组合式秸秆生物质粉碎机的设计

鲍振博，方　帆，靳登超，刘玉乐，杨　磊，李　阳

(天津农学院 工程技术学院，天津　300384)



组合式秸秆生物质粉碎机的设计

鲍振博，方帆，靳登超，刘玉乐，杨磊，李阳

(天津农学院 工程技术学院，天津300384)

摘要：生物质能是一种清洁、可再生的能源，秸秆生物质能的开发应用具有广阔前景,而粉碎是对秸秆生物质能源转化利用的必要环节。为此，在分析秸秆生物质粉碎机的工作原理基础上，进行组合式秸秆生物质粉碎机总体结构设计，并对动刀及定刀的间隙、锤片与齿板的间隙、锤片与筛网的间隙、动刀及锤片形状、动刀排列、锤片排列，以及锯齿板排列等参数进行设计。组合式秸秆生物质粉碎机的使用推广，可实现对秸秆生物质能源有效利用，有助于解决秸秆生物质资源浪费及污染问题。

关键词：秸秆生物质；粉碎机；锤片；动刀；定刀

0引言

能源问题关系着人类社会的生存与发展，随着石油、煤、天然气等能源急剧消耗，由此引发能源紧缺及环境污染问题，已成为世界关注热点。开发和利用可再生的清洁能源，降低石化能源消耗，减少温室气体排放，已成为缓解能源危机、减少温室气体排放和解决环境污染问题的一个有效途径。生物质能是绿色植物经光合作用将太阳能转化储藏在生物质内的化学能，是一种清洁、可再生能源，是继石油、煤、天然气之后的第4大能源。生物质包括除化石燃料外的植物、动物和微生物及其排泄与代谢物等，具有储量丰富、来源普遍及可再生等特点。目前，对生物质能源的开发和利用已经日益引起世界各国的重视[1-2]。

1秸秆生物质能开发的前景

秸秆生物质属于农业废弃物，是生物质的重要组成部分。我国秸秆生物质数量大，每年产量约为7亿 t，除一部分作为畜牧饲料、还田及造纸原料等，大约有 4 亿 t 秸秆可以作为生物质能源使用。秸秆生物质作为可再生的清洁能源，具有低污染性：一是秸秆生物质的硫、氮含量低，在利用转化过程中还可以减少硫化物、氮化物和粉尘等排放；二是在秸秆生物质再生过程中需要吸收 CO2气体，可有效地减轻温室效应；三是由于光合作用能释放出大量氧气，还可改善生态环境[2]。但是，由于秸秆生物质分布广、体积密度小(40～60kg/m3)及物理形态不规则等特征，使得收集、运输、贮藏等成本较高；每到秋收季节，大量秸秆被丢弃或在田间焚烧，不仅造成资源浪费和环境污染，而且对航空安全和路面交通安全等造成一定影响。此外，未经加工处理的秸秆生物质热值低，进行直接燃烧利用，一方面因秸秆燃烧能量不集中、不能充分燃烧而降低生物质的燃烧效率，间接造成资源浪费，同时会对环境造成污染，危害人们身心健康[3-5]。

因此，针对产量巨大的可再生的秸秆生物质资源，为了使其得以有效利用，国内外科研工作者开展了种类繁多的秸秆生物质利用技术：通过将秸秆生物质转换为固态、液态和气态燃料加以高效利用，如固态燃料中直接燃烧技术(炉灶燃烧、锅炉燃烧、生物质与煤的混合燃烧等)；液态燃料中液化技术(提炼植物油、制取乙醇、甲醇等)；气态燃料中生物转化技术(小型户用沼气池、大中型厌氧消化等)及热化学转化技术(生物质气化、干馏、快速热解液化等)。秸秆生物质能源的开发及应用技术，已越来越引起广大科研工作者的关注。

2秸秆生物质能源转化的环节

生物质能无论是采取固态、液态及气态哪种利用方式，都需对生物质原料进行粉碎加工处理。粉碎后的生物质颗粒达到一定的尺寸要求，为秸秆生物质能的转化及利用做前期准备。生物质粉碎机理包括剪切、碰撞、挤压等多种作用，粉碎效果与原料性质、含水量和粉碎设备等密切相关。秸秆生物质粉碎是对秸秆生物质能源转化利用的必要环节，秸秆生物质原料经过粉碎后，颗粒由大变小，物料单位质量的表面积增加，有利于化学反应过程的传热和传质，可提高物料的化学反应及物理作用的速度[2-5]。因此，在生产实践中，根据需要一般须将生物质颗粒加工到较小的粒度，以提高后期利用及转化的效果。

3粉碎机的工作机理及总体设计

目前，秸秆粉碎机有铡切式粉碎机、锤片式粉碎机、揉切式粉碎机及组合式粉碎机等种类，通过剪切、击碎、碰撞、磨搓和揉搓等作用，实现物料的粉碎。铡切式粉碎机具有剪切、磨搓、揉搓等功能，结构简单、功耗低、生产率较高。锤片式粉碎机首先对秸秆生物质通过锤片击打，得到一定程度的粉碎，同时物料以较高的速度被抛向固定在粉碎室内部的齿板和筛片上，受到齿板的碰撞和筛片的搓擦得到进一步粉碎；其生产率高，适应性广。揉切式是在高速旋转的锤片和锯齿板的作用下，将秸秆揉搓、切搓成柔软、蓬松的丝状段。组合式粉碎技术将剪切、击碎、碰撞、磨搓和揉搓等功能组合成一体，实现对物料的粉碎，如图1所示。

1.电机　2.带轮　3.皮带　4.带轮　5.大飞轮　6.主轴　7.固定板

由图1可知：在粉碎室内有高速旋转的锤片、 动刀和锯齿板，还有静止的定刀及齿板。通过动刀及定刀的剪切、锤片击打、锤片与筛网之间碰撞和磨擦、锤片与齿板之间碰撞和搓擦，以及锯齿板的撕裂和揉搓等共同作用下，完成秸秆生物质破碎。其工作过程是：电动机将动力传递到带轮，通过皮带带动带轮旋转(大飞轮与带轮联联接为一体一起旋转，增大转动惯量)，进而将动力传递到主轴上；动刀固定架与主轴一起旋转，动刀联接在动刀架上一起高速旋转，与静止定刀一起对通过秸秆进料口送进的秸秆生物质进行剪切；锤片与固定板联接在一起，随主轴一起高速旋转，对剪切后的秸秆生物质进行击打、破碎；同时，在锤片击打及离心力作用下的物料会被摔打在齿板上，对物料进一步磨搓等破碎；锯齿板固定在固定板上，也随着主轴一起高速旋转，对在粉碎室中的物料进一步揉搓等破碎；此外，安装在粉碎室下部的筛网会对物料进一步搓擦。总之，被动刀及定刀剪切的物料，在锤片、锯齿板、齿板及筛网共同作用下，被粉碎成细小颗粒，会通过筛网的网眼漏出，最后经出料口进行收集；而较大较重的物料则继续留在粉碎室内被粉碎。

4粉碎机关键参数的设计

在组合式秸秆生物质粉碎机中，动刀及定刀的间隙、锤片与齿板的间隙、锤片与筛网的间隙、动刀数量及排列、锤片形状及排列、锯齿刀的形状及排列等参数，对粉碎的效率及质量有着至关重要的影响。依据机器产品运行经验及参考文献资料，对动刀及定刀的间隙、动刀及锤片形状、锤片与筛网的间隙、锤片与齿板的间隙等进行设计[6-9]。

4.1动刀及定刀之间的间隙调整

图2、图3分别是定刀及定刀固定座示意图。定刀固定座中设置Φ13长槽型安装孔，可调整定刀在固定座中位置，从而间接调整了定刀与动刀的间隙，如图4所示。减小定刀及动刀之间间隙可以提高破碎程度，但同时会导致刀具磨损及能耗增加；而过大的间隙，会导致粉碎程度降低、切割困难等问题。在本设计中，针对玉米秸秆粉碎，取定刀与动刀之间间隙为10mm[8-10]。

4.2动刀及锤片可调换安装，延长使用寿命

动刀及锤片是秸秆生物质粉碎机的主要工作部件，动刀对物料进行剪切破碎，刀刃磨损状况直接影响到动刀使用寿命及粉碎效率。将动刀设计为对称可调换安装形式，可延长刀具使用时间，如图5所示。锤片对物料进行击打、磨碎，对锤片设计锯齿形状，增大磨碎效果；同时，设计对称安装孔，对一端磨损的锤片进行调换安装，延长锤片使用寿命，如图6所示。

图2　定刀示意图　　　　　　　　　　　图3　定刀固定座示意图　　　　　　　　　图4　定刀安装示意图

图5　动刀示意图　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　图6　锤片示意图

4.3锤片与筛网之间间隙

锤片末端与筛网之间间隙大小对粉碎效率有影响：如果锤筛间隙过大，锤筛之间的物料很难被锤片打碎而使生产率降低；如果锤筛间隙过小，锤筛之间物料较少，因此受锤片击打及筛网磨搓作用的物料少，也会降低粉碎效率。锤片与筛网之间间隙与锤片工作时旋转速度、不同的生物质物料等因素有关，本设计中锤片与筛网间隙为12mm，如图7所示[7,10]。

4.4锤片与齿板之间间隙

锤片与齿板的间隙对粉碎效率及锤片磨损有影响：间隙过大，物料受锤片打击的机会少，降低粉碎效率；间隙过小，物料受锤片击打的机会增多，但锤片端部的摩擦加大，能耗增大。锤片与齿板之间间隙与锤片工作时旋转速度、不同的生物质物料、齿板包角等因素有关，本设计锤片与齿板间隙为15mm，如图8所示[8-10]。

图7　锤片与筛网的间隙示意图　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　图8　锤片与齿板的间隙示意图

4.5动刀排列

物料被动刀及定刀剪切长短与动刀数量有关：若动刀数量过多,在主轴转数一定情况下,切割次数增多,加工后的物料过细过短，能耗增多；反之,物料剪切过粗过长，加大后续锤片击打、锯齿板磨搓的工作量[10]。本设计动刀数量3把，排列如图9所示。

4.6锤片排列

锤片的排列方式对机器运转平衡、锤片的均匀磨损、物料破碎均匀等直接影响，设计锤片排列如图10所示[7,10]。在一个固定板中均匀排列4个锤片，多个固定板安装时，按照一定角度错开排列，提高粉碎室中物料被击打粉碎的均匀性。

4.7锯齿板排列

锯齿板的排列方式对机器运转平衡、锯齿板的均匀磨损、物料破碎均匀等有影响，设计锯齿板排列如图11所示。在一个固定板中均匀排列8个锤片，多个固定板安装时，按照一定角度错开排列，提高粉碎室中物料受磨搓的均匀性。

图9　动刀排列示意图　　　　　　　　　　　　图10　锤片排列示意图　　　　　　　　　图11　锯齿版排列示意图

5结论

对组合式秸秆生物质粉碎机中动刀及定刀的间隙、锤片与齿板的间隙、锤片与筛网的间隙、动刀数量及排列、锤片形状及排列、锯齿刀的形状及排列等参数进行优化设计，对于提高粉碎效率、减少动刀及锤片等关键部件的磨损、降低能耗及成本等具有重要意义。组合式秸秆生物质破碎机具有高效、实用等优势，对于有效利用秸秆生物质能源，缓解矿物质能源危机、温室效应、雾霾恶劣天气等问题，改善农村环境，建设现代社会主义新农村具有积极的现实意义。

参考文献：

[1]张霞,蔡宗寿,陈颖,等.世界生物质颗粒燃料产业发展现状与趋势分析[J].农机化研究,2015，37(2):1-5.

[2]李维俊,高鹏.生物质能与可持续发展[J].北方环境,2013,25(12):4-7.

[3]张霞,蔡宗寿,陈丽红,等.生物质成型燃料加工方法与设备研究[J].农机化研究,2014,36(11):214-217.

[4]张彦民,于振文,王冠.生物质颗粒成型机理与环模性能研究[J].农机化研究,2013,35(10):210-213.

[5]张霞,蔡宗寿,陈丽红,等.生物质成型燃料致密成型机理及品质评价指标[J].可再生能源,2014,32(12):1917-1921.

[6]祖宇.一种高效节能秸秆粉碎机的研制[D].长春:吉林农业大学,2012.

[7]谭敏尧.移动式生物质粉碎成型联合机的设计与研究[D].哈尔滨:东北林业大学,2013.

[8]岳霞,罗思义,周扬民,等.生物质破碎系统实验研究[J].环境科学与技术,2013,36(6L):10-13.

[9]车战斌,王亦良,刘功传.生物质成型燃料生产的配套粉碎设备试验研究[J].农机化研究,2014，36(11):254-258.

[10]汪莉萍.复合式秸秆粉碎机设计方法理论研究[D].哈尔滨:东北林业大学,2010.

Abstract ID:1003-188X(2016)05-0255-EA

Design of Combined Straw Biomass Grinder

Bao Zhenbo, Fang Fan, Jin Dengchao, Liu Yule, Yang Lei, Li Yang

(Engineering and Technology College, Tianjin Agricultural University, Tianjin 300384, China)

Abstract：Biomass energy is a kind of clean and renewable energy, the development and application of straw biomass energy has broad prospects.Crushing is the essential links of straw biomass conversion and utilization, based on analyzing the working principle of biomass grinder, the overall structure of combined straw biomass grinder has designed, and the key parameters of biomass grinder, such as the gap between movable knives and fixed knife, the gap between hammer and tooth plate, the gap between hammer and sieve, the shape of the knife and hammer, and the arrangement of movable knife,hammer and tooth plate have been designed. The using promotion of combined straw biomass grinder can promote the realization of the effective use of straw biomass, while help to solve the problems of straw biomass resource waste and pollution.

Key words：straw biomass; grinder; hammer; movable knife; fixed knife

文章编号：1003-188X(2016)05-0255-04

中图分类号：TK6；S226.9

文献标识码：A

作者简介：鲍振博(1971-),男，内蒙古赤峰人，副教授，(E-mail) baozhenbo@sohu.com。

基金项目：天津市大学生创新创业训练计划项目(201410061104,201410061198)

收稿日期：2015-04-22