生物質(zhì)育苗缽熱壓成型特性試驗(yàn)分析.pdf

年第 期農(nóng)機(jī)使用與維修 生物質(zhì)育苗缽熱壓成型特性試驗(yàn)分析 馬永財(cái) 滕 達(dá) 王漢羊 毛 欣 李昊庭 呂 卓 黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)工程學(xué)院 黑龍江大慶 摘 要 為解決農(nóng)牧業(yè)有機(jī)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(duì)生物質(zhì)育苗缽成型特性進(jìn)行試驗(yàn)研究 結(jié)果表明 成型壓力 成型溫度 秸稈 含量 含水率對(duì)成型特性具有顯著影響 當(dāng)成型溫度在 秸稈含量為 含水率為 時(shí) 成型育苗缽抗破壞強(qiáng)度和耐久度均達(dá)到峰值 成型壓力與抗破壞強(qiáng)度和耐久度呈正相關(guān) 研究結(jié)果可為農(nóng) 牧有機(jī)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(lèi)號(hào) 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 基金項(xiàng)目 黑龍江省自然科學(xué)基金項(xiàng)目 黑龍 江八一農(nóng)墾大學(xué)三橫三縱支持計(jì)劃項(xiàng)目 黑龍江省教育廳科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng) 目 作者簡(jiǎn)介 馬永財(cái) 男 山東莒縣人 博士 副教授 研究方向?yàn)榻斩捑C合利用和保護(hù)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(kāi)發(fā)戰(zhàn)略中發(fā)揮了積極的作用 盡管我國(guó)是合成 肥料的生產(chǎn)和消費(fèi)大國(guó) 但作為潛在資源的農(nóng)作物 秸稈和禽畜糞便并沒(méi)有得到有效利用 在過(guò)去 中 國(guó)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(fèi) 還對(duì)環(huán)境造成了 污染 當(dāng)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(jià)格低 可重 復(fù)使用等優(yōu)點(diǎn)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(guò)程中需要從育苗缽 中取出苗坨進(jìn)行移栽 此過(guò)程會(huì)對(duì)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(zhǎng) 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(huì)對(duì)土壤和環(huán)境造成污染等問(wèn) 題 因此 開(kāi)展生物質(zhì)育苗缽成型特性試驗(yàn)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(shí)現(xiàn)了秸稈的還田循環(huán)利用 又實(shí)現(xiàn)了秸稈和動(dòng) 物糞便的資源化 綜合化和高值化利用 對(duì)實(shí)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(duì)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(duì)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(yàn)材料 水稻秸稈取自黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)試驗(yàn)田 發(fā) 酵牛糞選自中國(guó)山東省肥沃農(nóng)資有限公司 水稻 秸稈經(jīng) 粉碎機(jī)粉碎 利用 標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)篩將水稻秸稈分級(jí)處理 并對(duì)發(fā)酵牛 糞進(jìn)行過(guò)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(fēng)處自然晾干 后采用塑料密封袋 農(nóng)機(jī)使用與維修 年第 期 保存待用 儀器與設(shè)備 生物質(zhì)育苗缽成型壓力機(jī)及配套模具如圖 所 示 該設(shè)備主要由壓縮成型系統(tǒng) 加熱冷卻系統(tǒng) 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng) 部分組成 育苗缽壓縮成型模具 依據(jù)常見(jiàn)規(guī)格 穴育苗盤(pán)尺寸 設(shè)計(jì) 育苗缽?fù)鈴?育苗缽底直徑 高 壁厚 圖 壓縮成型設(shè)備簡(jiǎn)圖 試驗(yàn)用 型微機(jī)控制電子式萬(wàn)能試 驗(yàn)機(jī) 精準(zhǔn)等級(jí)為 級(jí) 最大壓力為 誤差 秸稈粉碎機(jī) 粉碎程度 目 標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)篩 目 電子分析天平 精度 型水 分自動(dòng)測(cè)量?jī)x 測(cè)量范圍 精度 試驗(yàn)方法 試驗(yàn)設(shè)計(jì) 采用單因素試驗(yàn)方法研究成型壓力 成型溫 度 秸稈含量及含水率對(duì)抗破壞強(qiáng)度和耐久度的影 響 試驗(yàn)因數(shù)及水平如表 所示 表 試驗(yàn)因素和水平 序號(hào)成型壓力 成型溫度 秸稈含量 含水率 根據(jù)預(yù)試驗(yàn)確定壓制育苗缽所需物料為 每次試驗(yàn)前 將模具預(yù)熱 達(dá)到目標(biāo)溫度 隨后 運(yùn)行萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī) 以 的加載速 度進(jìn)行壓縮成型 試驗(yàn)中的力由計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)控 制 最大壓力 達(dá)到試驗(yàn)所需壓力后計(jì)算機(jī) 程序自動(dòng)控制暫停 并保壓 保壓結(jié)束后開(kāi)啟冷 卻系統(tǒng) 當(dāng)模具溫度達(dá)到 以下時(shí)暫停冷卻 啟 動(dòng)萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上升程序 取出成型育苗缽 將育苗 缽標(biāo)記好放在陰涼通風(fēng)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(yàn)樣品圖 指標(biāo)測(cè)定 抗破壞強(qiáng)度 抗破壞強(qiáng)度是模擬在運(yùn)輸和 存儲(chǔ)的過(guò)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(wàn)能試驗(yàn)機(jī)操 作臺(tái)上 通過(guò)電腦控制萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī) 以 的速度向下移動(dòng) 直至生物質(zhì)育苗缽 破碎開(kāi)裂 壓頭返回初始位置 試驗(yàn)過(guò)程中通過(guò)計(jì) 算機(jī)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(qiáng)度 耐久度 耐久度是衡量育苗缽在運(yùn)輸 儲(chǔ)存 過(guò)程中的重要指標(biāo) 根據(jù)歐盟技術(shù)標(biāo)準(zhǔn) 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(lái) 測(cè)量育苗缽的耐久度 滾筒以 的轉(zhuǎn)速 持續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng) 測(cè)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(jì)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(jī)使用與維修 結(jié)果與分析 成型壓力對(duì)成型特性的影響 成型壓力對(duì)抗破壞強(qiáng)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(qiáng)度和耐久度均呈現(xiàn)上升趨勢(shì) 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(qiáng)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(gè)重要參數(shù) 當(dāng)成型壓力較小時(shí)不能使 原料壓實(shí) 甚至不能滿(mǎn)足原料和成型模具間的摩擦 力 導(dǎo)致無(wú)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(dāng)成型壓力 過(guò)大時(shí) 成型育苗缽的抗破壞強(qiáng)度越高耐久度越 強(qiáng) 但過(guò)高的成型壓力會(huì)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(zhǎng) 因此 成型壓力過(guò)大或過(guò)小都 會(huì)影響成型育苗缽的品質(zhì) 只有適當(dāng)?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(duì)成型育苗缽抗破壞強(qiáng)度和耐久度的影響 成型溫度對(duì)成型特性的影響 成型溫度對(duì)抗破壞強(qiáng)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(qiáng)度呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì) 在成 型壓力為 秸稈含量為 物料含水率為 的條件下 當(dāng)成型溫度由 增加至 抗破壞強(qiáng)度由 增大至 當(dāng)繼續(xù)提 高成型溫度至 時(shí) 抗破壞強(qiáng)度由 降 低至 由此可知 當(dāng)溫度低于 時(shí) 隨著溫度的增加 抗壓強(qiáng)度不斷增大 當(dāng)溫度超過(guò) 時(shí) 抗壓強(qiáng)度隨著溫度的增加而降低 這是 因?yàn)闇囟鹊倪m當(dāng)提高有利于秸稈中木質(zhì)素的軟化 和擴(kuò)散 形成實(shí)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(shì) 當(dāng)其他條 件設(shè)置為中間水平 成型溫度由 增加至 耐久度由 增大至 當(dāng)繼 續(xù)提高成型溫度至 時(shí) 耐久度由 降 低至 由此可知當(dāng)溫度大于 時(shí) 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?yàn)檫^(guò)高的溫度會(huì) 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(yīng)該控制在 秸稈含量對(duì)成型特性的影響 秸稈含量對(duì)抗破壞強(qiáng)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(qiáng)度呈現(xiàn)先升高后降低的 趨勢(shì) 在成型壓力 成型溫度 物料 含水率 條件下 當(dāng)秸稈含量由 增加至 抗破壞強(qiáng)度由 增大至 當(dāng) 繼續(xù)提高混合物料中秸稈占比至 抗破壞強(qiáng)度 由 降低至 這是因?yàn)橐欢ǖ慕?稈含量在壓力作用下會(huì)相互纏繞起到 骨架 作用 增加抗壓強(qiáng)度 而當(dāng)秸稈含量過(guò)多牛糞含量較少 時(shí) 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(qiáng)度 農(nóng)機(jī)使用與維修 年第 期 圖 成型溫度對(duì)成型育苗缽抗破壞強(qiáng)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(shì) 當(dāng)其他條 件設(shè)置為中間水平 秸稈含量由 增加至 耐 久度由 增大至 當(dāng)繼續(xù)提高混 合物料中秸稈占比至 抗破壞強(qiáng)度由 降低至 由此可知 適當(dāng)增加秸稈含量可 提高耐久度 但是當(dāng)秸稈含量超過(guò) 時(shí) 耐久度則 呈現(xiàn)降低的趨勢(shì) 這是因?yàn)榻斩捄枯^低時(shí) 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(dāng) 秸稈含量過(guò)大時(shí) 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(yīng)該控制在 范圍內(nèi) 圖 秸稈含量對(duì)成型育苗缽抗破壞強(qiáng)度和耐久度的影響 含水率對(duì)成型特性的影響 含水率對(duì)抗破壞強(qiáng)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(qiáng)度呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì) 在 成型壓力 成型溫度 秸稈含量 條件下 當(dāng)含水率由 增加至 抗破壞強(qiáng)度 由 增大至 當(dāng)繼續(xù)增大物料含 水率至 抗破壞強(qiáng)度由 降低至 這是因?yàn)樗仁钦澈蟿?又是潤(rùn)滑劑 當(dāng)水分含量處于適當(dāng)水平時(shí) 可以提高范德華力 進(jìn)而增加顆粒間的粘結(jié)力 但是 當(dāng)含水率超過(guò)合 理值時(shí) 水作為潤(rùn)滑劑的作用占主導(dǎo)地位 因此 當(dāng)水分含量超過(guò) 時(shí) 由于水作為潤(rùn)滑劑占主導(dǎo) 作用 抗壓強(qiáng)度會(huì)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(qiáng)度呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì) 當(dāng) 其他條件設(shè)置為中間水平 含水率由 增加至 年第 期農(nóng)機(jī)使用與維修 耐久度由 增大至 當(dāng)繼續(xù) 增大物料含水率至 抗破壞強(qiáng)度由 降 低至 水分含量對(duì)耐久度的影響較大 低 水分含量時(shí) 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(shí) 成型過(guò)程中多余水分子會(huì)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(jìn)而降低成型 制品的耐久度 圖 含水率對(duì)成型育苗缽抗破壞強(qiáng)度和耐久度的影響 結(jié)論 采用熱壓成型技術(shù) 對(duì)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(jìn)行了試驗(yàn)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(duì)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(qiáng)度和耐久度均呈現(xiàn)出先增大再減小的趨勢(shì) 當(dāng)成型溫度為 時(shí)抗破壞強(qiáng)度達(dá)到峰值 成型 溫度為 時(shí)耐久度達(dá)到峰值 秸稈含量為 時(shí)抗破壞強(qiáng)度達(dá)到峰值 秸稈含量為 時(shí)耐久度 達(dá)到峰值 含水率為 時(shí) 成型育苗缽抗破壞強(qiáng) 度和耐久度均達(dá)到峰值 隨著成型壓力的不斷增 加 成型育苗缽的抗破壞強(qiáng)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(xiàn) 張曉慶 王梓凡 參木友 等 中國(guó)農(nóng)作物秸稈產(chǎn)量及 綜合利用現(xiàn)狀分析 中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào) 安婧 丁子明 高程程 等 畜禽糞便污染的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn) 與資源化處理技術(shù)分析 環(huán)境科學(xué) 張志軍 王慧杰 李會(huì)珍 等 秸稈育苗缽在棉花育苗 移栽上的應(yīng)用及效益分析 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào) 黃曉曦 孫佳 探究秸稈腐解物覆蓋對(duì)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(duì)玉米秸稈固體燃 料成型效果的影響 山西農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào) 自然科學(xué) 版 饒?jiān)?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(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué) 姜洋 李偉振 蔣恩臣 等 成型參數(shù)對(duì)桉樹(shù)加工剩余 物成型顆粒品質(zhì)影響的實(shí)驗(yàn)研究 太陽(yáng)能學(xué)報(bào)