農村有機廢棄物厭氧發酵預處理步進式料倉的應用研究

常燕青 胡軍 常中龍 于強 吳海鎖

（1.維爾利環保科技集團股份有限公司，江蘇常州 213125；2.常州金源機械設備有限公司，江蘇常州 213126；3.江蘇省固體廢棄物處理環保裝備工程技術研究中心，江蘇常州 213126；4.北京起重運輸機械設計研究院，北京 100007；5.江蘇環保產業技術研究院股份公司，江蘇南京 210036）

0.引言

農村有機廢棄物主要是秸稈類、蔬菜類等物質，采用厭氧消化方法是資源化、無害化、減量化處理的重要手段，運行成本低廉，且能實現可再生能源回收利用，被廣泛研究并應用于能源環保行業。據2017年統計，中國農村農作物秸稈可收集資源量為8.27億t，其中，玉米、水稻、小麥三大糧食作物秸稈資源量分別為37.2億t、19.1億t、14.7億t，合計占全國秸稈資源總量的84.8%，是中國農作物秸稈的主要來源[1]。2014年，9.4×107t農用秸稈燃燒釋放了9.1×106t的CO和1.1×108t的CO2[2-3]，CO2溫室氣體效應導致了氣候變化。農民把有機廢物簡單地通過露天焚燒處理，焚燒產生的物質例如CO2、CO、氮氧化物和苯等會對環境造成污染[4]，特別是PM2.5會導致空氣質量惡化，給人民生活和健康帶來嚴重影響。將秸稈等生物質能源化利用不僅能改善環境、節約能源，還能對實現碳峰值碳中和目標具有重要而深遠的意義。

生物質厭氧發酵處理是生物質廢棄物實現資源化利用的有效途徑之一。生物質厭氧發酵是在厭氧細菌的同化作用下，把生物質中的有機質有效轉化，生成具有經濟價值的甲烷和部分二氧化碳，甲烷可作為一種清潔、環保的可再生能源用于燃燒及發電，沼渣可作為土地肥料，沼液可作為農作物的營養液[5-7]。厭氧發酵技術是實現秸桿資源化利用的一種有效途徑，優勢主要為反應條件相對溫和、成本低和二次污染物產生少等[8]。在實際生產處理過程中大部分生物質特別是農作物秸稈中木質纖維素含量相對較高、難以被分解，容易造成厭氧消化啟動慢、分解慢、發酵時間長、產氣率低等問題[9-10]。由此需要對秸稈進行有效預處理，提高生物質的發酵產氣速率和產氣質量。目前，國內外秸稈發酵預處理技術主要有物理技術、化學技術、生物技術、物理化學技術和化學生物聯合處理技術等[11]。物理技術主要是機械預處理，是厭氧發酵最常用的有效方法，主要經過儲料、均勻上料、破碎、輸送等設備工藝過程。其中，存儲和輸送是其中的關鍵工藝，步進式料倉輸送設備作為一種新形式的輸送設備，在滿足輸送、緩存、承載等高要求的情況下，展現了很多優于類似產品設備的性能。本文以中廣核衡水混合原料10萬方生物天然氣項目為實例，針對秸稈厭氧發酵機械預處理中的自動步進式料倉系統設備進行分析研究。

1.材料設備和工藝方法

1.1 物料來源特性描述

農村有機廢棄物主要是如玉米、高粱、水稻、小麥、甘蔗等秸稈。一般農民將秸稈等粉碎到20mm～100mm左右后出售給處理廠。通常秸稈干儲一段時間后，北方干燥地區一般容重在0.15t/m3～0.2t/m3，含水率約20%左右；如果粉碎濕儲在一段時間或多雨地區一般容重在0.4t/m3～0.5t/m3，含水率約30%左右；南方物料（如甘蔗、香蕉樹等）一般容重在0.5t/m3～0.65t/m3，含水率約55%～70%左右。無論哪種物料，體積大重量輕，運輸半徑決定原料成本高低，一般是拖拉機拖掛大體積運輸車將秸稈等送到厭氧處理廠稱重后，直接傾卸到大型儲料給料倉[12-13]。以衡水周圍200km半徑的玉米秸稈為例，傾卸到料倉后壓實容重約0.55t/m3。

1.2 典型厭氧工藝流程

衡水玉米秸稈生物質厭氧發酵工藝流程見圖1，工藝過程簡要如下：將秸稈預粉碎到20mm～100mm左右由運輸車送到生物質厭氧產沼處理廠，稱重過磅后直接傾卸到自動步進式均勻給料倉輸送設備，通過自動料倉的地板按照設定的程序運動，將物料由后向前推進，在3個均料輥的高速均料作用下，均勻地將物料均勻松散地落到輸送機上，再經過磁選機將金屬去除后，進入破碎機將物料破碎到粒徑5mm～8mm以下，再由輸送機輸送到水解酸化池酸化預處理，最后進入厭氧罐厭氧發酵系統消化產沼，沼液進入水處理系統，沼渣好氧堆肥制成有機肥，金屬回收再利用。在此工藝流程中，核心關鍵預處理設備是自動步進式均勻給料倉輸送系統。

圖1 典型厭氧項目工藝流程圖

1.3 步進料倉式輸送設備組成

步進料倉主要由：出料滾筒、前后端板、側板殼體、步進地板、導向限位塊、地板蓋板、支撐框架、支腿、尾部防護等機械部分、液壓驅動系統、稱重傳感系統和PLC自動控制系統組成。具體外形圖見圖2。其中殼體側板和端板組成料倉的足夠大儲料空間，液壓系統提供動力驅動地板運動實現物料的輸送，出料滾筒進行均料的同時并將物料從料倉撥入下道工序的工藝上設備中。由于為了解決秸稈車輛在處理廠等候排隊和連續均勻上料問題，國內外均采用大型儲料倉均勻上料系統。維爾利集團金源機械和杭州能源環境根據中廣核衡水、廣西隆安、黑龍江八五三、新疆塔城等項目的要求，設計制造了220、150、90、120m3生物質自動步進式自動給料倉、輸送、破碎、預處理系統，其中衡水給料倉是目前亞洲最大的農村廢棄物生物質厭氧發酵上料預處理系統。

圖2 自動步進料均勻給料倉外形圖

1.3.1 步進料倉的工作原理

液壓油缸驅動料倉地板全部向前運動，物料隨著所有步進地板整體同時前進；走完油缸行程后，地板開始后退，后退時地板單塊逐個后退；地板數量按照3的倍數進行布置，以3塊地板為例，單個地板運動其上物料產生的動摩擦力小于2塊地板上物料產生的靜摩擦力，這樣按照地板每次全部同時前進然后單塊逐個后退到初始位置的循環往復方式運行，物料每周期都能往出料方向前進一個油缸行程的距離；物料前進到出料滾筒處被滾筒均料打散進入出料口輸送至下一道工藝流程。圖3為九根地板間歇式出料運行模式。

圖3 九根地板間歇式出料運行示意圖

1.3.2 步進料倉運行參數設計計算分析

（1）設計基本參數。物料，干黃秸稈，預破碎粒度20mm～100mm，容重0.55t/m3，含水率20%～25%,料倉公稱容積220m3，實際有效容積218m3，最大滿倉承載重量120t。幾何尺寸長18m×寬3.6m×高3.37m，步進油缸行程300mm，額定處理能力20t/h。通過力學計算獲得液壓站極限壓力21MPa，液壓站電機功率30kW，油缸型號G=80/45。

（2）地板循環按間歇式運行方式，相當于料倉在周期性將物料向前推進，每運行1個周期秸稈前進300mm；每個運行周期的時間為T：

T= t1+ t2+ t3=100s+9×5s+10s+9×2s=173s；

其中t1為地板前進時間，t2為地板后退時間，t3為地板停留時間。

每運行一個周期，能夠輸送的秸稈體積為V1：

V1=W×H×S=3.6m×2m×0.3m=2m3

其中W為物料堆積寬度，H為物料堆積高度，S為物料前進距離。N為每小時地板能夠循環運行的次數，N=3600/T=21，T為每個循環的運行周期，步進料倉每小時的輸送量為Q：則Q=N×V1=42m3/h折合處理量能力為23.1t/h。

結合秸稈堆積密度，按此方式運行的步進料倉處理量可以達到設計要求。

1.3.3 步進式料倉輸送設備的特點

步進式料倉輸送設備實現了大容積物料的輸送，具有料倉貯存量大、承載能力強、封閉性好、設備一體化和輸送效率高、運行時喂料方便等優勢，自動化程度高且避免了帶載啟動的風險，采用液壓系統作為動力穩定性更高，出料時出料口有傾斜布置的勻料滾筒，既能起到均料限制出料高度的作用，又能將積壓的塊狀物料打散，方便后續工藝流程的處理。

2.工程應用介紹

2.1 中廣核衡水衡水項目生物質厭氧發酵處理工程概況

中廣核衡水混合原料10萬方生物天然氣項目，是2012國家發改委/農業部生物天然氣試點項目，具體概況見表1。衡水項目生物質厭氧發酵預處理工藝流程見圖1，衡水項目步進料倉輸送設備的設計依據, 設計參數要求參見表2，按照要求進行步進料倉輸送設備的設計，主要設計參數見表3。設計結果參見1.3.3。

表1 衡水項目概況

表2 衡水料倉設計依據參數表

表3 衡水項目步進料倉輸送設備主要設計參數

2.2 項目步進料倉實際運行情況

衡水項目料倉進料方式為自卸卡車側面和尾部卸料同時卸料兩種方式，秸稈在步進料倉內平均堆高2m左右，運行時步進式料倉按照間歇式模式進行出料。（見圖3）

液壓油缸驅動地板運動，前進時9根地板同步前進，后退時單根逐個后退；根據后續工藝設備處理要求進行地板運行速度的調整，前進時地板前進油缸行程300mm，用時約100s，后退時從滿行程300mm位置退到初始位置用時5s；同時9根油缸運行時存在同步性差異，在前進和后退位置均設置了停留時間保證9根油缸均能走完最大300mm行程，前進位置設置停留時間10s，后退位置設置停留時間2s。

正常2m物料高度運行時，地板前進液壓站壓力10MPa左右，地板后退液壓站壓力15MPa左右。在基本滿倉3m物料高度運行時，地板前進液壓站壓力12MPa左右，地板后退液壓站壓力18MPa左右。

2.3 廣西隆安、黑龍江853、新疆塔城等項目步進料倉式輸送設備的工程運行驗證

在衡水項目（見圖4和圖5 ）2013年交付運行之后的基礎上陸續設計了廣西隆安（見圖6和圖7）、黑龍江853（見圖8和圖9）、新疆塔城等生物質厭氧發酵處理項目的預處理系統。通過這些項目的成功運行，以及實際運行結果與理論計算的對比，進一步驗證了我們參數設計的合理性，也驗證了我們衡水項目運行分析的正確性。

圖4 中廣核衡水項目預處理照片1

圖5 中廣核衡水項目預處理照片2

圖6 廣西隆安項目預處理照片1

圖7 廣西隆安項目預處理照片2

圖8 黑龍江隆安853項目現場照片1

圖9 黑龍江隆安853項目現場照片2

3.分析與討論

3.1 衡水項目步進料倉式輸送設備的運行分析研究

（1）結合步進式料倉實際運行情況和相關設計參數對步進料倉運行進行分析研究，衡水項目的秸稈為黃儲秸稈屬于松散型物料，在步進料倉進行秸稈的輸送過程中，通過液壓站壓力變化的參數進行分析，發現秸稈的實際堆積密度和秸稈的粒徑以及秸稈在料倉內的堆高都有關系。具體如圖10和圖11所示。

圖10 秸稈粒徑與堆積密度的變化曲線

圖11 秸稈在料倉內堆積高度與堆積密度的變化曲線

綜上分析，秸稈粒徑越小以及秸稈在料倉內堆高越高，其實際堆積密度越大。同理秸稈堆積密度越大，其對料倉地板產生的摩擦力越大，液壓系統所需壓力也越大，如圖12所示。

圖12 秸稈堆積高度與液壓站壓力的變化曲線

（2）衡水項目的步進式料倉是按照間歇式進行運行；在地板間歇式運行的周期中，地板前進過程是實際出料的有用功階段，地板后退和轉換的停留時間為出料的無用功階段，所以料倉在此種模式下運行其輸送處理量完全取決地板的前進速度，按照衡水項目料倉正常物料平均堆高為2m，在地板不同前進速度下進行處理量的計算如圖13所示。

圖13 步進地板前進速度與秸稈輸送量的變化關系

綜上分析，地板前進速度越快，其輸送量越大，但由于后續工藝設備破碎機的處理量限制，地板速度需要控制在合理的范圍之內。

（3）衡水項目的步進料倉是按照間歇式的模式進行運行處理，在間歇式處理的過程中，料倉地板的后退和轉換停留均為輸送物料的無用功時間，增加了額外的能耗。后續項目中通過增加位移傳感器和液壓精確調速閥、比例閥等，嚴格控制油缸的前進及后退速度，始終保證在地板動作過程中，其中一個地板在后退，其余地板都在前進，這樣就能把物料持續向出料方向推進，實現了料倉的連續式輸送出料，相對間歇式模式，連續型出料運行更加高效穩定，同時還降低了能耗。

（4）另外步進式料倉輸送系統，可配置稱重傳感系統實時顯示料倉內物料重量和料倉的輸送量，同時通過網絡和組態軟件可以實現遠程控制并設定運行模式，對步進料倉進行實時監控的同時還實現了步進料倉的自動化和智能化。

3.2 結論

通過步進料倉實際運行參數與理論設計參數對比分析，可知由于料倉需要足夠的緩存體積，其截面尺寸必定很大，這樣物料的前進速度需要足夠慢才能保證輸送的物料量不超出后續設備的處理量。我們必須按照工藝要求從物料平衡的角度出發合理控制和調整料倉地板的前進速度。

鑒于秸稈粒徑及堆高對秸稈堆積密度的影響，我們要仔細了解項目處理的物料特性和相關工況，以保證料倉地板能夠被液壓系統驅動。

在步進料倉滿足機械需求的前提下我們主要從液壓系統方向入手對相關設計參數進行調整優化。結合項目工藝要求不斷的合理調整相關設計參數，在保障滿足使用的情況下還能節省生產成本，降低運營成本。

4.結語

步進式料倉輸送設備滿足農村有機廢物厭氧預處理的要求，具有大容量緩存物料能力，處理量范圍可調性非常高，具有很高的靈活性，模塊化設計的基礎上，適應性非常強，作為一種穩定高效的輸送設備，步進式料倉輸送設備兼具了接收、存儲、輸送的優良性能。通過步進式料倉在農村有機廢棄物生物質厭氧發酵處理項目中的應用，提高了生物質的綜合利用效益，為設計研發適應國情的有機廢棄物預處理設備提供了經驗，可以將其推廣到其他類型環保項目中使用，特別是生活垃圾、廚余垃圾、可回收垃圾等相關環保處理項目的預處理系統，還可作為其他行業散料輸送設備使用。