1、引言
中國(guó)的秸稈資源十分豐富。據(jù)相關(guān)調(diào)查研究顯示，2006年中國(guó)小麥、玉米、稻谷、油菜和棉花等5種主要農(nóng)作物秸稈的理論資源量為4.33億t。其中，可利用資源量約1.76億t。如何將農(nóng)作物秸稈能源化利用已成為一項(xiàng)重要研究課題。目前，秸稈的利用途徑主要有：(1)直接還田占30%；(2)農(nóng)村生活能源占25%：(3)畜牧飼料占l8%；(4)造紙?jiān)险?.6%；(5)養(yǎng)菇占2.3%；(6)焚燒和廢棄占20%。可見除秸稈還田的部分外，秸稈飼用和燃用約占43%，是秸稈利用最主要的2種方式，而焚燒和廢棄的秸稈量占總量的1/5，也可將其轉(zhuǎn)化為燃料或飼料。因此，研究秸稈不同的利用途徑及各種途徑的聯(lián)系與區(qū)別，對(duì)農(nóng)作物秸稈的合理化利用具有深遠(yuǎn)意義。
自20世紀(jì)50年代以來(lái)，中國(guó)把作物秸稈作為牛、羊等牲畜的飼料，加大了秸稈的利用率。尤其是改革開放以來(lái)，秸稈飼用技術(shù)在廣大農(nóng)村得到了較好的推廣和應(yīng)用，加工處理后的秸稈飼料所占比例提高了近1倍，其中加工秸稈顆粒飼料是飼用的主要利用方式之一，主要利用產(chǎn)量較大的環(huán)模式成型機(jī)，使秸稈飼用率提高了5%。目前，秸稈顆粒飼用技術(shù)比較成熟顆粒飼料工藝完善，已完全商業(yè)化推廣。而到20世紀(jì)80年代，中國(guó)才開始研究秸稈固體成型燃料技術(shù)，早期主要以螺旋擠壓機(jī)為主，由于存在主要部件磨損嚴(yán)重、功耗大、運(yùn)行不穩(wěn)定等缺陷，導(dǎo)致成本較高，發(fā)展停滯不前。2000年以來(lái)，改用環(huán)模式成型機(jī)設(shè)備后，生產(chǎn)率大大提高，秸稈固體成型技術(shù)得到較好發(fā)展，成型設(shè)備廣泛應(yīng)用于示范產(chǎn)業(yè)中，但該技術(shù)由于發(fā)展年限較短，相關(guān)研究較少，存在關(guān)鍵部件磨損嚴(yán)重，達(dá)不到設(shè)計(jì)壽命等問題，相關(guān)技術(shù)問題亟待深入研究解決。
秸稈等生物質(zhì)原料經(jīng)
顆粒機(jī)或者
秸稈壓塊機(jī)被壓縮成顆粒，既可以燃用又可以飼用，壓縮設(shè)備主要是環(huán)模式成型機(jī)，秸稈壓縮的原理相同，均是將粉碎秸稈進(jìn)行致密壓縮形成顆粒，但由于用途不同，成型顆粒的特性要求不同，原料的添加劑和工況、工藝流程等方面有顯著差異，使顆粒飼料的設(shè)備不能直接用來(lái)生產(chǎn)秸稈生物質(zhì)固體成型燃料。
因此，筆者以秸稈類生物質(zhì)固體成型燃料和顆粒飼料為研究對(duì)象，分析二者成型后顆粒的不同特性及用途，并分別在原料、壓縮設(shè)備、加工工藝等方面進(jìn)行分析比較，詳細(xì)闡述二者的異同點(diǎn)，提出秸稈的合理化利用方式，為秸稈等生物質(zhì)廢棄物壓縮成型技術(shù)在飼料和燃料方面的應(yīng)用提供合理依據(jù)。
1、秸稈固體成型燃料與顆粒飼料
一般農(nóng)作物秸稈都具有疏松、密度小、單位體積大、熱值低、營(yíng)養(yǎng)元素含量不均、易腐爛、不易存放等缺點(diǎn)。為此，筆者把秸稈壓縮致密成型，制成塊狀或顆粒狀固體，以便于運(yùn)輸和貯存。筆者主要對(duì)比顆粒狀固體成型燃料和顆粒飼料。
1.1秸稈顆粒飼料
單一以秸稈為原料的顆粒飼料的適口性差，經(jīng)過秸稈顆粒機(jī)壓制成而，采食量和消化率及營(yíng)養(yǎng)價(jià)值低，并且秸稈所含纖維素量較高，粗纖維中的纖維素與木質(zhì)素結(jié)合成較為堅(jiān)固的結(jié)構(gòu)，動(dòng)物難以消化利用。反芻動(dòng)物對(duì)秸稈的消化率僅有20%—30%。因此，需要添加輔料，為保證飼料具有豐富的營(yíng)養(yǎng)，秸稈中一般添加蛋白質(zhì)、淀粉、脂肪、糖類等，這樣既改善了顆粒飼料的適口性，增大容重，提高反芻動(dòng)物對(duì)秸稈的采食量，又提高了瘤胃微生物對(duì)秸稈有機(jī)物的降解率，增加了營(yíng)養(yǎng)成分的吸收。
1.2秸稈固體成型燃料
相比于散碎秸稈，經(jīng)壓縮成型后的秸稈固體成型燃料，燃燒特性明顯改善，灰分少，黑煙少。火力持久，爐膛溫度高，燃燒充分，燃燒特性明顯得到了改善。顆粒均勻，可滿足電廠等自動(dòng)上料系統(tǒng)的要求。密度比松散秸稈大6-8倍，使用方便。秸稈成型燃料燃燒速度比煤快，灰塵及NOx、SOx極微量排放，比煤低，干凈衛(wèi)生，保護(hù)環(huán)境。
秸稈固體成型燃料與顆粒飼料的成型尺寸基本一致，粒狀直徑6-12 mm，長(zhǎng)約30-50mm。顆粒飼料由于添加添加劑，其粗纖維和粗蛋白等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)比顆粒飼料高。相比顆粒飼料，成型后的秸稈固體成型燃料的含水率較低，堅(jiān)實(shí)度高，顆粒密度大，存儲(chǔ)期長(zhǎng)。
2、對(duì)比分析
2.1原料對(duì)比
2.1.1原料種類秸稈固體成型燃料與顆粒飼料均使用秸稈等生物質(zhì)作為主要原料。顆粒飼料一般利用農(nóng)作物秸稈作為原料。秸稈固體成型燃料的原料除了可以利用各類農(nóng)作物秸稈外，還有果樹剪枝、果殼、木屑等。
2.1.2原料成分和添加劑秸稈固體成型燃料通常原料較單一，一般不添加或添加少量添加劑。大多數(shù)秸稈原料中半纖維素和纖維素及木質(zhì)素的相對(duì)含量均較高，而且秸稈生物結(jié)構(gòu)存在不均一性，即莖桿、葉、穗、鞘等各占一定比例，各部分的化學(xué)成分及纖維形態(tài)差異很大。秸稈存在大量灰分，且主要以硅酸鹽形式存在，無(wú)任何黏著力，且摩擦大，有腐蝕性，損耗模具，甚至堵塞模孔，降低生產(chǎn)率，且對(duì)機(jī)器設(shè)備損耗大，能耗高。研究顯示，目前沒有有利于成型的相關(guān)添加劑的研究，而是針對(duì)減少燃燒后的結(jié)渣以及減少對(duì)燃燒器的損壞問題等的研究，添加劑的成分有Ca0、Mg0、白云石、高嶺土、硅藻土等，但此類添加劑對(duì)成型無(wú)顯著影響。
飼料顆粒通常在原料中添加一些輔助配料，以增加顆粒飼料的營(yíng)養(yǎng)成分。顆粒飼料中常添加蛋白質(zhì)、淀粉、脂肪、糖類等物質(zhì)。添加的成分中，天然蛋白質(zhì)在熱的作用下具有良好的可塑性，而且有增黏效果，所以蛋白質(zhì)含量高的原料生產(chǎn)出的顆粒質(zhì)量較好，如豆粕等；淀粉相對(duì)容重較大，且能在水和熱作用下發(fā)生糊化，具有較強(qiáng)的黏著力，易成型；脂肪對(duì)成型產(chǎn)量和質(zhì)量有明顯影響，添加1%~3%不僅可提高成型機(jī)的產(chǎn)量，還可降低模輥損耗；為增強(qiáng)適口性和提高飼料能量，通常在原料中還添加糖蜜，添加適量，可提高顆粒黏結(jié)效果。各添加劑對(duì)成型均具有促進(jìn)作用。劉沛民的研究得出，影響顆粒飼料質(zhì)量的因素及所占比例分別是：配方40%，粉碎粒度20%，調(diào)質(zhì)20%，成型機(jī)規(guī)格15%，冷卻干燥5%。可見，飼料的配方是影響成型的主要因素。因此，顆粒飼料比秸稈固體成型燃料易成型，對(duì)模具磨損小。
2.1.3原料水分和粒度顆粒飼料中，為保證顆粒的質(zhì)量，水分含量要有一定限制，水分分原料本身含有和添加兩種。原料本身含有水分在I2%-13%為宜，對(duì)高纖維高天然蛋白質(zhì)含量高的原料，所含水分不宜超過13%—14%。一般物料總水分為16%-18%為宜。而秸稈固體成型燃料一般要求原料含水率為10%-25%，與顆粒飼料對(duì)水分含量要求基本一致，但燃料對(duì)含水率的要求范圍較寬泛。顆粒飼料的含水量范圍小，物料的水分較均勻，成型效果更佳。秸稈粉碎粒度要求，飼料和燃料的基本一致，一般生產(chǎn)直徑為8 mm的顆粒，粒度應(yīng)<10 mm，且>6 mm的物料不超過20%。
秸稈固體成型燃料比飼料難成型，異同點(diǎn)分析見表2，主要是添加劑種類不同，飼料的添加劑均有利于成型。其次是含水率控制范圍不同，顆粒飼料水分控制較嚴(yán)格，而成型燃料水分要求較寬泛，物料水分的不均勻性導(dǎo)致固體成型燃料成型效果不如顆粒飼料。
2.2工藝過程對(duì)比
秸稈固體成型燃料和顆粒飼料工藝路線如圖l和圖2所示。二者工藝流程有一定差別，顆粒飼料的加工工藝較秸稈固體成型燃料復(fù)雜，增加了去雜、混合、調(diào)質(zhì)和外涂等工序．
2.2.1原料準(zhǔn)備工序顆粒飼料生產(chǎn)的原料準(zhǔn)備工序一般有去大雜、鐵雜的過程。而目前生產(chǎn)生物質(zhì)成型燃料沒有去雜工序，原料的狀況很復(fù)雜，容易混雜土塊、碎石子、鐵屑等影響設(shè)備生產(chǎn)。
2.2.2粉碎粉碎工序燃料與飼料的要求大致相同。此工序直接影響物料粒度的大小，一般情況下，原料粉碎度越細(xì)，成型質(zhì)量越高，但能耗也越大。由于粉碎粒度粗的原料表面積小，熱和水分的傳遞速度較慢，有時(shí)還會(huì)發(fā)生成型的顆粒尚未擠出模孔就失去了塑性變性能力，最后堵死在橫孔中．粉碎粒度過粗，成型后較易破碎，穩(wěn)定性較差，同時(shí)，還會(huì)在接觸部件上產(chǎn)生研磨作用，增大摩擦力，增大能耗，降低產(chǎn)量，無(wú)論是生產(chǎn)秸稈固體成型燃料還是顆粒飼料，粉碎粒度的大小直接影響成型的好壞及模具的壽命和能耗，此工序是工藝過程中不可缺省的一部分。
2.2.3混合顆粒飼料中，為保證產(chǎn)品的營(yíng)養(yǎng)紐分含量和均勻性，配料精度與混合均勻度要求比較高，使用專門的混合設(shè)備混合，物料更均勻。而生產(chǎn)秸稈固體成型燃料粉碎后即進(jìn)行壓制，沒有專用混合設(shè)備，混合工序要求不嚴(yán)格，物料均勻性差，且物料粒度有可能大小不一。
2,2.4調(diào)制與調(diào)濕飼料工藝中調(diào)質(zhì)效果對(duì)成型工藝的影響顯得尤為重要。調(diào)質(zhì)是為成型做準(zhǔn)備的過程，是對(duì)飼料進(jìn)行水熱處理，該過程使淀粉糊化、蛋白質(zhì)變性、飼料軟化，既提高壓制顆粒的質(zhì)量和效果，又提高飼料的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值，改善飼料的適口性及其消化吸收率。經(jīng)濕熱處理，物料的組織結(jié)構(gòu)也發(fā)生了變化，使其流動(dòng)性好，有利于成型，調(diào)質(zhì)軟化了飼料，減少磨擦生熱和模輥磨損，節(jié)約電耗，同時(shí)降低了顆粒飼料破碎率，提高顆粒質(zhì)量和設(shè)備生產(chǎn)率，減少維修費(fèi)用等。實(shí)驗(yàn)表明，在適宣調(diào)質(zhì)條件下，用蒸汽調(diào)質(zhì)比不用蒸汽生產(chǎn)率提高l倍以上，降低電耗23%左右，大大降低了生產(chǎn)成本。而秸稈固體成型燃料一般沒有調(diào)制工藝，僅通過螺旋輸送機(jī)將物料輸送到成型機(jī)，這一過程只有一定攪拌作用，沒有改變?cè)咸匦浴榱吮３謮褐七^程中含水率的范圍，有些秸稈固體成型燃料在輸送過程中增加調(diào)濕工序，達(dá)到原料成型的適宜水分。
2.2.5成型秸稈壓縮主要利用環(huán)模式成型機(jī)，其主要原理是工作時(shí)，原料在配料倉(cāng)內(nèi)加入粘結(jié)劑，并由配科倉(cāng)內(nèi)的抄板進(jìn)行攪拌混合，調(diào)質(zhì)處理，隨后螺旋供料器將物料喂入壓粒器制粒。在壓粒器內(nèi)，勻料板將調(diào)質(zhì)好的物料均勻地分配到模、輥之間。環(huán)模由電機(jī)帶動(dòng)回轉(zhuǎn)，安裝于環(huán)模內(nèi)的壓輥（一般2～3只）由壓模通過模輥間的物料及其間的摩擦力使壓輥?zhàn)赞D(zhuǎn)不公轉(zhuǎn)，由于模、輥的旋轉(zhuǎn)，將模、輥間的物辯鉗入、擠壓，最后成條柱狀從模孔中被連續(xù)擠出來(lái)，再由安裝在壓模外面的固定切刀切成一定長(zhǎng)度的顆粒燃料，其結(jié)構(gòu)原理如圖3所示。環(huán)模式成型機(jī)目前大多用于生產(chǎn)飼料顆粒，一些燃料廠直接利用飼料成型設(shè)備生產(chǎn)秸稈固體成型燃料，工作中出現(xiàn)了關(guān)鍵部件磨損快、易堵塞、生產(chǎn)不連續(xù)等問題。原因是秸稈固體成型燃料生產(chǎn)工況條件差，含有許多雜質(zhì)，灰塵大，生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)易，對(duì)成型機(jī)的損耗大，能量消耗高，生產(chǎn)率下降，環(huán)模和壓輥易損。顆粒飼料成型設(shè)備不可直接生產(chǎn)秸稈固體成型燃料，為縮短生物質(zhì)固體燃料成型設(shè)備的研究周期，可以借鑒顆粒飼料設(shè)備的基本原理，根據(jù)秸稈固體成型燃料基本特性與工況要求改進(jìn)并設(shè)計(jì)出合理的生產(chǎn)工藝及設(shè)備，滿足秸稈固體成型燃料生產(chǎn)要求。
2.2.6外涂生產(chǎn)高能飼料一般采用外涂的方式，一些動(dòng)物在脂肪中獲取必要的脂肪酸，將這些脂肪油在成型前加入飼料顯然是不恰當(dāng)?shù)模瑸楸ＷC其營(yíng)養(yǎng)，均在成型后顆粒表面涂上一層，以利于脂肪酸的吸收。外涂使飼料顆粒表面更加光滑而富有光澤性，不易掉渣。秸稈固體成型燃料無(wú)需外涂工序。
二者工藝的異同點(diǎn)，如表3所示。顆粒飼料的混合、調(diào)質(zhì)和外涂工藝過程均有利于顆粒的成型，且降低了對(duì)成型機(jī)的磨損，保證模輥的正常使用壽命，這些都是秸稈固體成型燃料生產(chǎn)工藝不具備的，增加了對(duì)秸稈固體成型燃料生產(chǎn)設(shè)備的耐磨損性要求。
3、秸稈的合理化利用
中國(guó)北方大部分地區(qū)主要生產(chǎn)玉米秸稈，玉米秸稈主要由葉片、莖髓和外皮構(gòu)成。莖髓和葉片含有豐富的粗蛋白、粗脂肪、半纖維素和糖類等，是牲畜的優(yōu)良飼料。外皮的主要成分是纖維素和木質(zhì)素，纖維素和木質(zhì)素的含量高，燃燒熱值相對(duì)較高，可用作良好秸稈固體成型燃料。
根據(jù)秸稈各器官部位的成分不同，可將秸稈分解利用。利用皮穰分離技術(shù)將秸稈分解，分離后的莖髓和葉片適口性好，由于外皮纖維及木質(zhì)素的剔除，總體營(yíng)養(yǎng)成份增加超過30%，其中粗蛋白相對(duì)提高了40.5%、粗纖維下降了35%，提高了牲畜食用時(shí)的采食率和消化率，成為高蛋白的優(yōu)良飼料。分離后的玉米秸稈的莖皮木質(zhì)素和纖維素含量較高，纖維素含量達(dá)44.6%，且原料更加均勻，有利于成型，燃燒熱值高，更適宜制成優(yōu)質(zhì)秸稈固體成型燃料。
但是目前皮穰分離技術(shù)不夠成熟，皮穰分離機(jī)還沒有得到有效推廣使用。目前很多地區(qū)的秸稈不進(jìn)行加工，而直接投喂，牲畜主要食用葉片和莖稈的上半段，造成秸稈浪費(fèi)十分嚴(yán)重。相關(guān)研究表明，不同部位熱值及纖維素、木質(zhì)素含量從秸稈的上部到下部逐漸增多，半纖維素含量逐漸減少，而營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)恰好相反。可根據(jù)實(shí)際情況，采用飼料廠和燃料廠互用秸稈方式，在直接喂食秸稈地區(qū)采用牲畜食用后的剩余秸稈與燃料廠收集的秸稈進(jìn)行1：1等量交換；而在有顆粒飼料廠地區(qū)采取莖稈的上下部截?cái)喾绞剑习攵物曈茫掳攵稳加谩＿@樣既增加了秸稈的利用率，降低了秸稈的原料成本，又解決了原料的飼用和燃用互爭(zhēng)問題，達(dá)到了飼料廠和燃料廠雙贏目的。
4、結(jié)論
(1)盡管顆粒飼料和生物質(zhì)固體燃料的成型原理相同，但是二者的原料添加劑、生產(chǎn)工藝過程和用途等存在明顯差異。顆粒飼料的生產(chǎn)設(shè)備和工藝不能直接用來(lái)加工生物質(zhì)固體燃料，但可以借鑒飼料的環(huán)模式成型原理來(lái)縮短設(shè)計(jì)周期。
(2)為降低成本，滿足生產(chǎn)要求條件下，生物質(zhì)固體燃料工藝過程應(yīng)盡量簡(jiǎn)化，使生產(chǎn)能耗降低；為增加成型機(jī)壽命和工作連續(xù)性，應(yīng)改進(jìn)成型機(jī)的關(guān)鍵部件環(huán)模和壓輥的材料等，以適應(yīng)生物質(zhì)固體燃料的工況要求。
(3)秸稈等生物質(zhì)的飼用和燃用用途，對(duì)秸稈分級(jí)利用，將營(yíng)養(yǎng)豐富的葉片等用作飼料，將纖維素含量高的莖稈等用作燃料。可利用皮穰分離技術(shù)或等量交換方式等，達(dá)到秸稈的最大利用效果。
5、討論
(1)本研究主要針對(duì)農(nóng)作物秸稈的飼用和燃用進(jìn)行討論，對(duì)其他種類的農(nóng)業(yè)廢棄物（如豆秸等）的利用，以及秸稈的其他用途（如纖維素乙醇等）未作過多論述。
(2)本研究從秸稈合理化利用的角度出發(fā)，雖然提出了秸稈分級(jí)利用的理念，但有待于深入研究，包括營(yíng)養(yǎng)、燃燒特性分析、經(jīng)濟(jì)對(duì)比等，從而提出秸稈資源利用的最佳方案。
