年第 期農(nóng)機使用與維修 生物質(zhì)育苗缽熱壓成型特性試驗分析 馬永財 滕 達 王漢羊 毛 欣 李昊庭 呂 卓 黑龍江八一農(nóng)墾大學工程學院 黑龍江大慶 摘 要 為解決農(nóng)牧業(yè)有機廢棄物污染 提高可再生資源綜合利用率 以水稻秸稈和發(fā)酵牛糞為原料 采用熱壓 成型技術(shù)制備生物質(zhì)育苗缽 并對生物質(zhì)育苗缽成型特性進行試驗研究 結(jié)果表明 成型壓力 成型溫度 秸稈 含量 含水率對成型特性具有顯著影響 當成型溫度在 秸稈含量為 含水率為 時 成型育苗缽抗破壞強度和耐久度均達到峰值 成型壓力與抗破壞強度和耐久度呈正相關(guān) 研究結(jié)果可為農(nóng) 牧有機廢棄物資源化 綜合化利用提供參考 關(guān)鍵詞 水稻秸稈 發(fā)酵牛糞 育苗缽 成型特性 中圖分類號 文獻標識碼 基金項目 黑龍江省自然科學基金項目 黑龍 江八一農(nóng)墾大學三橫三縱支持計劃項目 黑龍江省教育廳科學技術(shù)研究項 目 作者簡介 馬永財 男 山東莒縣人 博士 副教授 研究方向為秸稈綜合利用和保護性耕作技術(shù)及 裝備 引言 秸稈和禽畜糞便作為可再生資源 在能源和資 源開發(fā)戰(zhàn)略中發(fā)揮了積極的作用 盡管我國是合成 肥料的生產(chǎn)和消費大國 但作為潛在資源的農(nóng)作物 秸稈和禽畜糞便并沒有得到有效利用 在過去 中 國大部分地區(qū)農(nóng)作物秸稈被焚燒或丟棄 而未經(jīng)有 效處理的牲畜家禽糞便則經(jīng)常排放到地表水 中 這不僅造成了資源浪費 還對環(huán)境造成了 污染 當前農(nóng)作物育苗主要使用由聚乙烯 聚氯乙烯 等材料制得的塑料育苗缽 因其具有價格低 可重 復使用等優(yōu)點被種植者廣泛使用 但由于塑料育苗 缽的透水 透氣性差 在移栽過程中需要從育苗缽 中取出苗坨進行移栽 此過程會對根系造成損傷 移栽后有緩苗期 在一定程度上影響作物生長 此外 塑料育苗缽如果得不到有效處理 泄露到土 壤 水體等自然環(huán)境會對土壤和環(huán)境造成污染等問 題 因此 開展生物質(zhì)育苗缽成型特性試驗研 究 利用熱壓成型技術(shù)制備可降解生物質(zhì)育苗缽 既實現(xiàn)了秸稈的還田循環(huán)利用 又實現(xiàn)了秸稈和動 物糞便的資源化 綜合化和高值化利用 對實現(xiàn)低 碳 環(huán)保 生態(tài) 優(yōu)質(zhì) 高產(chǎn) 高效的農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展 均具有重要意義 以水稻秸稈和發(fā)酵牛糞混合物為研究對象 采 用熱壓成型工藝 探討成型壓力 成型溫度 秸稈含 量及含水率對育苗缽成型特性的影響 以期為生物 質(zhì)育苗缽壓縮成型工藝優(yōu)化提供參考依據(jù) 材料與方法 試驗材料 水稻秸稈取自黑龍江八一農(nóng)墾大學試驗田 發(fā) 酵牛糞選自中國山東省肥沃農(nóng)資有限公司 水稻 秸稈經(jīng) 粉碎機粉碎 利用 標準檢驗篩將水稻秸稈分級處理 并對發(fā)酵牛 糞進行過篩處理 剔除發(fā)酵牛糞中石子等雜質(zhì)后 置于室內(nèi)通風處自然晾干 后采用塑料密封袋 農(nóng)機使用與維修 年第 期 保存待用 儀器與設備 生物質(zhì)育苗缽成型壓力機及配套模具如圖 所 示 該設備主要由壓縮成型系統(tǒng) 加熱冷卻系統(tǒng) 計算機控制系統(tǒng) 部分組成 育苗缽壓縮成型模具 依據(jù)常見規(guī)格 穴育苗盤尺寸 設計 育苗缽外徑 育苗缽底直徑 高 壁厚 圖 壓縮成型設備簡圖 試驗用 型微機控制電子式萬能試 驗機 精準等級為 級 最大壓力為 誤差 秸稈粉碎機 粉碎程度 目 標準檢驗篩 目 電子分析天平 精度 型水 分自動測量儀 測量范圍 精度 試驗方法 試驗設計 采用單因素試驗方法研究成型壓力 成型溫 度 秸稈含量及含水率對抗破壞強度和耐久度的影 響 試驗因數(shù)及水平如表 所示 表 試驗因素和水平 序號成型壓力 成型溫度 秸稈含量 含水率 根據(jù)預試驗確定壓制育苗缽所需物料為 每次試驗前 將模具預熱 達到目標溫度 隨后 運行萬能試驗機 以 的加載速 度進行壓縮成型 試驗中的力由計算機控制系統(tǒng)控 制 最大壓力 達到試驗所需壓力后計算機 程序自動控制暫停 并保壓 保壓結(jié)束后開啟冷 卻系統(tǒng) 當模具溫度達到 以下時暫停冷卻 啟 動萬能試驗機上升程序 取出成型育苗缽 將育苗 缽標記好放在陰涼通風處自然放置 壓制成型后 生物質(zhì)育苗缽如圖 所示 圖 生物質(zhì)育苗缽試驗樣品圖 指標測定 抗破壞強度 抗破壞強度是模擬在運輸和 存儲的過程中作用在生物質(zhì)育苗缽上的力 將壓 制成型的生物質(zhì)育苗缽垂直放置在萬能試驗機操 作臺上 通過電腦控制萬能試驗機 以 的速度向下移動 直至生物質(zhì)育苗缽 破碎開裂 壓頭返回初始位置 試驗過程中通過計 算機控制系統(tǒng)采集育苗缽壓縮力 位移曲線 該曲 線中的峰值即作為育苗缽的抗破壞強度 耐久度 耐久度是衡量育苗缽在運輸 儲存 過程中的重要指標 根據(jù)歐盟技術(shù)標準 使用直徑和深度均為 的旋 轉(zhuǎn)滾筒和垂直于圓筒壁 的擋板來 測量育苗缽的耐久度 滾筒以 的轉(zhuǎn)速 持續(xù)轉(zhuǎn)動 測量育苗缽初始質(zhì)量及磨損后質(zhì) 量 記錄數(shù)據(jù)最后根據(jù)公式 計算育苗缽耐 久度 式中 育苗杯耐久度 為磨損后育苗 缽的質(zhì)量 為育苗缽初始質(zhì)量 年第 期農(nóng)機使用與維修 結(jié)果與分析 成型壓力對成型特性的影響 成型壓力對抗破壞強度和耐久度的影響如圖 所示 由圖 可知 隨成型壓力的增加 成型育苗缽的 抗破壞強度和耐久度均呈現(xiàn)上升趨勢 在成型溫 度為 秸稈含量為 物料含水率為 的 條件下 隨著成型壓力的增加 成型育苗缽的抗破 壞強度和耐久度不斷增加 成型壓力是生物質(zhì)壓 縮成型的一個重要參數(shù) 當成型壓力較小時不能使 原料壓實 甚至不能滿足原料和成型模具間的摩擦 力 導致無法成型或成型產(chǎn)品質(zhì)量低 隨著成型壓 力的增加 物料顆粒間的空隙減少 物料原有結(jié)構(gòu) 重新組合 顆粒間形成范德華力和氫鍵結(jié)合力 提 高了成型育苗缽的塑形能力 然而 當成型壓力 過大時 成型育苗缽的抗破壞強度越高耐久度越 強 但過高的成型壓力會增加制備育苗缽的能耗 加快模具磨損 以及不利于作物秧苗根系穿透育苗 缽 限制根的生長 因此 成型壓力過大或過小都 會影響成型育苗缽的品質(zhì) 只有適當?shù)某尚蛪毫?才能保證成型育苗缽的品質(zhì)和最佳使用效果 圖 成型壓力對成型育苗缽抗破壞強度和耐久度的影響 成型溫度對成型特性的影響 成型溫度對抗破壞強度和耐久度的影響如圖 所示 由圖 可知 隨成型溫度的增加 成型育苗 缽的抗破壞強度呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢 在成 型壓力為 秸稈含量為 物料含水率為 的條件下 當成型溫度由 增加至 抗破壞強度由 增大至 當繼續(xù)提 高成型溫度至 時 抗破壞強度由 降 低至 由此可知 當溫度低于 時 隨著溫度的增加 抗壓強度不斷增大 當溫度超過 時 抗壓強度隨著溫度的增加而降低 這是 因為溫度的適當提高有利于秸稈中木質(zhì)素的軟化 和擴散 形成實心橋 提高成型育苗缽的品質(zhì) 由圖 可知 隨成型溫度的增加 成型育苗 缽的耐久度呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢 當其他條 件設置為中間水平 成型溫度由 增加至 耐久度由 增大至 當繼 續(xù)提高成型溫度至 時 耐久度由 降 低至 由此可知當溫度大于 時 隨 著溫度的不斷增加 成型育苗缽的耐久性不斷降 低 產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因可能是因為過高的溫度會 破壞秸稈內(nèi)部的結(jié)構(gòu)使育苗缽中的天然粘結(jié)劑木 質(zhì)素發(fā)生變質(zhì) 降低內(nèi)部分子之間的結(jié)合度 使成 型育苗缽的耐久度下降 因此 為了保證成型育 苗缽的質(zhì)量 成型溫度應該控制在 秸稈含量對成型特性的影響 秸稈含量對抗破壞強度和耐久度的影響如圖 所示 由圖 可知 隨混合物料中秸稈含量的增 加 成型育苗缽的抗破壞強度呈現(xiàn)先升高后降低的 趨勢 在成型壓力 成型溫度 物料 含水率 條件下 當秸稈含量由 增加至 抗破壞強度由 增大至 當 繼續(xù)提高混合物料中秸稈占比至 抗破壞強度 由 降低至 這是因為一定的秸 稈含量在壓力作用下會相互纏繞起到 骨架 作用 增加抗壓強度 而當秸稈含量過多牛糞含量較少 時 二者不能充分結(jié)合 從而形成松散狀態(tài) 降低了 其抗壓強度 農(nóng)機使用與維修 年第 期 圖 成型溫度對成型育苗缽抗破壞強度和耐久度的影響 由圖 可知 隨秸稈含量的增加 成型育苗 缽的耐久度呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢 當其他條 件設置為中間水平 秸稈含量由 增加至 耐 久度由 增大至 當繼續(xù)提高混 合物料中秸稈占比至 抗破壞強度由 降低至 由此可知 適當增加秸稈含量可 提高耐久度 但是當秸稈含量超過 時 耐久度則 呈現(xiàn)降低的趨勢 這是因為秸稈含量較低時 隨著 秸稈含量的增加 秸稈之間形成固體橋 在范德華 力 氫鍵結(jié)合力等共同作用增加了其耐久度 但當 秸稈含量過大時 雖增多了混合原料中的木質(zhì)素 但由于水稻秸稈的粒徑大于發(fā)酵牛糞 使物料混合 不充分 成型育苗缽易出現(xiàn)斷層現(xiàn)象 從而降低了 耐久度 因此 為了保證成型育苗缽的質(zhì)量 秸 稈含量應該控制在 范圍內(nèi) 圖 秸稈含量對成型育苗缽抗破壞強度和耐久度的影響 含水率對成型特性的影響 含水率對抗破壞強度和耐久度的影響如圖 所 示 由圖 可知 隨含水率的不斷增大 成型育 苗缽的抗破壞強度呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢 在 成型壓力 成型溫度 秸稈含量 條件下 當含水率由 增加至 抗破壞強度 由 增大至 當繼續(xù)增大物料含 水率至 抗破壞強度由 降低至 這是因為水既是粘合劑 又是潤滑劑 當水分含量處于適當水平時 可以提高范德華力 進而增加顆粒間的粘結(jié)力 但是 當含水率超過合 理值時 水作為潤滑劑的作用占主導地位 因此 當水分含量超過 時 由于水作為潤滑劑占主導 作用 抗壓強度會降低 由圖 可知 隨含水率的不斷增大 成型育 苗缽的抗破壞強度呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢 當 其他條件設置為中間水平 含水率由 增加至 年第 期農(nóng)機使用與維修 耐久度由 增大至 當繼續(xù) 增大物料含水率至 抗破壞強度由 降 低至 水分含量對耐久度的影響較大 低 水分含量時 分子之間的結(jié)合力較弱 耐久度較低 隨著水分含量的增加耐久度增加 水分含量較高 時 成型過程中多余水分子會填充在顆粒之間 阻 斷顆粒與顆粒間分子結(jié)合力的形成 進而降低成型 制品的耐久度 圖 含水率對成型育苗缽抗破壞強度和耐久度的影響 結(jié)論 采用熱壓成型技術(shù) 對水稻秸稈和發(fā)酵牛糞混 合物料制備育苗缽的成型特性進行了試驗研究 研 究結(jié)果表明 成型壓力 成型溫度 秸稈含量及含水 率對成型育苗缽的成型特性均有顯著影響 隨成 型溫度 秸稈含量 含水率的增加 成型育苗缽的抗 破壞強度和耐久度均呈現(xiàn)出先增大再減小的趨勢 當成型溫度為 時抗破壞強度達到峰值 成型 溫度為 時耐久度達到峰值 秸稈含量為 時抗破壞強度達到峰值 秸稈含量為 時耐久度 達到峰值 含水率為 時 成型育苗缽抗破壞強 度和耐久度均達到峰值 隨著成型壓力的不斷增 加 成型育苗缽的抗破壞強度和耐久度均增大 但 考慮能耗和使用效果 成型壓力在 為宜 參考文獻 張曉慶 王梓凡 參木友 等 中國農(nóng)作物秸稈產(chǎn)量及 綜合利用現(xiàn)狀分析 中國農(nóng)業(yè)大學學報 安婧 丁子明 高程程 等 畜禽糞便污染的環(huán)境風險 與資源化處理技術(shù)分析 環(huán)境科學 張志軍 王慧杰 李會珍 等 秸稈育苗缽在棉花育苗 移栽上的應用及效益分析 農(nóng)業(yè)工程學報 黃曉曦 孫佳 探究秸稈腐解物覆蓋對園林土壤理化 性質(zhì)的影響 現(xiàn)代園藝 劉正光 張靜 吳鍇 等 成型參數(shù)對玉米秸稈固體燃 料成型效果的影響 山西農(nóng)業(yè)大學學報 自然科學 版 饒月 劉芮 楊飛 等 煙稈和木屑生物質(zhì)顆粒燃料成 型工藝參數(shù)優(yōu)化 可再生能源 呂東慧 麥秸顆粒制備及能源化成型添加劑的研究 北京 中國農(nóng)業(yè)大學 姜洋 李偉振 蔣恩臣 等 成型參數(shù)對桉樹加工剩余 物成型顆粒品質(zhì)影響的實驗研究 太陽能學報