牛糞秸稈燃料成型機(jī)的設(shè)計(jì)

王啟增，孫振鑫

(1.北大荒集團(tuán)黑龍江前進(jìn)農(nóng)場(chǎng)有限公司，黑龍江 佳木斯 156331；2.黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué) 工程學(xué)院，黑龍江 大慶 163319)

0 引言

隨著科技和工業(yè)的發(fā)展，可再生能源成為各國(guó)爭(zhēng)相發(fā)展的領(lǐng)域[1]。秸稈作為可資源化利用的生物質(zhì)種類之一，是可替代化石燃料的重要資源[2]。未經(jīng)處理的生物質(zhì)由于物理特性的限制導(dǎo)致能源利用率低，易對(duì)環(huán)境造成污染，因此，發(fā)展生物質(zhì)能源對(duì)我國(guó)乃至世界都具有突出貢獻(xiàn)和巨大作用。

我國(guó)是農(nóng)業(yè)大國(guó)，根據(jù)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局最新數(shù)據(jù)，2019年我國(guó)玉米產(chǎn)量達(dá)2.61億t，玉米秸稈產(chǎn)量約為2.73億t[3]。黑龍江省糧食產(chǎn)量居全國(guó)首位，產(chǎn)出秸稈量十分巨大，秸稈處理成為重要問(wèn)題，尤其是國(guó)家出臺(tái)秸稈禁燒政策后，秸稈資源化利用成為重要的研究方向[4]。以黑龍江省為例，每年秸稈產(chǎn)量可達(dá)1.3億t，但受地理環(huán)境影響，玉米秸稈資源化處理、生產(chǎn)、運(yùn)輸成本較高，先進(jìn)工藝和設(shè)備難以推廣[5]。黑龍江墾區(qū)玉米秸稈處理方式分為粉碎還田和離地打捆，資源化利用方式單一。秸稈成型燃料是農(nóng)業(yè)秸稈綜合利用的方式之一，成型燃料具有燃燒效率高、體積小、易儲(chǔ)存、易運(yùn)輸?shù)忍攸c(diǎn)[6]，其不僅能夠解決秸稈處理問(wèn)題，還能代替部分化石燃料的使用，解決能源短缺問(wèn)題，有利于實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的目標(biāo)。

玉米秸稈中主要含有纖維素、半纖維素(經(jīng)酸水解后得到葡聚糖、木聚糖和阿拉伯聚糖等)和木質(zhì)素[7]。木質(zhì)素在受熱時(shí)具有粘結(jié)效果，可在壓縮過(guò)程中使物料成型效果更好，但由于玉米秸稈外殼薄而脆，且與模具摩擦生熱，在成型過(guò)程中易與模具內(nèi)壁粘接。

牛糞作為畜牧業(yè)生產(chǎn)的副產(chǎn)物，若其處理不當(dāng)會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染，通過(guò)對(duì)秸稈物料加入添加劑后形成混合物，可以提高燃料的熱值、減少污染物的生成、增加粘結(jié)性，利于物料成型[8, 9]。牛糞可降低成型燃料中的含硫量，其中的粗纖維、粗脂肪等能量可以提高成型燃料的熱值[10]，因此，以秸稈與牛糞進(jìn)行生物質(zhì)成型燃料的制備，不僅可以解決能源問(wèn)題，還能解決農(nóng)業(yè)廢棄物處理問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)節(jié)本增效。

秸稈與牛糞混合物的處理方式一般分為高溫堆肥、厭氧發(fā)酵、制造燃料等。高溫堆肥是以秸稈與牛糞為材料，通過(guò)添加發(fā)酵菌種，經(jīng)過(guò)高溫快速發(fā)酵的方式，消耗有機(jī)質(zhì)和氮素，并將磷、鉀等物質(zhì)濃縮儲(chǔ)存，使其成為肥料[11]。厭氧發(fā)酵則是通過(guò)微生物對(duì)秸稈進(jìn)行發(fā)酵產(chǎn)生沼氣作為生物質(zhì)氣化燃料，產(chǎn)生的沼液可通過(guò)無(wú)害化處理，而沼渣內(nèi)含有大量未分解的纖維素，經(jīng)脫水、固化后可作為燃料進(jìn)行燃燒[12]。

1 原料預(yù)處理

將玉米秸稈用粉碎機(jī)粉碎成10 mm長(zhǎng)度，風(fēng)干后使含水率達(dá)到15%左右；將牛糞初步晾曬去除水分，使含水率達(dá)到14%左右，后經(jīng)過(guò)篩網(wǎng)除雜處理。將玉米秸稈和牛糞按重量1∶1預(yù)混合，攪拌均勻后得到含水率為15%左右的混合物料，進(jìn)行密封發(fā)酵。將發(fā)酵好的物料進(jìn)行風(fēng)干處理，得到含水率為8%～12%左右混合物料，以此為原料進(jìn)行壓縮制備成型燃料。

2 成型機(jī)的設(shè)計(jì)

該成型機(jī)機(jī)械部分如圖1所示，由機(jī)架、模具、四爪卡盤、液壓油缸、工具頭、凸臺(tái)組成。工作原理為，工作時(shí)將物料填充至模具內(nèi)，經(jīng)溫控系統(tǒng)設(shè)置加熱溫度，并將信號(hào)傳送至電阻絲對(duì)成型模具進(jìn)行加熱，加熱放置于成型模具中的混合物料，通過(guò)液壓油缸帶動(dòng)工具頭向下運(yùn)動(dòng)，對(duì)物料進(jìn)行壓縮，壓縮到工具頭距凸臺(tái)50 mm處進(jìn)行保壓操作，在壓力和溫度的共同作用下完成對(duì)物料的固化成型后停止加熱，待冷卻后將模具與凸臺(tái)分離，取出尺寸為50 mm×50 mm×50 mm的成型燃料。利用牛糞的粘結(jié)性可提高成型效率、降低成型壓力、減少加熱溫度和時(shí)間，降低能耗。

1.機(jī)架；2.模具；3 四爪卡盤；4 液壓油缸；5.工具頭；6 凸臺(tái)

2.1 成型模具設(shè)計(jì)

成型模具為分體式設(shè)計(jì)，如圖2所示，由模具和凸臺(tái)組成，模具外形尺寸為100 mm×100 mm×150 mm，模具內(nèi)部尺寸為50 mm×50 mm×150 mm，內(nèi)壁設(shè)計(jì)有圓角，上端設(shè)計(jì)有倒角，方便工具頭進(jìn)入，壁厚為25 mm，可保證其強(qiáng)度；材料選擇為7075鋁材，相比于鋼鐵材料，具有更好的導(dǎo)熱性，同時(shí)具有更高的強(qiáng)度；在模具上端面設(shè)計(jì)有φ3 mm、深20 mm圓孔，便于溫控器測(cè)溫；凸臺(tái)可避免溢料的現(xiàn)象發(fā)生，同時(shí)模具與凸臺(tái)分體式設(shè)計(jì)方便取出成型燃料。

1.橫具；2.臺(tái)

2.2 溫控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

溫控系統(tǒng)由PT100溫度傳感器和CHB401溫控器組成，溫度傳感器探頭采用304不銹鋼制成，可測(cè)量500 ℃以下高溫，溫控器采用PID控制，控溫準(zhǔn)確。在溫控器上設(shè)定所需溫度，由溫度傳感器測(cè)量模具內(nèi)部溫度，反饋到溫控器，控制啟動(dòng)加熱或停止加熱。

該成型機(jī)采用加熱輔助成型，因?yàn)槟举|(zhì)素可在受熱情況下增強(qiáng)物料間流動(dòng)性，相互連接更加緊密，且分子間運(yùn)動(dòng)會(huì)節(jié)省能量，減小成型壓力。在試驗(yàn)過(guò)程中應(yīng)嚴(yán)格控制溫度，溫度過(guò)低，木質(zhì)素受熱不夠，不能軟化，起不到粘結(jié)作用，成型燃料強(qiáng)度不夠易分散；溫度過(guò)高，增加能耗，且成型燃料發(fā)生碳化現(xiàn)象。

2.3 液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

液壓系統(tǒng)由三相異步電動(dòng)機(jī)、泵架、聯(lián)軸器、齒輪泵、電磁閥、調(diào)壓閥、壓力表、油箱、液壓油管、法蘭液壓油缸等組成。工作過(guò)程為：進(jìn)給→保壓→退回，設(shè)計(jì)主要參數(shù)為：額定壓力為16 MPa，推力為12 t，滿足成型壓力。電機(jī)選用90L-4電動(dòng)機(jī)，額定功率1.5 kW，1 400 r·min-1。根據(jù)電機(jī)功率1.5 kW及液壓油缸額定壓力16 MPa，進(jìn)給速度為0.025 m·s-1，最大行程為200 mm，工作行程為150 mm，液壓缸直徑為72 mm，自重20 kg，選用02-3C6電磁閥保證液壓油缸可以雙向運(yùn)動(dòng)。

2.4 成型機(jī)架設(shè)計(jì)

機(jī)架如圖3所示，由于機(jī)架需支持液壓油缸工作壓力，需要有較強(qiáng)的抗拉強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度，而黑鐵方管具有高強(qiáng)度、較好的加工性和抗熱變形能力，因此選40 mm×40 mm×2.5 mm方管作為機(jī)架材料，采用焊接形式，機(jī)架外形尺寸為50 mm×50 mm×1 400 mm，機(jī)架上端面設(shè)計(jì)成“井”字結(jié)構(gòu)，加固其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，保證其不工作時(shí)能保證液壓油缸不掉落，同時(shí)保證工作時(shí)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，避免頂缸現(xiàn)象發(fā)生；機(jī)架下端面采用“十”字結(jié)構(gòu)，加固底面，保證機(jī)架穩(wěn)定性。在下端面上側(cè)和上端面下側(cè)焊接鋼板，用以加固和固定卡盤和液壓油缸。

圖3 機(jī)架示意圖

2.5 其他設(shè)計(jì)

為了保證工作過(guò)程中模具的穩(wěn)定性，采用K72-250四爪單動(dòng)卡盤用以固定模具。單動(dòng)卡盤可以保證四爪逐一調(diào)整，方便模具與工具頭調(diào)心，保證其在同一直線上；通過(guò)LW26-20A轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)與電磁閥進(jìn)行連接，以開(kāi)關(guān)控制液壓油缸的進(jìn)給與退回；為了安裝和固定法蘭液壓油缸和四爪卡盤，根據(jù)安裝孔的尺寸，將兩塊500 mm×500 mm×2.5 mm的Q235鋼板焊接在機(jī)架內(nèi)側(cè)兩面，在兩塊鋼板上分別打孔，以螺栓連接。

工具頭如圖4所示，采用不銹鋼304材料一體成型，保證其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，上半部分為圓環(huán)，內(nèi)部設(shè)計(jì)有螺紋與安裝在液壓油缸絲牙相連接，下半部分為49 mm×49 mm×150 mm矩形，加工出R=2 mm的圓角，與模具相匹配，下半部分與模具相比減少的1 mm，作用是在預(yù)壓縮過(guò)程中使物料中的空氣排出，使物料均勻穩(wěn)定，提高壓縮效率，避免氣爆。

圖4 工具頭示意圖

3 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)農(nóng)業(yè)秸稈、畜牧糞便處理及城市集中供暖、農(nóng)村炊事等問(wèn)題，完成了牛糞秸稈燃料成型機(jī)的設(shè)計(jì)，通過(guò)三維建模完成了各零部件的設(shè)計(jì)，闡述了該成型機(jī)的結(jié)構(gòu)原理，確定了各零部件的材料選擇及安裝方式。為了防止機(jī)器運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)頂缸或機(jī)架焊口開(kāi)裂的問(wèn)題，在機(jī)架上端面設(shè)計(jì)成“井”字結(jié)構(gòu)，加固其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，下端面采用“十”字結(jié)構(gòu)，加固底面，保證機(jī)架穩(wěn)定性；模具采用分體式設(shè)計(jì)，凸臺(tái)既便于取出成型燃料塊，又防止溢料現(xiàn)象；采用PID控制溫度，測(cè)溫探頭直接深入模具內(nèi)部，測(cè)溫準(zhǔn)確，控溫精確。該燃料成型機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便、成型效率高、成型質(zhì)量好、能耗低等特點(diǎn)，成型燃料塊具有不松散、燃燒效率高、方便貯存和運(yùn)輸?shù)忍攸c(diǎn)，所以該機(jī)用于處理廢棄秸稈和牛糞是可行的，對(duì)于處理農(nóng)牧業(yè)廢棄物和緩解能源緊張，減少化石燃料的使用，增加農(nóng)民、養(yǎng)殖場(chǎng)額外收入，促進(jìn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展，節(jié)本增效具有重要意義。