CN106171060A - 一种基于秸秆燃烧自驱式旋耕系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于秸秆燃烧自驱式旋耕系统，属于农业、能源动力机械领域。本发明属于系统层面方案，提供了一种利用秸秆燃烧发电驱动旋耕机的有效方式。通过运用先进燃烧技术组织农作物秸秆及根茬的燃烧，过滤烟气，释放热能，加热某种工质产生蒸汽，驱动透平机或螺杆膨胀机做功，带动发电机发电，为系统内各种动力机械的运转提供电力，并对燃烧产物进行集中除尘及埋灰处理。本系统将我国丰富的秸秆资源变废为宝，不仅实现了农作物秸秆及根茬的有效处理，有效解决露天燃烧秸秆带来的诸多环境污染问题，而且实现了旋耕机和系统内其它用电设备电力资源的自给自足。此外，本系统还可以作为偏远地区的分布式移动供电系统。

Description

一种基于秸秆燃烧自驱式旋耕系统

技术领域

本发明属于农业动力机械领域，具体涉及到一种利用秸秆燃烧发电驱动旋耕机的系统。

背景技术

农作物秸秆是自然界中数量极大的可再生资源，中国是个农业大国，我国的秸秆资源非常丰富，据统计，我国每年农作物秸秆产量达7亿吨之多。作为农业生产的副产品，秸秆具有产量大、分布广、供应稳定的特点，是重要的农业资源。现有秸秆约有1.45亿吨用作畜牧饲料，0.91亿吨用作还田肥料，0.14亿吨用作工业原料，1.8亿吨作为农民传统的生活燃料，剩余的秸秆几乎全部被焚烧，极大地浪费了生物质资源，同时又造成了严重的环境污染。近年来，随着石油、煤炭储量的下降，特别是随着各国对环境污染问题的日益关注和重视，人们逐渐将研发重点转移到天然高分子应用上来，农作物秸秆便是其中的一种。将秸秆进行综合利用是指通过物理、化学或生物方法，将秸秆直接进行转化利用或将其生物量进行综合全利用。秸秆转化利用将有效解决秸秆露天焚烧问题，变废为宝。当前农作物秸秆利用仍然以直接还田和加工粗饲料等传统的处理方式为主。科技工作者在秸秆综合利用方面进行了大量的研究，主要是秸秆肥料技术、秸秆饲料技术、秸秆基料技术、秸秆原料技术、秸秆燃烧技术及其各种应用研究，但是实际投入到实际生产、生活中的比例还比较低，对综合利用系统的能量多级利用的研究较少。就传统秸秆利用技术而言，秸秆传统利用技术存在利用率低、转化率低、经济效益低的问题，能量利用不充分，这使得新技术转化力度不够，不能有效转化为现实生产力。

秸秆发电技术主要有秸秆焚烧发电、秸秆气化发电、秸秆混燃发电和沼气发电，其中以秸秆焚烧发电应用最为广泛。目前常用的秸秆焚烧发电方式为秸秆在锅炉中燃烧，加热工质产生蒸汽，驱动蒸汽轮机发电。这种方式的特点是技术成熟，比较适合于原料容易收集的地区，装机容量比较大(>25MW)，但是也存在诸多问题。例如投资成本高(单位投资7519.77元/kW，30MW总投资约22559.3万元)、发电成本偏高、生物质秸秆燃料收购困难和运输成本高等问题。常通过热电联产来降低发电成本，但是由于生物质秸秆资源都是分布在离城市较远的农村等地区，导致将发电时产生的热水输送到人口密集的城市所需的运输或管道铺设费用偏高，因此导致无法通过热电联产来降低发电成本。另外一个问题是秸秆等生物质原料密度低，且具有季节性，因此在发电时需要大面积的原料堆积场地，如果原料比较潮湿，还会造成原料发霉，导致无法使用。

综上，将秸秆资源进行有效利用，不仅可以解决秸秆浪费和由于秸秆露天焚烧引起的环境污染问题，实现节能减排，以满足农业可持续发展的要求，还可以带动相关产业发展。

发明内容

本发明提供了一种小型一体化、基于秸秆燃烧发电的自驱式旋耕系统，是一种生物质固体燃料热电转换系统，并通过埋灰装置使秸秆燃烧产生的灰烬和高温烟气除尘过程产生的烟尘颗粒重新进入生物链以进行再循环，就地发电就地使用，同时带来附加效益，解决了现有秸秆燃烧发电设备投资高、用户使用麻烦、秸秆燃料收购困难和运输成本高以及需要大面积原材料堆积场地等问题，从而减少秸秆露天焚烧的现象，保护生态环境，促进农业的可持续发展。

本发明所述的一种基于秸秆燃烧自驱式旋耕系统，包括物料(烘干)燃烧子系统(其中烘干设备选配)、微型蒸汽循环发电子系统、燃烧烟尘净化子系统、旋耕子系统、蓄电及电力 调度子系统。整个系统的电力资源自产自用，各个子系统组成一个秸秆燃烧处理和耕地作业的移动平台。

为了实现上述目的，本发明提供以下技术方案：

1.农用联合收割机对成熟的谷物进行收割(联合收割机不属于本发明专利的内容范畴)。

2.物料烘干设备为选配内容，本发明的处理对象为收割后秸秆及根茬，是否要求经过自然风干均可。实际应用时，一种方案为将秸秆直接在燃烧炉中燃烧，不进行烘干；另一种方案为配置高效紧凑的烘干器，主要目的是将系统中的余热进行二次利用。烘干器所用的高温气体来自冷凝器后的热空气和燃烧炉中产生的高温烟气，降低秸秆含水率的同时将秸秆吹向燃烧炉。从烘干器中出来的气体经燃烧烟尘净化子系统除尘后排入大气。

3.将达到燃烧要求的秸秆直接在燃烧炉中燃烧以加热热机中的工质，燃烧消耗的空气来自微型蒸汽发电子系统中的冷凝后热空气，且该空气较热能促进燃烧。

4.微型蒸汽循环发电子系统的工作分为两种技术方案，方案一为两级发电系统：先微型蒸汽轮机、后螺杆膨胀机的组合发电子系统。燃烧炉将微型蒸汽循环发电子系统中的工作工质加热到过热蒸汽状态，驱动涡轮做功从而带动发电机组发电。膨胀后的蒸汽为过热或气液两相状态，有一定的压力未被完全利用，进一步流经螺杆膨胀机进行余热利用，且螺杆膨胀机可作为全流膨胀机使用；方案二为一级发电系统：热机设备仅采用微型蒸汽轮机或者螺杆膨胀机。燃烧炉将微型蒸汽循环发电子系统中的工作工质加热变成汽态，驱动微型蒸汽轮机或者螺杆膨胀机做功从而带动发电机组发电。而微型蒸汽发电子系统中需要冷却空气带走其自身的排热，该部分冷却空气的气流量很大，起到冷却作用后温度升高，将这部分高温空气通向燃烧炉作为助燃气。同时，若配置烘干器，则这部分高温气体可流经烘干器对物料进行烘干；若没有配置烘干器，多余的冷凝后空气可直接排向大气。

5.微型蒸汽循环发电子系统产生的电能，通过蓄电及电力调度子系统向旋耕机和整个系统内的其它用电设备分配电能，蓄电及电力调度子系统由蓄电设备和电力调度器两部分组成。当微型蒸汽发电子系统发出的电能过剩时，电力调度器将过剩的电能分配至蓄电设备，以备后续使用；当旋耕机耗能增加时，电力调度器通过调用蓄电设备中储存的电能以弥补微型蒸汽循环发电子系统输出电能的不足，从而维持所有用电设备的正常运行。

6.物料燃烧产生的烟气经过燃烧烟尘净化子系统除尘后排向大气，经过除尘产生的烟尘颗粒和燃烧炉产生的灰烬一并随旋耕机工作的同时被埋入土壤。

7.整个秸秆热电转换系统启动时，由蓄电设备释放电能来驱动物料(烘干)燃烧子系统工作，将收割后的秸秆及根茬送去燃烧，待微型蒸汽循环发电子系统进入稳定工作状态时，设备的启动正式完成，其余用电设备也均由蓄电设备释放电能来驱动。

上述基于秸秆燃烧自驱式旋耕系统可以科学高效地利用农作物秸秆及根茬，保护生态环境，提高秸秆资源的利用率，实现农作物秸秆的变废为宝。

下面结合附图，对本发明专利中的基于秸秆燃烧自驱式旋耕系统进行详细说明。

附图说明

图1为本发明专利中的一种基于秸秆燃烧自驱式旋耕系统的系统框图(方案一)，微型蒸汽发电子系统为两级发电系统：先微型蒸汽轮机、后螺杆膨胀机的组合发电子系统。

如图1所示，该系统由物料(烘干)燃烧子系统(其中烘干设备选配)、微型蒸汽循环发电子系统、旋耕子系统、蓄电及电力调度子系统、燃烧烟尘净化子系统构成。物料(烘干)燃烧子系统包括烘干器和燃烧炉(烘干设备选配)；微型蒸汽循环发电子系统吸收燃烧炉燃烧物料释放的热能以驱动膨胀机做功并输出电能；旋耕子系统由旋耕机和埋灰装置组成，实现土壤翻耕和埋灰作业。燃烧炉的灰烬和除尘器净化过程中产生的烟尘颗粒会被收集送入旋耕子系统，伴随着旋耕作业的同时由埋灰装置埋入土壤；蓄电及电力调度子系统由电力调度器和蓄电设备组成，其主要作用是接收微型蒸汽轮机和螺杆膨胀机发电子系统产生的电能，同时结合内部蓄电设备智能调控电能的释放与存储；燃烧烟尘净化子系统将燃烧炉产生的烟气 除尘后排向大气。

图2和图3为本发明专利中的一种基于秸秆燃烧自驱式旋耕系统的系统框图(方案二)，微型蒸汽发电子系统为一级发电系统：热机设备仅采用微型蒸汽轮机(图2)或者螺杆膨胀机(图3)。该系统由物料(烘干)燃烧子系统(烘干设备选配)、微型蒸汽循环发电子系统、燃烧烟尘净化子系统、旋耕子系统、蓄电及电力调度子系统构成。该系统的构成基本如图1所示的方案一利用方式，只是在微型蒸汽循环发电子系统中，热机设备仅采用微型蒸汽轮机(图2)或者螺杆膨胀机(图3)。

具体实施方式

下面结合实施例对基于秸秆燃烧自驱式旋耕系统作进一步地详细说明。

实施例1：

如图1所示，本发明是一种利用秸秆燃烧产生的热能进行发电以驱动旋耕机的热电转换系统，该系统由物料(烘干)燃烧子系统(其中烘干设备选配)、微型蒸汽循环发电子系统、燃烧烟尘净化子系统、旋耕子系统、蓄电及电力调度子系统构成。配置烘干设备时，收割后的秸秆及根茬经过烘干器以降低含水率并被吹向燃烧炉，在燃烧炉中燃烧以加热工质产生蒸汽；若没有配置烘干设备时，将收割后秸秆及根茬直接在燃烧炉中燃烧。燃烧所消耗的空气来自微型蒸汽循环发电子系统中的冷凝后空气。该实施例为两级发电系统：先微型蒸汽轮机、后螺杆膨胀机的组合发电子系统。燃烧炉将微型蒸汽循环发电子系统中的工作工质加热变成过热蒸汽，驱动膨胀机做功从而带动发电机组发电。过热蒸汽流经涡轮膨胀为压力较低的过热蒸汽或者气液两相流体，仍具有一定的压力和温度未被完全利用。而由于螺杆膨胀动力机螺杆齿面能耐磨损及液体颗粒冲击且齿面间留有间隙，因而螺杆膨胀机可作为全流膨胀机使用。涡轮后的蒸汽或气液两相流进一步流经螺杆膨胀机进行余热利用，产生电能输送至蓄电及电力调度子系统。蓄电及电力调度子系统由电力调度器和蓄电设备组成，其主要作用是接收微型蒸汽轮机发电子系统和螺杆膨胀发电子系统产生的电能，同时结合内部蓄电设备智能调控电能的释放与存储。旋耕子系统包括旋耕机和埋灰装置，由蓄电及电力调度子系统分配电能驱动，燃烧炉的排灰和除尘器净化产生的烟尘颗粒会被收集送入旋耕子系统，伴随着旋耕作业的同时由埋灰装置埋入土壤。

实施例2:

本实施例在实施例1的基础上进行简化，在微型蒸汽循环发电子系统中采用一级发电系统：热机设备仅采用微型蒸汽轮机(图2)或者螺杆膨胀机(图3)。螺杆膨胀机要求入口的蒸汽压力≥0.3MPa、温度≤300℃，0.2MPa≤进出压差≤1.0MPa，是一种利用饱和蒸汽差压发电的机械。在微型蒸汽循环发电子系统中，燃烧炉加热产生的蒸汽仅流经微型蒸汽轮机或者螺杆膨胀机，输出轴功带动发电机组，将机械能转变为电能，且螺杆膨胀机出口压力略微高于大气压力，有效地保证了整个系统的密封性。

以上所述，仅是本发明优选的实施方式，并非对本发明做任何形式上的限制，在不背离本发明实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变形均属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种基于秸秆燃烧自驱式旋耕系统，其特征在于：系统包括物料(烘干)燃烧子系统(其中烘干设备选配)、微型蒸汽循环发电子系统、燃烧烟尘净化子系统、旋耕子系统、蓄电及电力调度子系统；系统通过燃烧秸秆及根茬为微型蒸汽循环发电子系统提供热能，产生的电能由蓄电及电力调度子系统输送至旋耕子系统和系统内其他用电设备，整个系统由电能来驱动实现秸秆燃烧处理、旋耕作业以及埋灰作业。

2.依据权利要求1所述的一种基于秸秆燃烧自驱式旋耕系统，其特征在于：秸秆及根茬由物料(烘干)燃烧子系统进行燃烧，释放热能给微型蒸汽循环发电子系统。

3.依据权利要求1所述的一种基于秸秆燃烧自驱式旋耕系统，其特征在于：微型蒸汽循环发电子系统中的热机设备可以采用先微型蒸汽轮机、后螺杆膨胀机的组合发电系统，也可以只采用微型蒸汽轮机或者螺杆膨胀机。

4.依据权利要求1所述的一种基于秸秆燃烧自驱式旋耕系统，其特征在于：系统内的电力资源自产自用，微型蒸汽循环发电子系统产生的电能由蓄电及电力调度子系统接收并智能调度，在满足系统自身耗电需求的同时，多余的电能存入蓄电设备，保障任何工况下的供电平稳。

5.依据权利要求1所述的一种基于秸秆燃烧自驱式旋耕系统，其特征在于：整个系统的移动作业包括旋耕子系统的旋耕作业，由电力驱动。

6.依据权利要求1所述的一种基于秸秆燃烧自驱式旋耕系统，其特征在于：系统内的所有装置一起构成整体式移动作业平台。

7.依据权利要求2所述的一种基于秸秆燃烧自驱式旋耕系统，其特征在于：物料(烘干)燃烧子系统配置烘干设备时，该烘干设备所用的高温气体来自微型蒸汽循环发电子系统的冷凝空气和本子系统中燃烧时产生的高温烟气。

8.依据权利要求3所述的一种基于秸秆燃烧自驱式旋耕系统，其特征在于：微型蒸汽循环发电子系统中的工质可以是水或者是有机工质。

9.依据权利要求2、5、7所述的一种基于秸秆燃烧自驱式旋耕系统，其特征在于：物料(烘干)燃烧子系统燃烧秸秆及根茬产生的烟尘要经过除尘器过滤，除尘产生的烟尘颗粒和燃烧产生的灰烬会被收集并通过旋耕子系统内的埋灰装置在作业的同时埋入地里。