國(guó)內(nèi)外工業(yè)大麻加工處理機(jī)械發(fā)展現(xiàn)狀

馬蘭 龍超海 劉佳杰 何宏彬 呂江南

摘要工業(yè)大麻的四氫大麻酚（THC）質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于0.3%，無(wú)毒品吸食的價(jià)值，是大麻的品種類(lèi)型之一，其纖維、麻籽、稈芯等產(chǎn)品具有極高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，可以進(jìn)行工業(yè)化種植與利用。隨著工業(yè)大麻產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，對(duì)生產(chǎn)機(jī)械需求也越來(lái)越大，其中工業(yè)大麻加工處理機(jī)械是工業(yè)大麻生產(chǎn)機(jī)械中的關(guān)鍵設(shè)備之一，對(duì)其后序用途影響很大，已成為促進(jìn)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要因素。簡(jiǎn)述了國(guó)內(nèi)工業(yè)大麻處理機(jī)械的發(fā)展現(xiàn)狀，對(duì)國(guó)外的工業(yè)大麻處理機(jī)械的研究及發(fā)展情況進(jìn)行了歸納總結(jié)，以期為促進(jìn)我國(guó)工業(yè)大麻發(fā)展和其莖稈處理機(jī)械的研究提供參考。

關(guān)鍵詞工業(yè)大麻；莖稈處理機(jī)械；發(fā)展現(xiàn)狀

中圖分類(lèi)號(hào)S226.7+2文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A文章編號(hào)0517-6611（2017）19-0205-09

The Development Status of Industrial Hemp Stalk Processing Machinery at Home and Abroad

MA Lan， LONG Chaohai， LIU Jiajie， L Jiangnan* et al

（Institute of Bast Fiber Crops， Chinese Academy of Agricultural Sciences， Changsha， Hunan 410205）

AbstractIndustrial hemp is one of the hemp breed type， its THC mass fraction is less than 0.3% that has not the value of drug， its products such as fiber， seed， stalk core have a very high economic value， and can undertake industrialized cultivation and utilization. The demand for production machine is increasing with the development of hemp industry. Industrial hemp stalks processing machinery is one of the key equipments which has a great influence on its later use in the production machinery of industrial hemp. This paper sketched the research status of Chinese industrial hemp stalks processing machinery， summarized the research and development of foreign industrial hemp stalk processing machinery. The aim is to promote the development of industrial hemp and provide reference on the research of hemp stalks processing machinery.

Key wordsIndustrial hemp；Stalks processing machinery；Development status

大麻（Cannabis sativa L.）為大麻科大麻屬一年生草本植物[1]，別名線麻、火麻、漢麻、小麻子等，是一種古老和多用途的農(nóng)作物。大麻可以提供纖維、麻屑、種子和藥品用原料等。目前纖維用于紡織、造紙、絕緣材料和生物復(fù)合材料等，因其獨(dú)特的性質(zhì)，如吸濕性、散熱性、高韌性、抗靜電性、防輻射等[2-5]，越來(lái)越受到人們的青睞；麻屑是莖稈的木質(zhì)部，主要用于建筑。大麻種子是一種具有較高營(yíng)養(yǎng)價(jià)值的小堅(jiān)果，內(nèi)含豐富獨(dú)特的脂肪酸，可生吃或壓制成麻籽油，用于人類(lèi)食品和動(dòng)物飼料生產(chǎn)[6]。

近年來(lái)，隨著人們環(huán)境意識(shí)的增強(qiáng)和對(duì)天然產(chǎn)品的喜愛(ài)，大麻在造紙、紡織、食品、飼料、建筑和裝飾材料等領(lǐng)域的應(yīng)用日益頻繁[7-8]，種植面積也不斷增加。專(zhuān)供工業(yè)用途的大麻品種，植株中含四氫大麻酚（THC）<0.3%，無(wú)直接作為毒品吸食價(jià)值，稱(chēng)為工業(yè)大麻[9]，經(jīng)國(guó)家許可后，可以進(jìn)行規(guī)?；N植與工業(yè)化利用。現(xiàn)在國(guó)內(nèi)外廣泛應(yīng)用的大麻為工業(yè)大麻（以下文中簡(jiǎn)稱(chēng)為大麻）。工業(yè)大麻莖高1～4 m，直徑平均為7 mm[10]，莖中心木質(zhì)化，周?chē)粚禹g皮，其中含有許多纖維，其纖維長(zhǎng)而堅(jiān)韌，但含有很高的纖維素和木質(zhì)素等。工業(yè)大麻自身的這些特點(diǎn)使得其莖稈的處理加工與苧麻、紅麻、黃麻等麻類(lèi)作物不同。工業(yè)大麻收獲后的莖稈處理加工工序，一般包括剝制分離和清潔。首先將脫膠后的干莖稈切割成長(zhǎng)度約80 mm[11]，再喂入碾壓機(jī)構(gòu)，然后進(jìn)行剝制分離，對(duì)余下的纖維和麻屑的混合物（俗稱(chēng)二粗）再進(jìn)行清潔處理，提高二粗的利用率。筆者綜述了國(guó)內(nèi)外工業(yè)大麻處理機(jī)械的研究情況，旨在為我國(guó)工業(yè)大麻處理機(jī)械的研制提供參考。

1國(guó)內(nèi)工業(yè)大麻加工處理機(jī)械發(fā)展概況

1.1國(guó)內(nèi)工業(yè)大麻莖稈處理機(jī)械概況

考古發(fā)現(xiàn)，我國(guó)是栽培大麻最早的國(guó)家，也是把大麻纖維應(yīng)用到紡織工業(yè)最早的國(guó)家[12]。

工業(yè)大麻收獲目的不同，生產(chǎn)上有的需要高質(zhì)量的纖維，有的需要種子，有的纖維和種子兼收，其收獲方式也有一定的差別，但為了提高大麻物料的利用率，都需要對(duì)其莖稈等副產(chǎn)物進(jìn)行加工處理。在我國(guó)黑龍江等地區(qū)，主要以收獲纖維為目的，一般是把收割后的大麻平鋪地上（一般是8—9月份）雨露漚麻60 d左右（根據(jù)當(dāng)?shù)貧夂驐l件，確定漚制時(shí)間的長(zhǎng)短），再用撿拾機(jī)拾起打捆，送工廠切斷后，采用亞麻打麻線處理工業(yè)大麻干莖。而我國(guó)湖南、云南等地，一般是收割后，采用鮮莖剝麻機(jī)械剝制出工業(yè)大麻長(zhǎng)纖維，經(jīng)集中脫膠處理，用作紡織原料。以收獲籽粒為目的的繁種，一般采用人工收割后，機(jī)械去籽粒，余下的較粗大的大麻莖稈，再經(jīng)過(guò)收獲纖維的加工程序處理；也有留種大麻經(jīng)密植后，大麻籽粒集中在植株梢部，用收割梢部的收割機(jī)進(jìn)行收獲作業(yè)。

中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院麻類(lèi)研究所研制有2種類(lèi)型的工業(yè)大麻剝皮機(jī)，主要用來(lái)剝制工業(yè)大麻鮮莖。一種是4BD-400型大麻剝皮機(jī)[13-14]，該機(jī)主要由喂料斗、直齒碎莖輥、螺旋齒碎莖輥、剝皮梳理滾筒、接麻裝置、機(jī)架和行走裝置等部件組成。它以大麻鮮莖為原料，通過(guò)多對(duì)碎莖輥的碾壓、揉搓、分離和剝皮滾筒的刮打梳理去掉麻骨、麻葉、麻屑等，分離出干凈的鮮皮。已獲實(shí)用新型專(zhuān)利（專(zhuān)利號(hào)：ZL 201220116953.0）。機(jī)型照片見(jiàn)圖1所示，其主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院麻類(lèi)研究所研制的另一種4BM-780

型剝麻機(jī)，是用于工業(yè)大麻、紅麻、黃麻等纖維剝制加工的大型機(jī)

器。該機(jī)采用模塊化設(shè)計(jì)方法，方便裝配，其主要由喂入裝置、剝皮裝置、輸出裝置、傳動(dòng)系統(tǒng)及控制系統(tǒng)等部分組成。該機(jī)剝皮工效可達(dá)到2 400 kg/h，已獲得國(guó)家實(shí)用新型專(zhuān)利（專(zhuān)利號(hào)CN201520146726.6）。機(jī)型照片見(jiàn)圖2，其主要技術(shù)參數(shù)如表2所示。

近幾年，黑龍江省工業(yè)大麻種植面積逐年上升，2016年種植面積約1.33萬(wàn)hm2，多由大戶和農(nóng)民合作社集中種植。目前在該地區(qū)，采用的是對(duì)脫膠后的干莖稈進(jìn)行加工處理。目前沒(méi)有專(zhuān)用設(shè)備，大多采用舊亞麻打麻設(shè)備或改進(jìn)的舊亞麻打麻設(shè)備加工工業(yè)大麻。如佳木斯東華收獲機(jī)械制造有限公司生產(chǎn)的6DY-870型亞麻打麻聯(lián)合機(jī)[17]，目前也用來(lái)加工切斷后的雨露脫膠的工業(yè)大麻。該機(jī)適用于大、中型工業(yè)大麻原料廠。6DY-870亞麻打麻聯(lián)合機(jī)由以下13個(gè)部分組成：鋪麻臺(tái)，喂入機(jī)，一號(hào)碎莖機(jī)，一次換向裝置，二號(hào)碎莖機(jī)，一打手，二打手，二次換向裝置，三打手，四打手，引出部分，傳動(dòng)系統(tǒng)，控制系統(tǒng)。機(jī)型圖片如圖5所示，其主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表5。

要由喂入平臺(tái)、薄層喂入機(jī)構(gòu)、碎莖機(jī)構(gòu)、剝麻機(jī)構(gòu)、夾持機(jī)構(gòu)、換向機(jī)構(gòu)、接麻機(jī)構(gòu)、電機(jī)等部分構(gòu)成。該機(jī)的核心部件是剝麻裝置，該裝置安裝有2個(gè)相向運(yùn)動(dòng)的剝麻輥，該剝麻輥上布置有呈螺旋型的片狀刮刀。整個(gè)剝麻輥由圓錐形向圓柱形過(guò)渡，使得莖稈在通過(guò)剝麻輥時(shí)，有一個(gè)從遠(yuǎn)到近的滑移刮麻過(guò)程，減小了對(duì)纖維的破壞力。其主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表6。

1.2國(guó)內(nèi)工業(yè)大麻麻屑處理機(jī)械概況

在國(guó)內(nèi)，生產(chǎn)上還有一種用于各種麻類(lèi)（亞麻、胡麻、工業(yè)大麻）下腳加工和亂麻等一次性加工的機(jī)械，俗稱(chēng)“二粗加工機(jī)械”，處理設(shè)備如圖7所示。該機(jī)械能從中分離（提取）含雜為5%～25%的短纖維，在生產(chǎn)中應(yīng)用較廣泛。其主要技術(shù)參數(shù)如表7所示。

2國(guó)外工業(yè)大麻加工處理機(jī)械發(fā)展概況

2.1國(guó)外工業(yè)大麻莖稈處理機(jī)械概況

近年來(lái)，國(guó)外對(duì)以工業(yè)大麻等纖維為原料的天然纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的需求越來(lái)越多，促進(jìn)了工業(yè)大麻收獲后莖稈加工處理技術(shù)的發(fā)展。

加拿大的阿爾伯塔省、馬尼托巴省種植工業(yè)大麻較多，該省內(nèi)主要采用氣爆法處理大麻莖稈。處理設(shè)備如圖8所示。

運(yùn)輸?shù)焦潭▓?chǎng)地-切斷-打麻-清選[20]。撿拾后的大麻莖稈從種植地運(yùn)送到固定地點(diǎn)，進(jìn)行集中剝制打麻，增加了運(yùn)輸和場(chǎng)地成本。2004年，加拿大馬尼托巴大學(xué)生物工程系[21-22]研究了掛在飼料收獲機(jī)上的在田間使用的大麻纖維分離機(jī)械，直接在種植地里加工處理大麻莖稈，降低了莖稈運(yùn)送和存放場(chǎng)地的成本。該機(jī)械可以撿拾大麻莖稈，并對(duì)莖稈進(jìn)行剝制分離、清潔。該機(jī)械上的圓柱型分離刀盤(pán)具有切斷、打擊、梳理等功能，該刀盤(pán)配置有3把原始刀，刀盤(pán)直徑為378 mm，長(zhǎng)度為476 mm；還配置了9把打麻刀，傾斜均布安裝在刀盤(pán)上，用來(lái)剝制纖維，樣機(jī)如圖9所示，物料流如圖10所示。

2004年，Münder等[24]提出一種處理工業(yè)大麻的生產(chǎn)線。包括從撿拾莖稈捆到分離及處理大麻纖維和碎屑。該生產(chǎn)線既可以處理直徑達(dá)1.8 m的圓捆也能處理各種尺寸的方捆。其工藝流程如圖14所示。

主要操作過(guò)程是：①打開(kāi)捆并與切斷預(yù)切斷莖稈。②去除葉子，種籽，沙子，石頭和其他雜質(zhì)。③測(cè)量莖稈把喂入的莖稈換算成體積量。④利用沖擊力剝制莖稈。⑤清潔莖稈。⑥梳理和疏松纖維。⑦短纖維和麻屑的分離。⑧去除短纖維。⑨除塵設(shè)備清理廢氣。

如圖15所示，利用動(dòng)刀打開(kāi)圓捆，同時(shí)把莖稈切成特定的長(zhǎng)度供后續(xù)工序應(yīng)用。剝制莖稈采用的是如圖16、17所示的設(shè)備，該設(shè)備的工作過(guò)程是莖稈垂直進(jìn)入錘子和機(jī)器間的工作區(qū)域，及內(nèi)部指盤(pán)區(qū)域，通過(guò)錘子指盤(pán)的反彈力，剝制

纖維，剝制后的碎屑通過(guò)底部的篩子到卸貨區(qū)，被氣動(dòng)機(jī)吸

德國(guó)波茨坦萊布尼斯農(nóng)業(yè)工程研究所（ATB）等[25] 對(duì)上述生產(chǎn)線進(jìn)一步完善，開(kāi)發(fā)了一套完整的處理纖維作物的生產(chǎn)線（圖18），包括所有處理階段，從撿拾、切斷打包到最后得到清潔的纖維及麻屑混合物。

生產(chǎn)線中用到的拆包機(jī)（圖19）主要用來(lái)打開(kāi)莖稈包，它是由4個(gè)聯(lián)鎖控制的結(jié)構(gòu)單位組成，包括提升莖稈包，莖稈包的控制和轉(zhuǎn)向裝置、切割機(jī)構(gòu)和卸料輸送系統(tǒng)。莖稈包的控制和轉(zhuǎn)向設(shè)備把莖稈包從提升位置定位到中心切割位置。工作時(shí)，一個(gè)驅(qū)動(dòng)刀盤(pán)沿著莖稈包的表面軸線移動(dòng)，莖稈包被一層層剝離，層的寬度和厚度可調(diào)，以滿足后續(xù)機(jī)器的要求。所用刀盤(pán)是用一種特殊的工具鋼制成，具有切削刃重復(fù)自銳效應(yīng)。

生產(chǎn)線用的錘式粉碎機(jī)，是根據(jù)1999年擺錘式粉碎機(jī)的原理制造的，其結(jié)構(gòu)如圖20所示。這臺(tái)機(jī)器能從硬莖稈中分離出纖維，其良好的剝皮效果使得下道工序的纖維清潔更簡(jiǎn)單。通常情況下，只有一個(gè)清潔階段便可以使剩余的碎片含量低于2%，因此該設(shè)備能滿足大多數(shù)工業(yè)應(yīng)用的要求。

德國(guó)Pecenka等[26-27]研制了新的大麻處理生產(chǎn)線（圖21），并研究和試驗(yàn)了在纖維作物處理中纖維和麻屑分離的新技術(shù)（圖22）?，F(xiàn)代錘磨式生產(chǎn)線需要11道工序，后面9個(gè)工序中都有碎屑和麻殼等混合物產(chǎn)生，生產(chǎn)線較長(zhǎng)，碎屑和麻殼等混合物分散產(chǎn)生，不利于收集。與現(xiàn)代錘磨式生產(chǎn)線相比較，改進(jìn)的德國(guó)萊布尼茨農(nóng)業(yè)工程研究所加工線，減少了剝制工序，增加與預(yù)處理莖稈的工序，整個(gè)加工線僅需要7個(gè)工序，使得整個(gè)加工線縮短，碎屑和麻殼等較集中地產(chǎn)生，便于收集。從圖23、24中可以看出，德國(guó)萊布尼茨農(nóng)業(yè)工程研究所加工線能起到較好的分離效果。

2001年，英國(guó)Hobson等[28]研究了剝制未脫膠大麻的纖維質(zhì)量。工作過(guò)程如圖25所示，莖稈經(jīng)過(guò)凹槽輥和后續(xù)滾筒的碾壓，最后被針狀滾筒分離出纖維。所用的剝制工作部件如圖26所示。分別剝制了脫膠和未脫膠的大麻，結(jié)果顯示，兩者纖維的產(chǎn)量、長(zhǎng)度和強(qiáng)度相同。脫膠后莖稈剝制后的纖維含雜率為2%，而未脫膠的纖維粗糙，含雜率約為4%，但色澤好且真菌數(shù)量低，更具有市場(chǎng)的優(yōu)勢(shì)，非常適合在紙漿產(chǎn)品和強(qiáng)化復(fù)合材料中應(yīng)用。

2.2國(guó)外工業(yè)大麻麻屑處理技術(shù)概況

纖維和麻屑的混合物占工業(yè)大麻物料質(zhì)量的50%～60%。剝制的纖維最多僅占30%。目前，收獲的約50%大麻纖維碎屑的處理需要高效的碎片處理和清潔技術(shù)。清潔優(yōu)質(zhì)的麻屑不僅可以用作動(dòng)物房用料，還可以用作刨花板或復(fù)合材料生產(chǎn)原料。

德國(guó)萊布尼茨農(nóng)業(yè)工程研究所開(kāi)發(fā)了一個(gè)簡(jiǎn)單但有效的清潔麻屑和纖維混合物的技術(shù)[29]。他們研制出了可靠的機(jī)械分離裝置，僅需要1個(gè)處理步驟（圖27），纖維麻屑的混合物通過(guò)旋轉(zhuǎn)葉輪等的綜合作用，就能分離出清潔的麻屑、麻絨以及較好的短纖維，解決了用傳統(tǒng)的分級(jí)技術(shù)分離不干凈的問(wèn)題。

3促進(jìn)我國(guó)工業(yè)大麻發(fā)展的建議

工業(yè)大麻生產(chǎn)上有鮮莖（收獲后的鮮株）剝制和干莖（雨露脫膠后的）剝制2種處理工藝。干莖是以自然脫膠后的工業(yè)大麻干莖為原料，受自然條件限制，僅在氣候條件較適宜地區(qū)適用，例如黑龍江省孫吳縣等。國(guó)外以干莖處理加工機(jī)械為主，采用的是舊的亞麻打麻線加工工業(yè)大麻。目前生產(chǎn)上急需專(zhuān)用的工業(yè)大麻干莖加工機(jī)械，提高工業(yè)大麻出麻率和纖維的質(zhì)量。工業(yè)大麻鮮莖加工處理是以收獲后的鮮株為原料，直接剝制加工出鮮皮。該工藝可以對(duì)鮮莖集中及時(shí)剝制加工處理，不影響下茬作物種植，而且降低了天氣對(duì)脫膠影響的風(fēng)險(xiǎn)，可節(jié)約成本，有助于產(chǎn)業(yè)發(fā)展。鮮莖加工處理工藝如與鮮皮脫膠技術(shù)相配合，實(shí)現(xiàn)工廠化集中鮮皮脫膠，在各個(gè)工業(yè)大麻主產(chǎn)區(qū)都較容易實(shí)現(xiàn)，符合產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展方向，是今后的發(fā)展方向之一。

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