生物质育苗钵热压成型特性试验分析.pdf

年第 期农机使用与维修 生物质育苗钵热压成型特性试验分析 马永财 滕 达 王汉羊 毛 欣 李昊庭 吕 卓 黑龙江八一农垦大学工程学院 黑龙江大庆 摘 要 为解决农牧业有机废弃物污染 提高可再生资源综合利用率 以水稻秸秆和发酵牛粪为原料 采用热压 成型技术制备生物质育苗钵 并对生物质育苗钵成型特性进行试验研究 结果表明 成型压力 成型温度 秸秆 含量 含水率对成型特性具有显著影响 当成型温度在 秸秆含量为 含水率为 时 成型育苗钵抗破坏强度和耐久度均达到峰值 成型压力与抗破坏强度和耐久度呈正相关 研究结果可为农 牧有机废弃物资源化 综合化利用提供参考 关键词 水稻秸秆 发酵牛粪 育苗钵 成型特性 中图分类号 文献标识码 基金项目 黑龙江省自然科学基金项目 黑龙 江八一农垦大学三横三纵支持计划项目 黑龙江省教育厅科学技术研究项 目 作者简介 马永财 男 山东莒县人 博士 副教授 研究方向为秸秆综合利用和保护性耕作技术及 装备 引言 秸秆和禽畜粪便作为可再生资源 在能源和资 源开发战略中发挥了积极的作用 尽管我国是合成 肥料的生产和消费大国 但作为潜在资源的农作物 秸秆和禽畜粪便并没有得到有效利用 在过去 中 国大部分地区农作物秸秆被焚烧或丢弃 而未经有 效处理的牲畜家禽粪便则经常排放到地表水 中 这不仅造成了资源浪费 还对环境造成了 污染 当前农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钵 因其具有价格低 可重 复使用等优点被种植者广泛使用 但由于塑料育苗 钵的透水 透气性差 在移栽过程中需要从育苗钵 中取出苗坨进行移栽 此过程会对根系造成损伤 移栽后有缓苗期 在一定程度上影响作物生长 此外 塑料育苗钵如果得不到有效处理 泄露到土 壤 水体等自然环境会对土壤和环境造成污染等问 题 因此 开展生物质育苗钵成型特性试验研 究 利用热压成型技术制备可降解生物质育苗钵 既实现了秸秆的还田循环利用 又实现了秸秆和动 物粪便的资源化 综合化和高值化利用 对实现低 碳 环保 生态 优质 高产 高效的农业可持续发展 均具有重要意义 以水稻秸秆和发酵牛粪混合物为研究对象 采 用热压成型工艺 探讨成型压力 成型温度 秸秆含 量及含水率对育苗钵成型特性的影响 以期为生物 质育苗钵压缩成型工艺优化提供参考依据 材料与方法 试验材料 水稻秸秆取自黑龙江八一农垦大学试验田 发 酵牛粪选自中国山东省肥沃农资有限公司 水稻 秸秆经 粉碎机粉碎 利用 标准检验筛将水稻秸秆分级处理 并对发酵牛 粪进行过筛处理 剔除发酵牛粪中石子等杂质后 置于室内通风处自然晾干 后采用塑料密封袋 农机使用与维修 年第 期 保存待用 仪器与设备 生物质育苗钵成型压力机及配套模具如图 所 示 该设备主要由压缩成型系统 加热冷却系统 计算机控制系统 部分组成 育苗钵压缩成型模具 依据常见规格 穴育苗盘尺寸 设计 育苗钵外径 育苗钵底直径 高 壁厚 图 压缩成型设备简图 试验用 型微机控制电子式万能试 验机 精准等级为 级 最大压力为 误差 秸秆粉碎机 粉碎程度 目 标准检验筛 目 电子分析天平 精度 型水 分自动测量仪 测量范围 精度 试验方法 试验设计 采用单因素试验方法研究成型压力 成型温 度 秸秆含量及含水率对抗破坏强度和耐久度的影 响 试验因数及水平如表 所示 表 试验因素和水平 序号成型压力 成型温度 秸秆含量 含水率 根据预试验确定压制育苗钵所需物料为 每次试验前 将模具预热 达到目标温度 随后 运行万能试验机 以 的加载速 度进行压缩成型 试验中的力由计算机控制系统控 制 最大压力 达到试验所需压力后计算机 程序自动控制暂停 并保压 保压结束后开启冷 却系统 当模具温度达到 以下时暂停冷却 启 动万能试验机上升程序 取出成型育苗钵 将育苗 钵标记好放在阴凉通风处自然放置 压制成型后 生物质育苗钵如图 所示 图 生物质育苗钵试验样品图 指标测定 抗破坏强度 抗破坏强度是模拟在运输和 存储的过程中作用在生物质育苗钵上的力 将压 制成型的生物质育苗钵垂直放置在万能试验机操 作台上 通过电脑控制万能试验机 以 的速度向下移动 直至生物质育苗钵 破碎开裂 压头返回初始位置 试验过程中通过计 算机控制系统采集育苗钵压缩力 位移曲线 该曲 线中的峰值即作为育苗钵的抗破坏强度 耐久度 耐久度是衡量育苗钵在运输 储存 过程中的重要指标 根据欧盟技术标准 使用直径和深度均为 的旋 转滚筒和垂直于圆筒壁 的挡板来 测量育苗钵的耐久度 滚筒以 的转速 持续转动 测量育苗钵初始质量及磨损后质 量 记录数据最后根据公式 计算育苗钵耐 久度 式中 育苗杯耐久度 为磨损后育苗 钵的质量 为育苗钵初始质量 年第 期农机使用与维修 结果与分析 成型压力对成型特性的影响 成型压力对抗破坏强度和耐久度的影响如图 所示 由图 可知 随成型压力的增加 成型育苗钵的 抗破坏强度和耐久度均呈现上升趋势 在成型温 度为 秸秆含量为 物料含水率为 的 条件下 随着成型压力的增加 成型育苗钵的抗破 坏强度和耐久度不断增加 成型压力是生物质压 缩成型的一个重要参数 当成型压力较小时不能使 原料压实 甚至不能满足原料和成型模具间的摩擦 力 导致无法成型或成型产品质量低 随着成型压 力的增加 物料颗粒间的空隙减少 物料原有结构 重新组合 颗粒间形成范德华力和氢键结合力 提 高了成型育苗钵的塑形能力 然而 当成型压力 过大时 成型育苗钵的抗破坏强度越高耐久度越 强 但过高的成型压力会增加制备育苗钵的能耗 加快模具磨损 以及不利于作物秧苗根系穿透育苗 钵 限制根的生长 因此 成型压力过大或过小都 会影响成型育苗钵的品质 只有适当的成型压力 才能保证成型育苗钵的品质和最佳使用效果 图 成型压力对成型育苗钵抗破坏强度和耐久度的影响 成型温度对成型特性的影响 成型温度对抗破坏强度和耐久度的影响如图 所示 由图 可知 随成型温度的增加 成型育苗 钵的抗破坏强度呈现先上升后下降的趋势 在成 型压力为 秸秆含量为 物料含水率为 的条件下 当成型温度由 增加至 抗破坏强度由 增大至 当继续提 高成型温度至 时 抗破坏强度由 降 低至 由此可知 当温度低于 时 随着温度的增加 抗压强度不断增大 当温度超过 时 抗压强度随着温度的增加而降低 这是 因为温度的适当提高有利于秸秆中木质素的软化 和扩散 形成实心桥 提高成型育苗钵的品质 由图 可知 随成型温度的增加 成型育苗 钵的耐久度呈现先上升后下降的趋势 当其他条 件设置为中间水平 成型温度由 增加至 耐久度由 增大至 当继 续提高成型温度至 时 耐久度由 降 低至 由此可知当温度大于 时 随 着温度的不断增加 成型育苗钵的耐久性不断降 低 产生这一现象的原因可能是因为过高的温度会 破坏秸秆内部的结构使育苗钵中的天然粘结剂木 质素发生变质 降低内部分子之间的结合度 使成 型育苗钵的耐久度下降 因此 为了保证成型育 苗钵的质量 成型温度应该控制在 秸秆含量对成型特性的影响 秸秆含量对抗破坏强度和耐久度的影响如图 所示 由图 可知 随混合物料中秸秆含量的增 加 成型育苗钵的抗破坏强度呈现先升高后降低的 趋势 在成型压力 成型温度 物料 含水率 条件下 当秸秆含量由 增加至 抗破坏强度由 增大至 当 继续提高混合物料中秸秆占比至 抗破坏强度 由 降低至 这是因为一定的秸 秆含量在压力作用下会相互缠绕起到 骨架 作用 增加抗压强度 而当秸秆含量过多牛粪含量较少 时 二者不能充分结合 从而形成松散状态 降低了 其抗压强度 农机使用与维修 年第 期 图 成型温度对成型育苗钵抗破坏强度和耐久度的影响 由图 可知 随秸秆含量的增加 成型育苗 钵的耐久度呈现先上升后下降的趋势 当其他条 件设置为中间水平 秸秆含量由 增加至 耐 久度由 增大至 当继续提高混 合物料中秸秆占比至 抗破坏强度由 降低至 由此可知 适当增加秸秆含量可 提高耐久度 但是当秸秆含量超过 时 耐久度则 呈现降低的趋势 这是因为秸秆含量较低时 随着 秸秆含量的增加 秸秆之间形成固体桥 在范德华 力 氢键结合力等共同作用增加了其耐久度 但当 秸秆含量过大时 虽增多了混合原料中的木质素 但由于水稻秸秆的粒径大于发酵牛粪 使物料混合 不充分 成型育苗钵易出现断层现象 从而降低了 耐久度 因此 为了保证成型育苗钵的质量 秸 秆含量应该控制在 范围内 图 秸秆含量对成型育苗钵抗破坏强度和耐久度的影响 含水率对成型特性的影响 含水率对抗破坏强度和耐久度的影响如图 所 示 由图 可知 随含水率的不断增大 成型育 苗钵的抗破坏强度呈现先上升后下降的趋势 在 成型压力 成型温度 秸秆含量 条件下 当含水率由 增加至 抗破坏强度 由 增大至 当继续增大物料含 水率至 抗破坏强度由 降低至 这是因为水既是粘合剂 又是润滑剂 当水分含量处于适当水平时 可以提高范德华力 进而增加颗粒间的粘结力 但是 当含水率超过合 理值时 水作为润滑剂的作用占主导地位 因此 当水分含量超过 时 由于水作为润滑剂占主导 作用 抗压强度会降低 由图 可知 随含水率的不断增大 成型育 苗钵的抗破坏强度呈现先上升后下降的趋势 当 其他条件设置为中间水平 含水率由 增加至 年第 期农机使用与维修 耐久度由 增大至 当继续 增大物料含水率至 抗破坏强度由 降 低至 水分含量对耐久度的影响较大 低 水分含量时 分子之间的结合力较弱 耐久度较低 随着水分含量的增加耐久度增加 水分含量较高 时 成型过程中多余水分子会填充在颗粒之间 阻 断颗粒与颗粒间分子结合力的形成 进而降低成型 制品的耐久度 图 含水率对成型育苗钵抗破坏强度和耐久度的影响 结论 采用热压成型技术 对水稻秸秆和发酵牛粪混 合物料制备育苗钵的成型特性进行了试验研究 研 究结果表明 成型压力 成型温度 秸秆含量及含水 率对成型育苗钵的成型特性均有显著影响 随成 型温度 秸秆含量 含水率的增加 成型育苗钵的抗 破坏强度和耐久度均呈现出先增大再减小的趋势 当成型温度为 时抗破坏强度达到峰值 成型 温度为 时耐久度达到峰值 秸秆含量为 时抗破坏强度达到峰值 秸秆含量为 时耐久度 达到峰值 含水率为 时 成型育苗钵抗破坏强 度和耐久度均达到峰值 随着成型压力的不断增 加 成型育苗钵的抗破坏强度和耐久度均增大 但 考虑能耗和使用效果 成型压力在 为宜 参考文献 张晓庆 王梓凡 参木友 等 中国农作物秸秆产量及 综合利用现状分析 中国农业大学学报 安婧 丁子明 高程程 等 畜禽粪便污染的环境风险 与资源化处理技术分析 环境科学 张志军 王慧杰 李会珍 等 秸秆育苗钵在棉花育苗 移栽上的应用及效益分析 农业工程学报 黄晓曦 孙佳 探究秸秆腐解物覆盖对园林土壤理化 性质的影响 现代园艺 刘正光 张静 吴锴 等 成型参数对玉米秸秆固体燃 料成型效果的影响 山西农业大学学报 自然科学 版 饶月 刘芮 杨飞 等 烟秆和木屑生物质颗粒燃料成 型工艺参数优化 可再生能源 吕东慧 麦秸颗粒制备及能源化成型添加剂的研究 北京 中国农业大学 姜洋 李伟振 蒋恩臣 等 成型参数对桉树加工剩余 物成型颗粒品质影响的实验研究 太阳能学报