玉米秸秆与牛粪混合制粒工艺与设备

○黑龙江省农业机械工程科学研究院牡丹江分院 李 岩 戚雪微

玉米是我国广大农村的传统种植品种，黑龙江省2021年种植面积为8221万亩，总产量3500万吨，年产玉米秸秆4000多万吨。随着国家禁烧政策的落实，玉米秸秆的处理引起越来越多的关注，目前东北地区玉米秸秆利用主要采取三种方式：一是玉米秸秆粉碎还田。由于气温原因，东北地区秸秆当年不能腐熟，且有病虫害存在，影响来年的播种作业。二是作为牲畜饲料。根据问卷调查，目前用作饲料的玉米秸秆仅为总量的三分之一左右。三是作为农户的烧柴。由于不易存放，不卫生，用于烧柴的也越来越少。除上述用处之外，尚有近一半的玉米秸秆被浪费了。如何合理利用这部分资源，就成为迫切解决的问题。

据调查，黑龙江省目前奶牛和肉牛养殖存栏规模为600万—650万头，每头牛一年将产生6吨左右的牛粪，而这些牛粪除了一小部分用作有机肥料外，还有大部分需作无害化处理，尚需一些费用。若能将这部分牛粪晾晒风干后，混入玉米秸秆粉末中，一起制成颗粒，既降低了玉米秸秆的制粒难度，又减少了牛粪对环境的压力，是一件利国利民的好事。

一、玉米秸秆与牛粪混合制粒工艺

玉米秸秆与牛粪混合制粒有两个技术难点。一是先要将秸秆粉碎成粉末状，但玉米秸秆的粉碎工艺效率很低。据试验，一台30瓩的粉碎机，一天的作业量仅有2—4吨。秸秆内部空虚、密度过小，机器喂入困难是决定因素。二是对玉米秸秆还有较严格的含水量要求。含水量过大，制粒冷却后，颗粒变散，又恢复成为粉末状。 因此，在制粒前，还要将其烘干，烘干过程不但消耗能量和人工，而且秸秆粉末极易自然引起火灾。若采用自然干燥又要受到天气状况的制约，而且还需要较大的晾晒场地和保管厂房。

为了彻底解决这一难题，我们在深入调研的基础上，研发设计了以牛粪作为粘合剂，将其和玉米秸秆混合制粒的新工艺，充分利用牛粪有机成份含量较高的特性，从而降低制粒要求，降低生产成本，达到提高经济效益的目的。玉米秸秆和牛粪有效成份见表1、表2。

表1 玉米秸秆有效成份含量表（部分）

表2 风干牛粪有效成份含量表（部分）

1.工艺设计要点。

1）将玉米秸秆自然晾晒至水份为20%左右；

2）将玉米秸秆直接用铡草机切成10—25mm短节，并将秸秆粉碎成条状薄片状。铡切过程效率较高，30瓩的铡草机每小时可铡切2—3吨，是粉碎工艺效率的5—8倍。

3）将牛粪自然晾晒风干，使其水份达到25%以下；

4）把风干后的牛粪粉碎至颗粒度小于5mm；

5）把玉米秸秆和风干牛粪分别送入制粒机的料箱当中，比例为玉米秸秆占总重量的85%—90%，风干牛粪占总重量的10%—15%，进行搅拌制粒作业，出粒后，须经冷却过程，再分装成袋入库。

2.混合后颗粒特点。牛粪和玉米秸秆混合后制成的颗粒，较纯玉米秸秆颗粒有如下特点：发热量大、热值高，经测定可达到3500—3800卡/公斤，大约提高10%左右；颗粒整齐度好，产品光亮整齐，均匀一致，质地坚硬；不存在散粒的现象，耐储存；制粒效率明显提高，经测定效率提高15%—25%，每小时可生产2吨左右；生产成本显著下降，每吨产品可降低数百元，使玉米秸秆颗粒具备市场竞争力。

二、玉米秸秆与牛粪混合制粒工艺设备

以牛粪作为粘结剂与玉米秸秆混合制粒技术工艺流程如图1所示。所需要的主要设施与设备有晾晒场地、牛粪与玉米秸秆的保管厂房、玉米秸秆的铡切机械、牛粪的粉碎机械、混合制粒机械以及分袋、包装设备、成品储存和转场运输设备等。

图1 玉米秸秆和牛粪混合制粒工艺流程

玉米秸秆的晾晒和牛粪的风干场地，应具有较大的面积和较完备的防雨设施，东北地区冬季气温低，夏季晾晒作业需要防雨设施和晒场硬化。玉米秸秆的铡切工艺设备，可选用市场上使用的大中型铡草机就可满足要求，功率在20瓩左右最为合适，每天的作业效率15—20吨，铡切后玉米秸秆成10—20mm的片状最为合适。牛粪的粉碎机械亦可选用通用的锤片粉碎机，选用7—10瓩机型就可满足要求。中间输送设备选用螺旋输送器就可，为防止堵塞其外径应在φ200以上较为合适，但是输送速度应可调整，无级变速最好，以适应玉米秸秆和牛粪的不同混合比例。至于产品的分类、玉米秸秆和牛粪去石、磁选去铁杂等工艺亦可选用现有设备，无须另行研制。在这一项目中，我们重点研究的核心设备就是混合制粘设备。

生物质颗粒燃料在我国只有十多年的发展历程，主要是以木材生产中的边角废料、锯末及树木的枝桠为加工原料，经过粉碎后压制成木质颗粒作为生物质燃料，代替煤炭。近几年，随着木材砍伐数量的减少，木质颗粒原料短缺就成了难题，因此玉米秸秆的离田处理呼声越来越高，特别是国家禁烧政策的落实，玉米秸秆颗粒化燃料就成为木质颗粒燃料理想的替代产品。针对这种情况我们研究设计了混合制粒机。

制粒技术在我国起步较晚，最初的制粒机多以平模为主，主要用于鱼虾、牲畜的粮食饲料加工，由于效率较低，后续发展为环模方式，用于木质颗粒燃料的加工生产。当时的环模制粒机全部采用卧式配置，也即压辊架不作转动，压辊只作自转，不作公转，环形模具转动，这种方式料仓内没有较大的运动部件，对物料搅动较少，容易发生堵塞和架空，而且压辊的抓取能力不强，喂入速度较低，整机效率不高，比重大的木质材料尚可作业，对于秸秆类原料就不太适应。根据这一情况，设计了新的结构：压辊架在动力的驱动下转动，压辊除了随压辊架公转之外，还可自转，环形模具固定在机架上不动。这种方案布局合理，传动链简化，性能可靠。另外压辊付在料室内部转动，每分钟100转左右，具有很强的搅拌作用，可有效地避免物料的架空现象，完全满足生产要求，还省去了专门的混合搅拌工艺及设备。再者，压辊除了随着驱动架公转之外，在与环模的摩擦时，产生自转，使其抓取能力增强，物料的喂入性能大幅度提升，因此使机器的生产率提高，这是一个主要原因。该结构满足生产要求，整机效率高，生产成本低。

三、结论

玉米是我国重要的粮食作物，其秸秆合理地开发利用，可提高农业生产的经济效益，我们研究的以牛粪为粘结剂与玉米秸秆混合制粒技术，可有效地降低玉米秸秆的制粒难度，降低制粒工艺的生产成本，提高产品的市场竞争力，使玉米秸秆颗粒的燃料产生成为可能。在研究过程中，探讨了玉米秸秆的铡切工艺，牛粪的风干程度，两者的混合比例，合理的含水量等关键参数，为规模化生产奠定了技术基础。