A KUKORICASZÁR BETAKARÍTÁS AGROTECHNIKAI- MŰSZAKI FELTÉTELRENDSZERE AGROTECHNICAL AND ENGINEERING TERM-SYSTEM OF CORN STOVER HARVEST Fábián Csaba, Dr. Jóri J. István Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem, Terméktervezés és Mezőgazdasági Gépek Tanszék 1111 Budapest, Műegyetem rkp. 3., Tel.: (36)-1-463-2276, e-mail: Fabian.Csaba@gszi.bme.hu ÖSSZEFOGLALÁS A globális környezeti, gazdasági és társadalmi problémák, az ásványi nyersanyag- és energiaforrások szűkössége aktuális feladattá tette a megújuló nyersanyagok és energiaforrások hasznosítását. Hazánkban a biomasszába tartozó szántóföldi melléktermékek közül a legjelentősebb a kukoricaszár, évente 8-10 millió tonna tömegben keletkezik. A szár betakarításával idehaza és külföldön is számos kutató foglalkozott. Tapasztalataik szerint a kukoricaszár hatékonyan csak speciális gépekkel takarítható be, de az eddig megalkotott gépek nem voltak megfelelőek. A speciális betakarítógépek és a tárolási technika fejlesztéséhez szükség van a kukoricaszár fizikai, mechanikai jellemzőinek ismeretére. Dolgozatunkban a technológiai problémákkal foglalkozunk, és bemutatjuk az eddig megvalósított speciális gépek lehetséges fejlesztési irányait. Jelenleg a betakarítási, tárolási és felhasználási műveletek és gépek tervezéséhez szükséges anyagjellemzők meghatározását végezzük. SUMMARY The global environmental, economic and social problems turned actual the use of renewable materials and resources. So worldwide, as in Hungary great deal of crop residues are produced in the agricultural crop production, which can be used as biomass. The abundant crop residue in Hungary is corn stalk, which of 8-10 million tons are produced annually. There were a few experiences on harvesting corn stalk, but up to now there are no widespread technologies and machines. More information on physical and mechanical properties of corn stover are needed to develop the harvesting and storing technology, and the machines. In this paper we show the technological problems, the developmental possibilities of former machines. Presetnly we are investigating the characteristics of corn stover, which are needed to the design harvesting and storing technologies and machinery.
1. BEVEZETÉS Hazánkban a biomassza hasznosításának igen jó lehetőségei vannak. A hazai biomasszával kapcsolatos kutatási és fejlesztési programok a hetvenes évek végén indultak. A cél az volt, hogy mezőgazdasági melléktermékekből folyékony ill. gáznemű tüzelőanyagokat állítsanak elő, vagy csak egyszerűen tüzeléssel hasznosítsák ezeket. Ezek között a programok között szerepelt a szántóföldi növénytermesztés melléktermékeinek, köztük a kukoricaszár hasznosítása is. Sokféle és számos probléma felmerült ezzel kapcsolatban, amelyek közül cikkünkben az agrotechnikai és a műszaki problémákkal és megoldási lehetőségeikkel foglalkozunk. 2. A SZÁNTÓFÖLDI NÖVÉNYTERMESZTÉS MELLÉKTERMÉKEI Az a termelésben keletkező melléktermék mennyiség, amely a növényekben egyidejűleg és egy helyen, a főtermékkel együtt keletkezik, és amelyre sem a talajerő visszapótlásnál, sem az állattartásban, sem az ipari felhasználásnál nincs igény, alternatív célokra hasznosíthatók. Ennek a mennyiségnek jelenleg alig 10%-át használjuk fel. A szántóföldi növénytermesztés melléktermékei közül a különböző gabonafélék szalmája, a kukoricacsutka, kukoricaszár, cukorrépafej, napraforgószár-és tányér, valamint néhány egyéb növény szármaradványa használható fel energetikai célokra. Az egész világon évente keletkező növényi melléktermék mennyiségének szárazanyag tömege 73,9 Tg (1. táblázat). Ebből a kukoricaszár mennyisége évente 204 millió tonna, amellyel ez a harmadik legnagyobb tömegű és energiatartalmú melléktermék [1]. Magyarországon a több, mint 12 millió tonna kukoricatermesztési melléktermék 90%- a szár és levél. Évente 60 PJ energiát nyerhetnénk a Hazánkban keletkező kukoricaszárból, amely több mint másfélszerese a Paksi Atomerőmű által szolgáltatott energiamennyiségnek [2]. 3. A KUKORICASZÁR BETAKARÍTÁS PROBLÉMÁI Az alászántást kivéve, mindegyik hasznosítási módnál az első lépések a betakarítás és a tárolás. Mivel a kukoricatermesztésben a szár melléktermék, betakarítását a főtermékkel végzett műveletekhez kell igazítani. A kukorica legelterjedtebb betakarítási módja a szemes betakarítás, így a szár betakarításának problematikáját erre az esetre vizsgáljuk.
o A szemes kukoricabetakarítás időszakában az időjárás általában csapadékos kevés napsütéssel, magas relatív páratartalommal, a növények száradása lassú, sok esetben a csapadék betakarítási gondokat okozhat. o A betakarítandó szárat felszedhető módon kell levágni, és rendre rakni. Ezért követelmény, hogy a betakarítandó részek ne legyenek a talajba taposva vagy túlságosan felaprítva. A felszedhetőséget erősen csökkenti vagy lehetetlenné teheti a kombájn és a szállítójárművek sortaposása. o Mivel a melléktermék betakarítása a főtermék, azaz a szem betakarítását hátráltathatja, és növeli az egyébként is magas őszi munkacsúcsot, olyan technológiára és gépekre van szükség, mellyel minél kevesebb lépésben lehet a szárat is betakarítani. o Mivel a kukoricatermelésben a főtermék a szem (vagy a teljes növény), és a melléktermék a szár, ennek feldolgozásánál alkalmazkodni kell a szem betakarítási technológiájához és gépeihez. Az alternatív hasznosításra kerülő kukoricaszárral szembeni követelmények o a további hasznosítás szempontjából minél kedvezőbb formában kerüljön betakarításra, o könnyen rakodható, szállítható legyen, o biztonságosan tárolható legyen, o a benne levő szerves anyag tartalom minél kisebb mértékben károsodjon, o tárolása minél kisebb helyet igényeljen, o a rakodás, a szállítás és a tárolás megoldható legyen meglévő eszközökkel. 4. A KUKORICASZÁR BETAKARÍTÁS TECHNOLÓGIAI LÉPÉSEI Alapműveletek: szárvágás, rendképzés, felszedés. Szükséges lehet az aprítás és a renden lévő anyag forgatása a gyorsabb száradás érdekében. A szár betakarítási technológia kialakításánál alapvető kérdés az anyag tárolási nedvességtartalma. Biztonságos tárolási hőmérséklet és nedvességtartalom kukoricaszárra vonatkozóan nincs meghatározva, de a tapasztalatok azt mutatják, hogy a frissen levágott, 40-50%-os nedvességtartalmú tömörített anyagban nagy mértékű szerves anyag veszteség megy végbe. Ezért tisztázni kell, hogy a szárat nedvesen, vagy szárazon tároljuk, mert ez határozza meg a betakarítási és a tárolási technológiát is.
4.1. A nedvességtartalom és a betakarítási technológia A száraz betakarítási technológia: a tárolásra kerülő kukoricaszár nedvességtartalma a kritikus szint alatt van, nem indul meg benne hőtermelés, amit a szerves anyag kiégése okozna. Így lehetséges a szár tömörítve tárolása is, amely a meglévő rakodó, szállító gépek és tárolók alkalmazása szempontjából a legkedvezőbb. A tömörített anyag alacsony nedvességtartalmát (a tarlón szárításon felüli) szárítással, illetve tartósítószer alkalmazásával is lehet biztosítani. A nedves technológiánál nem csökkentjük le az anyag nedvességtartalmát, hanem a tárolás során gátoljuk meg, hogy megnövekedjen a halmaz hőmérséklete. Ezt hűtve tárolással lehet biztosítani, ami a tárolás költségeit növeli és az anyag tömörített állapotában igen nehezen kivitelezhető, ezért a nedves tárolás helyigénye is nagy. A követelmények és a problémák megfogalmazása után megállapítható, hogy mindkét technológia szempontjából kedvező a szár levágása és rendre rakása a talajba taposás és a szennyeződés elkerülésével. Ha ez megtörténik, az esetleges renden szárítás utáni felszedés a tapasztalatok szerint már megoldható meglévő gépekkel. 4.2. Szárvágás és rendképzés A kukoricaszár esetében is alkalmazható az 1. ábrán látható, szálastakarmány betakarítási technológia. Ebben az esetben a tarlóra szórt és letaposott szár betakarítása három lépésben végezhető el. Ekkor azonban a betakarított szár földdel és gyomokkal is szennyezett. 1. ábra: A szálastakarmány betakarítási technológia és a gépek adaptálási lehetőségei Az USA-ban folytattak vizsgálatokat hasonló technológiával: vágás, aprítás, rendképzés, bálázás. Az aprítás szükségességét azzal indokolják, hogy gyorsítja a száradást. A szemes betakarításkor levágják a kukoricaszárat és szétterítik a tarlón. Ezután képezik a rendet, majd következik a bálázás. Az aprítás és a rendképzés összevonása rendrakós szárzúzóval megoldható (2. ábra). Az eredmények szerint a szemes betakarítás után a visszamaradó növényi részek maximum 70-75%-a takarítható be. Indiana államban a vizsgálat helyszínéül szolgáló kukoricaföldön 8,8t/ha melléktermék keletkezett. Egy 4,3m
széles rendfelszedős szárzúzót használtak, ami felszedte, felaprította és rendre rakta a kukoricaszárat, 76mm-es vágási magassággal. A rendre rakott kukoricaszár tömege 4,7t/ha. A be nem takarított melléktermék 50%-át a betakarítógépek a talajba taposták. Richey következtetései szerint Indianaban a kukoricaszárat december előtt kell betakarítani, mert az anyag csökkenő száradási hajlama és az időjárási kockázatok miatt a nedvességtartalom nem csökken le a tárolhatósági határérték alá. Ha a szem nedvességtartalma betakarításkor 25% felett van, akkor a szem betakarítása után néhány napot renden kell száradnia a szárnak, utána következhet a betakarítás [3]. 2. ábra: Kukoricaszár rendképzés traktorral működtetett felszedő-rendrakóval A szárvágást és a rendképzést egyidejűleg, talajba taposást megelőzően lehet elvégezni a csőtörő adapterre szerelhető gépekkel (3. ábra). Ezek közül két alaptípust mutatunk be. 3. ábra: Szárvágás és rendképzés csőtörő adapterre szerelt géppel - kétmenetes technológia A forgó késes gép működési elve: a kukorica csőtörő adapter alá szerelhető szárzúzórendrakó berendezés vízszintes síkban forgó kések segítségével levágja a kukoricaszárat, feldarabolja azt és a gép beállításától függően rendre tereli, vagy a tarlón szétteríti. Ezt a jól ismert megoldást ma is sokféle csőtörő adapteren megtalálhatjuk. Az SA szárzúzó (4.a. ábra) szántóföldi vizsgálata során rendfelszedővel szedték fel a gép által levágott szárat. A szártermés kb. 40%-át tudták így betakarítani [4]. Mivel a kis mennyiséggel viszonylag nagy szennyezőanyag tartalom párosul (pl. takarmányozásra alkalmatlan), megállapítható, hogy a
konstrukció bár képes a rendrakásra, és a szár betakaríthatóságát részben lehetővé teszi, mégsem alkalmas a szár és szem egyidejű, jó hatásosságú betakarítására. 4. ábra a.) SA forgó késes szárzúzó b.) RR szárvágó-rendrakó gép Az RR típusú szárvágó-rendrakó (4.b. ábra) működése: a gép előrehaladása közben a törőhengerek által áthúzott kukoricaszárakat az alternáló kasza levágja, a konzolos csigák pedig középre hordják, így a szár az arató-cséplőgép hasa alatt a tarlón renden marad vissza, amelyre a kombájnból kihulló kimorzsolt maradványok is rákerülnek. A gép szántóföldi vizsgálatai során a csőtörő vesztesége nem haladta meg a megengedett 1,5%-ot. A rendre rakott szár összes szártermésnek a 72,2 %-a volt, ami jónak mondható. A tiszta, takarmányozásra is alkalmas szárrend szélessége 105-120cm között változott, a rend kialakítása megfelelő volt. Azonban a géppel 8,32km/h feletti sebességet a rendrakó eltömődése miatt nem lehetett elérni. A szárvágó-rendrakó által vágott tarló magassága 24,1-31,3cm között változott, ami meghaladja a kívánt 15 cm-es magasságot [5]. Az egyik legnagyobb problémát a kaszaszerkezet talajba túrása okozta, amelyet talajvezérléssel és független felfüggesztéssel meg lehet oldani. A magasságállítás egy hidraulikus munkahenger segítségével, a beállított munkamagasság pedig egy talajfelszín érzékelő szenzor beépítésével megoldható. A talajkövetés ennél egyszerűbben, tisztán mechanikusan is megoldható, pl. mankóskerékkel (3.a. ábra). A gép magasságát csökkenteni lehet a konzolos csigák helyett szállítószalag beépítésével. A kukorica komplex betakarítására speciális csőtörő adaptert is terveztek. Az SKB típusú adapteren (5.a. ábra) az arató-cséplő gép a kukorica levágását a forgó kések végzik. A növényeket láncos felhordó elemek szállítják a törőlécek közé. A haladási irányra merőlegesen elhelyezett szárbehúzó hengerpárok a teljes növényt áthúzzák a törőlécek között.
A törőlécek által letört csövet a csőtovábbító elem juttatja a középrehordó csigához, amely a rendképzést elvégzi. A vizsgálatok során az adapter vesztesége az 1,5 %-ot csak egy esetben lépte túl. Rendrakó üzemmódban a fajlagos hajtóanyag felhasználás jelentősen megnövekedett (kb. 35%-ban). Az adapter által rendre rakott szárból 1,2 m széles, laza, tiszta rend készíthető, melyről a kukoricaszár 85-90 %-a rendfelszedővel betakarítható. A gép 8km/h munkasebesség fölött eltömődött, és a 28cm-es tarlómagasság sem megfelelő [6]. A gép eltömődését az okozhatja, hogy a törőhengerek által összeroppantott szár teljes hosszában felaprítás nélkül kerül a rendrakó csigára. Ennek megakadályozására jó lehetőség egy száraprító szerkezet beépítése, amely megoldható a Geringhoff Rota Disc elvén is (5.b. ábra). 5. ábra: a.) Az SKB kukoricaadapter hosszmetszete b.) Aprítószerkezettel ellátott SKB adapter Gabonavágóasztallal végeztek kukorica betakarítási vizsgálatot 1961-ben, egy ACD- 343-as géppel. A növények dőlése miatt azonban nagy mértékű adapterveszteség keletkezett. Ennek kiküszöbölésére átalakították a vágóasztalt. Előrébb helyezték a kaszát és a motollát, és beépítettek egy hevedert (6., 7.b. ábra). Ezzel sikerült ugyan lecsökkenteni a nagy adapterveszteséget, de a gépen áthaladó nagy tömegű szár továbbra is nagy kicsépeletlenségi veszteséget, és megnövekedett terheléseket okozott [7]. 6. ábra: Az ACD-343 nyújtott vágóasztala
7. a. ábra: ACD kombájn nyújtott vágóasztallal, farszecskázóval és gyűjtőkocsival 7. b. ábra: Case IH kombájn John Deere egész növény betakarító adapterrel, farszecskázóval és gyűjtőkocsival Az Egyesült Államokban is folytattak vizsgálatokat hasonló módszerrel, de ott nem gabonavágóasztalt használtak, hanem egy John Deere egész növény betakarító adaptert (7.b. ábra). A hagyományos csőtörős betakarítással összehasonlítva, a területteljesítmény 39%-kal csökkent. A kombájnból a szállítókocsiba kerülő anyag átlagos hossza 69mm, térfogattömege 51 kg/m 3 volt a kocsiban és 110 kg/m 3 zsákolva. A zsákos tárolás alatt a szerves anyag 6%-a erjedt ki, ami viszonylag kis veszteség [8]. 5. IRODALOMJEGYZÉK 1. Seungdo, Kim, Dale, Bruce E.: Global potential bioethanol production from wasted crops and crop residues. Biomass and bioenergy vol. 26, 2004. 2. Vermes, L.: Hulladékgazdálkodás, hulladékhasznosítás. Mezőgazda kiadó, 1998. 3. Shahab Sokhansanj, Anthony Turhollow, Janet Cushman, John Cundiff: Engineering aspects of collecting corn stover for bioenergy. Biomass and bioenergy, vol. 25, 2002. 4. Jován, D., Tóth, J.: Jelentés az arató-cséplő gépre szerelt SA szárzúzó rendrakóra alapozott kukoricaszár betakarítási technológiák kidolgozása című korlátozott kutatási témáról. Gödöllő, 1985. 5. Nagy, L. F., Gáts, T.: Kukoricaszár-betakarítási kísérletek. A MÉM Műszaki Intézet kutatásai alapján készült tanulmány. Akadémiai Kiadó, Budapest, 1983. 6. Tóth, J., Mészáros, Gy.:Jelentés a kukoricaszár betakarítást elősegítő csőtörő adapterek összehasonlító vizsgálata és kiválasztása című témáról. Gödöllő, 1989. 7. Jován, D.: Jelentés az arató-cséplő gép szemeskukorica betakarítására történő alkalmazásának vizsgálatáról. T-040-61, Budapest, 1961. 8. Atchison, J. E., Hettenhaus, J. R.:Innovative Methods for Corn Stover Collecting, Handling, Storing and Transporting. USA NREL, March 2003.