秸秆饲料主要分为青贮和干黄饲料两种。青贮饲料含水量在65%～70%,营养价值较高。干黄秸秆主要由纤维素、半纤维素和木质素组成,含水量在10%左右,作为饲料口感差,营养价值低,利用价值不是很高,以前大多被焚烧处理。甘肃省是畜牧大省,非常重视秸秆的饲料化利用[1],2012年研制了一套简易汽爆装备,初步试验了秸秆汽爆后的饲喂效果[2]。经过几年的深入研究,基本上掌握了不同汽爆参数和发酵菌种对秸秆发酵特点及饲喂效果的影响规律[3,4,5,6]。按照目前确定的汽爆参数和筛选的菌种群发酵成为营养饲料,可以与精饲料直接进行混料,饲喂可以替代30%的精饲料[7,8]。按照平凉红牛的饲喂情况,每头牛从入栏到出栏平均每天饲喂5kg左右的精饲料,15kg左右的粗饲料,按照精饲料3元/kg,秸秆汽爆后发酵的营养饲料0.9元/kg计算,每头牛每天节约精饲料费3.15元左右,1000头养牛场每年节约精饲料费115万元左右。甘肃省2016年存栏牛350万头左右,省农牧厅计划在全省推广秸秆汽爆,每个县根据养殖规模建设1～3套秸秆汽爆自动化生产线。但目前秸秆汽爆饲料生产装备及工艺路线仍不够成熟,需要进一步优化完善。

1、秸秆汽爆饲料生产线工作原理

如图1所示,工作时,首先将秸秆通过揉丝机(不同的秸秆选用不同的粉碎设备)粉碎至5～7cm;通过预湿槽翻转搅拌,同时加水喷淋提高含水量达到60%以上;通过输送带送到汽爆罐上部的装填装置,装填装置将秸秆压入汽爆罐中,汽爆罐装满后关闭上部的入料口阀门,通入饱和水蒸汽进行消毒;连续通入高压蒸汽使罐内压力达到1.0～2.5MPa、温度180～235℃后,保压5～10min,高压蒸汽通过植物的表面层微孔渗透到物料内的空隙,使得物料细胞内的水分温度升高,其含水率达到65%～70%左右,汽爆罐下部的气动释放阀瞬间打开,秸秆在压力作用下内部膨胀快速冲入释放罐内;汽爆使得秸秆的结构发生变化,由致密结构变成疏松、丝状、短纤维多、表面积增加,含水量较高的组织结构;通过输送带将汽爆后释放罐内的高温秸秆送入搅拌器内进行降温,当降温到30～40℃时加入混合菌种搅拌均匀;然后倒入移动式发酵箱中,通过压紧装置排出发酵箱内秸秆空隙间的空气和多余的水分;将移动式发酵箱推入恒温隧道进行发酵,爆破过程中大分子结构被转化为小分子形式,得到的大量多糖为微生物发酵提供丰富的营养,可以有效缩短发酵时间,密闭状态下保持30～40℃发酵20～48h,葡萄糖、蛋白质等营养成分含量增加,带有大量益生菌,口感变好,形成含营养价值较高的易吸收饲草;将移动式发酵箱从恒温隧道中拉出来;发酵好的饲草也可以直接饲喂,由于含水较高常温下只可以保存2～3天,为了方便中、远距离的饲养场的运输和饲喂,采用真空包装延长保存期;将箱中发酵好的饲草倒入包装机上料槽中,打包机按照产品的重量规格20、25、30、40、50kg真空包装,真空包装后的饲草在常温下可以贮藏30天。

汽爆生产线可以加工处理的有玉米、小麦、水稻等干黄的秸秆,不同的秸秆加工只是粉碎的设备不同,其它后续设备不变,只有工艺参数需要调整,生产线所配置的设备一定要满足不同秸秆汽爆参数的要求。产品生产工艺路线的设计包括了产品的生产流程、工艺参数、工序、设备、材料等关键要素的研究与确定,根据文献[9,10,11]关于秸秆汽爆生产的研究结论和数据,分析研究确定了生产线的工艺路线和基本参数[12,13],相关基本工艺参数见表1、图1。

2、工艺流程图设计

按照平凉红牛的饲喂情况,每头牛每天需要1.5㎏的汽爆秸秆饲料,每年550kg计算。生产线的规模按照5000头牛的饲喂量来设计,每年的生产量2750t/年,考虑到损耗按照3000t/年的产量作为设计依据。

为了提高产生效率,最大限度的降低人员配置,按照自动化生产线来设计建造,按照每天生产10h计算,每小时产量W=0.84t/h。

由于秸秆的种类和情况复杂,目前可以选择的秸秆粉碎机的自动化程度也比较低,秸秆到秸秆粉碎机的工作步骤设计由人工来完成,0.84t/h的秸秆粉碎工作量非常大,今后要研发专用的自动化秸秆粉碎机。

图1秸秆汽爆发酵工艺路线

粉碎后的秸秆长5～7cm,通过皮带输送机送到自动化定量秤上,自动化定量秤的设定量按照汽爆罐每次秸秆装填的重量来设定,当秸秆的重量达到设定的重量值时皮带输送机自动停止输送,自动化定量秤的输送带开始启动,将秤好的秸秆送入螺杆预湿器,螺杆预湿器开始转动接收秸秆,喷淋装置开始喷淋加湿,不同的秸秆要进行初步的试验调整来确定喷淋装置的喷水量和喷淋时间与螺杆的转速等控制参数,在控制面板上进行设置,按照加湿量60%～70%的数值要求来调整。

自动化生产线的设计过程中,为了使生产效率最大就要准确计算每个工序的时序,通常是按照最慢的工序来确定生产线的基本时序,计算生产线的产能。

分析秸秆汽爆生产线的各个工序的工作时序,最慢的是保压工序的时序。保压的工序是循环周期的时序,保压工序的时序:准备时间0.5～1min、装填2～3min、打压5～8min、保压5～10min、汽爆1～5s,然后保压时序重新开始循环。

按照每次汽爆周期20h计算,每小时汽爆3次/h,每次汽爆0.28t秸秆。

如果生产线设计两台汽爆罐,每台汽爆罐的时序20h不变,两台汽爆罐是交替汽爆,也就是10h汽爆一次,每小时汽爆6次,每次汽爆0.14t秸秆,这样可以减小汽爆罐的体积,释放罐和降温搅拌器的体积也相应的减小,汽爆是通过气压来保压的,单台汽爆罐的规格尺寸越小越安全;这样交替汽爆也可以降低蒸汽锅炉的规格,同时解决了汽爆间歇式工作与蒸汽连续供给的矛盾,可以明显减少汽爆生产线的造价,二台汽爆罐的配置,一台保压、一台装料交替工作,体积小了,生产效率不变(图2)。

加湿后的秸秆在进料过程中要通过切换器来控制给不同的汽爆罐装料,在运行过程中由控制系统自动控制切换器的换向,并具备自锁功能防止误操作,可以准确的把秸秆分配给二个汽爆罐。

汽爆罐由上部的阀口加料,加湿后的秸秆基本上没有流动性,为了把湿黏、缠绕、蓬松的秸秆装入汽爆罐,在汽爆罐的上部设置装填装置,装填装置不仅要把秸秆装入汽爆罐,还要把秸秆压实,保证汽爆罐的空间利用率,并且在退出汽爆罐上部阀口后要具备清理阀口的功能,防止秸秆卡死装料阀。

控制系统得到汽爆罐装料阀关闭信号反馈后,打开相应汽爆罐的蒸汽阀和蒸汽分配阀,汽爆罐开始打压,调整蒸汽锅炉的蒸汽输出速度,通过控制打压的时间来保证系统的工作协调,汽爆罐内的压力达到系统设定压力1.0～2.5MPa、180～235℃后关闭蒸汽开始保压,保压时间范围为5～10min,根据汽爆的秸秆种类和要求来确定,保压时间到达后,汽爆罐下部的释放阀瞬间打开,秸秆在高压蒸汽的作用下1～5s迅速冲出汽爆罐,顺着释放管冲入释放罐,释放管布置在释放罐中部的罐壁切线上,冲入的秸秆在释放罐内快速旋转将动能释放掉。

图2秸秆汽爆发酵工艺流程、管道及仪表简化图

秸秆的动能释放后落到释放罐下部的收集槽内,传送带启动将秸秆送入降温接种搅拌器内,搅拌器开始转动降温,控制系统检测到秸秆降到设定温度30～40℃时,控制菌种定量添加系统加入组合菌种,搅拌器将菌种与秸秆搅拌均匀,搅拌器反转将秸秆倒入搅拌器另一侧准备好的发酵箱内,发酵箱的尺寸设计成每次汽爆装满一箱,为了节约成本,生产线设计为人工将发酵箱送入发酵隧道,发酵箱在恒温隧道30～40℃发酵20～48h,发酵好的秸秆可以直接用于饲喂。

发酵好的秸秆由人工从恒温隧道中取出,将秸秆倒入打包机上料槽内,包装机按照设置好的规格进行真空包装,真空包装可以有效延长保存期,实现商品化20、25、30、40、50kg等规格的秸秆饲料产品。

3、主要设备的规格参数的设计与平面布置

生产线的规格可以按照当地的养殖规模进行定制化设计制造,也可以按照系列化的规格进行配置,形成产品系列化生产线,可以更大限度降低制造成本和制造周期,相同的工艺流程,不同的生产规模,生产线的设备配置和布置是不同的,本次设计是按照3000t/年的生产规模进行设计制造的。

秸秆粉碎机[14,15,16]、定量秤、螺杆预湿器、进料切换器:按照0.84t/h的秸秆粉碎工作量选用标准产品。

装填装置:没有标准产品,需要设计制造,要求具备装填和压实功能,试制的产品基本可以满足使用要求。

汽爆罐:汽爆生产线的关键设备是汽爆罐[17],考虑到安全和效率生产线配置2台汽爆罐。

按照每天生产10h计算,每小时产量W=0.84T/h;每小时汽爆次数:N=6。

式中,每次汽爆装填的秸秆量V=0.14t=140kg;

秸秆的密度ρ=0.2g/cm3;

汽爆罐的容积效率λ=0.75;

汽爆罐的容积Q。

汽爆罐的内径确定为ø80cm,计算内部高度约等于185cm,加上两端的封头设计内部高度245cm。

汽爆罐属于特种压力容器,设计、制造、检验均需要资质。汽爆灌的生产图由浙江工业大学设计,兰州兰石换热设备公司制造,产品由甘肃锅检院审核检验。

释放罐:秸秆汽爆时体积迅速膨胀,释放罐的容积按照3倍汽爆罐来设计,内径确定为ø170cm,内部高度160cm,汽爆时秸秆的能量迅速释放,对释放罐的冲击非常大,释放罐的基座要设计坚固,基座与地面的固定要采用混凝土二次浇注。

汽爆属于高温、高气压力、高度危险的工序,在生产线设计的时候考虑到安全因素,将汽爆罐和释放罐下降低于地面270cm,如图3设备布置图3所示。

蒸汽锅炉:额定蒸发量1t/h,额定蒸汽压力2.5MPa,出口蒸汽温度235℃,按照设计参数选用,蒸汽锅炉的布置可以按照现场的情况来确定,不影响蒸汽输出就可以。

图3设备布置图(不包括恒温隧道、打包机、码垛机等)

1.碎秸秆收集罐2.传送带Ⅰ3.定量秤4.传送带Ⅱ5.螺杆预湿器6.进料切换器7.传送带Ⅲ8.传送带Ⅳ9.装填装置10.加料口阀11.汽爆罐12.释放阀13.释放管14.释放罐15.收集槽16.传送带Ⅴ17.降温接种搅拌器

降温接种搅拌器:选用1.5m3的标准搅拌器,要求带自动控制端口。

菌种定量添加系统:每天早上配置好一天的菌种用量,恒温保存制备罐内备用,控制系统根据定量秤的秸秆重量自动添加相应量的菌种,菌种系统自带控制系统。

恒温隧道:隧道是在生产车间的周围按照发酵箱的尺寸制作,长度按照发酵的时间来确定,下面有轨道,周围有保温和加热管道,控制系统通过控制锅炉的蒸汽输出量来控制恒温温度,按照发酵时间控制发酵箱的移动速度。

打包机:汽爆后的秸秆含水高,缠绕、粘连,基本上没有流动性[18,19],打包机首先要按照设定的重量规格称重,为了节约成本采用人工套袋,自动机构将秤好的秸秆推入包装袋内,然后压实把空气排出去,脱袋,抽真空封口,喷生产日期码,转码垛机,包装规格为20、25、30、40、50kg等。

码垛机:自动化码垛机成本太高,研制了半自动码垛机,机械辅助,人工码垛[20,21,22],如图4所示。

图4秸秆汽爆发酵饲草生产线打包机、码垛机设计图

控制系统:系统采用Profinet总线与工业以太网(Ethernet)相结合的分布式控制结构[23,24,25],并通过以太网接口连接工业监控设定触摸屏和上位监控计算机,通过触摸屏和上位监控计算机输入参数,可实现手动、自动操作方式,同时具有压力显示、运行状态显示、安全保护、超压报警等功能,如图5所示。

控制生产线设备按照既定程序完成饲草生产过程,系统既可以自动生产也可以手动控制以完成检修及实验等功能,操作员可根据需要设置工艺参数,设置视频监控点,对重要设备运行状态进行视频监控。

4、系统调试与试验

经过系统设计与制造,首套设备安装在华亭市东华镇宏源牧业公司完成基础施工,设备安装调试、自动控制系统联动及生产系统基本运行正常。

试验时,秸秆粉碎机上料时需要人工运料,劳动强度大,故安排2人上料,后期需把入料口下降到地平面以下,叉车直接可以将秸秆推进粉碎机入料口,满足系统运行的工步节奏时序要求,大幅度降低劳动强度。

定量秤的料槽设计太小,粉碎后的秸秆的蓬松度超过了设计参数;加湿后秸秆缠绕、粘连严重,造成每次称重后排不干净,定量秤的零位不准确,要在料槽内增加排空机构来解决。

装填装置的工作效果达不到设计要求,秸秆的压实功能不好,汽爆罐的容积效率设计要求75%,实际只能达到50%,严重影响系统的生产效率,目前没有好的解决方案,需要今后专项研究来解决该问题。

蒸汽系统、汽爆系统、加菌系统运行平稳,基本上达到了设计要求。

恒温隧道的进料和出料设计为人工1人来完成转运工作,工作量不饱满,因为本次设计时恒温隧道的布局没有与设备的布局同步考虑,造成降温接种搅拌器的出料口与恒温隧道的入口无法用自动化装置连接,所以设计为人工搬运,今后可以将恒温隧道与系统统一设计,用自动化装置连接起来实现全程自动化。

打包机基本可以完成包装工作,由于执行机构和传感器较多,造成可靠性不高,故障较多,虽然都是小问题,但是影响工作进度;目前为了节约成本套袋工步设计由人工完成,需要在今后的设计中在不增加太多成本的情况下,由自动化装置带替人工,通过改变设计思路提高打包机的可靠性也需要进一步研究。

图5秸秆气爆发酵制备营养饲草生产线控制系统状态监测

码垛机设计是机械辅助人工码垛,工人劳动强度大,今后要研究经济实用的全自动码垛机。

汽爆前的秸秆如图6所示,汽爆后的秸秆如图7所示,高压蒸汽爆破处理使秸秆的木质纤维素结构得到改变,结合有益菌发酵,显著提高了秸秆的营养价值,秸秆汽爆发酵制备的营养饲草与精饲料直接进行混料,减少精饲料的使用量。

图6汽爆前的秸秆

图7汽爆后的秸秆

5、结语

研制的自动化生产线的没有达到全流程自动化,有些环节和工步的自动化程度还有待进一步完善和提高。同时对生产线的运行和维护也提出了较高的要求,对目前的用户也是不小的挑战,但是现在的农村和乡镇对农机装备自动化的要求也越来越高,劳动强度大的工作岗位很难找到工人,农机的发展已经不是以前的机械装置的概念,更多的是机电液多技术、多领域的技术集合,自动化、智能化也是农机不可改变的发展方向。

生物质资源的开发利用是今后农业农机关注的重要领域,秸秆汽爆后发酵的处理方法要解决的问题还很多,工艺路线、工艺方法的优化与创新,专业化、智能化的生产装备研发,更高效便捷的有益菌种和发酵方法的研究,秸秆汽爆后转为生物油、乙醇[26,27]等能源物质的方法等课题还需要我们不断的探索。

参考文献：

[1]周涛,陈万宝,孟庆翔,等.秸秆蒸汽爆破技术在畜牧生产中的应用研究进展[J].中国畜牧兽医,2016,43(9):2352-2357.

[2]贾晶霞,梁宝忠,王艳红,等.不同汽爆预处理对干玉米秸秆青贮效果的影响[J].农业工程学报,2013,29(20):192-198.

[3]常娟,尹清强,任天宝,等.蒸汽爆破预处理和微生物发酵对玉米秸秆降解率的影响[J].农业工程学报,2011,4(27):277-280.

[4]卢艳.低压蒸汽爆破玉米秸秆成份分析及其发酵特性研究[D].长春:东北师范大学硕士学位论文,2014.

[5]徐桂转,范帅尧,王新锋,等.汽爆预处理青玉米秸秆厌氧发酵特性[J].农业工程学报,2012,28(13):205-210.

[6]李刚,李东亮,王许涛,等.玉米秸秆蒸汽爆破用于厌氧发酵的技术评价[J].农业工程学报,2011,27(1):286-290.

[7]冉福,雷赵民,焦婷,程强,等.汽爆处理对玉米—小麦型混合秸秆营养品质的影响[J].草业科学,2019,(03):878-887.

[8]和立文,孟庆翔,李德勇,等.体外法评价汽爆处理对常见秸秆饲料品质的影响[J].中国农业大学学报2016,2(09):90-96.

[9]李彬,高翔,孙倩,等.水稻秸秆饲料的汽爆加工工艺研究[J].南京农业大学学报,2013,36(4):127-132.

[10]康建斌,李骅,缪培仁,等.水稻秸秆饲料汽爆加工工艺改进与优化[J].南京农业大学学报,2015,38(2):345-349.

[11]钟健,杨敬,钞亚鹏,等.高效协同酶解中性汽爆玉米秸秆的工艺优化[J].化工学报,2011,10(62):2867-2875.

[12]马孝琴,徐桂转,宋安东,张百良.响应面法优化玉米秸秆蒸汽爆破预处理条件[J].农业工程学报,2011,27(9):282-286.

[13]顾张丽.连续式中压蒸汽爆破预处理设备的研究[D].上海:华东理工大学,2013.

[14]张旦主,孙伟,刘小龙,等.切揉组合式青贮玉米粉碎机的设计与研究[J].中国农机化学报,2019,40(6):93-100.

[15]张双侠,徐强.9ZS-4饲草揉碎机的研究设计[J].机械制造与自动化,2016,(5):147-149.

[16]张黎骅,陈秋阳,孙圆圆,等.基于响应面法的锤片-齿条式玉米秸秆切揉试验装置的参数优化[J].南京农业大学学报,2011,34(4):122-128.

[17]钟文飞,魏安安.汽爆罐快开齿啮法兰结构的有限元分析[J].化工机械,2011,38(01):66-69.

[18]李倩.秸秆打包机的分层叠压技术研究[D].江南大学,2008.

[19]张居正,宋国君,刘忠民,等.不同阻氧能力青贮袋对玉米青贮发酵品质和有氧稳定性的影响[J].中国饲料,2019(17):58-60.

[20]张中利.智能桥式码垛机系统工艺布置设计分析[J].机械工程师,2014,08(012):23-25.

[21]刘广阔.新型码垛机气动伺服系统的设计及动态仿真[D].燕山大学,2015.

[22]闫全涛,李丽霞,邱权,等.小型移动式农业机器人研究现状及发展趋势[J].中国农机化学报,2019,40:178-186.

[23]李梦迪.基于以太网的智能工厂柔性制造生产线控制系统设计与实现[D].河北工程大学,2016.

[24]彭杰,应启戛.PROFINET工业以太网技术分析[J].南昌大学学报(工科版),2010,02(018):188-191.

[25]李佳璇.面向智能工厂的设备数据采集与远程监控系统研究[D].南京航空航天大学,2018.

[26]赖智乐,常春,马晓建,等.汽爆玉米秸秆同步糖化发酵产乙醇的工艺优化[J].农业工程学报,2010,26(7):250-254.

[27]李冬敏,武国庆.汽爆预处理技术在纤维素乙醇工业化中的应用及实践[J].当代化工,2017,11(46):2375-2397.

杨华,李建仓,赵富善,胡巍.秸秆汽爆饲料化利用自动化生产线研制[J].农业开发与装备,2020(07):141-145.

基金:甘肃省秸秆饲料化利用“十三五”规划支撑项目(2016-2020);2019年陇原青年创新创业人才(团队)项目(2019-18).