呂建強，呂　宸，王　連

(1.淮陰工學院 機械工程學院， 江蘇 淮安　223003；2.南京工業(yè)大學，南京　211816；3.淮安市蘇通市政機械有限公司，江蘇 淮安　223005)

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沼氣池擠壓式加料機械研究

呂建強1，呂宸2，王連3

(1.淮陰工學院 機械工程學院， 江蘇 淮安223003；2.南京工業(yè)大學，南京211816；3.淮安市蘇通市政機械有限公司，江蘇 淮安223005)

摘要：農(nóng)村沼氣池使用中，每年最少要進行兩次的集中大換料，日常還要不斷加料補充新鮮的發(fā)酵原料，以保證足夠濃度的新鮮原料供微生物分解代謝產(chǎn)生足量的沼氣供農(nóng)戶使用。近年來，因農(nóng)村產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整變化，分散的畜禽家庭養(yǎng)殖模式正逐漸被畜禽規(guī)?；叙B(yǎng)殖模式所取代，部分以畜禽糞便為主要發(fā)酵原料的農(nóng)村沼氣池出現(xiàn)了發(fā)酵原料短缺的問題，為保持沼氣池正常使用，需購買畜禽養(yǎng)殖場的畜禽糞便補充發(fā)酵原料。而目前還沒有相應的日常加料機械，只能靠人工方式加料，極為不便。為此，開發(fā)了一種擠壓式加料機械，通過對畜禽養(yǎng)殖場提供的畜禽糞便加水攪拌稀釋，使用擠壓裝置，通過沼氣池加料口管道加入沼氣池內(nèi)，這一加料過程在沼氣池封閉狀態(tài)下進行，不影響沼氣池正常使用，且實現(xiàn)了整個加料過程機械化。

關(guān)鍵詞：沼氣池；加料；擠壓機械

0引言

沼氣是一種綠色可再生能源，我國各級政府對農(nóng)村沼氣推廣應用高度重視，通過多種渠道、多種方式對農(nóng)村沼氣推廣使用投入了大量的人力、物力，通過多年來的努力解決了沼氣高效發(fā)酵菌、發(fā)酵工藝、安全控制及機械化出料等關(guān)鍵問題。尤其近年來我國農(nóng)村沼氣得到了巨大的發(fā)展，農(nóng)村沼氣得到了全面推廣使用，取得了巨大的成果。我國農(nóng)村沼氣用戶從2000年底的848萬戶至2010年底已突破4 000萬戶[1-5]。農(nóng)村沼氣的使用既代替了大量的自然能源，減少了大量的二氧化硫和煙塵排放，同時人畜禽糞便經(jīng)過沼氣發(fā)酵處理，殺滅了其中的大量的致病菌和寄生蟲卵，實現(xiàn)了無害化處理，避免了對環(huán)境的污染，沼氣的使用極大地改善了農(nóng)村的環(huán)境。沼氣發(fā)酵后存下的沼液、沼渣還是一種天然的有機肥，直接用于農(nóng)作物施肥，可極大地改善土壤微生態(tài)環(huán)境，促進土壤結(jié)構(gòu)改良。沼液進行農(nóng)作物葉面噴灑施肥可殺死農(nóng)作物的病、蟲，達到穩(wěn)產(chǎn)增產(chǎn)的效果，在諸多生物質(zhì)能源中沼氣顯示出良好的綜合優(yōu)勢[6-8]。農(nóng)村沼氣符合當今世界低碳綠色環(huán)保經(jīng)濟的發(fā)展要求，農(nóng)村沼氣已成為我國農(nóng)業(yè)循環(huán)經(jīng)濟建設的重要組成環(huán)節(jié)。

由于我國廣大農(nóng)村地域廣闊，地區(qū)間差異較大，農(nóng)村沼氣發(fā)展中還存在不少問題，部分地區(qū)農(nóng)村沼氣池建成一年后利用率只有85%，且因各種使用維護問題還在逐漸下降[9-10]。“糞荒”已成為部分地區(qū)農(nóng)村沼氣發(fā)展面臨的重大問題。長期以來，我國農(nóng)村沼氣主要依靠家庭養(yǎng)殖，以畜禽糞便資源為主要發(fā)酵原料；但近年來隨著農(nóng)村經(jīng)濟的發(fā)展和農(nóng)村產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整變化，分散的畜禽家庭養(yǎng)殖模式正逐漸被畜禽規(guī)?；叙B(yǎng)殖模式所取代。傳統(tǒng)的以畜禽糞便為主要發(fā)酵原料的農(nóng)村沼氣生產(chǎn)方式出現(xiàn)了發(fā)酵原料短缺的“糞荒”問題，要保持沼氣池正常使用需購買畜禽養(yǎng)殖場的畜禽糞補充發(fā)酵原料，農(nóng)村戶用沼氣的推廣使用受到了影響，大量的農(nóng)村沼氣池出現(xiàn)閑置問題，部分地區(qū)閑置沼氣池的比例達到40%以上[11-12]。近年來，沼氣服務專業(yè)合作社、沼氣協(xié)會等物業(yè)化管理形式的出現(xiàn)，農(nóng)村沼氣生產(chǎn)社會化服務體系正逐步形成，農(nóng)村沼氣服務網(wǎng)點有專業(yè)人員，可配備專業(yè)設備，為解決“糞荒”指出了有效途徑。為此，本文就農(nóng)村沼氣池加料機械開發(fā)進行了探討研究，以適應農(nóng)戶購買畜禽養(yǎng)殖場的畜禽糞便對沼氣池加料的機械化需求。

1農(nóng)村沼氣池的運行特點

我國農(nóng)村沼氣池主要為人畜糞便類沼氣池，沼氣發(fā)酵為厭氧發(fā)酵方式，是有機物在一定的水分、溫度和厭氧條件下，通過多種微生物的分解代謝，最終形成沼氣(甲烷和二氧化碳等混和氣體)的過程。為保證產(chǎn)氣正常而持久，必須保證沼氣發(fā)酵過程中提供足夠濃度的新鮮原料供微生物分解代謝。因此，農(nóng)村沼氣池每年最少要進行兩次的集中大換料和沼氣池維護，同時日常還要勤加料、勤出料，不斷地補充新鮮的發(fā)酵原料[13]。沼氣池加新料一般要在產(chǎn)氣量最高峰沒有下降以前，即在啟動后20天左右，最遲不得超過30天；應添加部分新料同時出掉部分舊料，一般每5～10天進出料1次；每次進出料量占沼氣池內(nèi)發(fā)酵料液量的3%～5%，控制好沼氣池內(nèi)發(fā)酵液濃度。農(nóng)村沼氣池適宜的發(fā)酵液濃度應控制在6%～10%。夏秋季節(jié)溫度較高，濃度可低一些；冬春季節(jié)溫度較低，發(fā)酵濃度應提高到8%～10%[14]。

近年來，農(nóng)村沼氣池發(fā)酵原料短缺地區(qū)，出現(xiàn)了以農(nóng)作物秸稈等農(nóng)業(yè)廢棄料部分替代的秸稈沼氣池。秸稈沼氣池的發(fā)酵工藝及集中大換料的機械化問題已解決[15-17]；但其日常換料非常困難，對其使用中的穩(wěn)定性受到一定的影響，這一問題還有待解決。我國目前80%的規(guī)?；笄蒺B(yǎng)殖場的畜禽糞便處理存在問題[18]。因此，部分地區(qū)沼氣池發(fā)酵原料短缺農(nóng)戶直接采購畜禽養(yǎng)殖場提供的原料，既保證沼氣池的正常使用，盤活了存量的農(nóng)村沼氣池，又解決了規(guī)?；笄蒺B(yǎng)殖場建設畜禽糞便處理設置投入較大的問題。

2沼氣池的加料

農(nóng)村沼氣池的加料分為大進料和日常進料，大進料在農(nóng)村沼氣池大清池換料時進行。沼氣池大換料時，需停止用氣，將脫硫器、調(diào)控凈化器等開關(guān)關(guān)閉，對沼氣池進行放氣卸壓；打開活動蓋板，通過鼓風排出池內(nèi)殘存的氣體；然后進行出料、加料、攪拌等工作；最后密封活動蓋板，2～3天后待沼氣池內(nèi)達到使用壓力后進行數(shù)次放氣試火，直至能持續(xù)燃燒，才可進行正常使用。

對于傳統(tǒng)的“一池三改”模式農(nóng)村沼氣池的日常加料：由于在沼氣池建造施工時，將沼氣池、豬圈、廁所三者進行了有機地結(jié)合，此類農(nóng)村沼氣池日常進料時，人、畜糞便在沖刷時可以自動流入池內(nèi)密閉發(fā)酵，節(jié)省輸送糞便入池的操作過程，省略了日常進料的步驟，使用非常方便[19]。而農(nóng)戶采購畜禽養(yǎng)殖場提供的畜禽糞便原料進行日常加料時就非常麻煩，其加料時要將發(fā)酵原料通過加料間進行加料，由于現(xiàn)在沒有相加料機械，加料方式主要為人工作業(yè)。由于加料間進料管尺寸較小，畜禽養(yǎng)殖場提供的畜禽糞便原料多為干料，一般的操作方法是人工用鐵鍬往加料間里加料，然后用木桿攪拌，使原料通過進料管進入沼氣池內(nèi)，工作效率極低，嚴重地影響著農(nóng)戶的使用積極性。

3擠壓式加料

根據(jù)農(nóng)村沼氣池的日常加料要求，加料應在沼氣池封閉狀態(tài)下進行，不同的季節(jié)所加原料有不同的濃度要求；加料時要進行一定的攪拌，起到破除和防止沼氣池結(jié)殼的作用，以使新、舊料充分混合，增加甲烷菌和發(fā)酵原料的分布均勻度及甲烷菌與發(fā)酵原料的接觸概率，使發(fā)酵溫度均勻，提高甲烷菌活動能力和繁殖能力及發(fā)酵原料中有機質(zhì)的分解速度，加速甲烷氣體從液體中分離速度，以增加沼氣產(chǎn)生速度[20]。此外，針對我國農(nóng)村沼氣池的分布及結(jié)構(gòu)特點，沼氣池的加料設備還要有較好的機動靈活性。

針對農(nóng)村沼氣池的日常加料要求，沼氣池擠壓式加料機(見圖1)以帶后動力輸出軸的中、小型拖拉機作為牽引動力，以車斗進行畜禽養(yǎng)殖場畜禽糞便干料運輸。車斗上設置一附加水箱以備在無法使用水源時使用，水箱出水管處設置水流量表和調(diào)節(jié)閥，以調(diào)節(jié)加水量控制加料濃度。車斗前部下端設一螺旋攪拌器，對畜禽糞便干料加水攪拌，同時向擠料裝置吸料口處推進。車斗前端設置一具有雙側(cè)輸出軸的變速箱，由拖拉機動力輸出軸將動力輸入，由兩輸出軸通過皮帶分別向螺旋攪拌器和擠料裝置輸入動力。擠料裝置設置在車斗前端，進料管與螺旋攪拌器出料口連接，吸進稀釋攪拌后的原料，加料管通過沼氣池加料間加料管進入沼氣池底部，擠料裝置對吸進的稀釋攪拌后的原料加力擠壓通過加料管向沼氣池內(nèi)加料；同時加料管前端設置一輔助攪拌裝置，進行攪拌工作。

1.車斗　2.水箱　3.擠料裝置　4.擠料裝置皮帶輪　5.擠料皮帶

3.1發(fā)酵原料的稀釋攪拌

畜禽養(yǎng)殖場提供的畜禽糞便原料多為干料，需加水稀釋。本機械力求結(jié)構(gòu)緊湊，因此螺旋攪拌器尺寸較小，設置于車斗前端下側(cè)，亦利于原料向螺旋攪拌器處運動。為增加攪拌效果，設置較多的小葉片，成一定的旋向分布，在對原料的稀釋攪拌同時，使原料向擠料裝置吸料口處推進流動，如圖2所示。

圖2　發(fā)酵原料稀釋攪拌

3.2發(fā)酵原料的擠壓推送

利用橡膠軟管可擠壓變形的特點，進行擠料裝置設計，如圖3所示。用數(shù)個擠壓滾輪擠壓橡膠軟管，在兩個擠壓滾輪對橡膠軟管形成完全擠壓時，兩個擠壓滾輪間的橡膠軟管形成密封空間；擠壓滾輪架轉(zhuǎn)動帶動擠壓滾輪向一定方向移動，密封空間不斷地形成并向一定方向移動。密封空間內(nèi)形成一定的壓力，使進料管內(nèi)形成負壓，對螺旋攪拌器稀釋攪拌后的原料進行抽吸，再將原料擠壓送入加料管，通過加料管實現(xiàn)向沼氣池內(nèi)加料的工作目的。

1.加料管　2.殼體　3.擠壓滾輪支架　4.主軸　5.側(cè)面支撐轉(zhuǎn)子

為保證兩個擠壓滾輪對橡膠軟管擠壓所形成的密封空間的穩(wěn)定性，在兩個擠壓滾輪間設置一頂面支撐轉(zhuǎn)子對橡膠軟管由內(nèi)向殼體方向形成支撐。同時，在擠壓滾輪與頂面支撐轉(zhuǎn)子間設置兩對側(cè)面支撐轉(zhuǎn)子，通過擠壓滾輪、頂面支撐轉(zhuǎn)子、側(cè)面支撐轉(zhuǎn)子及殼體形成立體支撐，從而穩(wěn)定密封空間的形態(tài)。

3.3加料中的輔助攪拌

擠壓式加料機將發(fā)酵原料擠入沼氣池內(nèi)時，發(fā)酵原料具有一定的壓力和速度。在加料管末端設計一定數(shù)量的葉片，葉片可收合和轉(zhuǎn)動。葉片收合狀態(tài)時，擠壓式加料機的加料管可方便通過沼氣池加料間的進料管進、出沼氣池殼體內(nèi)；加料時，在發(fā)酵原料的推動下葉片打開并旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生一定的輔助攪拌作用，使擠入的發(fā)酵原料在沼氣池內(nèi)與老料混合，以減輕攪拌器的工作量。

(a)　　　　　　　　　　　　　　　 (b)

4結(jié)束語

近年來，隨著農(nóng)村經(jīng)濟的發(fā)展和農(nóng)村產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整變化，分散的畜禽家庭養(yǎng)殖模式正逐漸被畜禽規(guī)模化集中養(yǎng)殖模式所取代，部分地區(qū)傳統(tǒng)的以畜禽糞便為主要發(fā)酵原料的農(nóng)村沼氣池出現(xiàn)了發(fā)酵原料短缺的問題。因此，要保證沼氣池正常使用，需購買畜禽養(yǎng)殖場的畜禽糞便補充發(fā)酵原料，目前急需相應的加料機械，以解決人工方式加料勞動強度大、效率低的問題。針對這一農(nóng)村沼氣生產(chǎn)面臨的新問題，開發(fā)了一種擠壓式沼氣池加料機械。該機械先對畜禽養(yǎng)殖場提供的畜禽糞便加水攪拌稀釋，然后用擠壓裝置對稀釋后的原料施加擠壓力；擠壓機械的出料管通入沼氣池加料口管道，將稀釋后的原料擠入沼氣池內(nèi)。這一加料過程可在沼氣池封閉狀態(tài)下進行，不影響沼氣池正常使用，且實現(xiàn)了整個加料過程機械化。本機械通過拖拉機牽引工作，機動靈活，適應于我國農(nóng)村沼氣池現(xiàn)狀。

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The Research for Feeding and Extrusion Machine for Biogas Digesters

Lv Jianqiang1, Lv Chen2, Wang Lian3

(1.College of Mechanical Engineering,Huaiyin Institute of Technology, Huai’an 223003,China;2.Nanjing University of Technology, Nanjing 211816, China;3. Huai'an Sutong City Machinery Co.,Ltd, Huai’an 223005,China)

Abstract：When using rural biogas digester it need at least twice a year of intensive refueling in use, and constantly charging even daily fresh fermentation raw materials, to ensure sufficient concentration of fresh biogas generated enough raw materials for the metabolism of microbes for farmers to use. But in recent years, due to the adjustment of rural industrial structure change, the dispersion of livestock and poultry farming family mode is gradually replaced by the centralized large-scale livestock and poultry breeding, part of poultry and animal feces as the main raw material for fermentation to rural biogas fermentation raw material shortage problems, to maintain the biogas you can use the normal purchase of livestock and poultry farms of livestock and poultry dung after fermentation raw materials, and there is no corresponding daily feeding machine, only by artificial means charging, extremely inconvenient. According to this new problem, we developed a type of extrusion and feeding machine which worked through adding water mixing dilution the livestock and poultry dung provide by livestock and poultry farms, then using extrusion device, pipe through the biogas charging port to join in the biogas, the charging process in when the biogas under the closed state, does not affect the normal use of the biogas, and achieve the mechanization of the whole loading process.

Key words：biogas generating pit; feeding; extrusion; machine

文章編號：1003-188X(2016)03-0246-04

中圖分類號：S216.4

文獻標識碼：A

作者簡介：呂建強(1966-),男，江蘇淮安人，副教授，高級工程師，(E-mail)lvjianqiang@aliyun.com。

基金項目：國家星火計劃項目(2013GA690404)；江蘇省科技型企業(yè)技術(shù)創(chuàng)新資金-科技創(chuàng)業(yè)園內(nèi)企業(yè)項目(BC2014179)

收稿日期：2015-03-03