一種秸稈煤擠壓成型裝置的設計

韓海敏

（河南應用技術職業學院，河南 鄭州 450042）

0 引言

我國是農業大國，農作物秸稈資源量大，秸稈作為一種非常寶貴的可再生生物質資源，目前其利用程度受到能源結構變化、勞動力缺乏等問題的影響，每年都會有大量秸稈被隨意丟棄或焚燒，不僅難以充分發揮自身價值，而且還造成資源浪費，影響鄉村風貌，嚴重污染大氣，存在火災及交通安全隱患[1-3]。2017年9月中共中央辦公廳國務院辦公廳印發了《關于創新體制機制推進農業綠色發展的意見》，正式提出了“農業綠色發展”的概念。農業綠色發展的根本要求是通過綠色、循環、集約的發展模式，更加注重生態保育，不斷改善生態環境[4]。而如何實現農作物秸稈的循環再利用，將“一根秸稈”做到“變廢為寶”，成為了農業發展的重要課題。

1 秸稈綜合利用現狀簡述

近年來，圍繞農業綠色發展的總體要求，秸稈綜合利用主要以“五料化”為主，即肥料化、原料化、基料化、燃料化、飼料化[5]，其中，以東北地區為例，秸稈利用主要體現在肥料化、飼料化和燃料化方面，綜合利用率連年上升，形成了“農用優先、多元利用”的秸稈再利用發展新格局[1]。秸稈燃料化利用包括直接燃用和新型能源化利用。目前，國內秸稈資源新型能源化利用形式主要集中為固化、炭化、氣化、液化和發電[6]，這些利用途徑不僅可以減少污染，促進能源結構優化，而且具有相對成熟的產業模式，可以給生態、社會和經濟帶來一系列的效益。

秸稈固化主要是指秸稈固化成型技術，將農作物秸稈或粉碎的廢棄生物質壓制成一種可直接燃燒的固體燃料[7]（即秸稈煤）。壓縮成型后的秸稈煤在密度、燃燒性等方面都比生物質原料有了很大的提升[8]，便于儲存和運輸，其熱值可達3200~4500大卡，通過計算2t秸稈熱能值可代替1t標準煤，秸稈具有易燃、灰分少、成本低等特點，可替代木柴、原煤等燃料，廣泛用于取暖、生活爐灶、鍋爐、生物質發電等。秸稈煤成型工藝流程，如圖1。

圖1 秸稈固化成型燃料工藝流程

秸稈煤的生產主要有兩種方式，一種是加熱擠壓，利用高溫使秸稈質變，進而實現擠壓成型[9]，這種方式對秸稈原料的干燥程度要求較高，并且需要電加熱，成本高；另一種是使用粘合劑與秸稈原料混合后擠壓成型。但目前混合粘合劑擠壓成型裝置的擠壓力不易調節，使得秸稈煤的成型緊實度不理想，容易造成斷裂破損，影響后續使用，同時不便于對成型模進行維修養護，影響成型模的使用壽命。基于此，提出了一種秸稈煤擠壓成型裝置。

2 總體設計方案及工作原理

2.1 設計要求

秸稈煤擠壓成型裝置的設計參數要求如下。

總體尺寸（長×寬×高，mm） ≤2 000×600×1 500

整機重量（kg） ≤1 500

產量（t/h） ≥1

原料長度（mm）2~50

原料含水率（%）5~30

成品密度（g/cm3） ≈1.2

成品熱值（大卡） ≈4 000

2.2 秸稈煤擠壓成型裝置的總體結構設計

秸稈煤擠壓成型裝置整體結構如圖2。該裝置主要由機架、動力組件、移動組件和調位組件組成。

圖2 秸稈煤擠壓成型裝置三維模型

2.3 秸稈煤擠壓成型裝置的組成部件

（1）機架。機架表面設置有輸送筒，輸送筒一端密封另一端開口，輸送筒內部安裝有輸送軸，輸送軸端部安裝有注液管，注液管與供液裝置連接，給輸送軸內部注入粘合劑。螺旋葉片和攪拌葉片固定在輸送軸的上面，輸送軸的材料一般為A4鋼管或圓鋼，直徑30～35 mm，長2～4 m。輸送軸外壁貫穿設置有出液孔，出液孔與攪拌葉片交錯分布（圖3）。

圖3 秸稈煤擠壓成型裝置內部結構示意

（2）動力組件。包括動力電機和從動鏈輪，如圖2從動鏈輪連接在輸送軸外側，動力電機連接在機架表面，動力電機的輸出端連接有主動鏈輪。動力電機工作時通過鏈傳動驅動輸送軸旋轉。

（3）移動組件。包括固定架和移動板，移動板共有兩塊且對稱連接在成型模兩側，兩個固定架以輸送筒的軸線為基準對稱分布，兩個固定架內部分別設置有移動絲杠和導向桿，一塊移動板與導向桿滑動配合，另一塊移動板與移動絲杠螺紋連接，移動絲杠的端部連接有手輪，如圖4。工作時，通過手輪帶動移動絲杠，通過導向桿進行限位導向，利用螺紋傳動使移動板在移動絲杠外側移動，從而實現成型模與輸送筒的配合和脫離，便于對成型模進行維修養護，有助于延長成型模的使用壽命。

圖4 移動組件結構示意

為了便于秸稈原料進入成型孔內部，成型孔的進料端設計為錐孔結構。為了提高輸送軸的穩固性，成型模靠近輸送軸處有加強柱，當成型模進入輸送筒內部時，加強柱插入輸送軸內部，有利于保證螺旋葉片對秸稈原料施加壓力的穩定性和均勻性，提高秸稈煤成型效果。

（4）調位組件。調位組件包括安裝板，安裝板連接在機架外側，靠近輸送筒的開口端表面設置有滑動槽，底面連接有安裝架，安裝架內部設有調位絲杠，調位絲杠外側通過螺紋連接有移動桿，移動桿上端穿出滑動槽且與固定板相連接，移動絲杠的上端安裝有旋轉盤（圖5）。工作時，通過旋轉盤帶動調位絲杠，通過滑動槽對移動桿進行限位導向，利用螺紋傳動使移動桿在調位絲杠外側移動，從而帶動固定板靠近或者遠離輸送筒。

（5）滑動桿靠近輸送筒的端部與承載板相連接，遠離輸送筒的端部連接有限位板，滑動桿位于承載板和固定板之間的外側套裝有撐頂彈簧。利用撐頂彈簧的彈力推動承載板，使施壓柱進入成型孔內部，從而對秸稈原料進行擠壓，能夠提高秸稈煤緊實度，防止秸稈煤斷裂破損，便于運輸存放。

圖5 調位組件結構示意

2.4 秸稈煤擠壓成型裝置的工作過程

工作時，移動組件帶動成型模進入輸送筒內部，同時調位組件使固定板向輸送筒移動，使施壓柱伸入成型孔內部，秸稈煤擠壓成型時注料斗向輸送筒內部注入秸稈原料，動力組件帶動輸送軸旋轉，螺旋葉片隨之平穩地將秸稈原料向成型模推送，通過注液管和供液裝置向輸送軸內部注入粘合劑，粘合劑經出液孔進入輸送筒內部，攪拌葉片隨著輸送軸旋轉對秸稈原料進行攪拌，使秸稈原料和粘合劑混合，在螺旋葉片的推動下，混合粘合劑的秸稈原料進入成型孔內部擠壓成型。成型的秸稈煤與施壓柱接觸，克服彈性伸縮桿的彈力推動施壓柱脫離成型孔，秸稈煤逐漸從成型孔內部擠出，切斷電缸帶動切刀下降并將秸稈煤切斷，切斷的秸稈煤掉落，施壓柱在彈性伸縮桿的彈力驅動下向成型孔移動，再次對成型孔內部的秸稈煤進行擠壓，重復上述過程，實現秸稈煤的連續成型。

3 結論

針對秸稈煤在固化成型過程中存在的問題，在滿足安全可靠、輕量化設計的原則下，提出了一種秸稈煤擠壓成型裝置。通過調位組件能夠實現對秸稈煤施壓力大小的調節，滿足不同濕度的原料擠壓成型的需求，為后期進一步的試驗研究提供一定的參考。