1．前言
據(jù)2004年《全國防沙治沙規(guī)劃》，我國“現(xiàn)有沙化土地面積174.3萬km2，占國土面積的18.2%，其中流動沙丘42.7萬km2，固定、半固定沙丘46.3萬km2，戈壁66.4萬km2，其它18.9萬km2。”而且仍以每年3460km2的速度擴展。另據(jù)國家林業(yè)局2005《中國森林資源報告》，我國灌木林地總面積4529.68萬hm2，主要分布在西藏、四川、內(nèi)蒙古、云南、新疆、甘肅等7省（自治區(qū)）的山地和沙地，大多數(shù)灌木具有耐旱、耐貧瘠、生命力強的特點，是防治荒漠化、恢復(fù)沙荒地植被最有效的樹種。
大多數(shù)沙生灌木在造林后每3~5年需要進行平茬復(fù)壯，以促進根系生長，叢落擴大。長期得不到平茬復(fù)壯的灌木叢會發(fā)生枯死的現(xiàn)象，進而造成重新發(fā)生荒漠化。而長期以來，大面積灌木林的平茬復(fù)壯作業(yè)主要依賴于灌木林區(qū)群眾結(jié)合燒柴需求的人工砍伐方式。但隨人們生活水平的提高，砍伐灌木枝條作為燒柴的需求逐漸減少，造成大面積灌木林長期得不到平茬復(fù)壯，致使一些沙地灌木林成片枯死而重新發(fā)生土地退化。
在畜牧養(yǎng)殖業(yè)方面，我國的畜禽養(yǎng)殖數(shù)量已經(jīng)居世界首位，飼料的需求量將達到2.8億噸，在畜牧養(yǎng)殖業(yè)中用于提高肉質(zhì)和奶質(zhì)的粗飼料缺口巨大，許多木本飼料恰好是與苜蓿、羊草等營養(yǎng)價值相同的優(yōu)質(zhì)粗飼料。發(fā)展木本飼料是解決我國畜牧養(yǎng)殖業(yè)飼料不足的有效途徑。在過去幾十年的研究與探索已經(jīng)證明，許多木本飼料的營養(yǎng)價值與專門在農(nóng)田種植的草本飼料基本相同。利用不能生長農(nóng)作物的荒地、沙地種植木本飼料型灌木林，并實現(xiàn)木本粗飼料、生物質(zhì)成型燃料生產(chǎn)產(chǎn)業(yè)化，不僅解決飼料不足和緩解能源危機、減少C02排放的問題，而且可以增加林農(nóng)收入和促進荒地、沙地的植被恢復(fù)，改善生態(tài)環(huán)境。
實現(xiàn)以灌木型木本飼料和成型燃料生產(chǎn)產(chǎn)業(yè)化的關(guān)鍵是解決好飼料、木質(zhì)化灌木林的機械化收割和飼料、成型燃料的加工。北京林業(yè)大學(xué)在完成國家林業(yè)局“948”項目“四倍體刺槐培育技術(shù)的引進”、“生物質(zhì)成型燃料高壓致密成型技術(shù)引進”和國家“十一五”科技支撐“沙生灌木林平茬收割技術(shù)研究與開發(fā)”課題的基礎(chǔ)上，對實現(xiàn)飼料型灌木資源產(chǎn)業(yè)化，促進沙荒地植被恢復(fù)的可行性進行了實質(zhì)性的探討和實踐。
2．四倍體刺槐
北京林業(yè)大學(xué)通過承擔國家“948”重點技術(shù)引進項目“多倍體刺槐新品種及繁殖技術(shù)引進”，采用喬木灌木化培育技術(shù)，創(chuàng)新性地通過染色體加倍技術(shù)選育出適合我國生長的，特別是適合邊際性土地生長的四倍體刺槐優(yōu)良新品種。2002年通過國家林業(yè)局“948”項目管理辦公室的驗收，2004年獲得了國家林木良種審定委員會頒發(fā)的良種證。經(jīng)多年來的試驗和推廣應(yīng)用，已證明該樹種耐貧瘠、耐干旱、抗寒。在沙地、輕微鹽堿地、礦區(qū)油田復(fù)墾、河灘沙石地、沙漠邊緣地、荒山上都可栽植，栽植后可多年（約50年）循環(huán)利用。
矮化密植、灌化培育是最大限度獲得木本飼料的主要方法。根據(jù)種植地土壤、環(huán)境條件的不同其生物量不同，在較好土地上每年每畝地可獲得7000~8000kg的飼料；在一般土地上可獲得飼料4000~5000kg/畝．年；在較差的山地可獲得飼料700~1000kg/畝．年。四倍體刺槐的羽狀復(fù)葉粗蛋白含量24.68%、并富含多種維生素、微量元素及多種氨基酸，尤其是胡蘿卜素、核黃素和維生素B2的含量特別高，分別為黃玉米的50倍、7倍和1 5倍，維生素為一般草苜蓿的上百倍是一種富含高蛋白等多種營養(yǎng)物質(zhì)的優(yōu)質(zhì)木本粗飼料。
灌化培育的四倍體刺槐需要每年開春前把前一年木質(zhì)化的干從距根部3~ 5cm處伐除，以促進萌生。木質(zhì)化的干材質(zhì)堅硬、密度大、熱值高。經(jīng)清華大學(xué)熱能工程實驗室檢測，其高位發(fā)熱量為20.85Qg·d/MJ.kg-1（4983.2千卡/kg），經(jīng)常溫致密成型后（密度1.0~1.2g/cm3）在普通鍋爐和灶具燃燒試驗表明，是一種完全可以替代煤炭的清潔燃料。
3．木本飼料收割及灌木平茬機的研發(fā)
高效的機械化作業(yè)是在沙荒地上灌木化培育四倍體刺槐，實現(xiàn)木本飼料、成型燃料產(chǎn)業(yè)化的保障，用作飼料的嫩枝、樹葉及其木質(zhì)化干的高效收割機是關(guān)鍵設(shè)備之一。北京林業(yè)大學(xué)在完成國家“十一五”科技支撐項目“沙生灌木林平茬收割技術(shù)研究與開發(fā)”的基礎(chǔ)上，設(shè)計、研制的“5G2-800型手扶步進式割灌木機”具有操作方便、靈活、適應(yīng)性強、平茬質(zhì)量好、效率高的特點。
為了適應(yīng)沙丘地貌的運行，“5G2-800型手扶步進式割灌木機”在設(shè)計行走機構(gòu)時充分考慮了沙地的土壤條件，采用超寬的特制低壓輪胎，增強了機器在沙地的通過和驅(qū)動性能，還最大限度的減少了機器行走裝置對地表植被的破壞；兩個行走輪分別用錐面摩擦離合器實現(xiàn)驅(qū)動力結(jié)合和脫開，使操縱、轉(zhuǎn)向更加靈活。同時，采用雙超越離合器最終鏈傳動，使兩個行走輪不僅具有差速功能，又可調(diào)節(jié)割灌木的高度，實現(xiàn)既能收割飼料又可收割木質(zhì)化干；為了啟動方便和作業(yè)的安全，設(shè)計了滑塊離心式摩擦離合器作為整機的主離合器連接發(fā)動機與行走裝置和工作裝置，實現(xiàn)怠速時切割裝置不工作；根據(jù)沙地灌木叢外側(cè)貼地生長、中心砂土高于周邊的特點，割灌木裝置設(shè)計為總體前伸，3片切割圓鋸片布置成中間高、兩側(cè)低的凹形包圍式排列。
經(jīng)三輪樣機試制、試驗后定型的5G2-800型手扶步進式割灌木機（圖6）以7.5kw的立軸汽油發(fā)動機為動力，具有操作靈活、適應(yīng)性強、收割效率高的特點。經(jīng)國家林業(yè)局營林機械質(zhì)量監(jiān)督檢驗站檢測，在典型科爾沁沙地飛播灌木林地的灌木平茬作業(yè)效率達到3.56畝／h。檢測、試驗地點是內(nèi)蒙古通遼市奈曼旗興隆沼林場的上世紀70年代飛播造林的小葉錦雞兒（又名檸條，老虎刺）灌木林地。
1、為所獲得的測試數(shù)據(jù)。
從生產(chǎn)試驗和多年來的監(jiān)測，在用該機器對沙地灌木林進行平茬作業(yè)的效率是人工平茬的6倍以上，平茬后留茬的劈裂率在1.5%以內(nèi)，茬口沒有燒焦的現(xiàn)象，保證了灌木平茬的作業(yè)質(zhì)量，第二年春天每灌木叢萌生數(shù)量是平茬前的2倍以上，當年的高生長量接近1.7m。
4．木本飼料、成型燃料加工設(shè)備的研制與開發(fā)
實現(xiàn)以木本飼料型灌木資源產(chǎn)業(yè)化的另一個關(guān)鍵是飼料和成型燃料的加工。北京林業(yè)大學(xué)以“生物質(zhì)成型燃料高壓致密成型技術(shù)引進”為基礎(chǔ)，通過對多種生物質(zhì)材料常溫成型的實驗研究和成型機理的探討，設(shè)計、研制了一種雙向擠壓的“生物質(zhì)常溫成型機”。該機的成型壓力從0~ 273kN/cm2可調(diào)，既可用于加工飼料，又可用于生產(chǎn)生物質(zhì)成型燃料。
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顆粒機、
秸稈壓塊機、飼料顆粒機等生物質(zhì)燃料飼料成型機械設(shè)備。同時我們還有大量的生物質(zhì)成型燃料出售。
4.1多種生物質(zhì)材料常溫成型實驗研究
對玉米、大豆、芝麻等農(nóng)作物秸稈和灌木的小葉錦雞兒、四倍體刺槐，木材加工剩余物的鋸屑、刨花等林木生物質(zhì)用德國RUF公司生產(chǎn)的RB110型壓塊機進行了常溫成型試驗。試驗用原料的粉碎程度為0.5~20mm；原料的含水率從3%~45%的不同；成型壓力從42.7MPa至最高320MPa，每次增加61.4Pa，通過反復(fù)試驗，獲得如下生物質(zhì)常溫成型的必要數(shù)據(jù)：
1)生物質(zhì)原料粉碎的程度應(yīng)平均小于10mm；
2)原料的含水率小于20%，成型燃料可以較長久存放，否則出成型倉后會膨脹。含水率越小，成型效果越好；
3)用于實驗的生物質(zhì)原料最小成型壓力為53.4MPa，并且與原料的粉碎程度和含水率幾乎不相關(guān)；
4)成型燃料的密度隨成型壓力的增加而增加，保持成型不松散的最小密度為0.8g/cm2，最大密度達到1 .4g/cm2;
經(jīng)清華大學(xué)熱能工程實驗室檢測，農(nóng)作物秸稈類的熱值為4000 kcal/kg左右，林木生物質(zhì)的熱值在4400 kcal/kg以上，灌木檸條和四倍體刺槐桿的熱值接近5000kcal/kg；
4.2生物質(zhì)材料常溫成型機理的探討
使設(shè)計、研發(fā)的生物質(zhì)常溫成型機的成型能耗達到最小，對生物質(zhì)常溫成型的機理進行了探討。為了便于觀察，對粉碎的部分生物質(zhì)碎料進行了染色，再與未染色的原料混合后在不同的壓力下成型。將成型塊剖切、處理表面以后用高倍立體顯微鏡(0~ 200倍）觀察發(fā)現(xiàn)，生物質(zhì)常溫成型是“顆粒填充、邊界交錯咬合”的方式（圖8）。而產(chǎn)生這種效果的條件是①粉碎的生物質(zhì)顆粒要有足夠的比表面積；②對粉碎的生物質(zhì)要有足夠的壓力才能產(chǎn)生“顆粒填充、邊界交錯咬合”的效果而成型；
生產(chǎn)的成型燃料需要相對較長時間存放，因此對生物質(zhì)常溫成型塊試件進行了抗壓力學(xué)性能試驗。試驗表明，隨成型壓力、生物質(zhì)原料的不同，在擠壓方向（軸向）的承載能力為1～12.5MPa；非擠壓方向（徑向）的承載能力為0.7～2.2 MPa，承載能力滿足大體積存（堆）放的要求。
4.3雙向擠壓常溫成型機的研制
通過上述試驗和研究，在掌握了生物質(zhì)材料常溫成型的必要條件和成型機理的基礎(chǔ)上，借鑒德國BR110型壓塊機的優(yōu)點，設(shè)計、研制了一種壓力、進料量可調(diào)的雙向擠壓生物質(zhì)常溫成型機。該機由成型系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)和自動控制系統(tǒng)3大部分組
成。根據(jù)我國目前機械加工的技術(shù)水平和未來潛在用戶的操作、使用能力，在設(shè)計時，充分考慮如下因素：
1)成型系統(tǒng)由進料裝置、預(yù)壓裝置、成型裝置和換位機構(gòu)組成。作業(yè)時，進料螺旋在液壓馬達的驅(qū)動下將粉碎的生物質(zhì)運料送入預(yù)壓裝置的預(yù)壓艙內(nèi)，預(yù)壓活塞在液壓油缸的驅(qū)動下將生物質(zhì)碎料初步壓實，成型主壓活塞在主油缸的推動下將初步壓實的物料推入成型倉成型，待主油缸回到初始位置時，換位機構(gòu)將成型倉換位，然后進行下一個循環(huán)。第二個循環(huán)主油缸推物料進成型倉成型時，安裝在成型活塞兩側(cè)的推桿將成型倉內(nèi)前一個循環(huán)成型的成型塊推出成型機的出料口。將常溫成型機設(shè)計為雙向擠壓，一個循環(huán)完成兩個成型塊的加工，提高了生產(chǎn)效率。
2)液壓系統(tǒng)由液壓泵站和一系列液壓油缸和液壓馬達組成。液壓泵站分別用兩臺電動機各驅(qū)動一臺齒輪泵而提供液壓執(zhí)行元件所需要的動力，液壓系統(tǒng)的最高壓力為13.5MPa，工作壓力一般在10~12.5MPa，對于成型過程中偶爾需要的高壓采用油缸增壓的方式達到，成型主壓油缸內(nèi)的最大壓力可以達到54MPa。在成型主油缸和預(yù)壓油缸的油路中各安裝了壓力流變器，結(jié)合控制系統(tǒng)的程序設(shè)計實現(xiàn)預(yù)壓和成型主壓壓力實時調(diào)整，以實現(xiàn)適應(yīng)不同生物質(zhì)原料要求的成型作業(yè)。
3)自動控制系統(tǒng)通過控制液壓泵站上每個電磁閥的通電與斷電而控制成型機的各個執(zhí)行部件按成型作業(yè)順序動作。為了降低成本，采用單片機作為主要控制單元，通過設(shè)計特殊的程序不僅具有較好的抗干擾性能，而且通過按鍵輸入方式（圖1 0）實現(xiàn)了預(yù)壓、成型主壓壓力和供料時間（量）的實時調(diào)整以及實現(xiàn)機器的自動和手動操作切換。
通過重點考慮上述因素，設(shè)計、研制的雙向擠
壓生物質(zhì)常溫成型機經(jīng)試驗和內(nèi)蒙古通遼市六家子林場生產(chǎn)運行證實，完全達到了設(shè)計要求，并具有較好的經(jīng)濟性和實用性。
1)生產(chǎn)的生物質(zhì)成型塊的尺寸為cp80x90 mm，密度為0.8～1.2 g/cm3，產(chǎn)品質(zhì)量達到長途運輸與長期存放的要求（圖11）；
2)與德國生產(chǎn)相同規(guī)格成型塊的RB440型壓塊機相比，設(shè)備的成本僅為德國的1/4；生產(chǎn)效率是德國的1.5倍以上；
3)由于液壓泵站采用了兩組CBD32齒輪泵，在大缸徑的成型主油缸不工作時，其中一組為回空狀態(tài)。與德國大流量單泵的RB440型壓塊機相比，節(jié)省用電能耗30%以上，實際成型能耗不大于60kw.h/t;
4)采用單片機控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了設(shè)備自動／手動控制運行，最大限度的降低了控制系統(tǒng)的成本。
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顆粒機、
秸稈壓塊機、飼料顆粒機等生物質(zhì)成型機械設(shè)備。
