常燕青 胡軍 常中龍 于強(qiáng) 吳海鎖

（1.維爾利環(huán)?？萍技瘓F(tuán)股份有限公司，江蘇常州 213125；2.常州金源機(jī)械設(shè)備有限公司，江蘇常州 213126；3.江蘇省固體廢棄物處理環(huán)保裝備工程技術(shù)研究中心，江蘇常州 213126；4.北京起重運(yùn)輸機(jī)械設(shè)計(jì)研究院，北京 100007；5.江蘇環(huán)保產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院股份公司，江蘇南京 210036）

0.引言

農(nóng)村有機(jī)廢棄物主要是秸稈類、蔬菜類等物質(zhì)，采用厭氧消化方法是資源化、無害化、減量化處理的重要手段，運(yùn)行成本低廉，且能實(shí)現(xiàn)可再生能源回收利用，被廣泛研究并應(yīng)用于能源環(huán)保行業(yè)。據(jù)2017年統(tǒng)計(jì)，中國農(nóng)村農(nóng)作物秸稈可收集資源量為8.27億t，其中，玉米、水稻、小麥三大糧食作物秸稈資源量分別為37.2億t、19.1億t、14.7億t，合計(jì)占全國秸稈資源總量的84.8%，是中國農(nóng)作物秸稈的主要來源[1]。2014年，9.4×107t農(nóng)用秸稈燃燒釋放了9.1×106t的CO和1.1×108t的CO2[2-3]，CO2溫室氣體效應(yīng)導(dǎo)致了氣候變化。農(nóng)民把有機(jī)廢物簡單地通過露天焚燒處理，焚燒產(chǎn)生的物質(zhì)例如CO2、CO、氮氧化物和苯等會(huì)對環(huán)境造成污染[4]，特別是PM2.5會(huì)導(dǎo)致空氣質(zhì)量惡化，給人民生活和健康帶來嚴(yán)重影響。將秸稈等生物質(zhì)能源化利用不僅能改善環(huán)境、節(jié)約能源，還能對實(shí)現(xiàn)碳峰值碳中和目標(biāo)具有重要而深遠(yuǎn)的意義。

生物質(zhì)厭氧發(fā)酵處理是生物質(zhì)廢棄物實(shí)現(xiàn)資源化利用的有效途徑之一。生物質(zhì)厭氧發(fā)酵是在厭氧細(xì)菌的同化作用下，把生物質(zhì)中的有機(jī)質(zhì)有效轉(zhuǎn)化，生成具有經(jīng)濟(jì)價(jià)值的甲烷和部分二氧化碳，甲烷可作為一種清潔、環(huán)保的可再生能源用于燃燒及發(fā)電，沼渣可作為土地肥料，沼液可作為農(nóng)作物的營養(yǎng)液[5-7]。厭氧發(fā)酵技術(shù)是實(shí)現(xiàn)秸桿資源化利用的一種有效途徑，優(yōu)勢主要為反應(yīng)條件相對溫和、成本低和二次污染物產(chǎn)生少等[8]。在實(shí)際生產(chǎn)處理過程中大部分生物質(zhì)特別是農(nóng)作物秸稈中木質(zhì)纖維素含量相對較高、難以被分解，容易造成厭氧消化啟動(dòng)慢、分解慢、發(fā)酵時(shí)間長、產(chǎn)氣率低等問題[9-10]。由此需要對秸稈進(jìn)行有效預(yù)處理，提高生物質(zhì)的發(fā)酵產(chǎn)氣速率和產(chǎn)氣質(zhì)量。目前，國內(nèi)外秸稈發(fā)酵預(yù)處理技術(shù)主要有物理技術(shù)、化學(xué)技術(shù)、生物技術(shù)、物理化學(xué)技術(shù)和化學(xué)生物聯(lián)合處理技術(shù)等[11]。物理技術(shù)主要是機(jī)械預(yù)處理，是厭氧發(fā)酵最常用的有效方法，主要經(jīng)過儲(chǔ)料、均勻上料、破碎、輸送等設(shè)備工藝過程。其中，存儲(chǔ)和輸送是其中的關(guān)鍵工藝，步進(jìn)式料倉輸送設(shè)備作為一種新形式的輸送設(shè)備，在滿足輸送、緩存、承載等高要求的情況下，展現(xiàn)了很多優(yōu)于類似產(chǎn)品設(shè)備的性能。本文以中廣核衡水混合原料10萬方生物天然氣項(xiàng)目為實(shí)例，針對秸稈厭氧發(fā)酵機(jī)械預(yù)處理中的自動(dòng)步進(jìn)式料倉系統(tǒng)設(shè)備進(jìn)行分析研究。

1.材料設(shè)備和工藝方法

1.1 物料來源特性描述

農(nóng)村有機(jī)廢棄物主要是如玉米、高粱、水稻、小麥、甘蔗等秸稈。一般農(nóng)民將秸稈等粉碎到20mm～100mm左右后出售給處理廠。通常秸稈干儲(chǔ)一段時(shí)間后，北方干燥地區(qū)一般容重在0.15t/m3～0.2t/m3，含水率約20%左右；如果粉碎濕儲(chǔ)在一段時(shí)間或多雨地區(qū)一般容重在0.4t/m3～0.5t/m3，含水率約30%左右；南方物料（如甘蔗、香蕉樹等）一般容重在0.5t/m3～0.65t/m3，含水率約55%～70%左右。無論哪種物料，體積大重量輕，運(yùn)輸半徑?jīng)Q定原料成本高低，一般是拖拉機(jī)拖掛大體積運(yùn)輸車將秸稈等送到厭氧處理廠稱重后，直接傾卸到大型儲(chǔ)料給料倉[12-13]。以衡水周圍200km半徑的玉米秸稈為例，傾卸到料倉后壓實(shí)容重約0.55t/m3。

1.2 典型厭氧工藝流程

衡水玉米秸稈生物質(zhì)厭氧發(fā)酵工藝流程見圖1，工藝過程簡要如下：將秸稈預(yù)粉碎到20mm～100mm左右由運(yùn)輸車送到生物質(zhì)厭氧產(chǎn)沼處理廠，稱重過磅后直接傾卸到自動(dòng)步進(jìn)式均勻給料倉輸送設(shè)備，通過自動(dòng)料倉的地板按照設(shè)定的程序運(yùn)動(dòng)，將物料由后向前推進(jìn)，在3個(gè)均料輥的高速均料作用下，均勻地將物料均勻松散地落到輸送機(jī)上，再經(jīng)過磁選機(jī)將金屬去除后，進(jìn)入破碎機(jī)將物料破碎到粒徑5mm～8mm以下，再由輸送機(jī)輸送到水解酸化池酸化預(yù)處理，最后進(jìn)入?yún)捬豕迏捬醢l(fā)酵系統(tǒng)消化產(chǎn)沼，沼液進(jìn)入水處理系統(tǒng)，沼渣好氧堆肥制成有機(jī)肥，金屬回收再利用。在此工藝流程中，核心關(guān)鍵預(yù)處理設(shè)備是自動(dòng)步進(jìn)式均勻給料倉輸送系統(tǒng)。

圖1 典型厭氧項(xiàng)目工藝流程圖

1.3 步進(jìn)料倉式輸送設(shè)備組成

步進(jìn)料倉主要由：出料滾筒、前后端板、側(cè)板殼體、步進(jìn)地板、導(dǎo)向限位塊、地板蓋板、支撐框架、支腿、尾部防護(hù)等機(jī)械部分、液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、稱重傳感系統(tǒng)和PLC自動(dòng)控制系統(tǒng)組成。具體外形圖見圖2。其中殼體側(cè)板和端板組成料倉的足夠大儲(chǔ)料空間，液壓系統(tǒng)提供動(dòng)力驅(qū)動(dòng)地板運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)物料的輸送，出料滾筒進(jìn)行均料的同時(shí)并將物料從料倉撥入下道工序的工藝上設(shè)備中。由于為了解決秸稈車輛在處理廠等候排隊(duì)和連續(xù)均勻上料問題，國內(nèi)外均采用大型儲(chǔ)料倉均勻上料系統(tǒng)。維爾利集團(tuán)金源機(jī)械和杭州能源環(huán)境根據(jù)中廣核衡水、廣西隆安、黑龍江八五三、新疆塔城等項(xiàng)目的要求，設(shè)計(jì)制造了220、150、90、120m3生物質(zhì)自動(dòng)步進(jìn)式自動(dòng)給料倉、輸送、破碎、預(yù)處理系統(tǒng)，其中衡水給料倉是目前亞洲最大的農(nóng)村廢棄物生物質(zhì)厭氧發(fā)酵上料預(yù)處理系統(tǒng)。

圖2 自動(dòng)步進(jìn)料均勻給料倉外形圖

1.3.1 步進(jìn)料倉的工作原理

液壓油缸驅(qū)動(dòng)料倉地板全部向前運(yùn)動(dòng)，物料隨著所有步進(jìn)地板整體同時(shí)前進(jìn)；走完油缸行程后，地板開始后退，后退時(shí)地板單塊逐個(gè)后退；地板數(shù)量按照3的倍數(shù)進(jìn)行布置，以3塊地板為例，單個(gè)地板運(yùn)動(dòng)其上物料產(chǎn)生的動(dòng)摩擦力小于2塊地板上物料產(chǎn)生的靜摩擦力，這樣按照地板每次全部同時(shí)前進(jìn)然后單塊逐個(gè)后退到初始位置的循環(huán)往復(fù)方式運(yùn)行，物料每周期都能往出料方向前進(jìn)一個(gè)油缸行程的距離；物料前進(jìn)到出料滾筒處被滾筒均料打散進(jìn)入出料口輸送至下一道工藝流程。圖3為九根地板間歇式出料運(yùn)行模式。

圖3 九根地板間歇式出料運(yùn)行示意圖

1.3.2 步進(jìn)料倉運(yùn)行參數(shù)設(shè)計(jì)計(jì)算分析

（1）設(shè)計(jì)基本參數(shù)。物料，干黃秸稈，預(yù)破碎粒度20mm～100mm，容重0.55t/m3，含水率20%～25%,料倉公稱容積220m3，實(shí)際有效容積218m3，最大滿倉承載重量120t。幾何尺寸長18m×寬3.6m×高3.37m，步進(jìn)油缸行程300mm，額定處理能力20t/h。通過力學(xué)計(jì)算獲得液壓站極限壓力21MPa，液壓站電機(jī)功率30kW，油缸型號G=80/45。

（2）地板循環(huán)按間歇式運(yùn)行方式，相當(dāng)于料倉在周期性將物料向前推進(jìn)，每運(yùn)行1個(gè)周期秸稈前進(jìn)300mm；每個(gè)運(yùn)行周期的時(shí)間為T：

T= t1+ t2+ t3=100s+9×5s+10s+9×2s=173s；

其中t1為地板前進(jìn)時(shí)間，t2為地板后退時(shí)間，t3為地板停留時(shí)間。

每運(yùn)行一個(gè)周期，能夠輸送的秸稈體積為V1：

V1=W×H×S=3.6m×2m×0.3m=2m3

其中W為物料堆積寬度，H為物料堆積高度，S為物料前進(jìn)距離。N為每小時(shí)地板能夠循環(huán)運(yùn)行的次數(shù)，N=3600/T=21，T為每個(gè)循環(huán)的運(yùn)行周期，步進(jìn)料倉每小時(shí)的輸送量為Q：則Q=N×V1=42m3/h折合處理量能力為23.1t/h。

結(jié)合秸稈堆積密度，按此方式運(yùn)行的步進(jìn)料倉處理量可以達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

1.3.3 步進(jìn)式料倉輸送設(shè)備的特點(diǎn)

步進(jìn)式料倉輸送設(shè)備實(shí)現(xiàn)了大容積物料的輸送，具有料倉貯存量大、承載能力強(qiáng)、封閉性好、設(shè)備一體化和輸送效率高、運(yùn)行時(shí)喂料方便等優(yōu)勢，自動(dòng)化程度高且避免了帶載啟動(dòng)的風(fēng)險(xiǎn)，采用液壓系統(tǒng)作為動(dòng)力穩(wěn)定性更高，出料時(shí)出料口有傾斜布置的勻料滾筒，既能起到均料限制出料高度的作用，又能將積壓的塊狀物料打散，方便后續(xù)工藝流程的處理。

2.工程應(yīng)用介紹

2.1 中廣核衡水衡水項(xiàng)目生物質(zhì)厭氧發(fā)酵處理工程概況

中廣核衡水混合原料10萬方生物天然氣項(xiàng)目，是2012國家發(fā)改委/農(nóng)業(yè)部生物天然氣試點(diǎn)項(xiàng)目，具體概況見表1。衡水項(xiàng)目生物質(zhì)厭氧發(fā)酵預(yù)處理工藝流程見圖1，衡水項(xiàng)目步進(jìn)料倉輸送設(shè)備的設(shè)計(jì)依據(jù), 設(shè)計(jì)參數(shù)要求參見表2，按照要求進(jìn)行步進(jìn)料倉輸送設(shè)備的設(shè)計(jì)，主要設(shè)計(jì)參數(shù)見表3。設(shè)計(jì)結(jié)果參見1.3.3。

表1 衡水項(xiàng)目概況

表2 衡水料倉設(shè)計(jì)依據(jù)參數(shù)表

表3 衡水項(xiàng)目步進(jìn)料倉輸送設(shè)備主要設(shè)計(jì)參數(shù)

2.2 項(xiàng)目步進(jìn)料倉實(shí)際運(yùn)行情況

衡水項(xiàng)目料倉進(jìn)料方式為自卸卡車側(cè)面和尾部卸料同時(shí)卸料兩種方式，秸稈在步進(jìn)料倉內(nèi)平均堆高2m左右，運(yùn)行時(shí)步進(jìn)式料倉按照間歇式模式進(jìn)行出料。（見圖3）

液壓油缸驅(qū)動(dòng)地板運(yùn)動(dòng)，前進(jìn)時(shí)9根地板同步前進(jìn)，后退時(shí)單根逐個(gè)后退；根據(jù)后續(xù)工藝設(shè)備處理要求進(jìn)行地板運(yùn)行速度的調(diào)整，前進(jìn)時(shí)地板前進(jìn)油缸行程300mm，用時(shí)約100s，后退時(shí)從滿行程300mm位置退到初始位置用時(shí)5s；同時(shí)9根油缸運(yùn)行時(shí)存在同步性差異，在前進(jìn)和后退位置均設(shè)置了停留時(shí)間保證9根油缸均能走完最大300mm行程，前進(jìn)位置設(shè)置停留時(shí)間10s，后退位置設(shè)置停留時(shí)間2s。

正常2m物料高度運(yùn)行時(shí)，地板前進(jìn)液壓站壓力10MPa左右，地板后退液壓站壓力15MPa左右。在基本滿倉3m物料高度運(yùn)行時(shí)，地板前進(jìn)液壓站壓力12MPa左右，地板后退液壓站壓力18MPa左右。

2.3 廣西隆安、黑龍江853、新疆塔城等項(xiàng)目步進(jìn)料倉式輸送設(shè)備的工程運(yùn)行驗(yàn)證

在衡水項(xiàng)目（見圖4和圖5 ）2013年交付運(yùn)行之后的基礎(chǔ)上陸續(xù)設(shè)計(jì)了廣西隆安（見圖6和圖7）、黑龍江853（見圖8和圖9）、新疆塔城等生物質(zhì)厭氧發(fā)酵處理項(xiàng)目的預(yù)處理系統(tǒng)。通過這些項(xiàng)目的成功運(yùn)行，以及實(shí)際運(yùn)行結(jié)果與理論計(jì)算的對比，進(jìn)一步驗(yàn)證了我們參數(shù)設(shè)計(jì)的合理性，也驗(yàn)證了我們衡水項(xiàng)目運(yùn)行分析的正確性。

圖4 中廣核衡水項(xiàng)目預(yù)處理照片1

圖5 中廣核衡水項(xiàng)目預(yù)處理照片2

圖6 廣西隆安項(xiàng)目預(yù)處理照片1

圖7 廣西隆安項(xiàng)目預(yù)處理照片2

圖8 黑龍江隆安853項(xiàng)目現(xiàn)場照片1

圖9 黑龍江隆安853項(xiàng)目現(xiàn)場照片2

3.分析與討論

3.1 衡水項(xiàng)目步進(jìn)料倉式輸送設(shè)備的運(yùn)行分析研究

（1）結(jié)合步進(jìn)式料倉實(shí)際運(yùn)行情況和相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)對步進(jìn)料倉運(yùn)行進(jìn)行分析研究，衡水項(xiàng)目的秸稈為黃儲(chǔ)秸稈屬于松散型物料，在步進(jìn)料倉進(jìn)行秸稈的輸送過程中，通過液壓站壓力變化的參數(shù)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)秸稈的實(shí)際堆積密度和秸稈的粒徑以及秸稈在料倉內(nèi)的堆高都有關(guān)系。具體如圖10和圖11所示。

圖10 秸稈粒徑與堆積密度的變化曲線

圖11 秸稈在料倉內(nèi)堆積高度與堆積密度的變化曲線

綜上分析，秸稈粒徑越小以及秸稈在料倉內(nèi)堆高越高，其實(shí)際堆積密度越大。同理秸稈堆積密度越大，其對料倉地板產(chǎn)生的摩擦力越大，液壓系統(tǒng)所需壓力也越大，如圖12所示。

圖12 秸稈堆積高度與液壓站壓力的變化曲線

（2）衡水項(xiàng)目的步進(jìn)式料倉是按照間歇式進(jìn)行運(yùn)行；在地板間歇式運(yùn)行的周期中，地板前進(jìn)過程是實(shí)際出料的有用功階段，地板后退和轉(zhuǎn)換的停留時(shí)間為出料的無用功階段，所以料倉在此種模式下運(yùn)行其輸送處理量完全取決地板的前進(jìn)速度，按照衡水項(xiàng)目料倉正常物料平均堆高為2m，在地板不同前進(jìn)速度下進(jìn)行處理量的計(jì)算如圖13所示。

圖13 步進(jìn)地板前進(jìn)速度與秸稈輸送量的變化關(guān)系

綜上分析，地板前進(jìn)速度越快，其輸送量越大，但由于后續(xù)工藝設(shè)備破碎機(jī)的處理量限制，地板速度需要控制在合理的范圍之內(nèi)。

（3）衡水項(xiàng)目的步進(jìn)料倉是按照間歇式的模式進(jìn)行運(yùn)行處理，在間歇式處理的過程中，料倉地板的后退和轉(zhuǎn)換停留均為輸送物料的無用功時(shí)間，增加了額外的能耗。后續(xù)項(xiàng)目中通過增加位移傳感器和液壓精確調(diào)速閥、比例閥等，嚴(yán)格控制油缸的前進(jìn)及后退速度，始終保證在地板動(dòng)作過程中，其中一個(gè)地板在后退，其余地板都在前進(jìn)，這樣就能把物料持續(xù)向出料方向推進(jìn)，實(shí)現(xiàn)了料倉的連續(xù)式輸送出料，相對間歇式模式，連續(xù)型出料運(yùn)行更加高效穩(wěn)定，同時(shí)還降低了能耗。

（4）另外步進(jìn)式料倉輸送系統(tǒng)，可配置稱重傳感系統(tǒng)實(shí)時(shí)顯示料倉內(nèi)物料重量和料倉的輸送量，同時(shí)通過網(wǎng)絡(luò)和組態(tài)軟件可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制并設(shè)定運(yùn)行模式，對步進(jìn)料倉進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控的同時(shí)還實(shí)現(xiàn)了步進(jìn)料倉的自動(dòng)化和智能化。

3.2 結(jié)論

通過步進(jìn)料倉實(shí)際運(yùn)行參數(shù)與理論設(shè)計(jì)參數(shù)對比分析，可知由于料倉需要足夠的緩存體積，其截面尺寸必定很大，這樣物料的前進(jìn)速度需要足夠慢才能保證輸送的物料量不超出后續(xù)設(shè)備的處理量。我們必須按照工藝要求從物料平衡的角度出發(fā)合理控制和調(diào)整料倉地板的前進(jìn)速度。

鑒于秸稈粒徑及堆高對秸稈堆積密度的影響，我們要仔細(xì)了解項(xiàng)目處理的物料特性和相關(guān)工況，以保證料倉地板能夠被液壓系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)。

在步進(jìn)料倉滿足機(jī)械需求的前提下我們主要從液壓系統(tǒng)方向入手對相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整優(yōu)化。結(jié)合項(xiàng)目工藝要求不斷的合理調(diào)整相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)，在保障滿足使用的情況下還能節(jié)省生產(chǎn)成本，降低運(yùn)營成本。

4.結(jié)語

步進(jìn)式料倉輸送設(shè)備滿足農(nóng)村有機(jī)廢物厭氧預(yù)處理的要求，具有大容量緩存物料能力，處理量范圍可調(diào)性非常高，具有很高的靈活性，模塊化設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，適應(yīng)性非常強(qiáng)，作為一種穩(wěn)定高效的輸送設(shè)備，步進(jìn)式料倉輸送設(shè)備兼具了接收、存儲(chǔ)、輸送的優(yōu)良性能。通過步進(jìn)式料倉在農(nóng)村有機(jī)廢棄物生物質(zhì)厭氧發(fā)酵處理項(xiàng)目中的應(yīng)用，提高了生物質(zhì)的綜合利用效益，為設(shè)計(jì)研發(fā)適應(yīng)國情的有機(jī)廢棄物預(yù)處理設(shè)備提供了經(jīng)驗(yàn)，可以將其推廣到其他類型環(huán)保項(xiàng)目中使用，特別是生活垃圾、廚余垃圾、可回收垃圾等相關(guān)環(huán)保處理項(xiàng)目的預(yù)處理系統(tǒng)，還可作為其他行業(yè)散料輸送設(shè)備使用。