本發(fā)明屬于農(nóng)業(yè)機械領(lǐng)域，具體涉及一種氣體循環(huán)式農(nóng)作物秸稈裂解機。

背景技術(shù)：

近年來，大氣污染特別是霧霾的頻發(fā)引起了人們的廣泛關(guān)注。研究表明，工農(nóng)業(yè)活動等人為活動是導(dǎo)致我國大氣質(zhì)量顯著下降的首要原因，其中我國東部地區(qū)農(nóng)業(yè)收獲季節(jié)大量農(nóng)作物殘茬的大面積燃燒也是導(dǎo)致我國發(fā)生區(qū)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(zhì)廢棄物，每年產(chǎn)生的各類農(nóng)作物秸稈總量在7億t左右，其中水稻、小麥、玉米等大宗農(nóng)作物秸稈在5億t左右。隨著現(xiàn)代能源的引進，現(xiàn)代農(nóng)村地區(qū)以生物質(zhì)作為燃料的越來越少，由于生物質(zhì)的利用技術(shù)匱乏，致使目前農(nóng)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(yán)重污染大氣環(huán)境。因傳統(tǒng)的生物質(zhì)轉(zhuǎn)化方式無法滿足農(nóng)村現(xiàn)代化需要，生物質(zhì)的優(yōu)質(zhì)化轉(zhuǎn)化利用勢在必行。目前，生物質(zhì)能的主要轉(zhuǎn)換技術(shù)包括物理轉(zhuǎn)換技術(shù)、化學(xué)轉(zhuǎn)換技術(shù)、生物轉(zhuǎn)換技術(shù)。其中物理轉(zhuǎn)換技術(shù)即壓縮成型技術(shù)，主要目的是實現(xiàn)減少運輸費用、提高使用設(shè)備的有效容積燃燒強度、提高轉(zhuǎn)換利用的熱效率；化學(xué)轉(zhuǎn)換技術(shù)主要包括傳統(tǒng)化學(xué)轉(zhuǎn)化和熱化學(xué)轉(zhuǎn)化，指生物質(zhì)在缺氧高溫的條件下分解、斷裂或重整，產(chǎn)生的熱解氣主要由co、h2、ch4以及少量co2和n2，經(jīng)過凈化后可以得到可燃?xì)?；生物轉(zhuǎn)換可分為水解、厭氧發(fā)酵、生物制氫等。

通過生物質(zhì)熱裂解技術(shù)產(chǎn)生的生物炭，由于其具有孔徑多、比表面積大、吸附性能優(yōu)良、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定等諸多優(yōu)良的特性，目前已受到國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注，近年來國內(nèi)外也針對生物炭進行了廣泛的研究。不管是在水污染修復(fù)、工業(yè)廢氣治理還是土壤污染修復(fù)方面，生物炭都具有很好的應(yīng)用前景。其中，生物炭應(yīng)用于土壤修復(fù)其優(yōu)勢主要體現(xiàn)在：(1)生物炭具有很好的化學(xué)穩(wěn)定性，當(dāng)其施入土壤后可保持長時間穩(wěn)定，這有利于碳的固定，對全球溫室效應(yīng)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(yōu)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(fā)生絡(luò)合反應(yīng)，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(huán)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(yōu)良特性，本專利公開了一種氣體循環(huán)式農(nóng)作物秸稈裂解機，旨在將目前農(nóng)村過剩的農(nóng)作物秸稈轉(zhuǎn)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(nèi)也開發(fā)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(huán)境，使得生物炭生產(chǎn)率不高，造成生物質(zhì)能源的浪費。如：中國發(fā)明專利申請?zhí)?01010514198.7，專利名稱是用于還田的生物質(zhì)炭制取及燃?xì)庥酂峄厥绽醚b置；中國發(fā)明專利申請?zhí)?01310339328.1，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(fā)明專利申請?zhí)?01110270564.3，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(fā)明專利申請?zhí)?01210135912.0，專利名稱是一種稻麥?zhǔn)崭钆c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(zhì)的缺氧裂解和生物炭的生成，但無法保證裂解的缺氧環(huán)境，生物炭產(chǎn)率低下，在實際應(yīng)用中會有所限制。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種氣體循環(huán)式農(nóng)作物秸稈裂解機，通過氣體分離循環(huán)系統(tǒng)，實現(xiàn)裂解廢氣的綜合利用，能通過返通入co2排除裂解室內(nèi)空氣，確保裂解室的缺氧環(huán)境，提高生物炭產(chǎn)率，以解決上述背景技術(shù)中的缺點與不足。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

氣體循環(huán)式農(nóng)作物秸稈裂解機，包括秸稈收集系統(tǒng)、氣體分離循環(huán)系統(tǒng)、生物炭裂解撒播系統(tǒng)和駕駛室；

所述的駕駛室用于驅(qū)動裂解機行進和制動；

所述的生物炭裂解撒播系統(tǒng)包括裂解室和燃燒室，由一個箱體通過導(dǎo)熱性優(yōu)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(shè)置格柵作為進氣口和物料撒播口；

所述的秸稈收集系統(tǒng)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(huán)系統(tǒng)用于對裂解室和燃燒室中產(chǎn)生的氣體進行分離和循環(huán)利用；其主體為一條首尾相連的循環(huán)管路，循環(huán)管路中注有非滿管的熱堿溶液并設(shè)有射流泵以推動熱堿溶液沿管路順時針流動；循環(huán)管路上沿順時針方向依次設(shè)有廢氣導(dǎo)入口、可燃性氣體出氣口和co2出氣口，所述的循環(huán)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(dǎo)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(dǎo)入口和co2出氣口之間較短的管路上設(shè)置有氣體阻流板，氣體阻流板設(shè)置于循環(huán)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(cè)空氣的直接流動。

本發(fā)明的富氧區(qū)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(xù)行進，通過開關(guān)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(huán)系統(tǒng)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(huán)導(dǎo)入裂解室，保證裂解缺氧環(huán)境；可燃性氣體則循環(huán)導(dǎo)入燃燒室，輔助燃燒為裂解提供所需能量。

作為優(yōu)選，所述的駕駛室底部設(shè)有發(fā)動機、制動系統(tǒng)和行進皮帶輪，所述的發(fā)動機和制動系統(tǒng)分別用于驅(qū)動和制動所述的行進皮帶輪。

作為優(yōu)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(dǎo)入口位于升溫段和降溫段的過渡區(qū)域上。

作為優(yōu)選，所述的秸稈收集系統(tǒng)由一排末端帶有彎鉤的轉(zhuǎn)子構(gòu)成，轉(zhuǎn)子一側(cè)設(shè)置有傳送帶，傳送帶的末端位于裂解室側(cè)壁上部的進料口附近；所述的彎鉤用于攜帶秸稈隨轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)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(yōu)選，所述的轉(zhuǎn)子靠近傳送帶一側(cè)設(shè)有刮板，刮板上設(shè)有僅供轉(zhuǎn)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(yōu)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(jié)構(gòu)，用于將位于刀鋒處的秸稈切斷。

作為優(yōu)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(yōu)選，所述的燃燒室一側(cè)設(shè)有進料設(shè)備，用于將被秸稈收集系統(tǒng)收集起來的秸稈轉(zhuǎn)移至燃燒室中作為燃料。

作為優(yōu)選，所述的裂解室和燃燒室的外殼中設(shè)有耐火材料制成的絕熱保溫隔層。

作為優(yōu)選，所述的冷卻室中填充有淹沒循環(huán)管路的冷卻液，并設(shè)有制冷設(shè)備進行制冷。

本發(fā)明對裂解氣體中的可燃?xì)膺M行了回收利用，提高了生物質(zhì)能源利用率，減少了有害氣體排放。通過氣體分離循環(huán)系統(tǒng)后，可燃?xì)馀cco2分離，將可燃?xì)鈱?dǎo)入燃燒室，使其充分燃燒，為裂解室內(nèi)生物質(zhì)裂解提供能量。燃燒室內(nèi)產(chǎn)生的co2，與裂解氣體一起導(dǎo)入裝有流動熱堿的氣體分離鋼管，經(jīng)分離后通入裂解室，確保裂解缺氧環(huán)境，部分排出并用堿液吸收。堿液吸收co2后的副產(chǎn)物可作為工業(yè)生產(chǎn)原料。

附圖說明

圖1為氣體循環(huán)式農(nóng)作物秸稈裂解機的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為燃燒室和裂解室的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為氣體分離循環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4為循環(huán)管路7的開口分布示意圖；

圖5為氣體阻流板16的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖6為秸稈收集的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖7位分隔板結(jié)構(gòu)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(huán)管路7、分隔板8、冷卻室9、制動系統(tǒng)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(dǎo)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(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明做進一步闡述。

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

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(tǒng)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(huán)系統(tǒng)用于對裂解室1和燃燒室4中產(chǎn)生的氣體進行分離和循環(huán)利用。生物炭裂解撒播系統(tǒng)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(nóng)田中。

下面對各子系統(tǒng)的具體實現(xiàn)方式進行詳細(xì)說明。

駕駛室2底部設(shè)有發(fā)動機、制動系統(tǒng)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(yè)時可一邊向前行進，一邊收集田間秸稈。發(fā)動機和制動系統(tǒng)10分別用于驅(qū)動和制動所述的行進皮帶輪5。駕駛室設(shè)置于機體前方頂部，內(nèi)設(shè)駕駛操作臺、進料開關(guān)、點火開關(guān)、生物炭撒播控制開關(guān)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(guān)集成于中央控制系統(tǒng)中，通過plc等自控設(shè)備進行自動化控制。

如圖2所示，生物炭裂解撒播系統(tǒng)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(nèi)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(nèi)高溫環(huán)境，及避免爐體外溫度過高存在安全隱患。裂解室1應(yīng)保持密閉環(huán)境，通過co2的循環(huán)輸入，排出室內(nèi)空氣，提供缺氧環(huán)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(jié)構(gòu)，用于在鋼板閉合縫19位置將位于刀鋒處的秸稈切斷，實現(xiàn)兩室分離和裂解室相對密封。燃燒室4底部設(shè)置格柵6作為進氣口和物料撒播口，保證燃燒室通風(fēng)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(nèi)，與后續(xù)收集的秸稈一起裂解后撒播。燃燒室4中設(shè)有點火裝置，用于點燃秸稈。

秸稈收集系統(tǒng)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(shè)置4個末端帶有彎鉤的轉(zhuǎn)子構(gòu)成，彎鉤攜秸稈隨轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動。如圖6所示，傳送帶設(shè)置于轉(zhuǎn)子下降的位置下方，傳送帶的末端位于裂解室1側(cè)壁上部的進料口附近。轉(zhuǎn)子靠近傳送帶一側(cè)設(shè)有刮板21，刮板21上設(shè)有4條僅供轉(zhuǎn)子通過的開槽，每條開槽位置與轉(zhuǎn)子對應(yīng)，寬度略大于轉(zhuǎn)子的彎鉤寬度。彎鉤邊緣為刀刃部。彎鉤用于攜帶秸稈隨轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動，并將秸稈落至傳送帶22上，在轉(zhuǎn)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(cè)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(dāng)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(cè)設(shè)有進料設(shè)備，用于將被秸稈收集系統(tǒng)收集起來的秸稈轉(zhuǎn)移至燃燒室4中作為燃料。進料設(shè)備可以采用推桿、抓斗等設(shè)備。

如圖3和4所示，氣體分離循環(huán)系統(tǒng)主體為一條首尾相連的循環(huán)管路7，循環(huán)管路7中注有非滿管的熱堿溶液并設(shè)有射流泵17以推動熱堿溶液沿管路順時針流動；循環(huán)管路7上沿順時針方向依次設(shè)有廢氣導(dǎo)入口15、可燃性氣體出氣口14和co2出氣口13，循環(huán)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(huán)管路7的冷卻液，并設(shè)有制冷設(shè)備進行制冷。廢氣導(dǎo)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(dǎo)入口15和co2出氣口13之間較短的管路上設(shè)置有氣體阻流板16，如圖5所示，氣體阻流板16設(shè)置于循環(huán)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(cè)空氣的直接流動。

氣體分離循環(huán)系統(tǒng)的工作過程如下：

降溫段置于冷卻室內(nèi)，當(dāng)燃燒室和裂解室內(nèi)廢氣在抽氣泵的作用下導(dǎo)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(dǎo)入燃燒室內(nèi)，參與燃燒，為生物質(zhì)裂解提供能量；升溫段置于燃燒室內(nèi)，當(dāng)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(dǎo)出外部由堿液吸收，部分經(jīng)co2出氣口13導(dǎo)入裂解室內(nèi)以提高裂解室中co2濃度并擠出氧氣，確保裂解室內(nèi)缺氧環(huán)境，促進生物質(zhì)的缺氧裂解。廢氣導(dǎo)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(huán)管路7由不銹鋼材質(zhì)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(nèi)壁。氣體阻流板16可以防止進入管內(nèi)的廢氣直接通過管道內(nèi)的頂空由出氣口13排出而不參與循環(huán)，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(huán)。吸收一定co2后的堿液可進行更換，舊溶液可用于工業(yè)用途。

氣體分離循環(huán)系統(tǒng)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(shè)計。本實施例中，廢氣導(dǎo)入口15位于升溫段11和降溫段12的過渡區(qū)域上，該區(qū)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(diào)整。

利用上述裝置進行農(nóng)作物秸稈裂解還田的方法如下：

首先，將氣體循環(huán)式農(nóng)作物秸稈裂解機開至鋪有秸稈的農(nóng)田中，打開裂解室1上的進料口，驅(qū)動行進皮帶輪5轉(zhuǎn)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(qū)動秸稈收集器上的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)子上的彎勾將農(nóng)田表明的秸稈卷起，并將秸稈落至傳送帶22上，在轉(zhuǎn)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(qū)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(guān)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(tài)。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(shè)備將被秸稈收集系統(tǒng)收集起來的秸稈轉(zhuǎn)移至燃燒室4中作為燃料。

裂解時間設(shè)置為1小時(也可以根據(jù)具體情況進行調(diào)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(dǎo)入口15，經(jīng)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(huán)境；燃燒室4中的秸稈燃燒后產(chǎn)生的生物炭經(jīng)格柵6施入沿程的田間。

以上所述的實施例只是本發(fā)明的一種較佳的方案，然其并非用以限制本發(fā)明。有關(guān)技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)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(shù)方案，均落在本發(fā)明的保護范圍內(nèi)。