农作物秸秆沼气池出料及其机械的研发

关于农作物秸秆沼气池出料及其机械的研发 摘要：本文通过先探讨沼气池中沼渣出料的特征和沼渣出料所 存在的问题，讨论了沼气出料机械秸秆出料车和抓吸料一体 车的设计思路及其带来的工作效率的提高。 关键词：秸秆，沼气池出料，机械 abstract: this paper discusses the digester first to produce the material and the characters of the material to produce some existing problems and discusses the methane gas discharge machine-straw furnaces and catch the absorb charge one car design thinking, and bring the work efficiency. keywords: straw, methane and discharging, machinery 中图分类号：s216.4 文献标识码：a 文章编号： 引言 在现代化农业中，秸秆的运用是其中的一个极其重要的组成部 分，在农作物的秸秆中，存有农作物近一半的能量，秸秆中具有 非常高的有机物和氮磷钾含量，是肥料的有效来源。 我国的耕地面积丰富，地理气候从热带到寒带，农用地地域分 布极为辽阔，农作物主要为多熟生产方式。农作物秸秆数量大、 种类多、分布广，每年农业生产所产生的秸秆共有约 8 亿吨之多， 其中约 7 亿吨可以收集。其中，稻草、玉米、麦草是秸秆的主要 来源，其次为甘薯蔓、油菜秸和高粱秸等。而现状是约 2 亿吨秸 秆被焚烧，这是一笔可观的自然资源，在秸秆的利用中最主要是 要将氮磷钾和生物质微量元素还于农业土地。而这些优点是人造 的化肥无法比拟的，是减缓农耕地的贫脊化的重要措施。 秸秆处理是一个世界性的难题。我国现阶段的秸秆的利用水平 较低，农民无法积极有效地参与秸秆的利用工作中，出现了大量 的秸秆积压闲置的状况，并且大量的秸秆被燃烧，造成了巨大的 环境污染的同时，也浪费了许多可利用的资源。而处理这些问题 的最为有效的方式就是秸秆的沼气化处理。沼气可将秸秆中的固 碳能量释放出来供日常使用，秸秆通过沼气的发酵能量利用率比 燃烧高出 20%-90%，沼气残渣是一种天然无公害的有机肥料，秸秆 沼渣中所保留的氮、磷、钾等有机物含量极高。在增强能源物质 利用和改善环境方面，农作物秸秆的沼气利用方式同其它方式相 比较，有着更高的优越性。 一、秸秆沼气池中的沼渣特点以及沼气池存在的出料问题 秸秆沼化处理后，一些难以分解的物质会变成沼渣残留在沼气 池内。沼渣的增加会使沼气池有效容积减少，影响产气量，所以 沼气池使用中需要定期进行序批换料( 每次出料 30%) 或大清池换 料，以保证沼气池的产气效率，满足沼气的实际使用要求。秸秆 中主要成分为纤维素、半纤维素、木质素，沼化发酵过程中难以 彻底分解，会有大量的残留，虽然可使用预切断粉碎工艺，但秸 秆发酵后残留的沼渣中短的纤维仍会聚积缠绕结块，且这一工艺 增加了工序和秸秆沼气的成本，使秸秆粉碎中产生大量粉尘，不 受农户的欢迎。畜禽粪便沼气池所用的抽吸式出料车的结构及工 作原理9不适用于秸秆沼渣的出料，出料操作中很容易出现堵 塞现象，尤其是放料时沉淀的纤维沼渣难以放出，虽然将放料口 改在罐体的底端，加大放料口管尺寸，也难以解决所有问题，无 法适应秸秆沼气池的出换料工作需要。 二、秸秆沼气池出料车的研发需求 根据秸秆沼气池沼渣不易收集这一特点，对沼气池的秸秆换料 应采用抓取的方式进行，这种方式无需秸秆的切断和碾碎，可以 简化秸秆沼气的生产工艺流程，减少粉尘污染，降低秸秆沼气的 生产成本。针对这一思路，利用自主授权专利旋转式抓斗、金属 网组合高压油管缆绳等技术，采用抓取的工作方式进行农村户用 秸秆沼气池清秸秆出料车的研发。 在研制前应了解秸秆沼气池的位置设置，农村户用沼气池多设 置在农户的庭院后、洼地等交通不便处，沼气池体积一般在 6- 12m，其每次出渣工作量不大，秸秆出料车的体积及工作幅 度都不需要设计得太大，但对秸秆出料车的机动灵活性要求较高， 秸秆出料车需适应在不同地况的工作环境。目前我国的农村经济 还不发达，农民的经济承受力还不高，因此秸秆出料车的价格定 位不能太高，且要考虑使用人群的特殊性。为此，秸秆出料车的 结构要做到简洁实用，功能要齐全，操作要易于掌握，安全可靠 性要高，以保证能在广大农村得到推广使用。 三、秸秆出料车的工作原理和方式 1.秸秆出料车的旋转情况 根据上文对于秸秆沼气池的基本情况分析，秸秆出料车的动力 基本设定为手扶拖拉机、小四轮拖拉机等农用车辆，以拖车箱为 主要载体。在拖车箱底盘上设置旋转底盘，在旋转底盘座上设置 液压马达。液压马达通过双联变速齿轮驱动旋转底盘的滚动体转 动，实现出料机械部分的旋转操作。在底盘上设置一可上下转动 的主动臂，通过两只油缸控制其转动; 在主动臂上端再设置一可 上下转动的副转动臂，通过一只油缸控制其转动，主动臂和副转 动臂的转动实现出料机械的变幅操作; 通过旋转与变幅配合; 实 现出料抓斗对沼气池出料口和运输车辆的定位。由于拖车箱以两 轮及拖挂点为支撑，无法满足秸秆出料车出料工作时对平稳性的 要求，因此在拖车箱的四角设置了 4 个可调节的刚性支撑腿。秸 秆出料车到达工作场地开始工作前，先抽出 4 根支撑腿，转动调 节丝杠，使 4 根支撑腿着地形成支撑，同时调整到场拖车箱底盘 至水平状态，保证秸秆出料车工作时对平稳性的要求。 2.秸秆出料车工作中的抓握和升降 对于秸秆出料车抓握和升降动作的设计，是在秸秆出料车的主 转动臂上设置一个控制抓斗升降的油缸，通过抓斗升降油缸活塞 杆的伸长或缩短以及牵引抓斗升降钢丝绳伸长或缩短，以实现抓 斗的升降操作。抓斗升降钢丝绳一端固定在主动臂上端，然后钢 丝绳绕过固定在升降油缸活塞杆顶端的定滑轮、固定在主动臂上 的定滑轮、固定在副转动臂顶端的定滑轮，最后钢丝固定在抓斗 的吊环上。活塞杆的往复运动使钢丝绳伸长、缩短，实现抓斗上 升或下降任务。抓斗的开合抓取和放卸秸秆沼渣的动作通过设置 在抓斗上端的开合油缸的活塞杆推动抓斗架上的连杆机构实现。 通过以上旋转、变幅、升降和开合等各机械部分的功能组合，最 终实现了可升降、转动的秸秆沼渣出料工作。秸秆出料车全套机 械的操作全部通过液压动力来实现，以适应秸秆沼气池实际进出 料工作环境的需要。 3.秸秆出料车的液压工作方式 由于沼气池所坐落的位置原因，秸秆出料车无法利用电力等固 定动力源，因此其各项操作的动力要靠动力车提供。液压系统是 本机械实现秸秆沼渣出料功能的主要动力源提供部分，其工作原 理为: 以动力车的发动机为动力源，发动机动力传至离合器，由 离合器控制，经过操作拨叉分离或结合动力控制齿轮泵工作; 齿 轮泵工作产生液压油产生液压动力，液压油由多路阀进行操作控 制，分别驱动液压马达和各油缸工作。通过三位四通换向节流阀 控制液压马达的转向，实现转盘的左右两个方向转动。转盘通过 自锁油缸达到固定的目的，转动时液压油通过单向阀打开自锁油 缸，以利转动操作。变幅油缸和升缩油缸、抓斗升降油缸、抓斗 开闭油缸都是通过各三位四通换向节流阀控制其驱动工作方向的。 四、抓吸料一体车的设计 目前我国农村秸秆沼气的生产的方式是通过秸秆与粪便的混合 使用进行生产，因此其沼渣中既有纤维质沼渣，又有颗粒类沼渣。 基于目前我国农村户用秸秆沼气池沼渣的特点，秸秆沼渣的出料 应分步进行，即先进行纤维质沼渣的出料清理，再进行颗粒类沼 渣及沼液的出料清理。 由于混合使用的特点，在抓吸料一体车的设计时将禽畜粪便类 沼气池出料用沼液清渣出料车和秸秆沼气用沼气池清秸秆出料车 两项技术进行嫁接。先用抓取的方法清除秸秆沼气池中纤维质沼 渣，再用抽吸的方法清除剩余的沼液、沼渣。为防止残余纤维质 沼渣的影响，将吸排口设置于罐体的下端，同时增大其尺寸，以 防止堵塞现象的产生。 五、结论 对于农作物秸秆沼气化的利用，是当今农业发展和环境保护的 重要要求，为此所设计的沼气池清秸杆出料车可以实现全机械化 清除池中长短秸秆。这一项目成功解决了农村户用秸秆沼气池的 出料难题，极大地推进了农村户用秸秆沼气池的推广进程，为农 业循环经济建做出了极大的贡献。但随着农村土地使用的规模化、 集中化，农村居住格局也将产生重大变化，而农村户用秸秆沼气 池也将向大中型秸秆沼气池转型。对于大中型秸秆沼气池，由于 其池体面积大、深度深，本机械工作范围及工作效率都难以适应 其要求。从目前大中型秸秆沼气池试点使用情况看，现试点中的 大型秸秆沼气池的出料主要使用工程挖掘机械完成这一作业，但 其使用费用太高，且操作中容易损坏沼气池池壁，针对大中型秸 秆沼气池的出换料机械有待开发，以保障