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第 1 章绪论

1.1 本研究的目的和意义

中国是农业大国，也是秸秆资源最为丰富的国家之一。历史上，中国有利用秸

秆的优良传统，农民用秸秆建房蔽日遮雨，用秸秆烧火做饭取暖，用秸秆养畜积肥

还田，合理利用秸秆是中国传统农业的精华之一。在传统农业阶段，秸秆资源主要

是不经任何处理直接用于肥料、燃料和饲料。随着传统农业向现代化农业的转变以

及经济、社会的发展，农村能源、饲料结构等发生了深刻变化，传统的秸秆利用途

径发生了历史性的转变。在经济发达的地区，秸秆低效不清洁的直接燃烧利用方式

已不适应农民生活水平提高的需要，富裕起来的农民迫切需要优质、清洁、方便的

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能源。农业主产区秸秆资源大量过剩问题日趋突出，农民就地焚烧秸秆，不仅带来

污染大气的严重后果，还因烟雾造成了附近机场飞机不能下降，高速公路被迫关闭

的严重社会问题，引起了全社会的关注。

我国政府十分重视秸秆禁烧和综合利用问题，1999 年 4 月，国家环境保护总局、

农业部、财政部、铁道部、中国民用航空总局联合颁发了《秸秆燃烧和综合利用管

理办法》。《办法》要求:禁止在机场、交通干线、高压输电线路附近和省辖级人民政

府划定的区域内焚烧秸秆，到 2005 年，各省、自治区的秸秆综合利用率将达到 85%。

科技部组织力量研究推广秸秆综合利用技术，并把秸秆综合利用技术列入国家“九

五”、“十五”科技攻关计划。农作物秸秆经粉碎或切碎后机械压缩成燃料块，能有

效地改变其燃料特性，热值接近中质烟煤，平均为 16736kJ。压缩成型技术为秸秆燃

料异地运输使用创造条件，可以作为生物煤供应工业生产和居民使用，同时也是很

好的气化原料，对推广气化炉有促进作用。压制成型的秸秆块也可以进一步炭化处

理，得到木炭和活性炭，可广泛用于冶金、化工、环保、生活燃料。另外，利用压

缩成型技术可以将秸秆模压成不同形状和用途的产品，如一次性快餐盒、盘、碟、

包装盒、工业托盘、育苗容器、人造纸板、瓦楞纸等。

本研究以棉秆等硬茎秆为研究对象，通过对秸秆原料特性的分析，确定切碎原

理和方法，设计出动力消耗低、粒度大小满足压缩成型要求的秸秆切碎机。推动我

国目前综合开发利用农作物秸秆资源的技术创新和实际应用。

1.2 农作物秸秆综合利用现状

中国农作物秸秆资源量大面广，每年产出量多达 6.4 亿 t，且随着农作物单产的

提高，秸秆产量也将随之增加。现阶段其用途大致可分为 4 个方面:①秸秆还田;②牲

畜饲料;③替代能源;④工业原料，约占 12.7%的剩余秸秆就地焚烧或闲置。各种用途

所占比例如图 l.1 所示(高祥照等，2002)。

图 1.1 中国农作物秸秆的主要用途

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(1)秸秆还田

秸秆还田是目前秸秆利用的最主要方面，据统计，2000 年我国主要粮食作物秸

秆粉碎还田的面积占其种植面积的 58.6%(韩鲁佳等，2002)。秸秆还田的方法分为整

株还田技术、粉碎还田技术、有根茬切碎还田技术和传统沤肥还田技术。配套的秸

秆还田设备有粉碎还田机、灭茬机、收获还田机和水田埋草机等。目前，经过对秸

秆还田技术和配套操作规程等的研究，秸秆直接还田在我国已有了一定面积的推广

应用。在“八五”期间，秸秆直接还田技术规程研究取得了重要突破，已经制定出了包

括华北、西南、长江中游区、江苏水早轮作区和浙江三熟制种植区的麦秸、玉米秸、

稻草直接翻压还田的技术规程，包括还田方式、秸秆数量、施氮量、土壤水分、粉

碎程度、还田时间以及防治病虫害、杂草等方面的技术要求，实践证明适量的秸秆

还田能有效增加土壤的有机质含量，改良土壤，培肥地力(黄忠乾等，1999)。

(2)牲畜饲料

秸秆用作饲料，在中国主要是以秸秆养畜、过腹还田的方式进行的。未经任何

处理的秸秆，不仅消化率低，粗蛋白和矿物质含量低，而且适口性差。为提高饲料

的适口性和营养价值，近年来普遍采用氨化、微生物发酵贮存、热喷、揉搓等技术

处理，目前全国的年加工处理量约 1000 万 t，已开发出的加工设备有氨化炉、调质

机、青贮收获机、揉搓机、压饼机、热喷设备等。

(3)替代能源

据全国农村可再生资源统计资料显示(2001)，“九五”期间，秸秆能源用量仍占农

村生活用能的 30%-50%。传统的秸秆利用方式是直接燃烧，因其密度小，灰分多，

己不再适应农民生活水平的需要，国内现行的秸秆优质能源利用技术，除了本文所

要研究的秸秆压缩成型技术以外，还有秸秆气化集中供气技术、秸秆制取沼气技术、

秸秆燃料热风烘干技术等。秸秆热解气化技术把细软、松散的低品位秸秆转换成清

洁的高品位气体，热效率可达 40%。气相燃料速度快，热量输出可以控制，在烘干

木材、茶叶、饲料和代替燃油发电及农村居民炊事等方面己有成功应用。部分气化

炉和配套装置己经批量生产，进入实用推广阶段。目前全国己有 350 余处秸秆气化

集中供气示范点，主要集中在山东、河南、江苏、河北、山西、北京、陕西等。仅

山东就有 170 余处(韩鲁佳等，2002)。秸秆制取沼气技术，近年来经攻关研究在技术

上有了较大突破，解决了秸秆易结壳、出料困难和发酵不充分的难题。干发酵工艺

则有助于节约建池费用，提高池容利用率，目前该技术在北方应用较多。秸秆燃料

热风烘干技术是将成捆或经预处理的秸秆加入由两段燃料室组成的高效燃料炉，燃

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烧产物经过离心除尘可得到洁净的热烟道气，产生的热风温度可以调节(60-800℃)，

含烟尘量小于 20mg/m，，尤其适宜于高湿物料，如粮食、木材、饲料、鸡粪、酒糟

等的烘干(马学良，1995)。

(4)工业原料

秸秆作为工业原料主要用于工业造纸，占秸秆总产出量的 2.9%。其它目前正在

兴起的研究与应用有:南京林业大学将秸秆压缩成型制作秸秆板材，建筑墙体材料，

包装材料等;西北农大开展模压制品的研究，如一次性快餐盒、托盘、家具构件和建

筑构件等;辽宁省农科院研制成功秸秆皮镶分离及其综合利用技术;另外一些科研院

所采取生物技术的手段发酵生产乙醇、糠醛、苯酚、单细胞蛋白、燃料油气、工业

酶制剂等。由于秸秆还田数量有限，作饲料其营养价值不高，因此要真正解决秸秆

的合理利用问题，关键在于研究秸秆的能源化和工业化利用技术。

1.3 秸秆的特性：

1.3.1 秸秆的物理特性

秸秆本身的物理特性是影响秸秆切碎和压缩成型的主要因素之一。秸秆的物理

特性受物种、品种、产区、成熟度等多种因素的影响。国外对麦秸、饲草等软茎秆

的拉伸强度、剪切强度、弹性模量、刚度模量等物理特性研究较多(o’Dogherty，

1995)。国内相关报道较少，孙骊(1998)、徐学耘(加 00)等对麦秸和棉杆的物理特性

作了初步的分析。

1.3.2 秸秆的切碎特性

国外对秸秆切碎的研究集中于麦秸、稻秸等软茎杆，主要分析切碎能耗、切碎

度和切断效率的各种影响因素，如 o’Dogherty(1986)等人分析了切割速度、割刀参数、

受切根数等因素对切割过程的影响，指出秸秆切割过程中有一临界速度，在 15-30m/s

范围内，低于临界速度，能耗和无效切割快速增加;大于临界速度，能耗基本不变，

实际切割长度接近于理论长度。国内主要是对切碎能耗和切断效率的研究，如张晋

国(2000)等人分析了秸秆的含水率和有无定刀对切断效率的影响;吴子岳(2001)和蔺

公振(1999)等研究了受切根数和割刀参数对切割功耗的影响。

1.3.3 秸秆的化学成分

不管任何植物材料其主要化学组份均为纤维素，半纤维素，木质素三种。由表

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