。

錘片式粉碎機在精飼料、糧食粉碎中較常應用，因為實踐經驗較多，所以設備性能指標及功能作用較為穩定，助力相關設備規范化生產與應用，滿足糧食及精飼料加工切實需求。當前此設備研究以應用試驗、結構改良及運行理論為主。例如，崔祥祥（安徽工程大學）等人對錘片式粉碎機的研制進行分析，將可旋轉裝置、粉碎室等結構設計制作視為研究對象，為的是改進刀具、錘片架等裝置，確保相關裝置能拆卸，便于更換與養護，同時刀具規格調整能使粉碎充分性得以提高，這在靈活換刀的條件下可提高秸稈粉碎率，為秸稈資源充分利用給予支持。在改良錘片式粉碎機后，粉碎刀具更換簡便，可以在換刀環節節省較多時間，采用負壓裝置，利用空氣吸入秸稈，使粉碎顆粒收集效果得以優化，解決粉碎環節揚塵較多污染環境的問題。胡圣國（上海禾粟粉碎機公司）研究得出新型錘片式粉碎機，該設備由上體機、下體機兩部分構成，上部進料口超過1個，進料口位置設計翻板，經轉動可固定，位于進料口中位線上，斜向抵靠內壁一側為出料口，翻板下部設有擋板，為的是把上體機、空隙空間分離開來，以免粉碎物料在空間內大量積存并降低粉碎效率。此款設備解決了錘片式粉碎機粉碎室秸稈積攢過多的問題，還能避免機器設備內部存在死角或連續粉碎，使粉碎效率有所提高，粉碎時間減少，為充分利用秸稈資源給予支持。

2.3 揉切式粉碎

在粉碎秸稈時可使用揉切式粉碎機，該機器包括揉碎機、揉搓機兩種，后者的演變基礎為錘片式粉碎機，在結構中篩片被齒板替代，通過高速旋轉將秸稈打碎，加之齒板作用，使秸稈可成為絲狀。揉搓機錘片排列方式為螺旋狀，為的是保障揉搓徹底，用風機將秸稈拋送到設備內，加工物料可達到細碎或破碎的目的，與其他設備相比生產效率較低。以張姬（山東農業大學）等人研究的工控調速揉切設備為例，此設備由刀軸、聯軸器、機架、異步電動機、工控調頻系統、刀片、底殼、軸承座等構件組成，其中異步電動機、工控變頻調速機制相連，刀軸、異步電動機基于聯軸器相連，軸承座將刀軸、底殼連接到一起，在機架上設置底殼，底殼中部靠下位置設有輸送出口，刀軸上排列螺旋式刀片，刀軸沿中線將刀片對稱排列在兩側，操控系統更換刀片并能控制其速度，通過設計制動參數進行比較性試驗，試驗結果顯示此設備具有效率高、便于操作等優勢。當前40型揉搓機（遼寧）及300型揉搓機（安徽）等其他的揉搓機通過鑒定。

20世紀90年代秸稈揉碎加工屬于最為重要且基礎性較強的秸稈資源利用舉措，因為技術及設備利用普遍，所以專業性研究較少[4]。揉碎機可將秸稈制作成絲狀且質地柔軟，根據需要能控制秸稈的粗細及長度等規格，使秸稈作為飼料具有適口性強、便于消化等優勢。

2.4 組合式粉碎

在秸稈加工制作中組合式粉碎設備主要是指利用揉搓、磨搓、粉碎、碰撞等功能，對秸稈加工制作進行綜合性處理，此為新型秸稈粉碎方式[5]。例如，王秋菊（黑龍江農業科學院）等人研制得出集中深埋犁秸稈粉碎裝置，主要包括鏵式犁、粉碎集條機兩部分，機架后面與鏵式犁相連，前面與牽引機械相連，螺旋輸送機、秸稈粉碎刀具安裝在設備的下部，機架上設置變速箱，箱體牽引機械、輸入端與傳動設備連接，輸出端變速箱由第一螺旋軸驅動，同時驅動粉碎刀具，機殼前部為進料槽，出料口、牽引機械正對于一側車輪，出料口在犁頭前方靠外的位置。此機械設備組合方式具有作業成本低、粉碎效率高、操作簡單等優勢，同時在粉碎秸稈的過程中能完成田塊深翻及秸稈搜集等任務，機具功能較多，有效節省人力，繼而有效化解了工作人員數量較少及秸稈粉碎利用壓力較大之間的矛盾。

3 秸稈粉碎設備應用現存問題

通過對我國當前常見秸稈粉碎加工裝置進行分析可知，雖然秸稈資源利用率有所提高，但仍存在機械設備加工處理不及預期的問題，尤其在技術水平不斷提升的新時代，相關設備技術含量有待增加，影響秸稈資源的綜合利用成效，基于此，需對相關設備現存問題進行分析，為今后優化有關機械設備指明方向。

第一，雖然秸稈綜合加工處理方式較多，但配套設備及技術在應用過程中存在成本高、操作難、利用率低等問題，使秸稈資源大量浪費，有些地區秸稈焚燒處理，嚴重污染環境，并不利于秸稈作為寶貴資源的可持續開發利用。

第二，在長桿類秸稈加工處理中鍘草機功能作用較優，然而相關設備在加工短桿秸稈類農作物時卻存在鍘切效果欠佳的現象，切刀與秸稈容易平行，秸稈粉碎率降低，顆粒不均勻，不利于將秸稈與飼料混合在一起，降低飼料適口性及消化吸收有效性。

第三，當前與錘片式粉碎機有關研究較少，主要用來加工制作精料，通過粉碎粗飼料滿足牲畜喂養需求，該設備在使用過程中存在成本高、效率低、能耗大等問題，在加工濕秸稈時容易擁堵機器使之無法繼續粉碎秸稈。

第四，在加工絲狀秸稈時常用揉搓機，為的是保障秸稈能更利于牲畜營養吸收，然而在應用進程中相關設備存在效率較低、適濕性差、能耗高及加工韌性較強秸稈難度較大等問題。

4 發展及應用展望

因為錘片粉碎機內含篩片，所以存在粗飼料加工效率較低的問題，對于部分針狀、尺寸較大的秸稈物料來講，會出現過篩率不及預期的現象。基于此，在改善錘片粉碎機時可從篩片的升級著手，除設計制作可更換篩片外，還可設計無篩片的粉碎機，通過篩片優化處理解決加工不到位、粉碎不充分的問題。秸稈有韌性，在粉碎加工時需考慮到其可能出現的纏軸問題，需在揉絲、粉碎、鍘草加工處理的進程中設計專用性較強的粉碎機，為的是根據秸稈物理性質靈活予以選擇，使加工處理舉措更為豐富，滿足秸稈物料多元化加工處理需求。在秸稈打捆技術應用推廣的過程中，需考慮到方捆秸稈粉碎勞動強度大、生產率低、散捆耗時長等問題，保障設備使用具有科學性、高效性、安全性，將方捆秸稈粉碎專用機械設備視為研究主要方向之一。