一种秸秆煤挤压成型装置的设计

韩海敏

（河南应用技术职业学院，河南 郑州 450042）

0 引言

我国是农业大国，农作物秸秆资源量大，秸秆作为一种非常宝贵的可再生生物质资源，目前其利用程度受到能源结构变化、劳动力缺乏等问题的影响，每年都会有大量秸秆被随意丢弃或焚烧，不仅难以充分发挥自身价值，而且还造成资源浪费，影响乡村风貌，严重污染大气，存在火灾及交通安全隐患[1-3]。2017年9月中共中央办公厅国务院办公厅印发了《关于创新体制机制推进农业绿色发展的意见》，正式提出了“农业绿色发展”的概念。农业绿色发展的根本要求是通过绿色、循环、集约的发展模式，更加注重生态保育，不断改善生态环境[4]。而如何实现农作物秸秆的循环再利用，将“一根秸秆”做到“变废为宝”，成为了农业发展的重要课题。

1 秸秆综合利用现状简述

近年来，围绕农业绿色发展的总体要求，秸秆综合利用主要以“五料化”为主，即肥料化、原料化、基料化、燃料化、饲料化[5]，其中，以东北地区为例，秸秆利用主要体现在肥料化、饲料化和燃料化方面，综合利用率连年上升，形成了“农用优先、多元利用”的秸秆再利用发展新格局[1]。秸秆燃料化利用包括直接燃用和新型能源化利用。目前，国内秸秆资源新型能源化利用形式主要集中为固化、炭化、气化、液化和发电[6]，这些利用途径不仅可以减少污染，促进能源结构优化，而且具有相对成熟的产业模式，可以给生态、社会和经济带来一系列的效益。

秸秆固化主要是指秸秆固化成型技术，将农作物秸秆或粉碎的废弃生物质压制成一种可直接燃烧的固体燃料[7]（即秸秆煤）。压缩成型后的秸秆煤在密度、燃烧性等方面都比生物质原料有了很大的提升[8]，便于储存和运输，其热值可达3200~4500大卡，通过计算2t秸秆热能值可代替1t标准煤，秸秆具有易燃、灰分少、成本低等特点，可替代木柴、原煤等燃料，广泛用于取暖、生活炉灶、锅炉、生物质发电等。秸秆煤成型工艺流程，如图1。

图1 秸秆固化成型燃料工艺流程

秸秆煤的生产主要有两种方式，一种是加热挤压，利用高温使秸秆质变，进而实现挤压成型[9]，这种方式对秸秆原料的干燥程度要求较高，并且需要电加热，成本高；另一种是使用粘合剂与秸秆原料混合后挤压成型。但目前混合粘合剂挤压成型装置的挤压力不易调节，使得秸秆煤的成型紧实度不理想，容易造成断裂破损，影响后续使用，同时不便于对成型模进行维修养护，影响成型模的使用寿命。基于此，提出了一种秸秆煤挤压成型装置。

2 总体设计方案及工作原理

2.1 设计要求

秸秆煤挤压成型装置的设计参数要求如下。

总体尺寸（长×宽×高，mm） ≤2 000×600×1 500

整机重量（kg） ≤1 500

产量（t/h） ≥1

原料长度（mm）2~50

原料含水率（%）5~30

成品密度（g/cm3） ≈1.2

成品热值（大卡） ≈4 000

2.2 秸秆煤挤压成型装置的总体结构设计

秸秆煤挤压成型装置整体结构如图2。该装置主要由机架、动力组件、移动组件和调位组件组成。

图2 秸秆煤挤压成型装置三维模型

2.3 秸秆煤挤压成型装置的组成部件

（1）机架。机架表面设置有输送筒，输送筒一端密封另一端开口，输送筒内部安装有输送轴，输送轴端部安装有注液管，注液管与供液装置连接，给输送轴内部注入粘合剂。螺旋叶片和搅拌叶片固定在输送轴的上面，输送轴的材料一般为A4钢管或圆钢，直径30～35 mm，长2～4 m。输送轴外壁贯穿设置有出液孔，出液孔与搅拌叶片交错分布（图3）。

图3 秸秆煤挤压成型装置内部结构示意

（2）动力组件。包括动力电机和从动链轮，如图2从动链轮连接在输送轴外侧，动力电机连接在机架表面，动力电机的输出端连接有主动链轮。动力电机工作时通过链传动驱动输送轴旋转。

（3）移动组件。包括固定架和移动板，移动板共有两块且对称连接在成型模两侧，两个固定架以输送筒的轴线为基准对称分布，两个固定架内部分别设置有移动丝杠和导向杆，一块移动板与导向杆滑动配合，另一块移动板与移动丝杠螺纹连接，移动丝杠的端部连接有手轮，如图4。工作时，通过手轮带动移动丝杠，通过导向杆进行限位导向，利用螺纹传动使移动板在移动丝杠外侧移动，从而实现成型模与输送筒的配合和脱离，便于对成型模进行维修养护，有助于延长成型模的使用寿命。

图4 移动组件结构示意

为了便于秸秆原料进入成型孔内部，成型孔的进料端设计为锥孔结构。为了提高输送轴的稳固性，成型模靠近输送轴处有加强柱，当成型模进入输送筒内部时，加强柱插入输送轴内部，有利于保证螺旋叶片对秸秆原料施加压力的稳定性和均匀性，提高秸秆煤成型效果。

（4）调位组件。调位组件包括安装板，安装板连接在机架外侧，靠近输送筒的开口端表面设置有滑动槽，底面连接有安装架，安装架内部设有调位丝杠，调位丝杠外侧通过螺纹连接有移动杆，移动杆上端穿出滑动槽且与固定板相连接，移动丝杠的上端安装有旋转盘（图5）。工作时，通过旋转盘带动调位丝杠，通过滑动槽对移动杆进行限位导向，利用螺纹传动使移动杆在调位丝杠外侧移动，从而带动固定板靠近或者远离输送筒。

（5）滑动杆靠近输送筒的端部与承载板相连接，远离输送筒的端部连接有限位板，滑动杆位于承载板和固定板之间的外侧套装有撑顶弹簧。利用撑顶弹簧的弹力推动承载板，使施压柱进入成型孔内部，从而对秸秆原料进行挤压，能够提高秸秆煤紧实度，防止秸秆煤断裂破损，便于运输存放。

图5 调位组件结构示意

2.4 秸秆煤挤压成型装置的工作过程

工作时，移动组件带动成型模进入输送筒内部，同时调位组件使固定板向输送筒移动，使施压柱伸入成型孔内部，秸秆煤挤压成型时注料斗向输送筒内部注入秸秆原料，动力组件带动输送轴旋转，螺旋叶片随之平稳地将秸秆原料向成型模推送，通过注液管和供液装置向输送轴内部注入粘合剂，粘合剂经出液孔进入输送筒内部，搅拌叶片随着输送轴旋转对秸秆原料进行搅拌，使秸秆原料和粘合剂混合，在螺旋叶片的推动下，混合粘合剂的秸秆原料进入成型孔内部挤压成型。成型的秸秆煤与施压柱接触，克服弹性伸缩杆的弹力推动施压柱脱离成型孔，秸秆煤逐渐从成型孔内部挤出，切断电缸带动切刀下降并将秸秆煤切断，切断的秸秆煤掉落，施压柱在弹性伸缩杆的弹力驱动下向成型孔移动，再次对成型孔内部的秸秆煤进行挤压，重复上述过程，实现秸秆煤的连续成型。

3 结论

针对秸秆煤在固化成型过程中存在的问题，在满足安全可靠、轻量化设计的原则下，提出了一种秸秆煤挤压成型装置。通过调位组件能够实现对秸秆煤施压力大小的调节，满足不同湿度的原料挤压成型的需求，为后期进一步的试验研究提供一定的参考。