CN115889396A - 一种基于工业化利用的田间农作物秸秆分级方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于工业化利用的田间农作物秸秆分级方法及装置，所述田间农作物秸秆分级方法包括：将秸秆进行机械梳解，使得秸秆的维管组织与薄壁组织解离，得到预制混合物料，随后对所述预制混合物料进行分级处理，得到长纤维物料与短纤维物料。本发明针对秸秆的工业利用缺乏精细化分级方式的问题，通过“机械梳解‑分级”的方式，将秸秆物料分级成长纤维和短纤维，使得分级后的物料可以满足不同工业化利用需求，同时更容易压缩，从而降低了运输和储存成本。本发明克服了传统组织分级方式需要使用蒸汽介质，导致分级能耗大、成本高和效率低的问题。

Description

一种基于工业化利用的田间农作物秸秆分级方法及装置

技术领域

本发明属于秸秆分级技术领域，涉及一种基于工业化利用的田间农作物秸秆分级方法及装置。

背景技术

秸秆资源量大面广，在秸秆的若干利用途径中，相比于其他利用途径（如饲料化利用、肥料化利用等），工业化利用的附加值更高，同时以秸秆作为原料替代木材、粮食和化石能源已然成为工业化利用的重要手段。

秸秆的组成是不均一的，对于禾本科农作物秸秆的组成，从器官和亚器官层面来说，秸秆大体上是由皮、穰和叶组成；从组织层面来说，秸秆主要是由维管组织和薄壁组织组成；从分子层面来说，秸秆基本是由纤维素、半纤维素和木质素及其他分子组成。

目前，不同工业用途所需要的秸秆原料属性也不同。例如，发酵工业需要的是疏松多孔、纤维素和半纤维素含量高的秸秆原料，从而可以降低预处理的强度和能耗并且提高可发酵糖及其下游发酵产物的得率，而结构致密、木质素含量高的组分对于酶解制备可发酵糖及其下游发酵产物则是不利的。对于制浆造纸，薄壁组织由于细胞壁薄、空腔大，对纸机的操作性能和成品纸的质量均有不利影响。因此，要想实现秸秆资源在不同下游工业中的进一步加工利用，绝不能不加区分地利用秸秆，这样不仅会提高下游工厂的处理成本，还会增加废弃物产量，使得本来是一个行业高附加值的资源变成了另外一个行业的废弃物。相反，一定要在秸秆进入到各个工厂之前就实现分级，为不同的工厂提供其属性适配的秸秆原料，只有这样，才能实现整个以秸秆为原料的工业***的高值化运行。

此外，在秸秆的工业化利用过程中产生的尘土是几乎所有工业所不需要的。尘土作为一种无用物质，如果混入到秸秆原料中必将增加除尘所需的设备成本和能耗成本，同时也会增加运输成本。

简言之，要想实现秸秆资源的工业化高附加值利用，就必须对秸秆进行分级利用。秸秆分级的方式有器官和亚器官层面的分级，如皮穰叶分离、组织层面的分级、维管组织和薄壁组织的分离等；分子层面的分级：如纤维素、半纤维素和木质素的分离。

皮穰叶分离的优点在于突破了传统对秸秆不加区分地统一利用的思路，但其仍旧是比较粗放的分离方式。现有技术公布的皮穰叶分离设备均为固定式的设备，处理效率较低，如果加大处理效率，设备体积又将十分庞大，根本无法实现与收割机的集成或匹配，这就导致了秸秆原料无法在进厂之前实现分级均一化，原料的选择性匹配和高附加值利用也就无从谈起。

秸秆组织层面的分级一定要在进厂之前进行，这样才能为不同类型的工厂提供属性适配的产品，才有利于提高秸秆综合利用***的经济性。最佳的方式是将分级与秸秆收获关联起来。目前无法通过纯机械手段实现秸秆的组织层面的分级，并且使其效率和结构能够达到与大型联合收割机相匹配的程度，同时能够保持低成本作业的方法及其装置。

分子层面的分级的优点是可以得到纯度相对较高的纤维素、半纤维素和木质素原料，非常适合下游工业的转化。但其问题在于流程复杂、能耗较高、占地面积较大，不适合在进厂之前完成，效率也无法与收割机匹配。况且，有些产品例如板材、动物砂、吸收剂等由于更注重原料的物理特性，进行分子层面的分级对这类产品的生产反而是不利的。组织层面的分级使得分级达到了一种较为精细化的程度，提高了物料的均一性，同时保证了分级的高效性，这种分级装置可以与谷物联合收割机集成或者匹配。此外，由于这种分级方式对秸秆的物理秸秆并未产生较大的破坏，分级之后的物料可以适配几乎所有秸秆下游工业品类。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种基于工业化利用的田间农作物秸秆分级方法及装置，针对秸秆的工业利用缺乏高效率、精细化分级方式的问题，通过“机械梳解-分级”的方式，将秸秆物料分级成长纤维和短纤维，使得分级后的物料可以满足不同工业化利用需求，同时更容易压缩，从而降低了运输和储存成本。本发明克服了传统组织分级方式需要使用蒸汽介质，导致分级能耗大、成本高和效率低的问题。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

第一方面，本发明提供了一种基于工业化利用的田间农作物秸秆分级方法，所述田间农作物秸秆分级方法包括：

将秸秆进行机械梳解，使得秸秆的维管组织与薄壁组织解离，得到预制混合物料，随后对所述预制混合物料进行分级处理，得到长纤维物料与短纤维物料。

本发明中采用机械梳解的方式对秸秆施加一定方式和大小的作用力，基于维管组织和薄壁组织力学性能的差异，使得这两种组织彼此分开。在机械梳解后，进一步进行分级处理，基于维管组织和薄壁组织形状和尺寸的不同，通过拨动和筛分的耦合作用实现二者的分离，将秸秆物料分级成长纤维和短纤维，可以为下游秸秆利用工业提供组成均一、属性适配的原料。

需要说明的是，任何基于维管组织和薄壁组织力学性能的差异，实现这两种组织彼此分开的过程都应视为梳解过程。梳解是将维管组织和薄壁组织分开，并且使维管组织和薄壁组织的形状产生较大的差异，为后续的分级做好准备。

作为本发明一个优选技术方案，所述长纤维物料的维管组织占比≥70%。所述短纤维物料的薄壁组织占比≥70%。

所述长纤维物料的长径比≥2。所述短纤维物料的长径比＜2。

作为本发明一个优选技术方案，所述机械梳解采用多级辊压、甩刀破碎、定刀切割或揉搓研磨中的任一种或至少两种的组合。

本发明根据秸秆种类、含水量、收割方式和下游工业用途，可采用多级辊压、甩刀破碎、定刀切割或揉搓研磨的任一种或至少两种的有序组合，基于秸秆的维管组织和薄壁组织的力学性能存在显著的差异，例如在硬度、胶着性与弹性模量的差异，正是基于这两种组织力学性能的明显差异，对秸秆施加一定方式和大小的作用力的组合进行机械梳解，以逐步地实现维管组织和薄壁组织的分开，并且在形状上达到较大的差异。其中典型但非限制性的组合为：多级辊压-甩刀破碎-揉搓研磨、多级辊压-甩刀破碎-定刀切割-揉搓研磨、多级辊压-定刀切割-揉搓研磨、多级辊压-甩刀破碎-定刀切割等。

作为本发明一个优选技术方案，所述多级辊压包括压裂处理、切割处理、压梳处理或盘磨处理中的任一种或至少两种的组合。其中典型但非限制性的组合为：压裂处理-切割处理-压梳处理、压裂处理-切割处理-压梳处理-盘磨处理、压裂处理-切割处理-盘磨处理、压裂处理-压梳处理-盘磨处理。

所述压裂处理包括：对秸秆进行裂解形成条状秸秆。优选地，所述条状秸秆的宽度为6～8mm，例如可以是6mm、6.2mm、6.5mm、7mm、7.2mm、7.5mm、7.8mm或8mm，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。需要说明的是，本发明中压裂处理的目的是将秸秆的外皮压裂和硬节破坏，沿秸秆轴向的压裂，而非径向的压裂，压裂后的秸秆是“一条条”的，而非“一段段”的。

所述切割处理包括：对秸秆进行切割形成块状秸秆。

优选地，所述块状秸秆的长度为6～12cm，例如可以是6.0cm、6.5cm、7.0cm、7.2cm、7.5cm、8.0cm、9.0cm、10.0cm、11.0cm、11.5cm或12.0cm，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。

优选地，所述块状秸秆的宽度为3～8mm，例如可以是3.0mm、3.5mm、4.0mm、5.0mm、6.0mm、7.0mm、7.5mm或8.0mm，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。

所述压梳处理包括：对秸秆进行压解，形成纤维状物料与粉末状物料，使得所述维管组织与薄壁组织实现一次解离。

所述盘磨处理包括：对秸秆进行磨搓，使得所述维管组织与薄壁组织实现二次解离。本发明的盘磨处理的目的是通过磨搓作用使得维管组织和薄壁组织进一步分离，使得薄壁组织变为细颗粒或碎末状、维管组织变为丝状。

作为本发明一个优选技术方案，所述分级处理包括：采用离心轴流耦合式分级方式对所述预制混合物料进行拨动与筛分，得到所述长纤维物料与短纤维物料。

所述分级处理的时间为5～15s，例如可以是5s、6s、7s、8s、9s、10s、11s、12s、13s、14s或15s，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。本发明中的分级采用离心轴流耦合式分级，所谓离心，是指物料受到离心作用力，即将物料甩向四周的作用力；所谓轴流，是指物料受到轴向推动力，即将物料沿主轴方向向前推动的作用力。

本发明得到的长纤维物料的用途包括但不限于制浆造纸、制造板材、制备燃料以及制备混凝土填充纤维等；短纤维物料的用途包括但不限于固态发酵、制作饲料、制备肥料、直接还田、制造吸收性材料或制备葡萄糖及其发酵产物和呋喃基化合物等。本发明使得秸秆的收获从粉碎还田变为分级离田，秸秆的工业化利用从整体利用变为分级利用，从而引起农业机械和生物炼制领域***性的改变。

作为本发明一个优选技术方案，所述的秸秆包括玉米秸秆、水稻秸秆、小麦秸秆、高粱秸秆、燕麦秸秆、大麦秸秆、大豆秸秆或竹子茎秆中的任一种或至少两种的组合。

第二方面，本发明提供了一种基于工业化利用的田间农作物秸秆分级装置，所述基于工业化利用的田间农作物秸秆分级装置用于第一方面所述的田间农作物秸秆分级方法，所述田间农作物秸秆分级装置包括依次设置的梳解模块与分级模块。

本发明通过设置梳解模块与分级模块，通过纯机械手段实现维管组织和薄壁组织的分离，效率较高，并且使得其效率可以达到与大型联合收割机匹配的程度，流程较短，不涉及化学试剂的引入，使得分级过程保持了较低的生产成本。

需要说明的是，本发明的梳解模块与分级模块可以集成在同一台机械设备上，也可以布置在各自独立的两台机械设备上。为了帮助本领域技术人员更好地了解本发明的整体技术方案及工作过程，本发明示例性地提供了如下有关两个模块的布置方式：

当处理的秸秆种类为玉米秸秆时，将梳解模块布置在玉米联合收割机上，其位置可以在割台上，也可以在收割机后半部分的秸秆处理空间，分级模块布置在自走式分级机上；当处理的秸秆种类为小麦秸秆或水稻秸秆时，将梳解模块布置在联合收割机上的脱粒机构之后，分级模块布置在自走式分级机上。

需要说明的是，以上对有关两个模块的布置方式所做出的描述不构成对本发明保护范围的进一步限定，也即，现有技术中已公开或新技术中未公开的有关两个模块的布置方式均可用于本发明中。

作为本发明一个优选技术方案，所述梳解模块包括多级辊压机构、甩刀破碎机构、定刀切割机构或揉搓研磨机构中的任一种或至少两种的组合。

本发明的梳解模块是多级辊压机构、甩刀破碎机构、定刀切割机构和揉搓研磨机构中一种或多种的有序组合。其中典型但非限制性的组合为：多级辊压机构-甩刀破碎机构-定刀切割机构、级辊压机构-甩刀破碎机构-定刀切割机构-揉搓研磨机构、级辊压机构-甩刀破碎机构-揉搓研磨机构和级辊压机构-甩刀破碎机构-揉搓研磨机构。本发明的梳解模块并不是上述操作机构的随意排列，而是根据秸秆种类、含水量、收割方式和下游工业用途所设计的有序组合。

作为本发明一个优选技术方案，所述多级辊压机构包括压裂辊、切割辊、压梳辊或盘磨辊中的任一种或至少两种的组合。其中典型但非限制性的组合为：压裂辊-切割辊-压梳辊、压裂辊-切割辊-压梳辊-盘磨辊、压裂辊-压梳辊-盘磨辊、压裂辊-切割辊-盘磨辊。

所述多级辊压机构包括依次连接的压裂辊、切割辊、压梳辊与盘磨辊。

优选地，所述压裂辊为对辊式结构，所述压裂辊包括第一主辊，沿所述第一主辊的外周壁周向分布有压裂凸起。

优选地，所述对辊的间距为3～6mm，例如可以是3.0mm、3.5mm、4.0mm、4.5mm、5.0mm、5.5mm或6.0mm，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。

优选地，所述第一主辊的长度为500～1000mm，例如可以是500mm、550mm、600mm、650mm、700mm、800mm、900mm、950mm或1000mm，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。

所述第一主辊的直径为150～250mm，例如可以是150mm、160mm、170mm、180mm、200mm、220mm、230mm、240mm或250mm，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。本发明中压裂辊的目的是将秸秆的外皮压裂和硬节破坏，第一主辊沿秸秆轴向的压裂，而非径向的压裂，压裂后的秸秆是“一条条”的，而非“一段段”的。压裂辊的结构形式采用对辊式，对辊的表面分布有压裂凸起，压裂凸起的排列方向是沿对辊圆周方向的，而非主轴方向。当喂入秸秆时，对辊上的压裂凸起就会沿秸秆的主轴方向不断压裂秸秆，使被压裂的秸秆呈现出“一条条”的状态。当处理的秸秆为玉米秸秆时，压裂辊同时可以作为割台上的摘穗辊或拉茎辊。

所述切割辊包括第二主辊，沿所述第二主辊的外周壁沿周向设置有若干剪切弯刀，所述剪切弯刀的刀刃方向相对于所述第二主辊的中心轴倾斜设置。所述第二主辊的下方还设置有凹板，所述凹板靠近所述剪切弯刀的一侧表面倾斜设置有若干限位齿。所述剪切弯刀的刀刃方向与所述限位齿的外缘沿相反方向设置。

优选地，所述第二主辊与所述凹板之间的最小直线距离为4～6mm，例如可以是4.0mm、4.5mm、5.0mm、5.5mm或6.0mm，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。

优选地，相邻的两个所述剪切弯刀之间的距离为6～12cm，例如可以是6.0cm、6.5cm、7.0cm、7.2cm、7.5cm、8.0cm、9.0cm、10.0cm、11.0cm、11.5cm或12.0cm，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。

优选地，所述第二主辊的长度为800～1200mm，例如可以是800mm、850mm、900mm、950mm、1000mm、1100mm、1150mm或1200mm，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。

所述第二主辊的直径为150～200mm，例如可以是150mm、155mm、160mm、166mm、170mm、180mm、190mm或200mm，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。

本发明的切割辊将秸秆切割成块状，第二主辊的直径较大，剪切弯刀的凸出尺寸较小，剪切弯刀以焊接的形式与第二主辊固定连接。切割辊的结构形式通常为单辊式，压裂后的秸秆从第二主辊的中部喂入，在旋转的剪切弯刀的作用下，加之前述的压裂作用下变成不规则柱状。切割之后，秸秆整体上被破碎成小段状，但是维管组织和薄壁组织仍旧以化学作用力的方式结合在一起，并未实现彼此分开。

优选地，所述压梳辊包括沿相同方向转动的第三主辊与第四主辊，所述第三主辊的直径大于所述第四主辊的直径，所述第三主辊与第四主辊的外周壁分别分布有第一梳钉与第二梳钉。

优选地，所述第三主辊的外周壁与所述第四主辊的外周壁之间的最小直线距离为1.8～2.2mm，例如可以是1.8mm、1.9mm、2.0mm、2.1mm或2.2mm，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。

优选地，所述第一梳钉与第二梳钉的高度独立地为2～3mm，例如可以是2.0mm、2.2mm、2.3mm、2.5mm、2.6mm、2.8mm或3.0mm，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。

优选地，相邻两个第一梳钉，或相邻两个第二梳钉的间距为0.8～2mm，例如可以是0.8mm、0.9mm、1.0mm、1.2mm、1.5mm、1.6mm、1.8mm或2.0mm，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。

优选地，所述第三主辊与所述第四主辊的转速比为1:(2~5)，例如可以是1:2、1:3、1:4或1:5，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。本发明中的压梳辊将维管组织和薄壁组织进行初步分离，其结构形式采用一对辊，即第三主辊与第四主辊，对辊差速旋转，第三主辊与第四主辊的表面都分布有凸起的梳钉，梳钉的高度为被切割后的秸秆的厚度的一半，而梳钉的间隔要小于秸秆穰中维管束之间距离。

优选地，所述盘磨辊包括相对设置的第一磨辊与第二磨辊，所述第一磨辊与所述第二磨辊的表面独立地分布有磨搓凸起。

优选地，所述第一磨辊与第二磨辊沿相同方向转动，所述第一磨辊与第二磨辊的转速比为1:(2~5)，例如可以是1:2、1:3、1:4或1:5，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。本发明的盘磨辊通过磨搓作用，使得维管组织和薄壁组织进一步分离，将薄壁组织变为细颗粒或碎末状，维管组织变为丝状。盘磨辊的结构型式为一对辊，即第一磨辊与第二磨辊，且第一磨辊与第二磨辊的圆周面刻有磨搓凸起，对辊差速旋转，从而实现对秸秆物料的磨搓、分丝和破碎。需要说明的是，本发明的第一磨辊与第二磨辊为辊径比为1:(2~5)，且结构完全相同，其表面分布的磨搓凸起也相同。

优选地，所述甩刀破碎机构包括第一转动轴，沿所述第一转动轴的外周壁轴向设置有若干固定杆，所述固定杆上可转动设置若干甩刀。优选地，所述甩刀包括矩形锤片式、弯刀式或三角片式中的任一种或至少两种的组合。优选地，所述甩刀的表面分布有齿状纹路。本发明的甩刀破碎机构包括第一转动轴，以及固定在主轴上的甩刀，甩刀表面雕刻齿状纹路，以增加与秸秆的摩擦力，同时起到秸秆的压裂、切割和梳解的作用。

优选地，所述定刀切割机构包括第二转动轴，沿所述第二转动轴的轴向设置有若干挡板，相邻的两个所述挡板之间设置至少一个沿所述第二转动轴轴向延伸的横向切割刀，所述横向切割刀的刀刃方向垂直于所述第二转动轴的中心轴，所述横向切割刀可拆卸连接所述第二转动轴。本发明中定刀切割机构的横向切割刀，起到切割秸秆物料的功能，挡板起到输送物料的功能。相比切割辊，本发明中定刀切割机构的第二转动轴的直径较小，横向切割刀的宽度较宽，横向切割刀与第二转动轴通过螺栓连接的方式相连，可拆卸性较强。

优选地，所述揉搓研磨机构包括第三转动轴，所述第三转动轴的底部设置有研磨凹板，所述第三转动轴与研磨凹板之间留有用于容纳秸秆物料的研磨空间。本发明的揉搓研磨机构采用圆筒凹板结构，包括表面刻有纹路的第三转动轴，以及与第三转动轴同心的研磨凹板，使秸秆物料在第三转动轴和研磨凹板之间被挤压、分丝、破碎。本发明对于第三转动轴与研磨凹板的结构不作具体限定或特殊要求，只要能够实现揉搓研磨的任何机构均能够用于本发明中，示例性地，第三转动轴的表面可设置与压梳辊的表面结构相似的梳钉结构，梳钉间距为1.8～2.2mm，梳钉高度为3～7mm；研磨凹板的表面可设置与盘磨辊的表面结构相似的磨搓凸起，第三转动轴与研磨凹板的间距为8～13mm。

作为本发明一个优选技术方案，所述分级模块包括离心轴流耦合式分级机构，所述离心轴流耦合式分级机构包括壳体，所述壳体内依次设置有拨动组件与筛分组件，所述壳体的底部还设置有出料口。所述拨动组件将长纤维物料移动至出料口排出，所述短纤维物料由所述筛分组件筛出。

本发明的分级模块基于梳解后的维管组织和薄壁组织形状和尺寸的不同，通过拨动和筛分的耦合作用实现二者的分离。指物料在壳体中会受到离心作用力，使其甩向四周的筛分组件，同时物料在壳体中会受到轴向推动力，使其沿分级机主轴方向向前推动，由出料口排出。

优选地，所述拨动组件包括至少一个分级主轴，沿所述分级主轴的外周壁设置有呈螺旋分布的若干分级件。

优选地，所述分级件包括拨动叶片和/或拨动齿钉。本发明的拨动齿钉或叶片在高速旋转的过程中起到类似钉耙搂草的作用，以拨动烟丝或头发丝状的物料，推动向前从而实现与碎末或细颗粒状物料的分离。

优选地，所述分级主轴的长度为1200～1600mm，例如可以是1200mm、1250mm、1300mm、1350mm、1400mm、1500mm、1550mm或1600mm，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。

所述分级主轴的直径为150～240mm，例如可以是150mm、155mm、160mm、170mm、180mm、200mm、220mm、230mm或240mm，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。

优选地，所述拨动叶片或拨动齿钉的长度为80～120mm，例如可以是80mm、85mm、90mm、95mm、100mm、105mm、110mm、115mm或120mm，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。

优选地，所述筛分组件的目数为10~50目，例如可以是10目、15目、20目、25目、30目、35目、40目、45目或50目，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。

本发明中分级模块包括离心轴流耦合式分级机构，根据壳体内的分级主轴的数量，可分为单轴式、双轴式和四轴式分级模块；根据分级主轴上固定的分级件种类，可分为叶片式、拨动齿钉式和叶片拨动齿钉耦合式分级模块；根据分级主轴上固定的分级件的排列方式，可分为单螺旋、双螺旋、三螺旋和四螺旋式分级模块。其中，分级主轴的数量越多，工作效率就越高。分级主轴上的叶片呈一定角度排布，既提供了切向气流，又提供了轴向气流，叶片的特点是可以形成较强的风力，使得破碎后的长纤维物料与短纤维物料在风力的作用下发生运动。分级主轴上的拨动齿钉也呈一定角度排列，既向物料提供了向四周的筛分组件运动的离心力，又向物料提供了沿主轴向前运动的推动力。同时，拨动齿钉的作用还有将细长的丝状长纤维物料挑动和拨动，使其更多地沿着分级主轴向前运动，从分级主轴末端的出料口排出，而短纤维物料则从筛分组件的筛孔中落出。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

（1）本发明提供的一种基于工业化利用的田间农作物秸秆分级方法及装置，通过单纯的机械手段实现了秸秆维管组织和薄壁组织的分离，从而为下游不同的工业利用提供了适配性强的秸秆原料，有助于提高秸秆工业体系的经济性；

（2）“机械梳解-分级”式田间农作物秸秆分级装置，其效率和结构均可以达到与大型联合收割机相匹配的水平；（3）本发明的分级方法不涉及化学试剂以及蒸汽的使用，工艺流程短，操作成本低；（4）经本发明提供的方法进行分级之后打捆的密度增加，有助于进一步降低运输和储存成本。

附图说明

图1为本发明一个具体实施方式提供的田间农作物秸秆分级方法的流程图；图2为本发明一个具体实施方式提供的压裂辊的结构示意图；图3为本发明一个具体实施方式提供的切割辊的结构示意图；图4为本发明一个具体实施方式提供的压梳辊的结构示意图；图5为本发明一个具体实施方式提供的磨搓凸起的结构示意图；图6为本发明一个具体实施方式提供的甩刀破碎机构的结构示意图；图7为本发明一个具体实施方式提供的定刀切割机构的结构示意图；图8为本发明一个具体实施方式提供的定刀切割机构的正视图；图9为本发明一个具体实施方式提供的分级模块的拨动组件的结构示意图。

其中，1-压裂辊；11-第一主辊；12-压裂凸起；2-切割辊；21-第二主辊；22-剪切弯刀；23-凹板；24-限位齿；3-压梳辊；31-第三主辊；32-第四主辊；33-第一梳钉；34-第二梳钉；4-分级主轴；41-拨动齿钉；5-磨搓凸起；6-甩刀破碎机构；61-第一转动轴；62-固定杆；63-甩刀；7-定刀切割机构；71-第二转动轴；72-挡板；73-横向切割刀。

具体实施方式

需要理解的是，在本发明的描述中，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

需要说明的是，在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。

在一个具体实施方式中，本发明提供了一种基于工业化利用的田间农作物秸秆分级方法，如图1所示，包括：

将秸秆进行机械梳解，使得秸秆的维管组织与薄壁组织解离，得到预制混合物料，随后对预制混合物料进行分级处理，得到长纤维物料与短纤维物料。

本发明采用机械梳解的方式对秸秆施加一定方式和大小的作用力，基于维管组织和薄壁组织力学性能的差异，使得这两种组织彼此分开，薄壁组织变成碎末或细颗粒状、维管组织变成烟丝或细长圆柱状的过程。在机械梳解后，进一步进行分级处理，基于维管组织和薄壁组织形状和尺寸的不同，通过拨动和筛分的耦合作用实现二者的分离，将秸秆物料分级成长纤维和短纤维，可以为下游秸秆利用工业提供组成均一、属性适配的原料。

任何基于维管组织和薄壁组织力学性能的差异，实现这两种组织彼此分开的过程都应视为梳解过程。反之，任何目的不在于实现秸秆组织层面的分离，而只注重秸秆破碎成较小颗粒的过程都不应视为梳解。

梳解和粉碎的区别在于：粉碎是将秸秆的全部组分都破碎成颗粒状，不同的组织仍旧混合在一起并且形状几乎相同，无法实现秸秆不同组分之间的分离；而梳解则是将维管组织和薄壁组织分开，并且使维管组织和薄壁组织的形状产生较大的差异，为后续的分级做好准备。

梳解和揉丝的区别在于：揉丝是对秸秆施加以沿秸秆轴向的冲击力，将秸秆分成丝状，其目的不在于而且也无法实现不同组织的分离，梳解的目的则是实现不同组织的彼此分开，并且梳解处理可以逐步实现维管组织和薄壁组织的分开。机械梳解与通常意义上的机械冲击的区别在于，梳解的目的是实现秸秆组织层面的分离，所谓的机械冲击的目的不在于此，而在于皮瓤叶分离。

在一些实施方式中，长纤维物料的维管组织占比≥70%。短纤维物料的薄壁组织占比≥70%。长纤维物料的长径比≥2，短纤维物料的长径比＜2。

在一些实施方式中，机械梳解采用多级辊压、甩刀破碎、定刀切割或揉搓研磨中的任一种或至少两种的组合。本发明根据秸秆种类、含水量、收割方式和下游工业用途，可采用多级辊压、甩刀破碎、定刀切割或揉搓研磨的任一种或至少两种的有序组合，基于秸秆的维管组织和薄壁组织的力学性能存在显著的差异，例如在硬度、胶着性与弹性模量的差异，正是基于这两种组织力学性能的明显差异，对秸秆施加一定方式和大小的作用力的组合进行机械梳解，以逐步地实现维管组织和薄壁组织的分开，并且在形状上达到较大的差异。

在一些实施方式中，多级辊压包括压裂处理、切割处理、压梳处理或盘磨处理中的任一种或至少两种的组合。

在一些实施方式中，压裂处理包括：对秸秆进行裂解形成条状秸秆。

在一些实施方式中，条状秸秆的宽度为6～8mm。本发明中压裂处理的目的是将秸秆的外皮压裂和硬节破坏，沿秸秆轴向的压裂，而非径向的压裂，压裂后的秸秆是“一条条”的，而非“一段段”的。

在一些实施方式中，切割处理包括：对秸秆进行切割形成块状秸秆。

在一些实施方式中，块状秸秆的长度为6～12cm，宽度为3～8mm。

在一些实施方式中，压梳处理包括：对秸秆进行压解，形成纤维状物料与粉末状物料，使得维管组织与薄壁组织实现一次解离。

在一些实施方式中，盘磨处理包括：对秸秆进行磨搓，使得维管组织与薄壁组织实现二次解离。本发明的盘磨处理的目的是通过磨搓作用使得维管组织和薄壁组织进一步分离，使得薄壁组织变为细颗粒或碎末状、维管组织变为丝状。

在一些实施方式中，分级处理包括：采用离心轴流耦合式分级方式对预制混合物料进行拨动与筛分，得到长纤维物料与短纤维物料。

在一些实施方式中，分级处理的时间为5～15s。本发明中的分级采用离心轴流耦合式分级，所谓离心，是指物料受到离心作用力，即将物料甩向四周的作用力；所谓轴流，是指物料受到轴向推动力，即将物料沿主轴方向向前推动的作用力。相比于传统的非振动筛式筛分分级，本发明中采用的离心轴流耦合式分级的工作效率更高，能够在占用较小的空间内实现较高效率的分级，从而可以和联合收割机的效率相匹配。此外，离心轴流式分级与传统的气流筛分机的工作原理不同，气流筛分机只利用了叶片提供了轴向的风力，而本发明的离心轴流式分级则是将烟丝或头发丝状的物料拨动、推动向前，从而实现与碎末或细颗粒状物料的分离。

本发明得到的长纤维物料的用途包括但不限于制浆造纸、制造板材、制备燃料以及制备混凝土填充纤维等；短纤维物料的用途包括但不限于固态发酵、制作饲料、制备肥料、直接还田、制造吸收性材料或制备葡萄糖及其发酵产物和呋喃基化合物等。本发明使得秸秆的收获从粉碎还田变为分级离田，秸秆的工业化利用从整体利用变为分级利用，从而引起农业机械和生物炼制领域***性的改变。

在一些实施方式中，秸秆包括玉米秸秆、水稻秸秆、小麦秸秆、高粱秸秆、燕麦秸秆、大麦秸秆、大豆秸秆或竹子茎秆中的任一种或至少两种的组合。

在另一个具体实施方式中，本发明提供了一种基于工业化利用的田间农作物秸秆分级装置，用于一个具体实施方式中田间农作物秸秆分级方法，包括依次设置的梳解模块与分级模块。

本发明通过设置梳解模块与分级模块，通过纯机械手段实现维管组织和薄壁组织的分离，效率较高，并且使得其效率可以达到与大型联合收割机匹配的程度，流程较短，不涉及化学试剂的引入，使得分级过程保持了较低的生产成本。本发明的梳解模块与分级模块可以集成在同一台机械设备上，也可以布置在各自独立的两台机械设备上。示例性地，梳解模块与分级模块可以同时集成在联合收割机、自走式或固定式分级机上，也可以单独将梳解模块布置在联合收割机上，而将分级模块布置在自走式或固定式的分级机上。

示例性地，当处理的秸秆为玉米秸秆时，将梳解模块布置在玉米联合收割机上，其位置可在割台上，也可在收割机后半部分的秸秆处理空间，分级模块布置在自走式分级机上；当处理的秸秆为小麦秸秆或水稻秸秆时，将梳解模块布置在联合收割机上的脱粒机构之后，分级模块布置在自走式分级机上。

在一些实施方式中，梳解模块包括多级辊压机构、甩刀破碎机构6、定刀切割机构7或揉搓研磨机构中的任一种或至少两种的组合。本发明的梳解模块是多级辊压机构、甩刀破碎机构6、定刀切割机构7和揉搓研磨机构中一种或多种的有序组合，并不是上述操作机构的随意排列，而是根据秸秆种类、含水量、收割方式和下游工业用途所设计的有序组合。

在一些实施方式中，多级辊压机构包括压裂辊1、切割辊2、压梳辊3或盘磨辊中的任一种或至少两种的组合。

在一些实施方式中，多级辊压机构包括依次连接的压裂辊1、切割辊2、压梳辊3与盘磨辊。

在一些实施方式中，如图2所示，压裂辊1为对辊式结构，压裂辊1包括第一主辊11，沿第一主辊11的外周壁周向分布有压裂凸起12。

在一些实施方式中，对辊的间距为3～6mm，第一主辊11的长度为500～1000mm，第一主辊11的直径为150～250mm。本发明中压裂辊1的目的是将秸秆的外皮压裂和硬节破坏，第一主辊11沿秸秆轴向的压裂，而非径向的压裂，压裂后的秸秆是“一条条”的，而非“一段段”的。压裂辊1的结构形式采用对辊式，对辊的表面分布有压裂凸起12，压裂凸起12的排列方向是沿对辊圆周方向的，而非主轴方向。当喂入秸秆时，对辊上的压裂凸起12就会沿秸秆的主轴方向不断压裂秸秆，使被压裂的秸秆呈现出“一条条”的状态。当处理的秸秆为玉米秸秆时，压裂辊1同时可以作为割台上的摘穗辊或拉茎辊。

在一些实施方式中，如图3所示，切割辊2包括第二主辊21，沿第二主辊21的外周壁沿周向设置有若干剪切弯刀22，剪切弯刀22的刀刃方向相对于第二主辊21的中心轴倾斜设置。第二主辊21的下方还设置有凹板23，凹板23靠近剪切弯刀22的一侧表面倾斜设置有若干限位齿24。剪切弯刀22的刀刃方向与限位齿24的外缘沿相反方向设置。

在一些实施方式中，第二主辊21与凹板23之间的最小直线距离为4～6mm，相邻的两个剪切弯刀22之间的距离为6～12cm，第二主辊21的长度为800～1200mm，第二主辊21的直径为150～200mm。

本发明的切割辊2将秸秆切割成块状，第二主辊21的直径较大，剪切弯刀22的凸出尺寸较小，剪切弯刀22以焊接的形式与第二主辊21固定连接。切割辊2的结构形式通常为单辊式，压裂后的秸秆从第二主辊21的中部喂入，在旋转的剪切弯刀22的作用下，加之前述的压裂作用下变成不规则柱状。切割之后，秸秆整体上被破碎成小段状，但是维管组织和薄壁组织仍旧以化学作用力的方式结合在一起，并未实现彼此分开。

在一些实施方式中，如图4所示，压梳辊3包括沿相同方向转动的第三主辊31与第四主辊32，第三主辊31的直径大于第四主辊32的直径，第三主辊31与第四主辊32的外周壁分别分布有第一梳钉33与第二梳钉34。

在一些实施方式中，第三主辊31的外周壁与第四主辊32的外周壁之间的最小直线距离为1.8～2.2mm，第一梳钉33与第二梳钉34的高度独立地为2～3mm。相邻两个第一梳钉33，或相邻两个第二梳钉34的间距为0.8～2mm。第三主辊31与第四主辊32的转速比为1:(2~5)。

本发明中的压梳辊3将维管组织和薄壁组织进行初步分离，其结构形式采用一对辊，即第三主辊31与第四主辊32，对辊差速旋转，第三主辊31与第四主辊32的表面都分布有凸起的梳钉，梳钉的高度为被切割后的秸秆的厚度的一半，而梳钉的间隔要小于秸秆穰中维管束之间距离。示例性地，针对玉米秸秆，第一梳钉33或第二梳钉34的间距为1.5～2mm，对于水稻秸秆和小麦秸秆，第一梳钉33或第二梳钉34的间距为0.8～1.5mm。

在一些实施方式中，盘磨辊包括相对设置的第一磨辊与第二磨辊，第一磨辊与第二磨辊的表面独立地分布有如图5所示的磨搓凸起5。第一磨辊与第二磨辊沿相同方向转动，第一磨辊与第二磨辊的转速比为1:(2~5)。本发明的盘磨辊通过磨搓作用，使得维管组织和薄壁组织进一步分离，将薄壁组织变为细颗粒或碎末状，维管组织变为丝状。盘磨辊的结构型式为一对辊，即第一磨辊与第二磨辊，且第一磨辊与第二磨辊的圆周面刻有磨搓凸起5，对辊差速旋转，从而实现对秸秆物料的磨搓、分丝和破碎。

在一些实施方式中，如图6所示，甩刀破碎机构6包括第一转动轴61，沿第一转动轴61的外周壁轴向设置有若干固定杆62，固定杆62上可转动设置若干甩刀63。甩刀63包括矩形锤片式、弯刀式或三角片式中的任一种或至少两种的组合。甩刀63的表面分布有齿状纹路。本发明的甩刀破碎机构6包括第一转动轴61，以及固定在主轴上的甩刀63，甩刀63表面雕刻齿状纹路，以增加与秸秆的摩擦力，同时起到秸秆的压裂、切割和梳解的作用。

在一些实施方式中，如图7和图8所示，定刀切割机构7包括第二转动轴71，沿第二转动轴71的轴向设置有若干挡板72，相邻的两个挡板72之间设置至少一个沿第二转动轴71轴向延伸的横向切割刀73，横向切割刀73的刀刃方向垂直于第二转动轴71的中心轴，横向切割刀73可拆卸连接第二转动轴71。本发明中定刀切割机构7的横向切割刀73，起到切割秸秆物料的功能，挡板72起到输送物料的功能。

在一些实施方式中，揉搓研磨机构包括第三转动轴，第三转动轴的底部设置有研磨凹板，第三转动轴与研磨凹板之间留有用于容纳秸秆物料的研磨空间。本发明的揉搓研磨机构采用圆筒凹板结构，包括表面刻有纹路的第三转动轴，以及与第三转动轴同心的研磨凹板，使秸秆物料在第三转动轴和研磨凹板之间被挤压、分丝、破碎。

在一些实施方式中，第三转动轴的表面可设置与压梳辊3的表面结构相似的梳钉结构，梳钉间距为1.8～2.2mm，梳钉高度为3～7mm；研磨凹板的表面可设置与盘磨辊的表面结构相似的磨搓凸起5，第三转动轴与研磨凹板的间距为8～13mm。

根据秸秆物理性质的不同，当处理的秸秆种类为玉米秸秆时，梳解模块必选多级辊压机构，其中第一级辊压为压裂辊1，亦可作为玉米收割机割台的拉茎辊或摘穗辊，第二级辊压为切割辊2，第三级辊压为压梳辊3，第四级辊压为盘磨辊；当处理的秸秆种类为水稻秸秆或小麦秸秆时，梳解模块可选甩刀破碎机构6、定刀切割机构7和揉搓研磨机构。

在一些实施方式中，分级模块包括离心轴流耦合式分级机构，离心轴流耦合式分级机构包括壳体，壳体内依次设置有拨动组件与筛分组件，壳体的底部还设置有出料口。拨动组件将长纤维物料移动至出料口排出，短纤维物料由筛分组件筛出。

本发明的分级模块基于梳解后的维管组织和薄壁组织形状和尺寸的不同，通过拨动和筛分的耦合作用实现二者的分离。指物料在壳体中会受到离心作用力，使其甩向四周的筛分组件，同时物料在壳体中会受到轴向推动力，使其沿分级机主轴方向向前推动，由出料口排出。

在一些实施方式中，如图9所示，拨动组件包括至少一个分级主轴4，沿分级主轴4的外周壁设置有呈螺旋分布的若干分级件。分级件包括拨动叶片和/或拨动齿钉41。

在一些实施方式中，分级主轴4的长度为1200～1600mm，分级主轴4的直径为150～240mm，拨动叶片或拨动齿钉41的长度为80～120mm，筛分组件的目数为10~50目。

本发明中分级模块包括离心轴流耦合式分级机构，根据壳体内的分级主轴4的数量，可分为单轴式、双轴式和四轴式分级模块；根据分级主轴4上固定的分级件种类，可分为叶片式、拨动齿钉41式和叶片拨动齿钉41耦合式分级模块；根据分级主轴4上固定的分级件的排列方式，可分为单螺旋、双螺旋、三螺旋和四螺旋式分级模块。其中，分级主轴4的数量越多，工作效率就越高。分级主轴4上的叶片呈一定角度排布，既提供了切向气流，又提供了轴向气流，叶片的特点是可以形成较强的风力，使得破碎后的长纤维物料与短纤维物料在风力的作用下发生运动。分级主轴4上的拨动齿钉41也呈一定角度排列，既向物料提供了向四周的筛分组件运动的离心力，又向物料提供了沿主轴向前运动的推动力。同时，拨动齿钉41的作用还有将细长的丝状长纤维物料挑动和拨动，使其更多地沿着分级主轴4向前运动，从分级主轴4末端的出料口排出，而短纤维物料则从筛分组件的筛孔中落出。叶片和拨动齿钉41在分级主轴4上必须按螺旋状排列，但螺旋的数量可以为单条、两条、三条和四条。另外，分级主轴4的长度和转速是根据物料的停留时间确定的。

实施例1

本实施例提供了一种玉米秸秆的分级装置，包括梳解模块与分级模块，适合含水率为40%～60%，且玉米秸秆较为精细的分级。梳解模块包括依次连接的压裂辊1、切割辊2、压梳辊3和盘磨辊，分级模块采用单轴四螺旋拨动齿钉分级机构，将玉米秸秆依次通过压裂辊1、切割辊2、压梳辊3和盘磨辊处理后落入单轴四螺旋拨动齿钉式分级机构中，对长纤维与短纤维进行分离。

压裂辊1采用一对第一主辊11，沿第一主辊11的外周壁周向分布有压裂凸起12，压裂凸起12呈波浪形状，两辊同速运行，间距为10mm，同时起到喂料的作用，第一主辊11的长度为800mm，直径为200mm。切割辊2采用单辊式第二主辊21，且沿第二主辊21的外周壁沿周向设置有剪切弯刀22，剪切弯刀22同时起到输送物料的作用。第二主辊21的下方还设置有凹板23，凹板23的表面倾斜设置有限位齿24，剪切弯刀22的刀刃方向与限位齿24的外缘沿相反方向设置。第二主辊21与凹板23之间的距离为5mm，相邻的两个剪切弯刀22之间的距离为8cm，第二主辊21的长度为1000mm，直径为160mm。切割辊2将压裂后的秸秆切成长度为1cm左右的段状，切割后的秸秆落入输送带上，由输送带喂入压梳辊3。压梳辊3包括沿相同方向转动的第三主辊31与第四主辊32，第三主辊31外周壁分布有高度为2.5mm的第一梳钉33，相邻第一梳钉33的间距为2mm，第四主辊32外周壁分布有高度为2.5mm的第二梳钉34，相邻第二梳钉34的间距为2mm。两辊差速旋转，速比为4，间距（不含拨动齿钉41高度）为6mm。盘磨辊包括相对设置的第一磨辊与第二磨辊，同样呈差速运动，速比为4，间距为3mm。分级模块包括壳体，其内设置有拨动组件，沿拨动组件的外周围设有筛分组件。拨动组件包括一个分级主轴4，分级主轴4的外周壁设置有相互平行的四条螺旋排列的拨动齿钉41。分级主轴4的长度为1400mm，直径为200mm，拨动齿钉41的长度为100mm。

实施例2

本实施例提供了一种玉米秸秆的分级装置，包括梳解模块与分级模块，适合含水率为40%～60%，且玉米秸秆较为精细的分级，与实施例1的区别在于：分级模块采用双轴四螺旋拨动齿钉分级机构，其余模块结构和工艺参数与实施例1相同。

分级模块的拨动组件包括两个分级主轴4，分级主轴4的外周壁设置有相互平行的四条螺旋排列的拨动齿钉41，每个螺距排列四个拨动齿钉41，两个分级主轴4的拨动齿钉41相互平行，且交错设置。分级主轴4的长度均为1400mm，直径为200mm，拨动齿钉41的长度为100mm。

实施例3

本实施例提供了一种玉米秸秆的分级装置，包括梳解模块与分级模块，适合含水率为40%～60%，且玉米秸秆的精细化程度一般，但效率较高的分级。梳解模块包括依次连接的压裂辊1、甩刀破碎机构6与揉搓研磨机构，分级模块采用双轴四螺旋拨动齿钉机构。将玉米秸秆通过压裂辊1挤压后，通过输送带送至甩刀破碎机构6中，在甩刀63的冲击作用下，秸秆沿轴向被撕裂成条状，此时部分维管组织和薄壁组织仍旧以化学作用力结合在一起，故将物料继续送至揉搓研磨机构中进一步梳解。压裂辊1采用一对第一主辊11，沿第一主辊11的外周壁周向分布有压裂凸起12，压裂凸起12呈波浪形状，两辊同速运行，间距为10mm，同时起到喂料的作用，第一主辊11的长度为800mm，直径为200mm。甩刀破碎机构6包括第一转动轴61，第一转动轴61的外周壁套设有弯刀式甩刀63，甩刀63的表面分布有齿状纹路。揉搓研磨机构包括圆筒式的第三转动轴，第三转动轴的底部设置有研磨凹板，两者呈同心关系。第三转动轴的外周壁分布有高度为5mm的梳钉，相邻梳钉的间距为2mm，第三转动轴和研磨凹板之间的距离为10mm。在第三转动轴和研磨凹板的共同作用下，破碎后的秸秆物料被进一步揉搓、分丝、分离。揉搓后的秸秆物料在惯性的作用下进入双轴四螺旋拨动齿钉分级机构中，对长纤维与短纤维进行分离。分级模块包括壳体，其内设置有拨动组件，沿拨动组件的下方设有筛分组件。拨动组件包括两个分级主轴4，分级主轴4的外周壁设置有相互平行的四条螺旋排列的拨动齿钉41，每个螺距排列四个拨动齿钉41，两个分级主轴4的拨动齿钉41相互平行，且交错设置。分级主轴4的长度为1400mm，直径为200mm，拨动齿钉41的长度为100mm。筛分组件采用凹板筛，筛孔尺寸为20目（按泰勒筛）。

实施例4

本实施例提供了一种玉米秸秆的分级装置，包括梳解模块与分级模块，适合含水率为15%～30%，且玉米秸秆较为精细的分级。与实施例1的区别在于：梳解模块包括依次连接的压裂辊1、压梳辊3和盘磨辊，并未设置切割辊2，将玉米秸秆依次通过压裂、压梳和盘磨处理后落入分级模块中，对长纤维与短纤维进行分离，其余模块结构和工艺参数与实施例1相同。

实施例5

本实施例提供了一种水稻秸秆的分级装置，包括梳解模块与分级模块，适合含水率为40%～60%，且水稻秸秆的较为精细的分级。梳解模块包括依次连接的压裂辊1、切割辊2、压梳辊3和盘磨辊，分级模块采用单轴四螺旋拨动齿钉分级机构，将水稻秸秆依次通过压裂辊1、切割辊2、压梳辊3和盘磨辊处理后落入单轴四螺旋拨动齿钉式分级机构中，对长纤维与短纤维进行分离。

压裂辊1采用一对第一主辊11，沿第一主辊11的外周壁周向分布有压裂凸起12，压裂凸起12呈波浪形状，两辊同速运行，间距为8mm，同时起到喂料的作用，第一主辊11的长度为800mm，直径为200mm。切割辊2采用单辊式第二主辊21，且沿第二主辊21的外周壁沿周向设置有剪切弯刀22，剪切弯刀22同时起到输送物料的作用。第二主辊21的下方还设置有凹板23，凹板23的表面倾斜设置有限位齿24，剪切弯刀22的刀刃方向与限位齿24的外缘沿相反方向设置。第二主辊21与凹板23之间的距离为5mm，相邻的两个剪切弯刀22之间的距离为8cm，第二主辊21的长度为1000mm，直径为160mm。切割辊2将压裂后的秸秆切成长度为1cm左右的段状，切割后的秸秆落入输送带上，由输送带喂入压梳辊3。压梳辊3包括沿相同方向转动的第三主辊31与第四主辊32，第三主辊31外周壁分布有高度为2mm的第一梳钉33，相邻第一梳钉33的间距为2mm，第四主辊32外周壁分布有高度为2mm的第二梳钉34，相邻第二梳钉34的间距为2mm。两辊差速旋转，速比为4，间距（不含拨动齿钉41高度）为3mm。盘磨辊包括相对设置的第一磨辊与第二磨辊，同样呈差速运动，速比为4，间距为3mm。

分级模块包括壳体，其内设置有拨动组件，沿拨动组件的下方设有筛分组件。拨动组件包括一个分级主轴4，分级主轴4的外周壁设置有相互平行的四条螺旋排列的拨动齿钉41，每个螺距排列四个拨动齿钉41。分级主轴4的长度为1400mm，直径为200mm，拨动齿钉41的长度为100mm。筛分组件采用凹板筛，筛孔尺寸为30目（按泰勒筛）。由于水稻秸秆大都是从收割机的脱粒机构尾部排出，该装置适合布置在收割机的脱粒机构之后，与收割机集成在一起。

实施例6

本实施例提供了一种水稻秸秆的分级装置，包括梳解模块与分级模块，适合含水率为40%～60%，且水稻秸秆的较为精细的分级。梳解模块包括依次连接的压裂辊1、定刀切割机构7与揉搓研磨机构，分级模块采用双轴四螺旋拨动齿钉机构。将玉米秸秆通过压裂辊1挤压后，通过输送带送至定刀切割机构7中，在横向切割刀73的作用下，秸秆沿轴向被撕裂成条状，此时部分维管组织和薄壁组织仍旧以化学作用力结合在一起，故将物料继续送至揉搓研磨机构中进一步梳解。

压裂辊1采用一对第一主辊11，沿第一主辊11的外周壁周向分布有压裂凸起12，压裂凸起12呈波浪形状，两辊同速运行，间距为8mm，同时起到喂料的作用，第一主辊11的长度为800mm，直径为200mm。定刀切割机构7包括第二转动轴71，沿第二转动轴71的轴向设置有四个挡板72，相邻的两个挡板72之间设置两个沿第二转动轴71轴向延伸的横向切割刀73，横向切割刀73的刀刃方向垂直于第二转动轴71的中心轴，横向切割刀73螺栓连接第二转动轴71。揉搓研磨机构包括圆筒式的第三转动轴，第三转动轴的底部设置有研磨凹板，两者呈同心关系。第三转动轴的外周壁分布有高度为5mm的梳钉，相邻梳钉的间距为2mm，第三转动轴和研磨凹板之间的距离为10mm。在第三转动轴和研磨凹板的共同作用下，破碎后的秸秆物料被进一步揉搓、分丝、分离。揉搓后的秸秆物料在惯性的作用下进入双轴四螺旋拨动齿钉分级机构中，对长纤维与短纤维进行分离。分级模块包括壳体，其内设置有拨动组件，沿拨动组件的下方设有筛分组件。拨动组件包括两个分级主轴4，分级主轴4的外周壁设置有相互平行的四条螺旋排列的拨动齿钉41，每个螺距排列四个拨动齿钉41，两个分级主轴4的拨动齿钉41相互平行，且交错设置。分级主轴4的长度为1400mm，直径为200mm，拨动齿钉41的长度为100mm。筛分组件采用凹板筛，筛孔尺寸为20目（按泰勒筛）。

实施例7

本实施例提供了一种水稻秸秆的分级装置，包括梳解模块与分级模块，适合含水率为15%～30%，且水稻秸秆较为精细的分级。与实施例5的区别在于：梳解模块包括依次连接的压裂辊1、压梳辊3和盘磨辊，并未设置切割辊2，将水稻秸秆依次通过压裂、压梳和盘磨处理后落入分级模块中，对长纤维与短纤维进行分离，其余模块结构和工艺参数与实施例5相同。

实施例8

本实施例提供了一种小麦秸秆的分级装置，包括梳解模块与分级模块，适合含水率为40%～60%，且小麦秸秆的较为精细的分级。梳解模块包括依次连接的压裂辊1、切割辊2、压梳辊3和盘磨辊，分级模块采用单轴四螺旋拨动齿钉分级机构，将小麦秸秆依次通过压裂辊1、切割辊2、压梳辊3和盘磨辊处理后落入单轴四螺旋拨动齿钉式分级机构中，对长纤维与短纤维进行分离。

压裂辊1采用一对第一主辊11，沿第一主辊11的外周壁周向分布有压裂凸起12，压裂凸起12呈波浪形状，两辊同速运行，间距为8mm，同时起到喂料的作用，第一主辊11的长度为800mm，直径为200mm。切割辊2采用单辊式第二主辊21，且沿第二主辊21的外周壁沿周向设置有剪切弯刀22，剪切弯刀22同时起到输送物料的作用。第二主辊21的下方还设置有凹板23，凹板23的表面倾斜设置有限位齿24，剪切弯刀22的刀刃方向与限位齿24的外缘沿相反方向设置。第二主辊21与凹板23之间的距离为5mm，相邻的两个剪切弯刀22之间的距离为8cm，第二主辊21的长度为1000mm，直径为160mm。切割辊2将压裂后的秸秆切成长度为1cm左右的段状，切割后的秸秆落入输送带上，由输送带喂入压梳辊3。压梳辊3包括沿相同方向转动的第三主辊31与第四主辊32，第三主辊31外周壁分布有高度为2mm的第一梳钉33，相邻第一梳钉33的间距为2mm，第四主辊32外周壁分布有高度为2mm的第二梳钉34，相邻第二梳钉34的间距为2mm。两辊差速旋转，速比为4，间距（不含拨动齿钉41高度）为3mm。盘磨辊包括相对设置的第一磨辊与第二磨辊，同样呈差速运动，速比为4，间距为3mm。

分级模块包括壳体，其内设置有拨动组件，沿拨动组件的下方设有筛分组件。拨动组件包括一个分级主轴4，分级主轴4的外周壁设置有相互平行的四条螺旋排列的拨动齿钉41，每个螺距排列四个拨动齿钉41。分级主轴4的长度为1400mm，直径为200mm，拨动齿钉41的长度为100mm。筛分组件采用凹板筛，筛孔尺寸为30目（按泰勒筛）。由于小麦秸秆大都是从收割机的脱粒机构尾部排出，该装置适合布置在收割机的脱粒机构之后，与收割机集成在一起。

实施例9

本实施例提供了一种小麦秸秆的分级装置，包括梳解模块与分级模块，适合含水率为40%～60%，小麦秸秆的较为精细的分级。梳解模块包括依次连接的压裂辊1、甩刀破碎机构6、压梳辊3与揉搓研磨机构，分级模块采用双轴四螺旋拨动齿钉分级机构，将小麦秸秆依次通过压裂辊1、甩刀破碎、压梳辊3和揉搓研磨机构处理后落入双轴四螺旋拨动齿钉式分级机构中，对长纤维与短纤维进行分离。

压裂辊1采用一对第一主辊11，沿第一主辊11的外周壁周向分布有压裂凸起12，压裂凸起12呈波浪形状，两辊同速运行，间距为8mm，同时起到喂料的作用，第一主辊11的长度为800mm，直径为200mm。甩刀破碎机构6包括第一转动轴61，第一转动轴61的外周壁套设有弯刀式甩刀63，甩刀63的表面分布有齿状纹路。压梳辊3包括沿相同方向转动的第三主辊31与第四主辊32，第三主辊31外周壁分布有高度为2mm的第一梳钉33，相邻第一梳钉33的间距为2mm，第四主辊32外周壁分布有高度为2mm的第二梳钉34，相邻第二梳钉34的间距为2mm。两辊差速旋转，速比为4，间距（不含拨动齿钉41高度）为3mm。揉搓研磨机构包括圆筒式的第三转动轴，第三转动轴的底部设置有研磨凹板，两者呈同心关系。第三转动轴的外周壁分布有高度为5mm的梳钉，相邻梳钉的间距为2mm，第三转动轴和研磨凹板之间的距离为10mm。分级模块包括壳体，其内设置有拨动组件，沿拨动组件的下方设有筛分组件。拨动组件包括两个分级主轴4，分级主轴4的外周壁设置有相互平行的四条螺旋排列的拨动齿钉41，每个螺距排列四个拨动齿钉41，两个分级主轴4的拨动齿钉41相互平行，且交错设置。分级主轴4的长度为1400mm，直径为200mm，拨动齿钉41的长度为100mm。筛分组件采用凹板筛，筛孔尺寸为40目（按泰勒筛）。

实施例10

本实施例提供了一种小麦秸秆的分级装置，包括梳解模块与分级模块，适合含水率为15%～30%，且小麦秸秆的较为精细的分级。与实施例8的区别在于：梳解模块包括依次连接的压裂辊1、压梳辊3和盘磨辊，并未设置切割辊2，将水稻秸秆依次通过压裂、压梳和盘磨处理后落入分级模块中，对长纤维与短纤维进行分离，其余模块结构和工艺参数与实施例8相同。

申请人声明，以上所述仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，所属技术领域的技术人员应该明了，任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。

Claims (10)

1.一种基于工业化利用的田间农作物秸秆分级方法，其特征在于，所述田间农作物秸秆分级方法包括：

将秸秆进行机械梳解，使得秸秆的维管组织与薄壁组织解离，得到预制混合物料，随后对所述预制混合物料进行分级处理，得到长纤维物料与短纤维物料。

2.根据权利要求1所述的基于工业化利用的田间农作物秸秆分级方法，其特征在于，所述长纤维物料的维管组织占比≥70%；

所述短纤维物料的薄壁组织占比≥70%；

所述长纤维物料的长径比≥2；

所述短纤维物料的长径比＜2。

3.根据权利要求1所述的基于工业化利用的田间农作物秸秆分级方法，其特征在于，所述机械梳解采用多级辊压、甩刀破碎、定刀切割或揉搓研磨中的任一种或至少两种的组合。

4.根据权利要求3所述的基于工业化利用的田间农作物秸秆分级方法，其特征在于，所述多级辊压包括压裂处理、切割处理、压梳处理或盘磨处理中的任一种或至少两种的组合；

所述压裂处理包括：对秸秆进行裂解形成条状秸秆；

所述切割处理包括：对秸秆进行切割形成块状秸秆；

所述压梳处理包括：对秸秆进行压解，形成纤维状物料与粉末状物料，使得所述维管组织与薄壁组织实现一次解离；

所述盘磨处理包括：对秸秆进行磨搓，使得所述维管组织与薄壁组织实现二次解离。

5.根据权利要求1所述的基于工业化利用的田间农作物秸秆分级方法，其特征在于，所述分级处理包括：

采用离心轴流耦合式分级方式对所述预制混合物料进行拨动与筛分，得到所述长纤维物料与短纤维物料；

所述分级处理的时间为5～15s。

6.根据权利要求1所述的基于工业化利用的田间农作物秸秆分级方法，其特征在于，所述的秸秆包括玉米秸秆、水稻秸秆、小麦秸秆、高粱秸秆、燕麦秸秆、大麦秸秆、大豆秸秆或竹子茎秆中的任一种或至少两种的组合。

7.一种基于工业化利用的田间农作物秸秆分级装置，其特征在于，所述基于工业化利用的田间农作物秸秆分级装置用于权利要求1-6任一项所述的基于工业化利用的田间农作物秸秆分级方法，所述田间农作物秸秆分级装置包括依次设置的梳解模块与分级模块。

8.根据权利要求7所述的基于工业化利用的田间农作物秸秆分级装置，其特征在于，所述梳解模块包括多级辊压机构、甩刀破碎机构、定刀切割机构或揉搓研磨机构中的任一种或至少两种的组合。

9.根据权利要求8所述的基于工业化利用的田间农作物秸秆分级装置，其特征在于，所述多级辊压机构包括压裂辊、切割辊、压梳辊或盘磨辊中的任一种或至少两种的组合；

所述压裂辊为对辊式结构，所述压裂辊包括第一主辊，沿所述第一主辊的外周壁周向分布有压裂凸起；

所述切割辊包括第二主辊，沿所述第二主辊的外周壁沿周向设置有若干剪切弯刀，所述剪切弯刀的刀刃方向相对于所述第二主辊的中心轴倾斜设置，所述第二主辊的下方还设置有凹板，所述凹板靠近所述剪切弯刀的一侧表面倾斜设置有若干限位齿，所述剪切弯刀的刀刃方向与所述限位齿的外缘沿相反方向设置；

所述第二主辊与所述凹板之间的最小直线距离为4～6mm；

所述压梳辊包括沿相同方向转动的第三主辊与第四主辊，所述第三主辊的直径大于所述第四主辊的直径，所述第三主辊与第四主辊的外周壁分别分布有第一梳钉与第二梳钉；

所述第三主辊与所述第四主辊的转速比为1:(2~5)；

所述盘磨辊包括相对设置的第一磨辊与第二磨辊，所述第一磨辊与所述第二磨辊的表面独立地分布有磨搓凸起；

所述第一磨辊与第二磨辊沿相同方向转动，所述第一磨辊与第二磨辊的转速比为1:(2~5)；

所述甩刀破碎机构包括第一转动轴，沿所述第一转动轴的外周壁轴向设置有若干固定杆，所述固定杆上可转动设置若干甩刀，所述甩刀的表面分布有齿状纹路；

所述定刀切割机构包括第二转动轴，沿所述第二转动轴的轴向设置有若干挡板，相邻的两个所述挡板之间设置至少一个沿所述第二转动轴轴向延伸的横向切割刀，所述横向切割刀的刀刃方向垂直于所述第二转动轴的中心轴，所述横向切割刀可拆卸连接所述第二转动轴；

所述揉搓研磨机构包括第三转动轴，所述第三转动轴的底部设置有研磨凹板，所述第三转动轴与研磨凹板之间留有用于容纳秸秆物料的研磨空间。

10.根据权利要求7所述的基于工业化利用的田间农作物秸秆分级装置，其特征在于，所述分级模块包括离心轴流耦合式分级机构，所述离心轴流耦合式分级机构包括壳体，所述壳体内依次设置有拨动组件与筛分组件，所述壳体的底部还设置有出料口；

所述拨动组件包括至少一个分级主轴，沿所述分级主轴的外周壁设置有呈螺旋分布的若干分级件；

所述分级件包括拨动叶片和/或拨动齿钉；

所述拨动叶片或拨动齿钉的长度为80～120mm。

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