农业秸秆纤维加工工艺及设备配置

摘要分析了农业秸秆纤维化的意义,介绍了农业秸秆纤维的加工工艺及专用加工设备,以期为推动农业秸秆纤维化提供指导。

关键词农业秸秆;纤维化;加工工艺;专用设备

中图分类号 F303.2 文献标识码A文章编号 1007-5739(2009)14-0231-02

随着国家经济的飞速发展,对木材的需求量迅速增大。一方面,我国是木材资源短缺的国家,人均森林面积不到世界平均水平的1/4,木材供不应求的局面将会长期存在;另一方面,我国又是农业大国,每年产生约7亿吨的农业秸秆,这是极为丰富宝贵的天然植物纤维资源。

世界上任何植物,无论是参天大树还是花花草草,主要由3类物质组成:纤维素、半纤维素和木质素。农作物秸秆具有和木材相同的植物纤维组成,是代木材料的最佳选择。虽然由秸秆代木在理论上是可行的,但在实际应用上还有一定困难。目前,已开始应用秸秆代替木材,如秸秆生产密度板、刨花板;用秸秆生产木塑复合材料;用秸秆生产建筑墙体材料等。

1农业秸秆纤维化的意义

目前,国内外在秸秆替代木材综合利用上尚没有形成成熟的技术、生产装备与产业化规模。缺乏高效先进、经济适用的工艺技术及专用设备,是严重制约这个产业发展的主要原因。

纤维板是由木材纤维所做成的板材。众所周知,纤维板厂生产的板材首先是将木材原料加工成片状,再经过钢磨将片状的木材搓磨成一定长径比的纤维,经过干燥后施胶搅拌均匀再压制成纤维板;而不是将木材粉碎成粉末再压制成板材,因为纤维状板材与粉末状板材的质量差别很大。在木材资源日渐匮乏的情况下,有的纤维板厂也试图用农业秸秆来替代木材纤维,但是只能将农业秸秆粉碎成粉末或切成碎片,无法将农业秸秆加工成纤维,对纤维板产品的质量有很大的影响。

我国目前农业秸秆在代木的利用上是八仙过海,各显神通。农业秸秆在人造板、木塑、建材等行业的利用虽然轰轰烈烈,但真正有突破性进展的不多,大多数企业都是在利用农业秸秆制作的产品上下的功夫较大,还没有人把农业秸秆作为原材料来加以研究,然而没有好的原材料是做不出好产品的。因此在产品的质量、档次和使用范围上都存有问题。

农业秸秆主要含纤维素、半纤维素、木质素、淀粉、粗蛋白、酶等有机物,还含有氮、磷、钾等营养元素。由于秸秆内含物质的复杂性,在工业利用方面不是简单的粉碎或切断后搅拌均匀再加入某些化工产品经过挤出或压制就能出产品。为克服秸秆碎料表面不易粘合的缺点,必须使用大量昂贵的化学粘胶剂,不但增加了成本,而且在强度、性能上都远不如将秸秆加工成纤维后再制成的产品。

要想使农业秸秆在人造板、木塑、建材等行业的综合利用真正有效的持续发展,必须要把农业秸秆作为原材料加以深入研究,并且在对待不同的行业必须有不同的加工工艺和加工设备。如用秸秆生产饲料,在养猪方面则需要将秸秆处理成粉末状;在养牛方面则需将秸秆处理成条状;用秸秆加工人造板、制备木塑产品、建筑墙体材料,则必须把秸秆处理成纤维状;在有些产品上要将秸秆材料加以改性后才能达到相关的使用要求。犹如塑料行业那样,有聚丙烯、聚乙烯、聚氯乙烯等各种原材料,它就可以根据用户需求生产出不同材料的产品。秸秆的原材料加工就要做到像塑料行业那样有多品种、系列化的原料基地,才能生产出高品质和多元化的产品。

秸秆纤维化以后的用途将更加广泛:一是可以直接压制成秸秆纤维板,在密度和质量上都得到提高。二是可以按一定比例添加到木质纤维板中,替代部分木材。目前,用秸秆纤维添加到木材纤维里压制成纤维板已经过试验,并取得初步成效。三是秸秆纤维化以后,可以将不同的秸秆按不同的比例混合在一起压制成板材,单一材质的板材性能和功能上要好得多,特别是在作为木塑产品的原材料方面表现得更为明显。四是用作木塑产品的原材料比粉碎的秸秆材料在强度和质量上提高不止1个档次。用秸秆纤维替代木质纤维加工成木塑产品已试验成功,经检测已达到标准要求。五是经过改性后的秸秆纤维可以使用普通的粘胶剂,使成本大大降低。如果不将秸秆纤维化,在材料改性方面就不易进行,且改性效果不明显。六是可以加工成编织品(当然这需要将秸秆加工成一定长径比的秸秆纤维,比用作其他产品的纤维加工要求条件更高一点)。

秸秆纤维化以后的用途非常广泛,但仍未能进行大量生产,主要是因为秸秆纤维的加工工艺比较复杂,成本较高,加上秸秆在代木上我国目前还处于初级阶段,没有真正推广开来。

2农业秸秆纤维加工的工艺

农业秸秆的成分比较复杂,秸秆与木材原料相比,纤维长度较短,抽提物含量较高,灰分比例较大,表面含有丰富的不利于胶合的物质,易腐、易燃、易霉。这些基本特点决定了要采用特殊的加工工艺和专用的设备。

用农业秸秆替代木材在我国虽然已有一定的年数,但真正重视和发展起来是近几年的事,因此在秸秆纤维化的加工上也是试验和探索性的,在工艺和设备上没有形成统一的标准。要将秸秆加工成纤维状,最难解决的是要保持秸秆表皮与内部的一致性。当前国内外秸秆纤维的加工工艺主要有以下几种:

(1)分离法。将秸秆切段后进行喷蒸处理,再用纤维解离设备将秸秆表面含有不利于胶合的物质进行有效分离,尽可能使秸秆原料呈纤维状,然后经过干燥得到秸秆纤维(图1)。这种工艺比较复杂,需用设备较多,成本较高。

(2)电磨法。这种秸秆纤维的加工工艺与分离法大同小异,也是要经过加温蒸煮后再用电磨将其加工成纤维(图2)。

(3)搓揉法。这种工艺与以上2种方法差不多,就是分离、电磨设备换成了搓揉设备,不同的地方在于设备成本和效率的高低(图3)。

(4)汽爆法。汽爆法采用的是类似于爆米花的一种工艺,将秸秆放入一压力容器中加温、加压,然后瞬间打开释放压力,致使秸秆膨胀分离成纤维状(图4)。

前3种的秸秆纤维加工工艺基本上差不多,就是在加温过程中所添加的化学试剂和纤维的加工设备上有所区别;而汽爆法是将加温和纤维分离合在一起,比前3种少了1道工序。相比较而言,搓揉法是最好的一种工艺,它可以一直把秸秆搓揉到所需要的纤维状为止;而其他几种工艺都是不可逆的,如果剩有少量没有加工成纤维的秸秆是没有办法反复加工的,多少都有一点缺陷。

总的来说,目前的秸秆纤维加工工艺还是比较复杂的,所需设备较多、进出料麻烦、所需时间较长且效率不高,因此成本较大。

3农业秸秆纤维的专用加工设备

因为农业秸秆是一种重量轻、体积大的材料。为了保证加工的产量,必须把设备做得很庞大,这样生产的车间和材料进出的场地也需要很大,给企业增加了额外的负担。因此,秸秆纤维的生产一直没有形成产业,也直接影响了下游企业的生产要求。

我国目前需要的是一种专用的秸秆纤维加工设备,能一步法大批量生产符合要求的秸秆纤维产品,并可根据用户要求随时调整使其达到一定长径比的秸秆纤维产品。目前已有科研单位研制出一步法加工秸秆纤维的设备,并获得了发明专利。它采用的是搓揉法加工工艺,将秸秆切段、蒸煮(也就是加温、加压、添加化学试剂)、搓揉、干燥几个工序放在1个设备里完成,减少了上下料的步骤,缩短了加工时间,也减少了材料的损耗(图5)。该加工设备主要的突破是在秸秆加温、加压、蒸煮过程中同时进行初步搓揉,在进一步搓揉的过程中进行干燥。另外,它还可以调节秸秆纤维加工的长径比,且没有废水产生。

农业秸秆纤维专用制备装置的主要结构是:在主机架上依次安装秸秆喂送平台、1对送料轧辊;送料轧辊出料口处设有定刀片和动刀片;机架中部皮带轮联轴器的两端分别连接电扇和飞锤搓揉机构;机架中后部安装另一个飞锤搓揉机构;出料为一螺旋输出机构。农业秸秆纤维专用制备装置结构简单,自动化程度高,可实现连续生产,能耗低,生产周期短,并且维修方便,解决了缺乏农业秸秆纤维专用生产设备的问题。

农业秸秆纤维专用制备装置的主要特点是:能加工所有的农业秸秆,主要加工以稻草、麦秸秆、油菜秸秆等比较柔软的禾本科秸秆为主,对于棉花秸秆等较硬的木本秸秆,则必须更换备用的刀片和搓揉的飞锤。虽然麻烦一点,但是它可以在一台设备里完成所有的农业秸秆加工,减少了设备投资。

4参考文献

[1] 李凯夫,彭万喜.国内外秸秆制人造板的研究现状与趋势[J].世界林业研究,2004(2):34-36.

[2] 刘伯元,俞祝生.木塑复合材料的确定之——秸秆生物质纤维的研究[J].塑料技术,2007(2):3-11.