高強度顆粒有機肥成型裝備的設(shè)計與應(yīng)用*

王連林, 申穎亮, 龍素霞, 湛毅強, 張麗英, 陳鐵成, 趙 杰

(1.玉田縣農(nóng)業(yè)農(nóng)村局 河北玉田 064100; 2.玉田縣職業(yè)技術(shù)教育中心 河北玉田 064100;3.灃田寶農(nóng)業(yè)科技有限公司 河北玉田 064109)

1 顆粒有機肥生產(chǎn)設(shè)備現(xiàn)狀

有機肥多以畜禽糞便、植物秸稈以及制糖工業(yè)、卷煙工業(yè)、中藥企業(yè)等的廢棄物為原料,經(jīng)發(fā)酵制備而成。 用這些原料生產(chǎn)的有機肥的缺點是結(jié)構(gòu)松散,不便于機械化施用,而農(nóng)業(yè)生產(chǎn)亟需與機械化作業(yè)相匹配的高強度顆粒有機肥。 但目前有機肥造粒難、強度差、顆粒不均勻,影響了有機肥的大面積應(yīng)用。

國內(nèi)外有機肥造粒技術(shù)經(jīng)過多年發(fā)展日漸成熟,主要有攪拌造粒法、沸騰造粒法、壓力成型造粒法、熱熔融成型法、噴霧干燥造粒法等[1],已形成專門的學(xué)科。 國外造粒技術(shù)較為先進,大多數(shù)造粒設(shè)備具備完善的檢測監(jiān)控系統(tǒng),自動化程度高;國內(nèi)造粒技術(shù)多是在學(xué)習(xí)國外先進技術(shù)的基礎(chǔ)上,根據(jù)國內(nèi)實際情況不斷加以完善和改進。目前國內(nèi)主要的有機肥造粒機比較見表1。

表1 目前國內(nèi)主要的有機肥造粒機比較

經(jīng)綜合分析我國常規(guī)有機肥造粒設(shè)備的主要技術(shù)參數(shù)、工作原理、基本組成、傳動方式、結(jié)構(gòu)特點、適用范圍等,重點對造粒的球形度、壓實度(強度)、生產(chǎn)效率以及設(shè)備所需的驅(qū)動功率、轉(zhuǎn)速、運動平穩(wěn)性等方面進行研究,研制了高強度顆粒有機肥造粒成型裝備。

2 新型高強度有機肥造粒機的整體設(shè)計

為更好地處理畜禽養(yǎng)殖等的固體廢棄物,減少對環(huán)境的污染,達到有機肥顆粒化且高強度,實現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)施用有機肥機械化、作業(yè)高效化,本文從以下幾個方面對新型高強度有機肥造粒機進行了標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計。

2.1 主要參數(shù)設(shè)計

通過查閱相關(guān)資料、走訪相關(guān)設(shè)備生產(chǎn)企業(yè),現(xiàn)有主要的顆粒有機肥造粒機的技術(shù)參數(shù)見表2。

表2 現(xiàn)有主要的顆粒有機肥造粒機的技術(shù)參數(shù)

通過相關(guān)設(shè)備技術(shù)參數(shù)的比對,依據(jù)本文研究確定的產(chǎn)能指標(biāo)以及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對顆粒有機肥強度的要求,參考已有相似設(shè)備的參數(shù),確定的新型高強度顆粒有機肥造粒機主要技術(shù)參數(shù):生產(chǎn)能力為30 ～35 t/h,滾筒、主軸的整機功率分別為22、55 kW, 滾筒、 主軸的轉(zhuǎn)速分別為10.5、13.6 r/min,滾筒直徑為2 400 mm,滾筒長度為16 000 mm。

2.2 總體設(shè)計

高強度有機肥造粒機設(shè)計思路是以團粒法造粒為基本原理,外觀以轉(zhuǎn)鼓造粒機為參考機型。電動機通過皮帶傳動和減速機減速,將動力傳至造粒滾筒主動軸,并與外滾筒相向工作。 外滾筒上鑲有大齒圈,與電動機主動軸上的小齒輪嚙合,帶動滾筒轉(zhuǎn)動。 滾筒內(nèi)置主軸前端配有進料推進與擠壓成片螺旋裝置,中后段設(shè)置粉碎與強化造粒的攪齒,攪齒與外置減速機、電動機相連,與外滾筒反向工作。 原料從進料端加入,經(jīng)滾筒內(nèi)部特殊的攪齒造粒結(jié)構(gòu)形成顆粒,從出料口流出。為提高生產(chǎn)效率,整個滾筒設(shè)置呈一定傾角(筒身由入料口向出料口下斜)。 高強度有機肥造粒機外觀及內(nèi)部結(jié)構(gòu)見圖1 和圖2。

圖1 高強度有機肥造粒機外觀設(shè)計示意

圖2 高強度有機肥造粒機內(nèi)部造粒結(jié)構(gòu)設(shè)計示意

依據(jù)上述整體設(shè)計思路,結(jié)合研究設(shè)定的產(chǎn)能目標(biāo),設(shè)計了外滾筒直徑為2.4 m、長度為16 m、產(chǎn)能為30～35 t/h 的高強度顆粒有機肥生產(chǎn)設(shè)備。

2.3 相關(guān)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)的測試

為實現(xiàn)高強度、高標(biāo)準(zhǔn)顆粒有機肥的快速形成,在試驗中進行了多項研究與嘗試。

2.3.1 原料和造粒機運轉(zhuǎn)方式對產(chǎn)品性能的影響

(1)投料量對產(chǎn)品質(zhì)量、產(chǎn)能的影響

為提高產(chǎn)能,在基本設(shè)計原理與結(jié)構(gòu)框架下,以原料中水質(zhì)量分數(shù)30%～35%、造粒軸反向轉(zhuǎn)速13.6 r/min、滾筒轉(zhuǎn)速10.5 r/min、滾筒內(nèi)置擋板與進料口成30°反向、固定式螺旋形造粒耙齒排列為造粒基礎(chǔ)條件,考察了投料量對產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)能的影響,結(jié)果投料量為800 kg/min 時的合格產(chǎn)品產(chǎn)能最高,見表3。

(2)原料含水量對成粒率的影響

恒定進料量為800 kg/min、滾筒轉(zhuǎn)速為10.5 r/min、造粒軸反向轉(zhuǎn)速13.6 r/min,以10 t為一投料配比單元,進行原料含水量調(diào)配,試驗結(jié)果見表4。

表4 原料含水量對成粒率的影響

由表4 可知:原料中水的平均質(zhì)量分數(shù)為35.2%時,3 ～5 mm(標(biāo)準(zhǔn)粒徑) 的顆粒占比為86.90%,綜合返料率為13.10%;當(dāng)原料中水的平均質(zhì)量分數(shù)降至30.4%時,標(biāo)準(zhǔn)粒徑顆粒占比為71.66%,綜合返料率為28.34%;當(dāng)原料中水的平均質(zhì)量分數(shù)降至25.2%或升至40.1%時,標(biāo)準(zhǔn)粒徑顆粒占比分別為44.78%和58.07%,綜合返料率達40%以上,生產(chǎn)效率明顯降低。

由表4 還可以發(fā)現(xiàn):當(dāng)原料中水的質(zhì)量分數(shù)為30%～35%時,顆粒濕強度為7.0 ～7.5 N/m2,烘干強度為10.7～11.5 N/m2;當(dāng)原料中水的質(zhì)量分數(shù)為25% 左右時, 顆粒烘干強度雖可達到10.7 N/m2,但標(biāo)準(zhǔn)粒徑顆粒占比僅為44.78%,生產(chǎn)效率較低;當(dāng)原料中水的質(zhì)量分數(shù)為40%左右時,標(biāo)準(zhǔn)粒徑顆粒占比雖達到58.07%,但顆粒烘干強度較低(8.8 N/m2),且內(nèi)部含水量相對較高,包裝儲存一段時間后,會出現(xiàn)部分粉化現(xiàn)象。試驗結(jié)果表明,制得高強度顆粒有機肥的原料中水的質(zhì)量分數(shù)應(yīng)控制在30%～35%,根據(jù)此數(shù)據(jù)開發(fā)了“一種有機肥生產(chǎn)線在線水分添加智能控制集成裝置”,并獲得了我國實用新型專利授權(quán)[2]以及南非發(fā)明專利授權(quán)。

2.3.2 造粒機轉(zhuǎn)速與內(nèi)部構(gòu)成對產(chǎn)品性能的影響

(1)主軸轉(zhuǎn)速對成粒率、顆粒強度的影響

由表5 可知,在恒定滾筒轉(zhuǎn)速的條件下,主軸轉(zhuǎn)速越高,顆粒粒徑越小,反之顆粒粒徑越大。 當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速為15.0 r/min 時,粒徑小于3 mm 的小顆粒占比為21.2%,粒徑大于5 mm 的大顆粒占比為10.1%,綜合返料率為31.3%,顆粒烘干強度達到最高為17.3 N/m2;當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速調(diào)整為9.5 r/min 時,粒徑小于3 mm 的小顆粒占比為8.6%,粒徑大于5 mm 的大顆粒占比為19.1%,綜合返料率為27.7%,顆粒烘干強度最低為11.6 N/m2;主軸轉(zhuǎn)速為13.6 r/min 時,粒徑小于3 mm 的小顆粒占比為12.9%,粒徑大于5 mm 的大顆粒占比為12.8%, 綜合返料率最小為25.7%,同時顆粒烘干強度為15.8 N/m2,完全符合機械化施肥的要求。

表5 主軸轉(zhuǎn)速對成粒率、顆粒強度的影響

(2)造粒耙齒排列方式、原料含水量對成粒率、顆粒強度的影響

通常情況下,造粒耙齒的排列為螺旋等距,但造粒耙齒與外滾筒的間距是不同的,間距的大小直接影響物料在滾筒內(nèi)的流速、成粒時間以及顆粒強度。 在造粒耙齒與外滾筒的間距相同的條件下,原料含水量決定成粒率、顆粒強度及烘干能耗。

為達到項目產(chǎn)能指標(biāo),在設(shè)計高強度有機肥造粒機外滾筒與內(nèi)旋轉(zhuǎn)造粒耙齒軸間距時,參照相關(guān)設(shè)備間距與單位產(chǎn)能規(guī)模指標(biāo),設(shè)計了60、55、50 cm 等3 種耙齒與滾筒間距模式,并開展了比對試驗,其中滾筒轉(zhuǎn)速為10.5 r/min(22 kW)、造粒軸反向轉(zhuǎn)速為13.6 r/min(55 kW)時的結(jié)果見表6。

表6 造粒耙齒排列方式、原料水分含量對成粒率、顆粒強度的影響

由表6 可見:螺旋距×齒距×齒高規(guī)格為30 cm×10 cm×40 cm 的標(biāo)準(zhǔn)粒徑顆粒占比平均為76.86%,規(guī)格為30 cm×15 cm×45 cm 的標(biāo)準(zhǔn)粒徑顆粒占比平均為78.63%,規(guī)格為30 cm×20 cm×50 cm 的標(biāo)準(zhǔn)粒徑顆粒占比平均為79.20%,標(biāo)準(zhǔn)粒徑顆粒占比最大相差2.34%,這表明造粒耙齒齒距對產(chǎn)能影響不大,主要影響因素為耙齒與滾筒間距、原料水分含量等。

造粒耙齒與滾筒間距較大時,物料在滾筒內(nèi)的滯留時間(指原料從投料口進入到出料口排出的時間)相對較短,平均為6.8 min,成粒率較低,標(biāo)準(zhǔn)粒徑顆粒占比為76.86%;耙齒與滾筒間距較小時,物料在滾筒內(nèi)的滯留時間相對較長,平均為8.0 min,成粒率較高,標(biāo)準(zhǔn)粒徑顆粒占比為79.20%。 原料含水質(zhì)量分數(shù)約為35%時,標(biāo)準(zhǔn)粒徑顆粒占比最高,達86.21%～93.94%;當(dāng)原料中水質(zhì)量分數(shù)調(diào)減至25%時,成粒率最低,標(biāo)準(zhǔn)粒徑顆粒占比僅為60.25%～70.59%。 從顆粒強度檢測結(jié)果看,耙齒的排列方式對有機肥顆粒強度的影響不大。

2.3.3 造粒滾筒傾角對產(chǎn)品性能的影響

試驗結(jié)果(見表7)顯示,在相對穩(wěn)定的原料含水量、進料量條件下,物料在滾筒內(nèi)造粒的滯留時間與滾筒的傾角有關(guān)。 傾角為6°～8°時,滯留時間最短為6.3 min;傾角為0°～2°時,滯留時間最長為8.6 min。 傾角為4°～6°時,產(chǎn)能最高為39.07 t/h;傾角為6°～8°時,產(chǎn)能最低為35.28 t/h。綜合各項指標(biāo),傾角為2°～6°較理想。

表7 造粒滾筒傾角對產(chǎn)品性能的影響

2.4 高強度顆粒有機肥生產(chǎn)線關(guān)鍵技術(shù)集成

分析表3～7 的結(jié)果,得出高強度顆粒有機肥成型裝備的基本工作原理:原料通過進料口進入設(shè)備后,在高速旋轉(zhuǎn)機械攪拌力和氣動力的作用下混合、造粒、球化、致密,達到成粒的目的,形成的顆粒在造粒機的另一端被推出。 調(diào)節(jié)進料量和主軸的轉(zhuǎn)速,可以控制產(chǎn)品顆粒的直徑。 原料混合量越少,主軸轉(zhuǎn)速越高,肥料粒徑越小。

為實現(xiàn)高強度顆粒有機肥生產(chǎn)線全面自動化,在完成項目設(shè)定的產(chǎn)能目標(biāo)、生產(chǎn)需求和功能要求以及新型高強度顆粒有機肥造粒機研發(fā)的基礎(chǔ)上,開發(fā)集成了全自動配料系統(tǒng)、水分控制系統(tǒng)、造粒系統(tǒng)和烘干系統(tǒng)等,通過數(shù)字化生產(chǎn)線控制系統(tǒng)生產(chǎn),解決了擠壓造粒、圓盤造粒、滾筒造粒等方法存在的產(chǎn)量低、顆粒強度差的問題,并有效降低了單位產(chǎn)品成本。

2.4.1 集成了全自動配料系統(tǒng)

全自動配料系統(tǒng)以實用新型專利“一種多元素螯合肥生產(chǎn)線全智能精準(zhǔn)配料集成裝置”[3]為核心,改造集成了高強度顆粒有機肥生產(chǎn)線全智能精準(zhǔn)配料裝置,形成了完整的自動給料、精準(zhǔn)投料、配料、混合等操作,較傳統(tǒng)的配料方式提高了工作效率,且設(shè)備能耗低、精準(zhǔn)度高。 采用全自動配料系統(tǒng)后,單班操作人員減少2 人,能耗降低15%,配料精準(zhǔn)度由75%提高至96%以上,保障了生產(chǎn)的可靠性并降低了生產(chǎn)成本。

2.4.2 集成了造粒水分控制系統(tǒng)

造粒水分控制系統(tǒng)以實用新型專利“一種有機肥生產(chǎn)線在線水分添加智能控制集成裝置”[2]為核心,重點解決了顆粒有機肥生產(chǎn)中存在的成品率低、產(chǎn)品性能不穩(wěn)定等問題。 造粒水分控制系統(tǒng)投用后,依據(jù)物料濕度,自動調(diào)節(jié)給水量并實施霧化給水,不僅減少了給水量,而且保證了物料含水量均勻。 實踐表明,節(jié)水量為5%～7%,有機肥產(chǎn)品節(jié)約燃氣1.5 ～2.0 m3/t、人工成本3 ～5 元/t,可降低生產(chǎn)成本23～33 元/t。

2.4.3 開發(fā)了新型有機肥造粒設(shè)備并完善烘干系統(tǒng)

“一種組合有機肥造粒設(shè)備”于2019 年獲實用新型專利授權(quán)[4]。 同時針對部分生物菌劑不耐60 ℃以上高溫的情況,改造了烘干系統(tǒng),將頭部熱風(fēng)機烘干改為尾部負壓烘干方式,不僅節(jié)省了能源,提高了能源的利用率,而且提高了顆粒有機肥強度與機械化程度。

3 結(jié)語

隨著土壤板結(jié)問題的日益嚴重,農(nóng)業(yè)生產(chǎn)不僅需要化肥,而且更需要投入一定量的有機肥,但傳統(tǒng)的粉狀有機肥無法滿足機械化作業(yè)的要求。研發(fā)的高強度顆粒有機肥造粒設(shè)備圓滿解決了上述問題,生產(chǎn)的顆粒有機肥與常規(guī)復(fù)合肥粒徑、強度相當(dāng),施用非常便捷,可與復(fù)合肥混用,也可以單獨施用。

應(yīng)用實踐表明,高強度顆粒生物有機肥應(yīng)用在馬鈴薯生產(chǎn)上,平均增產(chǎn)389.7 kg/畝(1 畝=667 m2),單價1.6 元/kg,增收623.52 元/畝;應(yīng)用在小麥生產(chǎn)上,平均增產(chǎn)47.2 kg/畝,單價2.9 元/kg,增收136.88 元/畝;應(yīng)用在玉米生產(chǎn)上,平均增產(chǎn)49.5 kg/畝,單價2.6 元/kg,增收128.70 元/畝;應(yīng)用在白菜生產(chǎn)上,平均增產(chǎn)414.8 kg/畝,單價0.9 元/kg,增收373.32 元/畝。