氣體循環式農作物秸稈裂解機的制作方法

本發明屬于農業機械領域，具體涉及一種氣體循環式農作物秸稈裂解機。

背景技術：

近年來，大氣污染特別是霧霾的頻發引起了人們的廣泛關注。研究表明，工農業活動等人為活動是導致我國大氣質量顯著下降的首要原因，其中我國東部地區農業收獲季節大量農作物殘茬的大面積燃燒也是導致我國發生區域大范圍重污染事件的重要原因之一。我國具有豐富的生物質廢棄物，每年產生的各類農作物秸稈總量在7億t左右，其中水稻、小麥、玉米等大宗農作物秸稈在5億t左右。隨著現代能源的引進，現代農村地區以生物質作為燃料的越來越少，由于生物質的利用技術匱乏，致使目前農村秸稈大量堆放燃燒，浪費能源的同時排放大量無組織廢氣，嚴重污染大氣環境。因傳統的生物質轉化方式無法滿足農村現代化需要，生物質的優質化轉化利用勢在必行。目前，生物質能的主要轉換技術包括物理轉換技術、化學轉換技術、生物轉換技術。其中物理轉換技術即壓縮成型技術，主要目的是實現減少運輸費用、提高使用設備的有效容積燃燒強度、提高轉換利用的熱效率；化學轉換技術主要包括傳統化學轉化和熱化學轉化，指生物質在缺氧高溫的條件下分解、斷裂或重整，產生的熱解氣主要由co、h2、ch4以及少量co2和n2，經過凈化后可以得到可燃氣；生物轉換可分為水解、厭氧發酵、生物制氫等。

通過生物質熱裂解技術產生的生物炭，由于其具有孔徑多、比表面積大、吸附性能優良、化學性質穩定等諸多優良的特性，目前已受到國內外學者的廣泛關注，近年來國內外也針對生物炭進行了廣泛的研究。不管是在水污染修復、工業廢氣治理還是土壤污染修復方面，生物炭都具有很好的應用前景。其中，生物炭應用于土壤修復其優勢主要體現在：(1)生物炭具有很好的化學穩定性，當其施入土壤后可保持長時間穩定，這有利于碳的固定，對全球溫室效應的控制具有積極意義；(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積，這使得生物炭吸附性能優良，可吸附土壤中的重金屬污染物和部分有機污染物；(4)生物炭表面具有豐富的官能團，這些官能團可與土壤重金屬發生絡合反應，從而固定重金屬，降低其生物有效性；(5)生物炭擁有大量微孔，可為土壤微生物提供良好的棲息環境，增大土壤微生物總量，促進土壤污染物的生物降解；鑒于生物炭具有如上所述的諸多優良特性，本專利公開了一種氣體循環式農作物秸稈裂解機，旨在將目前農村過剩的農作物秸稈轉化為可利用的生物炭，并返施入土壤中，起到改良土壤、減低碳排放，以及減少土壤污染的作用。

目前，國內也開發了一些生物炭制備裝置，但大部分裝置無法保障裂解缺氧環境，使得生物炭生產率不高，造成生物質能源的浪費。如：中國發明專利申請號201010514198.7，專利名稱是用于還田的生物質炭制取及燃氣余熱回收利用裝置；中國發明專利申請號201310339328.1，專利名稱是可移動的秸稈就近炭化就近還田炭化爐及其制炭方法；中國發明專利申請號201110270564.3，專利名稱利用水稻秸稈炭化還田改良水稻田土壤的方法；中國發明專利申請號201210135912.0，專利名稱是一種稻麥收割與秸稈炭化還田一體化裝置。這些生物炭制備與還田裝置能夠在一定程度上促進生物質的缺氧裂解和生物炭的生成，但無法保證裂解的缺氧環境，生物炭產率低下，在實際應用中會有所限制。

技術實現要素：

本發明的目的在于提供一種氣體循環式農作物秸稈裂解機，通過氣體分離循環系統，實現裂解廢氣的綜合利用，能通過返通入co2排除裂解室內空氣，確保裂解室的缺氧環境，提高生物炭產率，以解決上述背景技術中的缺點與不足。

為實現上述目的，本發明采用如下技術方案：

氣體循環式農作物秸稈裂解機，包括秸稈收集系統、氣體分離循環系統、生物炭裂解撒播系統和駕駛室；

所述的駕駛室用于驅動裂解機行進和制動；

所述的生物炭裂解撒播系統包括裂解室和燃燒室，由一個箱體通過導熱性優良的分隔板分成位于上方的裂解室和位于下方的燃燒室，其中裂解室密閉，而燃燒室底部設置格柵作為進氣口和物料撒播口；

所述的秸稈收集系統用于將地表的秸稈收集并輸送至裂解室和/或燃燒室中；

所述的氣體分離循環系統用于對裂解室和燃燒室中產生的氣體進行分離和循環利用；其主體為一條首尾相連的循環管路，循環管路中注有非滿管的熱堿溶液并設有射流泵以推動熱堿溶液沿管路順時針流動；循環管路上沿順時針方向依次設有廢氣導入口、可燃性氣體出氣口和co2出氣口，所述的循環管路一部分位于燃燒室中形成升溫段，一部分位于冷卻室中形成降溫段；廢氣導入口通過抽氣泵同時連接裂解室和燃燒室，可燃性氣體出氣口連接燃燒室，co2出氣口連接裂解室；其中廢氣導入口和co2出氣口之間較短的管路上設置有氣體阻流板，氣體阻流板設置于循環管路的頂空處，其下部邊緣位于熱堿溶液的液面以下，用于隔離氣體阻流板兩側空氣的直接流動。

本發明的富氧區即密封箱底部的燃燒室，通過少量秸稈燃燒提供裂解所需溫度，燃燒室底部安裝格柵，促進空氣流通和燃燒所需氧氣的供給。燃燒室中安裝有點火裝置，閉合鋼板從而密封高溫缺氧裂解室后可開啟點火按鈕。裂解并冷卻完成后機體可繼續行進，通過開關打開隔離鋼板，通過燃燒室底部格柵將粒徑符合要求的生物炭返施入田間，起到提升土壤肥力的作用。氣體分離循環系統由連接的升溫段、降溫段組成，主要作用即分離燃燒及裂解廢氣中的co2等酸性氣體和可燃性氣體，并將co2循環導入裂解室，保證裂解缺氧環境；可燃性氣體則循環導入燃燒室，輔助燃燒為裂解提供所需能量。

作為優選，所述的駕駛室底部設有發動機、制動系統和行進皮帶輪，所述的發動機和制動系統分別用于驅動和制動所述的行進皮帶輪。

作為優選，所述的可燃性氣體出氣口位于降溫段過渡到升溫段之前的管段上，所述的co2出氣口位于升溫段過渡到降溫段之前的管段上，所述的廢氣導入口位于升溫段和降溫段的過渡區域上。

作為優選，所述的秸稈收集系統由一排末端帶有彎鉤的轉子構成，轉子一側設置有傳送帶，傳送帶的末端位于裂解室側壁上部的進料口附近；所述的彎鉤用于攜帶秸稈隨轉子轉動，并將秸稈落至傳送帶上，進而通過傳送帶將秸稈輸送至裂解室中。

作為優選，所述的轉子靠近傳送帶一側設有刮板，刮板上設有僅供轉子通過的開槽，彎鉤邊緣為刀刃部，用于與所述的開槽配合切斷秸稈。

作為優選，所述的分隔板由活動鋼板和固定鋼板組成，且兩個鋼板相對的邊緣均具有刀鋒，形成切割結構，用于將位于刀鋒處的秸稈切斷。

作為優選，所述的可燃性氣體出氣口連接燃燒室的明火位置。

作為優選，所述的燃燒室一側設有進料設備，用于將被秸稈收集系統收集起來的秸稈轉移至燃燒室中作為燃料。

作為優選，所述的裂解室和燃燒室的外殼中設有耐火材料制成的絕熱保溫隔層。

作為優選，所述的冷卻室中填充有淹沒循環管路的冷卻液，并設有制冷設備進行制冷。

本發明對裂解氣體中的可燃氣進行了回收利用，提高了生物質能源利用率，減少了有害氣體排放。通過氣體分離循環系統后，可燃氣與co2分離，將可燃氣導入燃燒室，使其充分燃燒，為裂解室內生物質裂解提供能量。燃燒室內產生的co2，與裂解氣體一起導入裝有流動熱堿的氣體分離鋼管，經分離后通入裂解室，確保裂解缺氧環境，部分排出并用堿液吸收。堿液吸收co2后的副產物可作為工業生產原料。

附圖說明

圖1為氣體循環式農作物秸稈裂解機的結構示意圖；

圖2為燃燒室和裂解室的結構示意圖；

圖3為氣體分離循環系統結構示意圖；

圖4為循環管路7的開口分布示意圖；

圖5為氣體阻流板16的結構示意圖；

圖6為秸稈收集的結構示意圖；

圖7位分隔板結構示意圖；

圖中：裂解室1、駕駛室2、秸稈收集器3、燃燒室4、行進皮帶輪5、格柵6、循環管路7、分隔板8、冷卻室9、制動系統10、升溫段11、降溫段12、co2出氣口13、可燃性氣體出氣口14、廢氣導入口15、氣體阻流板16、射流泵17、活動鋼板18、鋼板閉合縫19、固定鋼板20、刮板21、傳送帶22。

具體實施方式

下面結合附圖和具體實施例對本發明做進一步闡述。

如圖1所示，一種氣體循環式農作物秸稈裂解機，包括4個主要功能系統：秸稈收集系統、駕駛室、氣體分離循環系統、生物炭裂解撒播系統。

駕駛室2用于供駕駛員駕駛及控制機體行進和制動。秸稈收集系統用于將地表的秸稈收集并輸送至裂解室1和燃燒室4中。氣體分離循環系統用于對裂解室1和燃燒室4中產生的氣體進行分離和循環利用。生物炭裂解撒播系統用于對秸稈進行裂解，并將裂解或燃燒完畢的生物炭返回農田中。

下面對各子系統的具體實現方式進行詳細說明。

駕駛室2底部設有發動機、制動系統10和冷卻室9，機體底部配置有支撐底座及不光滑的皮帶輪5，機體移動作業時可一邊向前行進，一邊收集田間秸稈。發動機和制動系統10分別用于驅動和制動所述的行進皮帶輪5。駕駛室設置于機體前方頂部，內設駕駛操作臺、進料開關、點火開關、生物炭撒播控制開關等，方便駕駛員對秸稈收集與裂解全過程進行操作與控制。各開關集成于中央控制系統中，通過plc等自控設備進行自動化控制。

如圖2所示，生物炭裂解撒播系統包括裂解室1和燃燒室4，由一個箱體通過分隔板8分成位于上方的裂解室1和位于下方的燃燒室4。箱體外殼表面烤漆，外殼與工作室內壁之間填充硅酸鋁纖維作為絕熱保溫隔層，可保證爐體與外界絕熱，保障爐體內高溫環境，及避免爐體外溫度過高存在安全隱患。裂解室1應保持密閉環境，通過co2的循環輸入，排出室內空氣，提供缺氧環境。如圖7所示，分隔板8由活動鋼板18和固定鋼板20組成，且兩個鋼板相對的邊緣均具有刀鋒，形成切割結構，用于在鋼板閉合縫19位置將位于刀鋒處的秸稈切斷，實現兩室分離和裂解室相對密封。燃燒室4底部設置格柵6作為進氣口和物料撒播口，保證燃燒室通風富氧的同時使小顆粒生物碳撒播入田間，未完全裂解的秸稈留在裂解室內，與后續收集的秸稈一起裂解后撒播。燃燒室4中設有點火裝置，用于點燃秸稈。

秸稈收集系統中包括秸稈收集器3、傳送帶22。秸稈收集器3的傳動軸上設置4個末端帶有彎鉤的轉子構成，彎鉤攜秸稈隨轉子轉動。如圖6所示，傳送帶設置于轉子下降的位置下方，傳送帶的末端位于裂解室1側壁上部的進料口附近。轉子靠近傳送帶一側設有刮板21，刮板21上設有4條僅供轉子通過的開槽，每條開槽位置與轉子對應，寬度略大于轉子的彎鉤寬度。彎鉤邊緣為刀刃部。彎鉤用于攜帶秸稈隨轉子轉動，并將秸稈落至傳送帶22上，在轉動過程中與開槽配合切斷依然勾在彎鉤上的秸稈，進而通過傳送帶22將秸稈輸送至裂解室1中。在進料過程中，裂解室1側壁上部的進料口敞開，通過人工或機械整理秸稈，使送入的秸稈能夠填滿燃燒室和裂解室。填充秸稈時，分隔板8上的活動鋼板18和固定鋼板20敞開，當填滿后，通過電機推動活動鋼板18與固定鋼板20閉合，切斷秸稈。

燃燒室4一側設有進料設備，用于將被秸稈收集系統收集起來的秸稈轉移至燃燒室4中作為燃料。進料設備可以采用推桿、抓斗等設備。

如圖3和4所示，氣體分離循環系統主體為一條首尾相連的循環管路7，循環管路7中注有非滿管的熱堿溶液并設有射流泵17以推動熱堿溶液沿管路順時針流動；循環管路7上沿順時針方向依次設有廢氣導入口15、可燃性氣體出氣口14和co2出氣口13，循環管路7一部分位于燃燒室4中形成升溫段11，一部分位于冷卻室9中形成降溫段12。冷卻室9中填充有淹沒循環管路7的冷卻液，并設有制冷設備進行制冷。廢氣導入口15通過抽氣泵同時連接裂解室1和燃燒室4，可燃性氣體出氣口14連接燃燒室4的明火位置。co2出氣口13連接裂解室1；其中廢氣導入口15和co2出氣口13之間較短的管路上設置有氣體阻流板16，如圖5所示，氣體阻流板16設置于循環管路7的頂空處，其下部邊緣位于熱堿溶液的液面以下，用于隔離氣體阻流板16兩側空氣的直接流動。

氣體分離循環系統的工作過程如下：

降溫段置于冷卻室內，當燃燒室和裂解室內廢氣在抽氣泵的作用下導入后，其中所含的co2溶于熱堿溶液中，其余不可溶的可燃性氣體保留，由可燃性氣體出氣口14導入燃燒室內，參與燃燒，為生物質裂解提供能量；升溫段置于燃燒室內，當溶有co2的熱堿溶液通過升溫段后，其中溶解的co2釋放出來。釋放的co2部分導出外部由堿液吸收，部分經co2出氣口13導入裂解室內以提高裂解室中co2濃度并擠出氧氣，確保裂解室內缺氧環境，促進生物質的缺氧裂解。廢氣導入口15和co2出氣口13之間安裝有氣體阻流板16，本實施例中，循環管路7由不銹鋼材質的圓鋼管制成，因此氣體阻流板16呈半圓形，頂部貼合圓鋼管內壁。氣體阻流板16可以防止進入管內的廢氣直接通過管道內的頂空由出氣口13排出而不參與循環，但管道中的熱堿溶液依然可以通過氣體阻流板16下方進行循環。吸收一定co2后的堿液可進行更換，舊溶液可用于工業用途。

氣體分離循環系統采用了熱堿溶液對co2的可逆性吸附原理，為了保證其對于co2的分離效果，各進氣口和出氣口所處的位置需要特別加以設計。本實施例中，廢氣導入口15位于升溫段11和降溫段12的過渡區域上，該區域可以是升溫段11的末端也可以是降溫段12的前端，廢氣進入后可隨著熱堿溶液被冷卻而逐漸吸收。可燃性氣體出氣口14位于降溫段12過渡到升溫段11之前的管段上，該管段中熱堿溶液溫度尚未被提升，co2被最大程度吸收，因此剩余高濃度的可燃性氣體可以直接參與燃燒。co2出氣口13位于升溫段11過渡到降溫段12之前的管段上，該管段中熱堿溶液尚未被降溫，熱堿溶液中的co2被最大程度釋放，使熱堿溶液具有較高的co2吸附量。升溫段11和降溫段12的具體溫度可以通過試驗進行調整。

利用上述裝置進行農作物秸稈裂解還田的方法如下：

首先，將氣體循環式農作物秸稈裂解機開至鋪有秸稈的農田中，打開裂解室1上的進料口，驅動行進皮帶輪5轉動，裂解機開始行進。此時，打開活動鋼板18和固定鋼板20，通過電機驅動秸稈收集器上的轉子轉動，轉子上的彎勾將農田表明的秸稈卷起，并將秸稈落至傳送帶22上，在轉動過程中與開槽配合切斷依然勾在彎鉤上的秸稈，進而通過傳送帶22將秸稈輸送至裂解室1中并填滿裂解室1和燃燒室4。填滿后，驅動活動鋼板18與固定鋼板20閉合，切斷鋼板閉合縫19處的秸稈并密封裂解室1，同時關閉傳送帶22和裂解室的進料口，保持裂解室處于密閉缺氧狀態。通過點火裝置點燃燃燒室4中的秸稈，并在裂解機行進過程中，通過進料設備將被秸稈收集系統收集起來的秸稈轉移至燃燒室4中作為燃料。

裂解時間設置為1小時(也可以根據具體情況進行調整)，在燃燒裂解過程中，通過抽氣泵將裂解室1和燃燒室4中的氣體不斷抽入廢氣導入口15，經過吸收后將可燃性氣從可燃性氣體出氣口14排出并送入燃燒室4的明火位置助燃，而co2氣體則通過co2出氣口13排入裂解室1以維持其中的缺氧環境；燃燒室4中的秸稈燃燒后產生的生物炭經格柵6施入沿程的田間。

以上所述的實施例只是本發明的一種較佳的方案，然其并非用以限制本發明。有關技術領域的普通技術人員，在不脫離本發明的精神和范圍的情況下，還可以做出各種變化和變型。因此凡采取等同替換或等效變換的方式所獲得的技術方案，均落在本發明的保護范圍內。