一、作品背景

随着我国农村生活水平的提高，秸秆作为传统的生活燃料和畜类食料，逐渐被煤电等其它能源和料材所取代，同时由于农村缺乏劳动力对秸秆的清理，及秸秆对下季播种的影响，因此多数农民选择将秸秆焚烧的办法进行处理，各地秸秆焚烧已成极普遍极严重的污染源，政府痛心疾首呼吁解决。同时秸秆是一种清洁可再生能源，焚烧秸秆不仅造成严重的环境污染，还造成资源的浪费，秸秆的综合利用是我国亟待解决的问题。

秸秆综合利用的途径主要集中在肥料、饲料、基料、原料和能源５个领域。其回收利用要通过秸秆还田、秸秆饲料、秸秆食用菌、秸秆制粒、秸秆发电、秸秆沼气等应用来实现。

农作物秸秆碳化加工，作为一种新型环保的处理方式日益兴起。 生物质炭，是由生物质原料在完全或部分缺氧的情况下，经热解碳化产生的一类难熔性固态芳香物质，具有孔隙度好、比表面积大、吸附能力强、燃烧性能优越等特点。生物质炭应用于生态与环境领域，可以固碳减排，是一种有效的“碳汇”技术。生物质炭与农、林业相结合，可解决农林废弃资源污染与温室气体排放问题。生物质炭应用于能源领域，可成为替代煤、石油、天然气的清洁能源。生物质炭施入农田，可有效改善土壤理化性质，增加作物产量。目前，生物质炭在环境、农业和能源等领域，都具有重要的应用价值，被誉为“黑色黄金”。

秸秆制炭采取“集中制炭”方法，明显弊端是：使用的设备较大，需要大量的基础设施投入；秸秆运输距离远，成本较高。

秸秆是农业生产的副产物，生产量巨大，如果疏于管理进行焚烧，将对环境造成严重污染。在我国政府的倡导下，秸秆综合利用将产生巨大经济价值和效益，为我国可持续发展作出贡献。

据统计，全世界每年秸秆产量为29亿多吨，其中麦秸秆占21%，稻草占19%，玉米秸45%，其他占15%。其中我国的农作物秸杆产量虽然没有精确的统计数据，但一般可以用作物种植面积及其产量推算出来，一般说来，多数谷物，其秸秆与籽料产量比为1：1，玉米秸秆为1.2：1，而高梁秆、谷草为2：1。我国的农作物播种面积为1.45亿公顷，其中粮食作物占76%，年产粮食4亿吨左右，因此可以推算出我国年产秸秆5亿吨左右(来自《中国农业统计年鉴》2015)，另据报道，我国农作物秸秆年总产量达7亿多吨，其中稻草2.3亿吨，玉米秸2.2亿吨，豆类和秋杂粮作物秸秆1亿吨，上述秸秆依其产量由多到少，其顺序为：稻草、小麦秸、玉米秸、薯类和其他杂粮秸茎藤蔓、大豆秆、谷草、高梁秸。

随着我国农村生活水平的提高，秸秆作为传统的生活燃料和畜类食料，逐渐被煤电等其它能源和料材所取代，同时由于农村缺乏劳动力对秸秆的清理，及秸秆对下季播种的影响，因此多数农民选择将秸秆焚烧的办法进行处理。秸秆是一种清洁可再生能源，焚烧秸秆不仅造成严重的环境污染，还造成资源的浪费。

秸秆压块机是把秸秆等生物质原料粉碎压缩制成高效、环保燃料或饲料的设备。秸秆压块机压出的产品是用来做饲料或燃料的。经过实践和不断的改进，秸秆压块机已日臻完善。秸秆压块机具有自动化程度高、产量高、价格低、耗电少、操作简单、环境无污染等优点。

但目前存在压块设备位置固定，需要把秸杆收割、运输到指定位置，为农业生产带来不便，结合地方生产实际情况，优化设计一秸秆收割与压块一次性完成的设备，对现代农业生产具有重大的意义。

三、前期作品介绍

1）打块系统前期研究介绍

螺旋板式秸秆粉碎压块机总体结构如图 1 所示，由粉碎部分、螺旋压料部分和排料成型部分组成。主要包括壳体、电机、支架、多个切刀组、粉碎装置、过滤板、螺旋压料推送板、出料板等。

工作过程

秸秆从进料口放入，在秸秆进入进料口内之后，电机带

动转盘转动，转盘带动多个三角切刀运动，三角切刀紧靠壳

体内壁，当三角切刀经过进料口时，将进入壳体内部的一部分秸秆切下来，将长度较长的秸秆分割成多段较短的秸秆；

由于每个粉碎装置均对应一个三角切刀，所以被三角切刀切

下的秸秆掉落至弧形外壳Ⅰ、弧形外壳Ⅱ的粉碎装置内，其

中体积较大的秸秆底部与弧形外壳的底面接触，顶部位于弧

形外壳Ⅰ内部，由于转轴被转盘带动旋转，所以连接在转轴

上的 Y 形连接杆也随着旋转，进而带动弧形外壳Ⅰ、弧形外壳Ⅱ旋转，而固定切刀固定连接在壳体内部，所以当弧形外壳Ⅰ、弧形外壳Ⅱ经过固定切刀时，固定切刀对弧形外壳Ⅰ、弧形外壳Ⅱ内部的秸秆进行切割，实现二次切割；又由于固定切刀的底端设有橡胶垫，所以当下一个固定切刀与弧形外壳Ⅰ、弧形外壳Ⅱ内部被切割的秸秆接触时，通过橡胶垫的摩擦带动位于弧形外壳Ⅱ底面上的秸秆从侧面的开口处滑出，位于弧形外壳Ⅰ内的秸秆向下滑落至弧形外壳Ⅱ内，若不能直接通过弧形外壳Ⅱ侧面的出口，则重复上述操作将秸秆进行再切割，如此往复；从粉碎装置内滑出的秸秆掉落至过滤板上端，转轴带动转动连接件、过滤板转动，过滤板带动位于其上端的秸秆转动，转动连接件随转轴转动时，转动连接件上的三角凹槽不断与连接杆Ⅱ滑动配合，连接杆Ⅱ移动至三角凹槽最低端时，切刀Ⅱ与过滤板的上端面接触，并且切刀Ⅱ对过滤板上的秸秆进行进一步切割，随着转动连接件转动，三角凹槽带动连接杆Ⅱ绕着交接点转动，使切刀Ⅱ脱离过滤板，当再移动至三角凹槽内后再次对过滤板上的秸秆进行切割，如此往复，转动连接件转动的同时，带动三角凸块转动，当连接杆Ⅰ移动至三角凸块的最上端时，刷子不与过滤板接触，当连接杆Ⅰ在连接件主体的上端面上滑动时，刷子与过滤板的上端面接触，作用是将秸秆聚集方便切割，同时还能搅动秸秆堆，方便达到标准的颗粒从过滤板上的过滤孔滤下去，弹簧的作用是能保证刷子与过滤板紧密接触，避免刷子与过滤板之间留有空隙，影响秸秆聚堆和翻动秸秆的效果；从过滤板漏出的达到标准的秸杆颗粒经过螺旋板的带动推压紧靠在圆板上，并通过锥形孔成型脱离装置。

2）炭化系统前期研究介绍

连续式秸秆碳化装置的主要结构如图 1 所示。主要由送 料装置、预热室、碳化室、恒温室、出料缓冲室、水冷却装 置、干燥装置、出料装置等部分组成。其中送料室、预热室、 碳化室、恒温室组成主碳化管道。送料段内设螺旋送料器， 预热、碳化、恒温三段外设保温层，其上开有循环加热可燃 气入口、气体分离与净化出口、烟气处理出口等；冷却装置 外设循环冷却水出入口；干燥装置外设入、出风口，内部采 用带有若干支承导轮组的带输送机构。

秸秆碳化装置总体结构

1. 电动机 2.减速器 3.送料器 4.进料斗 5.预热室热风口 6.预热室 7.保温层 8.出气外管道 9.加热可燃气 I 号 10.集气管道 11.烟道 12.出气外管道 13.恒温室 14 尾气收集管.15.旋转开启门 16.出料缓冲室 17.水冷却装置 18.冷却装置出水管 19.输送电机 20.干燥装置出风管 21.干燥装置 22.支撑导轮组 23.导轮 24.出料口 25.冷却装置进水管 26.加热可燃气管道 II 27.碳化室 28.隔板 29.预热室热风口 30.碳化反应管

工作过程

经压缩成型后的固体秸秆物料由进料斗进入送料机构

后，由螺旋送料器送入预热室，经预热室风热处理，处理后

的气体排出去分离净化系统，物料进入碳化室碳化，可燃气

体在碳化室气体入口处高温点燃，气体燃烧产生的一氧化

碳、甲烷和氢气等热流体进一步送到净化分离系统，可燃原料大部分来源于本身碳化过程分离净化的可燃气体，以达到能源的循环利用。燃烧产生的少量经回收装置产生副产品，其他热源循环再利用进入碳化炉。物料在缺氧环境下燃烧，整个过程不见明火，结果生成炭颗粒，碳化室内设温度、湿度传感器，以保证恒温室内温度恒定。当检测碳化室内碳化物料达到要求后，恒温室终端旋转门开启，物料经缓冲室进入冷却装置，经水冷却管冷却后进入干燥室，在干燥室内采用传送带边排料传送边干燥，干燥后的成品经排料口排出装袋。

四、产品介绍

该作品前期研究为两个单独的设备，分别是螺旋式秸秆粉碎成型机和一种秸秆炭化设备，两个设备都成功申请专利，并发表相关论文两篇。经过后期研究，改进最终设计出秸秆绿色化处理装置，秸秆绿色化处理装置主要包括三个部分，秸秆粉碎部分、秸秆炭化部分和秸秆打块部分。

秸秆炭化是将秸秆经烘干或晒干、粉碎，然后在制炭设备中，经干燥、干馏、冷却等工序，将松散的秸秆制成木炭的过程。

由于干馏是秸秆炭化的核心工艺，所以也有人用秸秆干馏代指秸秆炭化。通过秸秆炭化生产的木炭可称为秸秆木炭或秸秆炭。由于秸秆炭化与传统的木炭烧制法不同，它以机械加工为主要手段，因而秸秆木炭又被称为机制秸秆木炭或机制木炭。由于秸秆炭化拓展了木炭生产的原料来源，所以有人把以秸秆、木材等生物质为原料通过机械干馏而制取的木炭统称为生物质木炭，简称为生物炭。

该技术属于秸秆“五化”综合利用（秸秆的饲料化、燃料化、肥料化、基料化、材料化）中的秸秆燃料化利用技术。适用于秸秆资源丰富、密度高、规模大、农户居住较为集中的村镇。

秸杆碳化还田技术，就是利用简易制炭设 备与技术将秸秆碳化成生物炭，再以生物炭为基质生产缓释肥或土壤改良剂还田。其生产流程是将含水量低于20%的秸秆放入钢结构移动式碳化炉中点燃，让其在缺氧环境下燃烧，整个过程不见明火，结果形成炭颗粒。燃烧产生的少量一氧化碳、甲烷和氢气经回收再利用。最后再以生物炭为载体，生产缓释肥和土壤改良剂。

秸秆打包系统的设计 ，是针对农村缺乏劳动力对秸秆的清理，及秸秆对下季播种的影响，多数农民选择将秸秆焚烧,从而对环境造成极度污染，为解决上述问题，秸秆打包系统把秸秆等生物质原料粉碎压缩制成高效、环保燃料或饲料。经过前期的实践和不断的改进，研究的秸秆压块机已基本完成，其具有自动化程度高、效率高、成本低、耗电少、操作简单等优点，特别是对防止环境无污染卓有成效.优化设计一秸秆收割与压块一次性完成的设备，可将秸秆压块后继续处理生产生物质（生物质能是一种取之不尽、用之不竭的可再生能源，来源于绿色植物的光合作用。生物质能是太阳能以化学能形式贮存在生物质中的能量形式，生物质成为能量的载体，在生物质能利用过程中只会释放植物光合作用所吸收的碳含量 ，可实现二氧化碳的零排放。）符合科学发展观有利于与实现可持续发展。

五、设计原理

本项目研究设计一种连续可移动式秸秆绿色化处理装置，采用组合式设计，便于拆装、搬运，显著降低原材料运输成本，制炭时无需大量外界能源投入，仅依靠自燃循环热源完成碳化过程，生产成本较低，生产生物质炭的同时，还可以通过收集、过滤等手段收获液态焦油、木醋液等副产品，经济效益明显，生产过程烟气污染少。通过将生物质碳化过程产生的烟气依次经过喷淋塔、冷却塔和除湿塔进行净化，从而减少烟气排放。农业种植中产生的秸秆传统处理方式以直接焚烧为主，粉碎回田为辅。秸秆绿色化处理装置可以根据用户需求不同完成秸秆不同方式的绿色化处理，主要两大功能：一是秸秆粉碎打包用于畜牧业，二为秸秆碳化处理用作土壤改良、肥料以及能源产业。该设备的应用及推广能够有效缓解农业秸秆焚烧这一社会矛盾，同时实现秸秆经济化，绿色化处理这一重要举措。

1）秸秆粉碎部分：

由进料口（1）、压草滚（2）、切刀组（3）、柔丝刀（4）、齿轮组（5）、出料口（6）、过度管（7）、皮带（8）、机架（9）、电机（10）组成。工作时，接通电源，草料从进料口（1）进入，通过压草滚（2）后切刀组（3）将其切碎，然后通过柔丝刀再次打碎，从而达到我们想要的粉碎效果，而这个过程由电机（10）带动皮带（8），然后带动齿轮组（5），带动秸秆粉碎部分进行工作。刀片用螺栓连接固定，可以随时更换，这样可以保证工作中过程中秸秆粉碎部分的粉碎效率。

 秸秆绿色化处理装置

切碎的草料通过出料口后进入过度管（7）可根据用户需求选择秸秆打包或秸秆炭化，或双功能同时进行。出料口设计为人字型，可以保证在打块和炭化设备同时工作的时候草料进入两端的料是一样多的，而只选择一部分工作的时候草料可以完全进入另外一部分。控制两部分电机的启停即可完成两个工作部分的选择，未启动的一端由于螺旋输送机停止工作，草料不会进入，从而草料完全进入另外一端，当再一次启动停止工作的一端时会将堵塞在输送机中的草料带出，并不会影响之后的正常工作。
        

2）秸秆打块部分：

秸秆炭化部分包括预热管（11）、废气回流管道（12）、炭化管道（13）、支撑架（14）、冷却管（15）、出料口（16）、电机（17）、上齿轮组（18）、皮带（19）、螺旋输送器（20）。进入秸秆打包部分，由螺旋输送器（20）输送进入打包进料口（23），然后由电机（24）带动齿轮组（21）带动皮带（22）带动下齿轮组（27），然后由连杆（26）的带动打块器（25）进行打块，最后从出料口（28）送出，最终完成打块。这一部分应用简单的曲柄滑块机构，把下齿轮组中大齿轮简化为连杆更容易理解，当草料落下时并不会落到打块器后方，只会落到打块器上方，但是由于由于出料口为凸字型结构落在打块器上方的草料在打块器往后时又因为阻碍落到打块器前方，并不会影响打块的正常工作。市场上现仅有秸秆打捆机、秸秆颗粒机、秸秆木炭机等，对秸秆进行储存或者物理改造的机器忽略了秸秆是重要的可再生生物质资源，而秸秆压块机却忽略了秸秆的收割过程也是相当困难，螺旋式秸杆收割成型机完美的将两者忽略的缺点解决，一体化生产十分方便。
 

秸秆炭化系统

3）秸秆炭化部分：

秸秆打包部分由上齿轮组（21）、皮带（22）、打块进料口（23）、电机（24）、打块器（25）、曲柄（26）、下齿轮组（27）、出料口（28）组成。切碎的草料进入秸秆炭化部分，由螺旋输送器（20）带入炭化管道（13），炭化结束后炭化料进入冷却管（15），而炭化过程中产生的废气将炭化管道（12）重新回升到炭化装置当中，这样避免有害气体的排放。最后在冷却管中通过螺旋输送器输送从出料口（16）放出，最终完成炭化。研发工作学校进行，在学习学校利用所学知识并且在老师不断的指导中进行，通过三维造型及模拟仿真，达到秸秆炭化绿色化处理装置设计要求，设计机械结构的相关图纸，用探索者创新组件搭建运动模型，我们将继续在大学生活在探索。