徐樹英，張玉蒼，黎吉輝，林 常，林昭華

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香蕉莖稈擠壓脫水技術(shù)裝備研究進(jìn)展及改進(jìn)方向

徐樹英，張玉蒼※，黎吉輝，林 常，林昭華

（海南大學(xué)熱帶島嶼資源先進(jìn)材料教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，?？?570228）

香蕉莖稈擠壓脫水工藝是香蕉莖稈資源化利用的關(guān)鍵步驟，可以有效地降低運(yùn)輸成本，減輕蕉農(nóng)的勞動強(qiáng)度，有利于提高香蕉莖稈的綜合利用率。該文從介紹香蕉莖稈原料結(jié)構(gòu)形態(tài)，化學(xué)成分以及蕉稈水分的存在形態(tài)出發(fā)，詳細(xì)論述了國內(nèi)外對高含水量的香蕉莖稈采取的脫水技術(shù)的研究現(xiàn)狀和最新進(jìn)展，指出了各種典型設(shè)備的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。討論了各種機(jī)械擠壓脫水設(shè)備的實(shí)用性、優(yōu)缺點(diǎn)及商業(yè)推廣價(jià)值。指出平板壓榨為間歇生產(chǎn)，壓榨周期長；螺旋擠壓脫水要求原料為粉碎性物料，物料的適應(yīng)性差；軋輥式擠壓脫水為連續(xù)生產(chǎn)，效率較高。針對香蕉莖稈體形高大質(zhì)地軟，纖維長的特點(diǎn)，確定香蕉莖稈擠壓脫水技術(shù)應(yīng)采取軋輥式擠壓脫水工藝，提出軋輥式擠壓脫水設(shè)備的開發(fā)改進(jìn)建議，認(rèn)為設(shè)備體積小，操作簡單安全，處理量大，可靠性高是主要的研究方向。

脫水；加工；裝備，香蕉莖稈；壓榨機(jī)；資源化利用

0 引 言

香蕉（.），屬芭蕉科（Musaceae）芭蕉屬（）單子葉植物[1-2]。香蕉是熱帶和亞熱帶地區(qū)的重要經(jīng)濟(jì)作物和糧食作物，是發(fā)展中國家中僅次于水稻、小麥和玉米的第4大糧食作物[3-7]。2013年中國香蕉種植面積達(dá)到42.7萬hm2左右，每種植1 hm2香蕉可產(chǎn)生600～900 t香蕉莖稈副產(chǎn)物，因此年產(chǎn)香蕉莖稈副產(chǎn)物總量高達(dá)3 800萬t以上[8-11]。從2011年開始至今，中國躍居全球第二大香蕉生產(chǎn)國[12-13]。中國的香蕉主產(chǎn)區(qū)有廣東、廣西、云南、海南、福建和臺灣，在貴州、四川和重慶等西南地區(qū)也有少量分布。香蕉具有速生與生物質(zhì)產(chǎn)量高的特點(diǎn)[14]。2013年海南成為中國僅次于廣東、廣西和云南的第4香蕉生產(chǎn)大省，全省香蕉年總產(chǎn)值占全省熱帶水果總產(chǎn)值的50%[15-17]，香蕉產(chǎn)業(yè)已成為熱帶地區(qū)的重要支柱產(chǎn)業(yè)，是海南農(nóng)民重要的收入之一，而香蕉莖稈總量為302萬t，通過實(shí)地考察調(diào)研發(fā)現(xiàn)，香蕉莖稈目前已成為海南省主要農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)垃圾源。

目前中國香蕉產(chǎn)地對香蕉莖稈的處理方式主要是由人工砍伐然后搬運(yùn)到田間空閑地堆放，或者就地拋棄，任其自行腐爛。新鮮香蕉莖稈含有質(zhì)量分?jǐn)?shù)90%以上的水分和豐富的纖維成分，目前除了少部分用作繩索、編織物、有機(jī)肥還田以及飼料外，大部分作為廢棄物被棄置[18-21]。由此對資源和環(huán)境造成了一系列的問題：首先是生物質(zhì)資源浪費(fèi)。大量含有纖維和其他有效成分的香蕉莖稈原料被丟棄，造成資源浪費(fèi)[22]。其次容易使蕉樹遭受香蕉枯萎病的毀滅性威脅。被丟棄在蕉園的香蕉莖稈由于含水量大，富含營養(yǎng)成分，腐爛時(shí)間長，非常容易使蕉園土壤感染真菌病害。香蕉枯萎病的病原真菌能通過土壤和灌溉水等多種途徑傳播，在土壤中殘留的時(shí)間可長達(dá)30 a以上，且易產(chǎn)生強(qiáng)的抗藥性，迄今為止還沒有有效的對該病原真菌的治理方法[23]。再次容易招來蟲害。大量香蕉莖稈隨意堆放招來如象鼻蟲、卷葉蟲、線蟲、蕉蚜等蟲害，使香蕉減產(chǎn)20%~40%，嚴(yán)重時(shí)可導(dǎo)致絕收[24]。還有諸如妨礙交通等其他缺點(diǎn)。大部分香蕉莖稈堆積在路邊、田頭、水渠等公共場所，由于體積大，腐爛時(shí)間長，容易堵塞交通和水利設(shè)施[25]?；谝陨显颍绾胃咝Лh(huán)保地處理香蕉莖稈成為了香蕉生產(chǎn)發(fā)展中面臨的難題。為了減少農(nóng)業(yè)廢棄物的排放造成的環(huán)境污染和未被開發(fā)的有價(jià)值的生物量的損失帶來資源浪費(fèi)，對香蕉莖稈這種豐富的農(nóng)業(yè)廢棄物進(jìn)行多用途開發(fā)和綜合利用具有重要意義[26-27]。

國外香蕉產(chǎn)地主要集中在發(fā)展中國家，由于技術(shù)及設(shè)備的落后他們對香蕉莖稈的利用水平仍然停留在制造手工制品，因此目前國內(nèi)外對香蕉莖稈的收集、脫水和貯運(yùn)技術(shù)均缺乏配套設(shè)備，可指導(dǎo)產(chǎn)業(yè)化的脫水技術(shù)依然不夠成熟。而從應(yīng)用角度來看，無論是生產(chǎn)紡織品原料、復(fù)合材料或是生物燃料，大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)都需要進(jìn)行收集、脫水、開發(fā)貯運(yùn)技術(shù)和配套設(shè)備，否則綜合利用無從談起[28-32]。目前國內(nèi)外對香蕉莖稈資源化利用的一個主要問題是香蕉莖稈粗大、含水量高，因此香蕉莖稈脫水成為香蕉莖稈資源化利用的主要技術(shù)問題之一。香蕉莖稈脫水工藝作為香蕉莖稈纖維提取工藝流程的第一環(huán)，具有至關(guān)重要的作用，合適的脫水工藝應(yīng)該在經(jīng)濟(jì)上合適的前提下，既能除去過多的水分含量，又能夠維持合適的微觀結(jié)構(gòu)來促進(jìn)后續(xù)脫膠工藝的進(jìn)行，達(dá)到香蕉莖稈纖維產(chǎn)品利用價(jià)值最大化的目的。

目前，比較成熟的農(nóng)業(yè)廢棄物脫水工藝主要包括干燥脫水和機(jī)械擠壓脫水[33-34]。干燥脫水分為自然風(fēng)干，熱力干燥；機(jī)械擠壓脫水主要有平板擠壓脫水，螺旋式擠壓脫水、軋輥式擠壓脫水[35-36]。機(jī)械擠壓脫水由于占地小、處理及時(shí)、生產(chǎn)效率較高在工程實(shí)踐中受到青睞，特別是近年來用在對葉蛋白飼料脫水工藝中[37-39]，壓榨出的汁液便于收集，便于后續(xù)提取有效成分。

香蕉莖稈屬于豐富的可再生的農(nóng)業(yè)廢棄物資源，如能實(shí)現(xiàn)香蕉莖稈脫水、纖維化、能源化多種技術(shù)的集成應(yīng)用，建立香蕉莖稈綜合利用生態(tài)產(chǎn)業(yè)新模式，不僅可以提高產(chǎn)品附加值，增加農(nóng)民收入，而且具有良好的環(huán)境和社會效益。

基于農(nóng)業(yè)廢棄物資源化利用與環(huán)保并重的理念，本文通過分析香蕉莖稈結(jié)構(gòu)形態(tài)、化學(xué)成分，水分形態(tài)及分布，國內(nèi)外香蕉莖稈擠壓脫水技術(shù)研究現(xiàn)狀，把目前當(dāng)做廢棄物大量丟棄的香蕉莖稈作為一種可再生資源加以利用，提出了符合中國國情的香蕉莖稈擠壓脫水技術(shù)裝備及研究方向，以期將香蕉莖稈應(yīng)用在紡織原料、復(fù)合材料以及生物燃料等方面，為香蕉莖稈的綜合利用及其產(chǎn)業(yè)化提供依據(jù)。

1 香蕉莖稈原料結(jié)構(gòu)形態(tài)及化學(xué)成分分析

農(nóng)業(yè)廢棄物資源的種類不同，其化學(xué)成分差異很大，同屬的香蕉莖稈的化學(xué)成分也隨著品種、成熟度、栽培條件、產(chǎn)地等因素的不同而有差別[40]。天然植物纖維的主要成分有纖維素、半纖維素和木質(zhì)素，另外還有果膠、脂蠟質(zhì)、水溶物等。準(zhǔn)確的化學(xué)成分定量分析是高效開發(fā)利用香蕉莖稈的基礎(chǔ)，分析香蕉莖稈的含水量分布以及香蕉莖稈形態(tài)特點(diǎn)，是研究香蕉莖稈高效擠壓脫水工藝及設(shè)備設(shè)計(jì)的依據(jù)。

1.1 香蕉莖稈形態(tài)分析及水分的存在形態(tài)

香蕉屬于大型的草本植物，香蕉莖稈植株高大約在1.5~3 m左右，直徑在0.15~0.30 m的范圍內(nèi)。直徑從根部至鞘部逐漸縮小，表皮呈棕紅色，內(nèi)層乳白色。香蕉莖稈的上、中、下部質(zhì)量含水率分別為91.42%，91.89%，94.52%[41]，含水量達(dá)到90%以上，其中香蕉莖稈下部靠近球莖的部分含水量最大。香蕉植株水分分布是從莖稈的下部向上逐步遞減。

從圖1 a和b中可以看出香蕉莖稈是由許多片弧形葉鞘相互緊密圍成的粗大圓柱狀的莖稈，弧形葉鞘類似洋蔥的結(jié)構(gòu)。香蕉莖稈其生長增粗主要依靠每片新葉從莖稈中心的氣生莖長出，成長后逐漸把外圍老葉鞘向外擠，從而使其膨脹生長[25,42]。圖1 c是香蕉莖稈的橫截面圖，從圖1 c中可以看出香蕉莖稈是由葉鞘層層疊疊包裹的結(jié)構(gòu)，中心是髓部。

圖1 香蕉莖稈形態(tài)[19]

根據(jù)香蕉莖稈中水的存在形態(tài)，可將香蕉莖稈中的水分可以分為2類：自由水和結(jié)合水。自由水是除了物理吸附在葉鞘橫向薄膜每個小室內(nèi)的游離態(tài)水；還有部分存在于香蕉莖稈葉鞘組織細(xì)胞內(nèi)，這部分水分通常在一定的處理溫度和壓力下并持續(xù)一段時(shí)間后才能蒸發(fā)出去[43]。

從圖1 d和e中可以看出，葉鞘是由外表皮、內(nèi)表皮、連接組織及橫向薄膜組織構(gòu)成的類似框架結(jié)構(gòu)。葉鞘的橫向薄膜將外表皮和內(nèi)表皮分成許多小室（見圖1 d、e），小室內(nèi)充滿了香蕉莖稈汁液，這部分水分屬于“自由水”，以相對較小的壓力就能除去[44]，這種組織結(jié)構(gòu)是形成香蕉莖稈含水量高的主要原因。每個葉鞘的橫切面分為3層，外層葉鞘與內(nèi)層葉鞘的纖維含量、纖維強(qiáng)度差別大。葉鞘的外表皮含纖維多，內(nèi)表皮及連接組織含纖維較少，且這些纖維色白、細(xì)軟、強(qiáng)度較低，橫向薄膜幾乎不含纖維。葉鞘兩面光滑，內(nèi)表皮纖維素大大加厚，外表皮外露時(shí)，先是木栓化，后是木質(zhì)化，以便起保護(hù)作用。最外層的葉鞘年老，中間和里層的葉鞘比較年輕，長度以中間的葉鞘為最長。因此香蕉莖稈結(jié)構(gòu)較特殊，纖維分布不均勻，表皮纖維多，內(nèi)部呈中空網(wǎng)格狀。從圖1 f中觀察到香蕉莖稈的中心是氣生莖，也稱為髓部，呈白色，組織柔軟，含膠質(zhì)多而纖維少[45-46]。香蕉莖稈的外觀形態(tài)與樹木主干一樣有高大的體形。從橫截面觀察，香蕉莖稈內(nèi)部結(jié)構(gòu)形態(tài)與樹木主干完全不同，它是由弧形葉鞘緊密圍成，當(dāng)風(fēng)力達(dá)到6級，香蕉的莖稈就會出現(xiàn)折斷，造成植株的倒伏[47]。采用螺旋式擠壓脫水工藝需要先粉碎或切片，而香蕉質(zhì)地軟，纖維長，不易粉碎或切片。

1.2 香蕉莖稈的化學(xué)成分分析

表1是香蕉莖稈的化學(xué)成分測試結(jié)果。由表1中可以看出，香蕉莖稈的纖維素含量不高，質(zhì)量分?jǐn)?shù)在21%~23%左右，和草本植物的纖維素含量差不多[48]。半纖維素質(zhì)量分?jǐn)?shù)為22%~29%，比草本植物含量少，木質(zhì)素質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8%~14%，果膠質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%~5%，水溶物質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高，為30%~33%，這一點(diǎn)和香蕉莖稈灰分的含量較高吻合[49]。脂蠟質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%~6%。而樹木化學(xué)成分中的纖維素、半纖維素、木質(zhì)素3部分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)一般超過90%[50]，甘蔗渣這3部分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在75%左右[51]，而香蕉莖稈的這3部分質(zhì)量分?jǐn)?shù)僅有58%[52-54]，化學(xué)成分的差異表現(xiàn)為香蕉莖稈比樹木主干和甘蔗膠質(zhì)含量高。當(dāng)采用軋輥式壓榨機(jī)進(jìn)行擠壓脫水時(shí)，香蕉莖稈纖維容易粘附并纏繞在輥筒表面，不易排料。

表1 香蕉莖稈主要化學(xué)成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)[41]

2 香蕉莖稈脫水工藝與擠壓設(shè)備研究現(xiàn)狀

2.1 干燥脫水工藝

傳統(tǒng)的香蕉莖稈的脫水主要是采用風(fēng)干或自然晾曬，人工鼓風(fēng)干燥被認(rèn)為是有效的脫水方法，但這種脫水方法對于高含水的生物質(zhì)原料不僅效率低而且費(fèi)用較高，工程中很少采用[55-56]。

為解決香蕉莖稈含水量大給運(yùn)輸和加工帶來的壓力，李繼武、李樂等[57-58]對香蕉莖稈收集預(yù)處理模式進(jìn)行研究，采用8種干燥脫水處理過程和3種收集模式進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果顯示將樣品莖稈粉碎、壓縮后置于濾網(wǎng)上室外晾曬8 d的干燥脫水技術(shù)效果最佳，含水率從90.5%降至19.93%，質(zhì)量減輕了75.2%；儲存3~6個月，質(zhì)量含水率在17%~20%，體積降低至原來鮮品的30%~ 40%，基本上達(dá)到了干燥存儲的要求，據(jù)此提出了香蕉植株-鋸倒-粉碎-壓榨-運(yùn)輸-干燥-儲存的香蕉莖稈集中收集的模式。而將香蕉莖稈不經(jīng)過任何處理直接放置在室內(nèi)濾網(wǎng)上的脫水效果最差，含水率達(dá)87.45%，質(zhì)量僅減輕了3.05%，基本保持不變。

2.2 平板壓榨擠壓脫水工藝及機(jī)械

平板壓榨脫水工藝通常采用液壓油作為動力輸入，其結(jié)構(gòu)簡單，動力消耗小、料餅質(zhì)量好，但由于其生產(chǎn)的間歇性，壓榨周期長（輔助時(shí)間約占15%~25%）[59-60]，裝卸料餅麻煩，而且設(shè)備笨重，占地面積大，限制了它的發(fā)展。

澳大利亞的Irwin和斯里蘭卡的Perera的國際專利（WO_2012019247）[61]公開的是由香蕉莖稈生產(chǎn)層板的方法和設(shè)備，包括了從香蕉莖稈砍伐、破片、脫水到最終的產(chǎn)品——層板的整個工藝流程。其中切片后的香蕉莖稈的脫水是采用的平板壓榨設(shè)備來實(shí)現(xiàn)。該專利描述了采用平板壓榨將經(jīng)過縱向破片的香蕉莖稈進(jìn)行擠壓脫水，然后通過堿液處理除去膠質(zhì)制造層板。該專利沒有提及采用何種平板壓榨設(shè)備，僅提供示意圖描述整個脫水工藝過程。

海南大學(xué)的張慧等[62]于2015年設(shè)計(jì)了香蕉秸稈擠壓脫水機(jī)，采用液壓平板壓榨方式完成秸稈脫水與剪切成型處理。該香蕉秸稈擠壓脫水機(jī)在對香蕉莖稈完成擠壓脫水后，用壓鉗壓緊香蕉莖稈然后剪刀開始剪斷秸稈，香蕉秸稈擠壓脫水機(jī)設(shè)備簡圖見圖2所示。該文獻(xiàn)主要討論的是液壓系統(tǒng)控制流程和可編程邏輯控制器（PLC）控制剪切的程序設(shè)計(jì)，并沒有對擠壓脫水機(jī)的設(shè)備結(jié)構(gòu)及脫水工藝進(jìn)行討論。

1. 機(jī)架 2. 集水槽 3. 傳動輪 4. 傳動V帶 5. 雙向壓縮板 6. 感應(yīng)器7. 限位開關(guān)0 8. 壓鉗 9. 剪刀 10. 限位開關(guān)1 11. 壓力傳感器 12.限位開關(guān)2 13. 伸縮桿 14. 壓力繼電器 15. 物料收集箱 16. 步進(jìn)電機(jī) 17. 液壓系統(tǒng) 18. 排液管 19. 電控箱

德雪紅等人[63]根據(jù)新鮮馬鈴薯渣含水率高達(dá)90%，物料松散，不利于運(yùn)輸?shù)忍攸c(diǎn)，研制一種脫水、壓縮同時(shí)完成的閉式薯渣壓縮試驗(yàn)裝置。該裝置采用平板柱塞式壓縮裝置完成擠壓脫水及成型，但文獻(xiàn)中沒有討論經(jīng)過該裝置處理的馬鈴薯渣含水量達(dá)到多少。該閉式薯渣物料壓縮成型機(jī)適用于粉碎性物料，對香蕉莖稈原料需要粉碎預(yù)處理，如果整稈進(jìn)行擠壓脫水，設(shè)備的體積龐大，排水效果差，1次脫水效果較差，容易發(fā)生重吸現(xiàn)象。

周云培[64]發(fā)明的植物莖稈輕便壓榨機(jī)同樣采用的是平板壓榨的形式，具有結(jié)構(gòu)簡單，體積小的特點(diǎn)、適合田間或山坡的使用場所，發(fā)明中提到該設(shè)備也適用于香蕉莖稈的壓榨。該設(shè)備如圖3所示，其設(shè)備不足之處是需要將香蕉莖稈進(jìn)行粉碎處理。如果將香蕉莖稈應(yīng)用于天然紡織原料，那么保持纖維的長度對后續(xù)的加工是有利的，因此不能將香蕉莖稈先粉碎再脫水，不僅增加了一道工序而且不利于后續(xù)用作紡織原料的加工。

1. 大壓槽 2. 隔板 3. 小壓槽 4. 橫桿 5. 連接桿 6. 壓板 7. 支撐板 8. 支架 9. 螺紋絲桿 10. 電機(jī) 11. 雙槽皮帶輪 12. 底板

2.3 螺旋式擠壓脫水工藝及機(jī)械

螺旋擠壓脫水機(jī)開始出現(xiàn)用于榨取植物油和魚肉等一些肉類磨碎之后的壓榨脫水處理[65-66]。隨著人們對生物質(zhì)類新能源的廣泛關(guān)注與利用，螺旋擠壓脫水機(jī)近年來又逐步用于生物質(zhì)原料的脫水處理，特別是秸稈、水葫蘆以及藻類等生物質(zhì)的脫水處理[67]，如圖4所示。

圖4 螺旋擠壓脫水機(jī)的結(jié)構(gòu)[35]

螺旋擠壓脫水機(jī)的工作原理是物料不斷地通過進(jìn)料口進(jìn)入螺旋擠壓脫水機(jī)，在物料重力和物料與設(shè)備之間摩擦力的作用下向前運(yùn)動，隨著螺距間容積的減少，對物料產(chǎn)生擠壓效果，物料中的水分透過筒體的排水孔，經(jīng)排水孔排出壓榨機(jī)，物料向出料口移動并不斷被擠出水分，在螺旋體末端的料篩管中形成的料塞通過出料口不斷排出[68]。

Solly等[69]研究表明水葫蘆在25 ℃、相對濕度為68%條件下處理15d后，質(zhì)量含水率從95.8%降低至72%。水葫蘆含水率高達(dá)95%以上，屬于高含水生物質(zhì)原料，與香蕉莖稈含水量差不多，但是水葫蘆體積小，而香蕉莖稈體積龐大。杜靜等人[70]針對水葫蘆的特性其脫水處理工藝采用即時(shí)粉碎即時(shí)脫水方式，即新鮮水葫蘆打撈上岸后首先經(jīng)粉碎機(jī)粉碎入調(diào)節(jié)池，然后加水混合后經(jīng)立式潛污泵抽吸入螺旋式固液分離機(jī)進(jìn)行脫水，其研究結(jié)果表明經(jīng)過脫水后新鮮水葫蘆殘?jiān)式抵?3%。

與平板壓榨脫水工藝相比，螺旋式壓榨工藝其顯著特點(diǎn)是連續(xù)化生產(chǎn)，處理量大，勞動強(qiáng)度低，出汁效果良好，有利于綜合利用，但它存在動力消耗大、螺旋效率低，易耗件多、維修成本高，以及溫度升高影響汁液和餅的質(zhì)量等問題[71-72]。對于生物質(zhì)原料需要進(jìn)行粉碎處理才能進(jìn)行螺旋式壓榨工藝處理。

2.4 軋輥式擠壓脫水工藝及機(jī)械

軋輥式脫水工藝的特點(diǎn)是連續(xù)操作，但其受壓面積小，物料不易進(jìn)入，處理量少，壓榨效果不理想，且加工要求高，對物料的適應(yīng)性較差[71]。

梁岐江，韋文憑[73]于2014年申請實(shí)用新型專利“一種三輥式香蕉桿壓榨機(jī)”（如圖5所示），主要包括下脫水輥，上脫水輥、擠壓輥和機(jī)架，3個輥筒呈倒品字型排列。該設(shè)備的結(jié)構(gòu)形式與2輥式甘蔗壓榨機(jī)的結(jié)構(gòu)相似，不足之處是脫水率低，僅為10%~15%。設(shè)備結(jié)構(gòu)上沒有解決香蕉莖稈纖維容易粘附在輥筒表面造成纏繞，不易排料的問題，也沒有考慮擠壓出來的香蕉莖稈汁液收集問題。

1. 壓頂裝置 2. 彈簧 3. 擠壓輥 4. 上脫水輥 5. 下脫水輥

海南大學(xué)周開歡，張燕[74]設(shè)計(jì)一種滾壓螺旋式香蕉秸稈粉碎機(jī)（如圖6所示），該設(shè)備由2部分組成：前半部分為脫水機(jī)構(gòu)，后半部分為粉碎還田機(jī)構(gòu)。脫水機(jī)構(gòu)采用一對壓輥將香蕉莖稈擠壓成片狀，且排出大部分水分。壓輥下方收集香蕉秸稈排出水分；香蕉秸稈在壓輥的固定傳動下送入后半部分的螺旋鋸齒打碎機(jī)內(nèi)進(jìn)行粉碎。該設(shè)備可以由SH50拖拉機(jī)作為動力進(jìn)行田間作業(yè)，可靠性高，其切碎率為89%以上，滿足香蕉秸稈切碎還田要求，并不適用于香蕉莖稈作為纖維原料的要求。

海南大學(xué)楊冬進(jìn)等人[75]設(shè)計(jì)了香蕉秸稈擠壓脫水機(jī)（如圖7所示），該設(shè)備由單片機(jī)系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、機(jī)械主體等組成。香蕉秸稈通過進(jìn)料傳送帶送至滾輪系統(tǒng)進(jìn)行第1次擠壓預(yù)脫水，使秸稈破碎初步成型，然后2次脫水壓縮成型。第1組和第2組滾輪間的壓力通過液壓系統(tǒng)控制滾輪的軸間距實(shí)現(xiàn)。該設(shè)備可實(shí)現(xiàn)自動控制，節(jié)省人力，提高工作效率。

江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究所王巖等人[76]首次將輥輪式壓榨機(jī)應(yīng)用于水葫蘆脫水。試驗(yàn)所用的小型甘蔗壓榨機(jī)為輥輪式壓榨機(jī)，型號YZJ220×300，其結(jié)構(gòu)示意圖見圖8所示。在水葫蘆脫水方面首次采用在甘蔗提汁中的專用輥輪式壓榨機(jī)進(jìn)行脫水試驗(yàn)研究，結(jié)果表明水葫蘆經(jīng)過3次壓榨后，水葫蘆渣的質(zhì)量含水率為65%~68%，脫水效果好于前人的研究結(jié)果。水葫蘆植株含水率高達(dá)90%以上，與香蕉莖稈的含水量差不多，因此香蕉莖稈的脫水工藝可以借鑒水葫蘆的脫水工藝，采用輥輪脫水技術(shù)。

這一切，天空中的青辰看得十分清楚。他不明白，白鷲這類生物，一向以尸體為食，除非生命受到威脅，否則不會攻擊活物。即使它處于饑餓中，而面前恰巧有一只瀕死的獵物，它也要等，直到對方的最后一絲氣息斷絕。

1. 水箱 2. 濾網(wǎng) 3. 滾壓輪 4. 進(jìn)料口 5. 電機(jī) 6. 錐齒輪 7. 螺旋刀具 8. 出料口 9. 機(jī)架

1,4,6,7. 光電傳感器 5,8. 高度傳感器 2,3. 壓力傳感器 9. 送料帶 10. 出料帶 11,12. 液壓缸 13,14. 閥門 15,16. 器皿 17. 秸稈箱 18. 機(jī)床架 19,20,25,26. 滾輪 21,23. 擠壓輪 22,24. 傳料輪 27. 進(jìn)料口 28. 機(jī)床腳 29,30. 擠壓輪蓋

2014年海南大學(xué)張玉蒼，徐樹英[77]設(shè)計(jì)并制造了自動調(diào)整壓輥式香蕉莖稈壓榨機(jī)，設(shè)備結(jié)構(gòu)如圖9所示。

圖9 自動調(diào)整壓輥式香蕉莖稈壓榨機(jī)[77]

該設(shè)備基于整稈壓榨香蕉莖稈，省掉了粉碎工序，保持了香蕉纖維的長度，并且可以收集香蕉莖稈汁液，經(jīng)過連續(xù)輥壓脫水，含水率降至50.2%。

3 香蕉莖稈擠壓脫水裝備優(yōu)缺點(diǎn)及改進(jìn)建議

農(nóng)業(yè)廢棄物有許多不同種類，形態(tài)也各不相同，在某些特性方面也顯得千差萬別，不同的原料對應(yīng)不同的脫水處理工藝[31]。綜合選擇香蕉莖稈脫水工藝時(shí)，需要考慮香蕉莖稈原料及產(chǎn)品特性、含水量、脫水率、安全性、成本等各種因素。機(jī)械擠壓脫水因其脫水效果好、效率高等優(yōu)點(diǎn)而得到越來越廣泛的應(yīng)用。機(jī)械擠壓脫水設(shè)備各具特點(diǎn)，各種設(shè)備適用于不同的場合。

1）平板擠壓脫水的優(yōu)缺點(diǎn)分析：通過液體靜壓力的作用，對廢棄物進(jìn)行擠壓，液壓傳動進(jìn)而處理香蕉莖稈。平板擠壓脫水具有結(jié)構(gòu)簡單、容易操作、易于清洗維護(hù)、容易自動控制等優(yōu)點(diǎn)，缺點(diǎn)是工人勞動強(qiáng)度大，傳統(tǒng)的平板液壓壓榨機(jī)壓榨和填料不能同時(shí)進(jìn)行，減慢了工作進(jìn)度，大規(guī)模處理受到限制。改良后的平板壓榨機(jī)可采用多工位方式，將裝料、壓榨、卸餅一體化同時(shí)進(jìn)行，解決了傳統(tǒng)壓榨機(jī)所存在的問題。對于香蕉莖稈原料可進(jìn)行整稈壓榨或者先粉碎再進(jìn)行液壓壓榨，脫水率與物料的粉碎程度、壓力、時(shí)間等有關(guān)。由于香蕉莖稈含水率高達(dá)90%以上，1次壓榨脫水率為7%左右，脫水率較低，需要經(jīng)過多次壓榨才能達(dá)到好的效果，同時(shí)設(shè)備巨大，投資成本高。這種脫水方式雖然能對香蕉莖稈纖維利用，也能收取汁液再利用，但生產(chǎn)效率太低，蕉稈運(yùn)輸成本太高，不利于商業(yè)推廣。

2）螺旋式擠壓脫水即螺旋軸沿著料渣出口順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，底徑逐漸加大而螺距逐漸減少，當(dāng)物料被螺旋軸推進(jìn)時(shí)，因螺腔逐漸縮小，從而形成對廢棄物的壓榨。螺旋式壓榨機(jī)具有連續(xù)作業(yè)的特點(diǎn)，結(jié)構(gòu)簡單、故障少、工作效率較高，在中國中小型壓榨行業(yè)應(yīng)用廣泛，適用于粉碎性的含纖維量比較豐富的原料壓榨。缺點(diǎn)是螺旋式壓榨機(jī)榨膛內(nèi)的主要部件易磨損，需經(jīng)常拆換，增加了作業(yè)成本，且脫水率低。綜合評價(jià)：螺旋式擠壓脫水設(shè)備相對輕巧，效率高。最大缺點(diǎn)是蕉稈纖維的綜合利用受到很大破壞，只適用于粉碎性纖維的利用，對蕉稈的綜合利用很不利，作為綜合利用蕉稈資源來說商業(yè)推廣價(jià)值不大。

3）軋輥式擠壓脫水利用旋轉(zhuǎn)輥對物料施加壓力。軋輥式壓榨機(jī)是連續(xù)式壓榨機(jī)的一種。軋輥式壓榨機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是可以整稈進(jìn)料無需預(yù)處理，可進(jìn)行多次擠壓；不僅可以省掉粉碎工序，而且可以保持香蕉莖稈的長纖維，有利于其用作紡織原料或?qū)影逶系染C合利用。這種軋輥式壓榨機(jī)目前存在的問題是：在壓榨過程中會有一些的物料粘在軋輥的外圓上，現(xiàn)有技術(shù)對這部分物料的處理較簡單，直接從軋輥上刮掉，影響了生產(chǎn)效率。如果能克服上述問題將是一種較易推廣有商業(yè)價(jià)值的香蕉莖稈脫水設(shè)備。

根據(jù)前述香蕉莖稈脫水工藝適用性的分析以及綜合利用香蕉莖稈資源的考慮，比較具有適用的香蕉莖稈脫水技術(shù)，并較好利用香蕉莖稈的擠壓設(shè)備，擠壓后有利于綜合資源利用的設(shè)備，應(yīng)以軋輥式擠壓脫水工藝設(shè)備為研究發(fā)展方向。

1）設(shè)備體積小，操作簡單安全，處理量大，可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，才能被蕉農(nóng)接受，更具商業(yè)化，并從根本上解決運(yùn)輸成本過高的問題。減少設(shè)備質(zhì)量，思路是：將整個莖稈進(jìn)行擠壓改為先將蕉稈沿軸向剖切成片狀后進(jìn)行軋輥壓榨脫水，則軋輥可以縮小3~4倍，動力也隨之大大減少，增加的切片裝置因蕉稈易切片，因此軸向切片裝置容易設(shè)計(jì)制造，成本不高。

2）基于1）的思路，輕量化軋輥式擠壓脫水裝置還有一個重要考慮：目前國內(nèi)包括海南省蕉田大多規(guī)模較小，很少超過1 hm2，較為分散，為使本研究設(shè)備適合就近生產(chǎn)加工，就需要將設(shè)備運(yùn)輸?shù)较憬短锔浇膱龅噩F(xiàn)場加工，一方面極大減少蕉稈運(yùn)輸成本，另一方面大量節(jié)省人工成本，使綜合利用蕉稈更加綠色、低碳。為此，就需將脫水裝置設(shè)計(jì)制造成為小型化、模塊化、簡易化，易操作易維護(hù)的形式，首先是小型化。

3）用機(jī)械方式刮去軋輥上附著物，改為噴氣或噴水方式吹噴方式去除有限的附著物，這樣的噴氣噴水設(shè)施也就是空氣壓縮機(jī)或一臺低壓水泵及噴頭及接水裝置，增加成本有限，也有利于自潔設(shè)備，當(dāng)然如果用水噴會稀釋壓擠出的蕉稈汁液或增加擠壓后呈纖維狀的蕉稈纖維的含水量還可取其他方式處理，減少用水量。

4）改進(jìn)軋輥表面形狀使之既有利于有效擠壓效率，又能較少擠壓過程中纏繞粘附在軋輥上的蕉稈纖維及其他成分。

5）應(yīng)考察輥筒間隙、相對間隙（香蕉莖稈的進(jìn)料厚度與輥筒間隙的比值）與脫水率之間的關(guān)系，并結(jié)合軋輥壓榨過程中香蕉莖稈汁液的流動模型進(jìn)行深入分析，防止汁液重吸現(xiàn)象。

6）因?yàn)?）和2）的考慮，本研究的設(shè)備一定要有很好的維護(hù)性，便于拆裝，有利于該設(shè)備在較為惡劣的場地環(huán)境中工作。同時(shí)因?yàn)橛熊堓伈婚g斷運(yùn)轉(zhuǎn)，操作人員低專業(yè)化，防護(hù)電路、安全性應(yīng)納入優(yōu)先考慮。

4 結(jié) 論

針對香蕉莖稈原料體形龐大、膠質(zhì)含量高質(zhì)地軟、質(zhì)量含水率達(dá)90%以上以及纖維長的特點(diǎn)，綜合擠壓脫水技術(shù)裝備現(xiàn)狀和存在的問題，筆者認(rèn)為應(yīng)采用軋輥式擠壓脫水工藝裝備對香蕉莖稈進(jìn)行整稈壓榨。指出軋輥式擠壓脫水設(shè)備設(shè)計(jì)應(yīng)以體積小、操作簡單安全、處理量大、可靠性高為主要研究方向，解決香蕉莖稈容易附著在輥筒表面造成纏繞等問題。為了獲得較高的脫水率和排料方便，輥筒間隙應(yīng)在一個合理范圍。

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Research progress and improvement direction of squeezing dehydration technology and equipment of banana pseudostem

Xu Shuying, Zhang Yucang※, Li Jihui, Lin Chang, Lin Zhaohua

(570228,)

China is one of the largest producers of bananas in the world. Every year after the harvest of banana, a large number of by-products, the banana pseudostem, increase sharply. The banana pseudostem processing is difficult and the utilization rate is low due to the bulkiness of the banana pseudostem, high moisture content and strong intensity of labors, which bring increasingly serious environmental pollution problems. Banana pseudostem technology is the key step for its utilization, which can effectively reduce the transportation cost and labor intensity of farmers, improve the comprehensive utilization rate. The morphology and the chemical component of banana pseudostem were studied firstly. The results showed that water content of the banana pseudostem was up to 90%; The banana pseudostem (dry basis) was composed primarily of cellulose (21.77%), hemicellulose (25.92%), lignin (10.88%) and pectin (3.50%), wax (3.63%) and water soluble matter (31.91%). It could be seen that the content of non cellulose was higher than the content of cellulose. The research status and recent development of the dehydration technology and equipment on high water content agricultural waste at home and abroad were also investigated. The structure characteristics of various typical dehydration equipment were pointed out, and the selection principle of banana pseudostem squeezing dehydration technology was discussed. As compared with the drying technology, the squeezing dehydration technology is high efficiency, low cost and good at feedstock adaptability and operability. The process and equipments of squeezing dehydration were studied. The plane squeezing dehydration process usually uses hydraulic oil as power input, which has the advantages of simple structure, small power consumption, good quality of residue cake, and which also has the disadvantages of the intermittent production, long expression time (the ratio of auxiliary time to whole time is about 15%~25%), trouble in loading and unloading cakes, heavy equipment, large cover of area. Compared with the plane squeezing dehydration process, the screw extruding process is characterized in continuous production, low labor intensity, high efficiency. Though it is in favor for comprehensive utilization, it also has disadvantages of high energy consumption, low efficiency of spiral, high maintenance cost. And the temperature of juice and residue are high. Agricultural raw materials need to be crushed in pretreatment in order to carry out the screw extruding process. The characteristics of roller squeezing dehydration process is continuous operation, but it also has the disadvantages of small pressure area, feeding difficultly, little processing quantity, low squeezing effect, and the poor material adaptability. Finally, based on the current main use of banana pseudostem, the whole stalk roller squeezing dehydration process of banana pseudostem will be an important research and application direction. The further researches on the process of banana pseudostem whole stalk roller squeezing dehydration were discussed in the following aspects. Firstly, the mechanism of banana pseudostem whole stalk roller squeezing dehydration should be explored. Secondly, banana pseudostem roller equeezing dehydration process is still blocked by the banana pseudostem fiber winding on the roller surface, so the antiwind design of the roller surface structure should be the focus of future research, which can facilitate feeding and discharging, impove dehydration rate. Banana pseudostem whole stalk squeezing dehydration equipment should be able to meet the requirement of squeezing the banana pseudostem raw materials in the fields, small volume, simple and safe operation, high capacity, high reliability. It can be accepted by banana farmers, and solve the problem of high cost of transportation fundamentally. Research results of this thesis provided refference for the squeezing dehydration process and equipment of banana pseudostem, and a model which may be useful for comprehensive utilization of banana pseudostem in industry should be established. There was a certain theoretical and application value for banana pseudostem dehydration.

dehydration; processing; equipment; banana pseudostem; squeezer; resource utilization

徐樹英，張玉蒼，黎吉輝，林常，林昭華. 香蕉莖稈擠壓脫水技術(shù)裝備研究進(jìn)展及改進(jìn)方向[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2018，34(23)：76－84. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.23.009 http://www.tcsae.org

Xu Shuying, Zhang Yucang, Li Jihui, Lin Chang, Lin Zhaohua. Research progress and improvement direction of squeezing dehydration technology and equipment of banana pseudostem[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(23): 76－84 (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.23.009 http://www.tcsae.org

2018-02-07

2018-04-30

海南省科協(xié)青年科技英才創(chuàng)新計(jì)劃項(xiàng)目（HAST201625）；2017年天津大學(xué)--海南大學(xué)協(xié)同創(chuàng)新基金（01003021）；海南省產(chǎn)學(xué)研一體化項(xiàng)目（CXY20150019）

徐樹英，博士，教授，主要從事生物質(zhì)資源開發(fā)與利用研究工作。Email：xushuying1980@163.com

張玉蒼，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事生物質(zhì)資源開發(fā)與利用研究工作。Email：zhangyucang88@163.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2018.23.009

S226.7+9; X712

A

1002-6819(2018)-23-0076-09