CN107267175B - 气体循环式农作物秸秆裂解机 - Google Patents

气体循环式农作物秸秆裂解机 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种气体循环式农作物秸秆裂解机，属于农业机械领域。裂解机包括4个主要功能系统：秸秆收集系统、驾驶室、气体分离循环系统、生物炭裂解撒播系统。驾驶室用于供驾驶员驾驶及控制机体行进和制动。秸秆收集系统用于将地表的秸秆收集并输送至裂解室和燃烧室中。气体分离循环系统用于对裂解室和燃烧室中产生的气体进行分离和循环利用。生物炭裂解撒播系统用于对秸秆进行裂解，并将裂解或燃烧完毕的生物炭返回农田中。本发明通过气体分离循环系统后，实现了可燃气与CO2分离，将可燃气导入燃烧室进行助燃，CO2经分离后通入裂解室，确保裂解缺氧环境。

Description

气体循环式农作物秸秆裂解机
技术领域
本发明属于农业机械领域，具体涉及一种气体循环式农作物秸秆裂解机。
背景技术
近年来，大气污染特别是雾霾的频发引起了人们的广泛关注。研究表明，工农业活动等人为活动是导致我国大气质量显著下降的首要原因，其中我国东部地区农业收获季节大量农作物残茬的大面积燃烧也是导致我国发生区域大范围重污染事件的重要原因之一。我国具有丰富的生物质废弃物，每年产生的各类农作物秸秆总量在7亿t左右，其中水稻、小麦、玉米等大宗农作物秸秆在5亿t左右。随着现代能源的引进，现代农村地区以生物质作为燃料的越来越少，由于生物质的利用技术匮乏，致使目前农村秸秆大量堆放燃烧，浪费能源的同时排放大量无组织废气，严重污染大气环境。因传统的生物质转化方式无法满足农村现代化需要，生物质的优质化转化利用势在必行。目前，生物质能的主要转换技术包括物理转换技术、化学转换技术、生物转换技术。其中物理转换技术即压缩成型技术，主要目的是实现减少运输费用、提高使用设备的有效容积燃烧强度、提高转换利用的热效率；化学转换技术主要包括传统化学转化和热化学转化，指生物质在缺氧高温的条件下分解、断裂或重整，产生的热解气主要由CO、H2、CH4以及少量CO2和N2，经过净化后可以得到可燃气；生物转换可分为水解、厌氧发酵、生物制氢等。
通过生物质热裂解技术产生的生物炭，由于其具有孔径多、比表面积大、吸附性能优良、化学性质稳定等诸多优良的特性，目前已受到国内外学者的广泛关注，近年来国内外也针对生物炭进行了广泛的研究。不管是在水污染修复、工业废气治理还是土壤污染修复方面，生物炭都具有很好的应用前景。其中，生物炭应用于土壤修复其优势主要体现在：(1)生物炭具有很好的化学稳定性，当其施入土壤后可保持长时间稳定，这有利于碳的固定，对全球温室效应的控制具有积极意义；(2)生物炭的施入可提高土壤肥力；(3)生物炭具有很大的比表面积，这使得生物炭吸附性能优良，可吸附土壤中的重金属污染物和部分有机污染物；(4)生物炭表面具有丰富的官能团，这些官能团可与土壤重金属发生络合反应，从而固定重金属，降低其生物有效性；(5)生物炭拥有大量微孔，可为土壤微生物提供良好的栖息环境，增大土壤微生物总量，促进土壤污染物的生物降解；鉴于生物炭具有如上所述的诸多优良特性，本专利公开了一种气体循环式农作物秸秆裂解机，旨在将目前农村过剩的农作物秸秆转化为可利用的生物炭，并返施入土壤中，起到改良土壤、减低碳排放，以及减少土壤污染的作用。
目前，国内也开发了一些生物炭制备装置，但大部分装置无法保障裂解缺氧环境，使得生物炭生产率不高，造成生物质能源的浪费。如：中国发明专利申请号201010514198.7，专利名称是用于还田的生物质炭制取及燃气余热回收利用装置；中国发明专利申请号201310339328.1，专利名称是可移动的秸秆就近炭化就近还田炭化炉及其制炭方法；中国发明专利申请号201110270564.3，专利名称利用水稻秸秆炭化还田改良水稻田土壤的方法；中国发明专利申请号201210135912.0，专利名称是一种稻麦收割与秸秆炭化还田一体化装置。这些生物炭制备与还田装置能够在一定程度上促进生物质的缺氧裂解和生物炭的生成，但无法保证裂解的缺氧环境，生物炭产率低下，在实际应用中会有所限制。
发明内容
本发明的目的在于提供一种气体循环式农作物秸秆裂解机，通过气体分离循环系统，实现裂解废气的综合利用，能通过返通入CO2排除裂解室内空气，确保裂解室的缺氧环境，提高生物炭产率，以解决上述背景技术中的缺点与不足。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
气体循环式农作物秸秆裂解机，包括秸秆收集系统、气体分离循环系统、生物炭裂解撒播系统和驾驶室；
所述的驾驶室用于驱动裂解机行进和制动；
所述的生物炭裂解撒播系统包括裂解室和燃烧室，由一个箱体通过导热性优良的分隔板分成位于上方的裂解室和位于下方的燃烧室，其中裂解室密闭，而燃烧室底部设置格栅作为进气口和物料撒播口；
所述的秸秆收集系统用于将地表的秸秆收集并输送至裂解室和/或燃烧室中；
所述的气体分离循环系统用于对裂解室和燃烧室中产生的气体进行分离和循环利用；其主体为一条首尾相连的循环管路，循环管路中注有非满管的热碱溶液并设有射流泵以推动热碱溶液沿管路顺时针流动；循环管路上沿顺时针方向依次设有废气导入口、可燃性气体出气口和CO2出气口，所述的循环管路一部分位于燃烧室中形成升温段，一部分位于冷却室中形成降温段；废气导入口通过抽气泵同时连接裂解室和燃烧室，可燃性气体出气口连接燃烧室，CO2出气口连接裂解室；其中废气导入口和CO2出气口之间较短的管路上设置有气体阻流板，气体阻流板设置于循环管路的顶空处，其下部边缘位于热碱溶液的液面以下，用于隔离气体阻流板两侧空气的直接流动。
本发明的富氧区即密封箱底部的燃烧室，通过少量秸秆燃烧提供裂解所需温度，燃烧室底部安装格栅，促进空气流通和燃烧所需氧气的供给。燃烧室中安装有点火装置，闭合钢板从而密封高温缺氧裂解室后可开启点火按钮。裂解并冷却完成后机体可继续行进，通过开关打开隔离钢板，通过燃烧室底部格栅将粒径符合要求的生物炭返施入田间，起到提升土壤肥力的作用。气体分离循环系统由连接的升温段、降温段组成，主要作用即分离燃烧及裂解废气中的CO2等酸性气体和可燃性气体，并将CO2循环导入裂解室，保证裂解缺氧环境；可燃性气体则循环导入燃烧室，辅助燃烧为裂解提供所需能量。
作为优选，所述的驾驶室底部设有发动机、制动系统和行进皮带轮，所述的发动机和制动系统分别用于驱动和制动所述的行进皮带轮。
作为优选，所述的可燃性气体出气口位于降温段过渡到升温段之前的管段上，所述的CO2出气口位于升温段过渡到降温段之前的管段上，所述的废气导入口位于升温段和降温段的过渡区域上。
作为优选，所述的秸秆收集系统由一排末端带有弯钩的转子构成，转子一侧设置有传送带，传送带的末端位于裂解室侧壁上部的进料口附近；所述的弯钩用于携带秸秆随转子转动，并将秸秆落至传送带上，进而通过传送带将秸秆输送至裂解室中。
作为优选，所述的转子靠近传送带一侧设有刮板，刮板上设有仅供转子通过的开槽，弯钩边缘为刀刃部，用于与所述的开槽配合切断秸秆。
作为优选，所述的分隔板由活动钢板和固定钢板组成，且两个钢板相对的边缘均具有刀锋，形成切割结构，用于将位于刀锋处的秸秆切断。
作为优选，所述的可燃性气体出气口连接燃烧室的明火位置。
作为优选，所述的燃烧室一侧设有进料设备，用于将被秸秆收集系统收集起来的秸秆转移至燃烧室中作为燃料。
作为优选，所述的裂解室和燃烧室的外壳中设有耐火材料制成的绝热保温隔层。
作为优选，所述的冷却室中填充有淹没循环管路的冷却液，并设有制冷设备进行制冷。
本发明对裂解气体中的可燃气进行了回收利用，提高了生物质能源利用率，减少了有害气体排放。通过气体分离循环系统后，可燃气与CO2分离，将可燃气导入燃烧室，使其充分燃烧，为裂解室内生物质裂解提供能量。燃烧室内产生的CO2，与裂解气体一起导入装有流动热碱的气体分离钢管，经分离后通入裂解室，确保裂解缺氧环境，部分排出并用碱液吸收。碱液吸收CO2后的副产物可作为工业生产原料。
附图说明
图1为气体循环式农作物秸秆裂解机的结构示意图；
图2为燃烧室和裂解室的结构示意图；
图3为气体分离循环系统结构示意图；
图4为循环管路7的开口分布示意图；
图5为气体阻流板16的结构示意图；
图6为秸秆收集的结构示意图；
图7位分隔板结构示意图；
图中：裂解室1、驾驶室2、秸秆收集器3、燃烧室4、行进皮带轮5、格栅6、循环管路7、分隔板8、冷却室9、制动系统10、升温段11、降温段12、CO2出气口13、可燃性气体出气口14、废气导入口15、气体阻流板16、射流泵17、活动钢板18、钢板闭合缝19、固定钢板20、刮板21、传送带22。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步阐述。
如图1所示，一种气体循环式农作物秸秆裂解机，包括4个主要功能系统：秸秆收集系统、驾驶室、气体分离循环系统、生物炭裂解撒播系统。
驾驶室2用于供驾驶员驾驶及控制机体行进和制动。秸秆收集系统用于将地表的秸秆收集并输送至裂解室1和燃烧室4中。气体分离循环系统用于对裂解室1和燃烧室4中产生的气体进行分离和循环利用。生物炭裂解撒播系统用于对秸秆进行裂解，并将裂解或燃烧完毕的生物炭返回农田中。
下面对各子系统的具体实现方式进行详细说明。
驾驶室2底部设有发动机、制动系统10和冷却室9，机体底部配置有支撑底座及不光滑的皮带轮5，机体移动作业时可一边向前行进，一边收集田间秸秆。发动机和制动系统10分别用于驱动和制动所述的行进皮带轮5。驾驶室设置于机体前方顶部，内设驾驶操作台、进料开关、点火开关、生物炭撒播控制开关等，方便驾驶员对秸秆收集与裂解全过程进行操作与控制。各开关集成于中央控制系统中，通过PLC等自控设备进行自动化控制。
如图2所示，生物炭裂解撒播系统包括裂解室1和燃烧室4，由一个箱体通过分隔板8分成位于上方的裂解室1和位于下方的燃烧室4。箱体外壳表面烤漆，外壳与工作室内壁之间填充硅酸铝纤维作为绝热保温隔层，可保证炉体与外界绝热，保障炉体内高温环境，及避免炉体外温度过高存在安全隐患。裂解室1应保持密闭环境，通过CO2的循环输入，排出室内空气，提供缺氧环境。如图7所示，分隔板8由活动钢板18和固定钢板20组成，且两个钢板相对的边缘均具有刀锋，形成切割结构，用于在钢板闭合缝19位置将位于刀锋处的秸秆切断，实现两室分离和裂解室相对密封。燃烧室4底部设置格栅6作为进气口和物料撒播口，保证燃烧室通风富氧的同时使小颗粒生物碳撒播入田间，未完全裂解的秸秆留在裂解室内，与后续收集的秸秆一起裂解后撒播。燃烧室4中设有点火装置，用于点燃秸秆。
秸秆收集系统中包括秸秆收集器3、传送带22。秸秆收集器3的传动轴上设置4个末端带有弯钩的转子构成，弯钩携秸秆随转子转动。如图6所示，传送带设置于转子下降的位置下方，传送带的末端位于裂解室1侧壁上部的进料口附近。转子靠近传送带一侧设有刮板21，刮板21上设有4条仅供转子通过的开槽，每条开槽位置与转子对应，宽度略大于转子的弯钩宽度。弯钩边缘为刀刃部。弯钩用于携带秸秆随转子转动，并将秸秆落至传送带22上，在转动过程中与开槽配合切断依然勾在弯钩上的秸秆，进而通过传送带22将秸秆输送至裂解室1中。在进料过程中，裂解室1侧壁上部的进料口敞开，通过人工或机械整理秸秆，使送入的秸秆能够填满燃烧室和裂解室。填充秸秆时，分隔板8上的活动钢板18和固定钢板20敞开，当填满后，通过电机推动活动钢板18与固定钢板20闭合，切断秸秆。
燃烧室4一侧设有进料设备，用于将被秸秆收集系统收集起来的秸秆转移至燃烧室4中作为燃料。进料设备可以采用推杆、抓斗等设备。
如图3和4所示，气体分离循环系统主体为一条首尾相连的循环管路7，循环管路7中注有非满管的热碱溶液并设有射流泵17以推动热碱溶液沿管路顺时针流动；循环管路7上沿顺时针方向依次设有废气导入口15、可燃性气体出气口14和CO2出气口13，循环管路7一部分位于燃烧室4中形成升温段11，一部分位于冷却室9中形成降温段12。冷却室9中填充有淹没循环管路7的冷却液，并设有制冷设备进行制冷。废气导入口15通过抽气泵同时连接裂解室1和燃烧室4，可燃性气体出气口14连接燃烧室4的明火位置。CO2出气口13连接裂解室1；其中废气导入口15和CO2出气口13之间较短的管路上设置有气体阻流板16，如图5所示，气体阻流板16设置于循环管路7的顶空处，其下部边缘位于热碱溶液的液面以下，用于隔离气体阻流板16两侧空气的直接流动。
气体分离循环系统的工作过程如下：
降温段置于冷却室内，当燃烧室和裂解室内废气在抽气泵的作用下导入后，其中所含的CO2溶于热碱溶液中，其余不可溶的可燃性气体保留，由可燃性气体出气口14导入燃烧室内，参与燃烧，为生物质裂解提供能量；升温段置于燃烧室内，当溶有CO2的热碱溶液通过升温段后，其中溶解的CO2释放出来。释放的CO2部分导出外部由碱液吸收，部分经CO2出气口13导入裂解室内以提高裂解室中CO2浓度并挤出氧气，确保裂解室内缺氧环境，促进生物质的缺氧裂解。废气导入口15和CO2出气口13之间安装有气体阻流板16，本实施例中，循环管路7由不锈钢材质的圆钢管制成，因此气体阻流板16呈半圆形，顶部贴合圆钢管内壁。气体阻流板16可以防止进入管内的废气直接通过管道内的顶空由出气口13排出而不参与循环，但管道中的热碱溶液依然可以通过气体阻流板16下方进行循环。吸收一定CO2后的碱液可进行更换，旧溶液可用于工业用途。
气体分离循环系统采用了热碱溶液对CO2的可逆性吸附原理，为了保证其对于CO2的分离效果，各进气口和出气口所处的位置需要特别加以设计。本实施例中，废气导入口15位于升温段11和降温段12的过渡区域上，该区域可以是升温段11的末端也可以是降温段12的前端，废气进入后可随着热碱溶液被冷却而逐渐吸收。可燃性气体出气口14位于降温段12过渡到升温段11之前的管段上，该管段中热碱溶液温度尚未被提升，CO2被最大程度吸收，因此剩余高浓度的可燃性气体可以直接参与燃烧。CO2出气口13位于升温段11过渡到降温段12之前的管段上，该管段中热碱溶液尚未被降温，热碱溶液中的CO2被最大程度释放，使热碱溶液具有较高的CO2吸附量。升温段11和降温段12的具体温度可以通过试验进行调整。
利用上述装置进行农作物秸秆裂解还田的方法如下：
首先，将气体循环式农作物秸秆裂解机开至铺有秸秆的农田中，打开裂解室1上的进料口，驱动行进皮带轮5转动，裂解机开始行进。此时，打开活动钢板18和固定钢板20，通过电机驱动秸秆收集器上的转子转动，转子上的弯勾将农田表明的秸秆卷起，并将秸秆落至传送带22上，在转动过程中与开槽配合切断依然勾在弯钩上的秸秆，进而通过传送带22将秸秆输送至裂解室1中并填满裂解室1和燃烧室4。填满后，驱动活动钢板18与固定钢板20闭合，切断钢板闭合缝19处的秸秆并密封裂解室1，同时关闭传送带22和裂解室的进料口，保持裂解室处于密闭缺氧状态。通过点火装置点燃燃烧室4中的秸秆，并在裂解机行进过程中，通过进料设备将被秸秆收集系统收集起来的秸秆转移至燃烧室4中作为燃料。
裂解时间设置为1小时(也可以根据具体情况进行调整)，在燃烧裂解过程中，通过抽气泵将裂解室1和燃烧室4中的气体不断抽入废气导入口15，经过吸收后将可燃性气从可燃性气体出气口14排出并送入燃烧室4的明火位置助燃，而CO2气体则通过CO2出气口13排入裂解室1以维持其中的缺氧环境；燃烧室4中的秸秆燃烧后产生的生物炭经格栅6施入沿程的田间。
以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，然其并非用以限制本发明。有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型。因此凡采取等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种气体循环式农作物秸秆裂解机，其特征在于，包括秸秆收集系统、气体分离循环系统、生物炭裂解撒播系统和驾驶室；
所述的驾驶室用于驱动裂解机行进和制动；
所述的生物炭裂解撒播系统包括裂解室(1)和燃烧室(4)，由一个箱体通过分隔板(8)分成位于上方的裂解室(1)和位于下方的燃烧室(4)，其中裂解室(1)密闭，而燃烧室(4)底部设置格栅(6)作为进气口和物料撒播口；
所述的秸秆收集系统用于将地表的秸秆收集并输送至裂解室(1)和/或燃烧室(4)中；
所述的气体分离循环系统用于对裂解室(1)和燃烧室(4)中产生的气体进行分离和循环利用；其主体为一条首尾相连的循环管路(7)，循环管路(7)中注有非满管的热碱溶液并设有射流泵(17)以推动热碱溶液沿管路顺时针流动；循环管路(7)上沿顺时针方向依次设有废气导入口(15)、可燃性气体出气口(14)和CO2出气口(13)，所述的循环管路(7)一部分位于燃烧室(4)中形成升温段(11)，一部分位于冷却室(9)中形成降温段(12)；废气导入口(15)通过抽气泵同时连接裂解室(1)和燃烧室(4)，可燃性气体出气口(14)连接燃烧室(4)，CO2出气口(13)连接裂解室(1)；其中废气导入口(15)和CO2出气口(13)之间较短的管路上设置有气体阻流板(16)，气体阻流板(16)设置于循环管路(7)的顶空处，其下部边缘位于热碱溶液的液面以下，用于隔离气体阻流板(16)两侧空气的直接流动。
2.如权利要求1所述的气体循环式农作物秸秆裂解机，其特征在于，所述的驾驶室底部设有发动机、制动系统(10)和行进皮带轮(5)，所述的发动机和制动系统(10)分别用于驱动和制动所述的行进皮带轮(5)。
3.如权利要求1所述的气体循环式农作物秸秆裂解机，其特征在于，所述的可燃性气体出气口(14)位于降温段(12)过渡到升温段(11)之前的管段上，所述的CO2出气口(13)位于升温段(11)过渡到降温段(12)之前的管段上，所述的废气导入口(15)位于升温段(11)和降温段(12)的过渡区域上。
4.如权利要求1所述的气体循环式农作物秸秆裂解机，其特征在于，所述的秸秆收集系统由一排末端带有弯钩的转子构成，转子一侧设置有传送带，传送带的末端位于裂解室(1)侧壁上部的进料口附近；所述的弯钩用于携带秸秆随转子转动，并将秸秆落至传送带上，进而通过传送带将秸秆输送至裂解室(1)中。
5.如权利要求4所述的气体循环式农作物秸秆裂解机，其特征在于，所述的转子靠近传送带一侧设有刮板，刮板上设有仅供转子通过的开槽，弯钩边缘为刀刃部，用于与所述的开槽配合切断秸秆。
6.如权利要求1所述的气体循环式农作物秸秆裂解机，其特征在于，所述的分隔板(8)由活动钢板(18)和固定钢板(20)组成，且两个钢板相对的边缘均具有刀锋，形成切割结构，用于将位于刀锋处的秸秆切断。
7.如权利要求1所述的气体循环式农作物秸秆裂解机，其特征在于，所述的可燃性气体出气口(14)连接燃烧室(4)的明火位置。
8.如权利要求1所述的气体循环式农作物秸秆裂解机，其特征在于，所述的燃烧室(4)一侧设有进料设备，用于将被秸秆收集系统收集起来的秸秆转移至燃烧室(4)中作为燃料。
9.如权利要求1所述的气体循环式农作物秸秆裂解机，其特征在于，所述的裂解室(1)和燃烧室(4)的外壳中设有耐火材料制成的绝热保温隔层。
10.如权利要求1所述的气体循环式农作物秸秆裂解机，其特征在于，所述的冷却室(9)中填充有淹没循环管路(7)的冷却液，并设有制冷设备进行制冷。
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