牛糞秸稈燃料成型機的設計

王啟增，孫振鑫

(1.北大荒集團黑龍江前進農場有限公司，黑龍江 佳木斯 156331；2.黑龍江八一農墾大學 工程學院，黑龍江 大慶 163319)

0 引言

隨著科技和工業的發展，可再生能源成為各國爭相發展的領域[1]。秸稈作為可資源化利用的生物質種類之一，是可替代化石燃料的重要資源[2]。未經處理的生物質由于物理特性的限制導致能源利用率低，易對環境造成污染，因此，發展生物質能源對我國乃至世界都具有突出貢獻和巨大作用。

我國是農業大國，根據國家統計局最新數據，2019年我國玉米產量達2.61億t，玉米秸稈產量約為2.73億t[3]。黑龍江省糧食產量居全國首位，產出秸稈量十分巨大，秸稈處理成為重要問題，尤其是國家出臺秸稈禁燒政策后，秸稈資源化利用成為重要的研究方向[4]。以黑龍江省為例，每年秸稈產量可達1.3億t，但受地理環境影響，玉米秸稈資源化處理、生產、運輸成本較高，先進工藝和設備難以推廣[5]。黑龍江墾區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。秸稈成型燃料是農業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、易儲存、易運輸等特點[6]，其不僅能夠解決秸稈處理問題，還能代替部分化石燃料的使用，解決能源短缺問題，有利于實現農業可持續發展的目標。

玉米秸稈中主要含有纖維素、半纖維素(經酸水解后得到葡聚糖、木聚糖和阿拉伯聚糖等)和木質素[7]。木質素在受熱時具有粘結效果，可在壓縮過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，在成型過程中易與模具內壁粘接。

牛糞作為畜牧業生產的副產物，若其處理不當會對環境造成污染，通過對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，以秸稈與牛糞進行生物質成型燃料的制備，不僅可以解決能源問題，還能解決農業廢棄物處理問題，實現節本增效。

秸稈與牛糞混合物的處理方式一般分為高溫堆肥、厭氧發酵、制造燃料等。高溫堆肥是以秸稈與牛糞為材料，通過添加發酵菌種，經過高溫快速發酵的方式，消耗有機質和氮素，并將磷、鉀等物質濃縮儲存，使其成為肥料[11]。厭氧發酵則是通過微生物對秸稈進行發酵產生沼氣作為生物質氣化燃料，產生的沼液可通過無害化處理，而沼渣內含有大量未分解的纖維素，經脫水、固化后可作為燃料進行燃燒[12]。

1 原料預處理

將玉米秸稈用粉碎機粉碎成10 mm長度，風干后使含水率達到15%左右；將牛糞初步晾曬去除水分，使含水率達到14%左右，后經過篩網除雜處理。將玉米秸稈和牛糞按重量1∶1預混合，攪拌均勻后得到含水率為15%左右的混合物料，進行密封發酵。將發酵好的物料進行風干處理，得到含水率為8%～12%左右混合物料，以此為原料進行壓縮制備成型燃料。

2 成型機的設計

該成型機機械部分如圖1所示，由機架、模具、四爪卡盤、液壓油缸、工具頭、凸臺組成。工作原理為，工作時將物料填充至模具內，經溫控系統設置加熱溫度，并將信號傳送至電阻絲對成型模具進行加熱，加熱放置于成型模具中的混合物料，通過液壓油缸帶動工具頭向下運動，對物料進行壓縮，壓縮到工具頭距凸臺50 mm處進行保壓操作，在壓力和溫度的共同作用下完成對物料的固化成型后停止加熱，待冷卻后將模具與凸臺分離，取出尺寸為50 mm×50 mm×50 mm的成型燃料。利用牛糞的粘結性可提高成型效率、降低成型壓力、減少加熱溫度和時間，降低能耗。

1.機架；2.模具；3 四爪卡盤；4 液壓油缸；5.工具頭；6 凸臺

2.1 成型模具設計

成型模具為分體式設計，如圖2所示，由模具和凸臺組成，模具外形尺寸為100 mm×100 mm×150 mm，模具內部尺寸為50 mm×50 mm×150 mm，內壁設計有圓角，上端設計有倒角，方便工具頭進入，壁厚為25 mm，可保證其強度；材料選擇為7075鋁材，相比于鋼鐵材料，具有更好的導熱性，同時具有更高的強度；在模具上端面設計有φ3 mm、深20 mm圓孔，便于溫控器測溫；凸臺可避免溢料的現象發生，同時模具與凸臺分體式設計方便取出成型燃料。

1.橫具；2.臺

2.2 溫控系統設計

溫控系統由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，可測量500 ℃以下高溫，溫控器采用PID控制，控溫準確。在溫控器上設定所需溫度，由溫度傳感器測量模具內部溫度，反饋到溫控器，控制啟動加熱或停止加熱。

該成型機采用加熱輔助成型，因為木質素可在受熱情況下增強物料間流動性，相互連接更加緊密，且分子間運動會節省能量，減小成型壓力。在試驗過程中應嚴格控制溫度，溫度過低，木質素受熱不夠，不能軟化，起不到粘結作用，成型燃料強度不夠易分散；溫度過高，增加能耗，且成型燃料發生碳化現象。

2.3 液壓系統設計

液壓系統由三相異步電動機、泵架、聯軸器、齒輪泵、電磁閥、調壓閥、壓力表、油箱、液壓油管、法蘭液壓油缸等組成。工作過程為：進給→保壓→退回，設計主要參數為：額定壓力為16 MPa，推力為12 t，滿足成型壓力。電機選用90L-4電動機，額定功率1.5 kW，1 400 r·min-1。根據電機功率1.5 kW及液壓油缸額定壓力16 MPa，進給速度為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動。

2.4 成型機架設計

機架如圖3所示，由于機架需支持液壓油缸工作壓力，需要有較強的抗拉強度和抗壓強度，而黑鐵方管具有高強度、較好的加工性和抗熱變形能力，因此選40 mm×40 mm×2.5 mm方管作為機架材料，采用焊接形式，機架外形尺寸為50 mm×50 mm×1 400 mm，機架上端面設計成“井”字結構，加固其結構強度，保證其不工作時能保證液壓油缸不掉落，同時保證工作時結構穩定，避免頂缸現象發生；機架下端面采用“十”字結構，加固底面，保證機架穩定性。在下端面上側和上端面下側焊接鋼板，用以加固和固定卡盤和液壓油缸。

圖3 機架示意圖

2.5 其他設計

為了保證工作過程中模具的穩定性，采用K72-250四爪單動卡盤用以固定模具。單動卡盤可以保證四爪逐一調整，方便模具與工具頭調心，保證其在同一直線上；通過LW26-20A轉換開關與電磁閥進行連接，以開關控制液壓油缸的進給與退回；為了安裝和固定法蘭液壓油缸和四爪卡盤，根據安裝孔的尺寸，將兩塊500 mm×500 mm×2.5 mm的Q235鋼板焊接在機架內側兩面，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，保證其結構強度，上半部分為圓環，內部設計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，作用是在預壓縮過程中使物料中的空氣排出，使物料均勻穩定，提高壓縮效率，避免氣爆。

圖4 工具頭示意圖

3 結語

針對農業秸稈、畜牧糞便處理及城市集中供暖、農村炊事等問題，完成了牛糞秸稈燃料成型機的設計，通過三維建模完成了各零部件的設計，闡述了該成型機的結構原理，確定了各零部件的材料選擇及安裝方式。為了防止機器運行過程中出現頂缸或機架焊口開裂的問題，在機架上端面設計成“井”字結構，加固其結構強度，下端面采用“十”字結構，加固底面，保證機架穩定性；模具采用分體式設計，凸臺既便于取出成型燃料塊，又防止溢料現象；采用PID控制溫度，測溫探頭直接深入模具內部，測溫準確，控溫精確。該燃料成型機具有結構簡單、操作方便、成型效率高、成型質量好、能耗低等特點，成型燃料塊具有不松散、燃燒效率高、方便貯存和運輸等特點，所以該機用于處理廢棄秸稈和牛糞是可行的，對于處理農牧業廢棄物和緩解能源緊張，減少化石燃料的使用，增加農民、養殖場額外收入，促進農業可持續發展，節本增效具有重要意義。