沼气池挤压式加料机械研究

吕建强，吕　宸，王　连

(1.淮阴工学院 机械工程学院， 江苏 淮安　223003；2.南京工业大学，南京　211816；3.淮安市苏通市政机械有限公司，江苏 淮安　223005)



沼气池挤压式加料机械研究

吕建强1，吕宸2，王连3

(1.淮阴工学院 机械工程学院， 江苏 淮安223003；2.南京工业大学，南京211816；3.淮安市苏通市政机械有限公司，江苏 淮安223005)

摘要：农村沼气池使用中，每年最少要进行两次的集中大换料，日常还要不断加料补充新鲜的发酵原料，以保证足够浓度的新鲜原料供微生物分解代谢产生足量的沼气供农户使用。近年来，因农村产业结构的调整变化，分散的畜禽家庭养殖模式正逐渐被畜禽规模化集中养殖模式所取代，部分以畜禽粪便为主要发酵原料的农村沼气池出现了发酵原料短缺的问题，为保持沼气池正常使用，需购买畜禽养殖场的畜禽粪便补充发酵原料。而目前还没有相应的日常加料机械，只能靠人工方式加料，极为不便。为此，开发了一种挤压式加料机械，通过对畜禽养殖场提供的畜禽粪便加水搅拌稀释，使用挤压装置，通过沼气池加料口管道加入沼气池内，这一加料过程在沼气池封闭状态下进行，不影响沼气池正常使用，且实现了整个加料过程机械化。

关键词：沼气池；加料；挤压机械

0引言

沼气是一种绿色可再生能源，我国各级政府对农村沼气推广应用高度重视，通过多种渠道、多种方式对农村沼气推广使用投入了大量的人力、物力，通过多年来的努力解决了沼气高效发酵菌、发酵工艺、安全控制及机械化出料等关键问题。尤其近年来我国农村沼气得到了巨大的发展，农村沼气得到了全面推广使用，取得了巨大的成果。我国农村沼气用户从2000年底的848万户至2010年底已突破4 000万户[1-5]。农村沼气的使用既代替了大量的自然能源，减少了大量的二氧化硫和烟尘排放，同时人畜禽粪便经过沼气发酵处理，杀灭了其中的大量的致病菌和寄生虫卵，实现了无害化处理，避免了对环境的污染，沼气的使用极大地改善了农村的环境。沼气发酵后存下的沼液、沼渣还是一种天然的有机肥，直接用于农作物施肥，可极大地改善土壤微生态环境，促进土壤结构改良。沼液进行农作物叶面喷洒施肥可杀死农作物的病、虫，达到稳产增产的效果，在诸多生物质能源中沼气显示出良好的综合优势[6-8]。农村沼气符合当今世界低碳绿色环保经济的发展要求，农村沼气已成为我国农业循环经济建设的重要组成环节。

由于我国广大农村地域广阔，地区间差异较大，农村沼气发展中还存在不少问题，部分地区农村沼气池建成一年后利用率只有85%，且因各种使用维护问题还在逐渐下降[9-10]。“粪荒”已成为部分地区农村沼气发展面临的重大问题。长期以来，我国农村沼气主要依靠家庭养殖，以畜禽粪便资源为主要发酵原料；但近年来随着农村经济的发展和农村产业结构的调整变化，分散的畜禽家庭养殖模式正逐渐被畜禽规模化集中养殖模式所取代。传统的以畜禽粪便为主要发酵原料的农村沼气生产方式出现了发酵原料短缺的“粪荒”问题，要保持沼气池正常使用需购买畜禽养殖场的畜禽粪补充发酵原料，农村户用沼气的推广使用受到了影响，大量的农村沼气池出现闲置问题，部分地区闲置沼气池的比例达到40%以上[11-12]。近年来，沼气服务专业合作社、沼气协会等物业化管理形式的出现，农村沼气生产社会化服务体系正逐步形成，农村沼气服务网点有专业人员，可配备专业设备，为解决“粪荒”指出了有效途径。为此，本文就农村沼气池加料机械开发进行了探讨研究，以适应农户购买畜禽养殖场的畜禽粪便对沼气池加料的机械化需求。

1农村沼气池的运行特点

我国农村沼气池主要为人畜粪便类沼气池，沼气发酵为厌氧发酵方式，是有机物在一定的水分、温度和厌氧条件下，通过多种微生物的分解代谢，最终形成沼气(甲烷和二氧化碳等混和气体)的过程。为保证产气正常而持久，必须保证沼气发酵过程中提供足够浓度的新鲜原料供微生物分解代谢。因此，农村沼气池每年最少要进行两次的集中大换料和沼气池维护，同时日常还要勤加料、勤出料，不断地补充新鲜的发酵原料[13]。沼气池加新料一般要在产气量最高峰没有下降以前，即在启动后20天左右，最迟不得超过30天；应添加部分新料同时出掉部分旧料，一般每5～10天进出料1次；每次进出料量占沼气池内发酵料液量的3%～5%，控制好沼气池内发酵液浓度。农村沼气池适宜的发酵液浓度应控制在6%～10%。夏秋季节温度较高，浓度可低一些；冬春季节温度较低，发酵浓度应提高到8%～10%[14]。

近年来，农村沼气池发酵原料短缺地区，出现了以农作物秸秆等农业废弃料部分替代的秸秆沼气池。秸秆沼气池的发酵工艺及集中大换料的机械化问题已解决[15-17]；但其日常换料非常困难，对其使用中的稳定性受到一定的影响，这一问题还有待解决。我国目前80%的规模化畜禽养殖场的畜禽粪便处理存在问题[18]。因此，部分地区沼气池发酵原料短缺农户直接采购畜禽养殖场提供的原料，既保证沼气池的正常使用，盘活了存量的农村沼气池，又解决了规模化畜禽养殖场建设畜禽粪便处理设置投入较大的问题。

2沼气池的加料

农村沼气池的加料分为大进料和日常进料，大进料在农村沼气池大清池换料时进行。沼气池大换料时，需停止用气，将脱硫器、调控净化器等开关关闭，对沼气池进行放气卸压；打开活动盖板，通过鼓风排出池内残存的气体；然后进行出料、加料、搅拌等工作；最后密封活动盖板，2～3天后待沼气池内达到使用压力后进行数次放气试火，直至能持续燃烧，才可进行正常使用。

对于传统的“一池三改”模式农村沼气池的日常加料：由于在沼气池建造施工时，将沼气池、猪圈、厕所三者进行了有机地结合，此类农村沼气池日常进料时，人、畜粪便在冲刷时可以自动流入池内密闭发酵，节省输送粪便入池的操作过程，省略了日常进料的步骤，使用非常方便[19]。而农户采购畜禽养殖场提供的畜禽粪便原料进行日常加料时就非常麻烦，其加料时要将发酵原料通过加料间进行加料，由于现在没有相加料机械，加料方式主要为人工作业。由于加料间进料管尺寸较小，畜禽养殖场提供的畜禽粪便原料多为干料，一般的操作方法是人工用铁锹往加料间里加料，然后用木杆搅拌，使原料通过进料管进入沼气池内，工作效率极低，严重地影响着农户的使用积极性。

3挤压式加料

根据农村沼气池的日常加料要求，加料应在沼气池封闭状态下进行，不同的季节所加原料有不同的浓度要求；加料时要进行一定的搅拌，起到破除和防止沼气池结壳的作用，以使新、旧料充分混合，增加甲烷菌和发酵原料的分布均匀度及甲烷菌与发酵原料的接触概率，使发酵温度均匀，提高甲烷菌活动能力和繁殖能力及发酵原料中有机质的分解速度，加速甲烷气体从液体中分离速度，以增加沼气产生速度[20]。此外，针对我国农村沼气池的分布及结构特点，沼气池的加料设备还要有较好的机动灵活性。

针对农村沼气池的日常加料要求，沼气池挤压式加料机(见图1)以带后动力输出轴的中、小型拖拉机作为牵引动力，以车斗进行畜禽养殖场畜禽粪便干料运输。车斗上设置一附加水箱以备在无法使用水源时使用，水箱出水管处设置水流量表和调节阀，以调节加水量控制加料浓度。车斗前部下端设一螺旋搅拌器，对畜禽粪便干料加水搅拌，同时向挤料装置吸料口处推进。车斗前端设置一具有双侧输出轴的变速箱，由拖拉机动力输出轴将动力输入，由两输出轴通过皮带分别向螺旋搅拌器和挤料装置输入动力。挤料装置设置在车斗前端，进料管与螺旋搅拌器出料口连接，吸进稀释搅拌后的原料，加料管通过沼气池加料间加料管进入沼气池底部，挤料装置对吸进的稀释搅拌后的原料加力挤压通过加料管向沼气池内加料；同时加料管前端设置一辅助搅拌装置，进行搅拌工作。

1.车斗　2.水箱　3.挤料装置　4.挤料装置皮带轮　5.挤料皮带

3.1发酵原料的稀释搅拌

畜禽养殖场提供的畜禽粪便原料多为干料，需加水稀释。本机械力求结构紧凑，因此螺旋搅拌器尺寸较小，设置于车斗前端下侧，亦利于原料向螺旋搅拌器处运动。为增加搅拌效果，设置较多的小叶片，成一定的旋向分布，在对原料的稀释搅拌同时，使原料向挤料装置吸料口处推进流动，如图2所示。

图2　发酵原料稀释搅拌

3.2发酵原料的挤压推送

利用橡胶软管可挤压变形的特点，进行挤料装置设计，如图3所示。用数个挤压滚轮挤压橡胶软管，在两个挤压滚轮对橡胶软管形成完全挤压时，两个挤压滚轮间的橡胶软管形成密封空间；挤压滚轮架转动带动挤压滚轮向一定方向移动，密封空间不断地形成并向一定方向移动。密封空间内形成一定的压力，使进料管内形成负压，对螺旋搅拌器稀释搅拌后的原料进行抽吸，再将原料挤压送入加料管，通过加料管实现向沼气池内加料的工作目的。

1.加料管　2.壳体　3.挤压滚轮支架　4.主轴　5.侧面支撑转子

为保证两个挤压滚轮对橡胶软管挤压所形成的密封空间的稳定性，在两个挤压滚轮间设置一顶面支撑转子对橡胶软管由内向壳体方向形成支撑。同时，在挤压滚轮与顶面支撑转子间设置两对侧面支撑转子，通过挤压滚轮、顶面支撑转子、侧面支撑转子及壳体形成立体支撑，从而稳定密封空间的形态。

3.3加料中的辅助搅拌

挤压式加料机将发酵原料挤入沼气池内时，发酵原料具有一定的压力和速度。在加料管末端设计一定数量的叶片，叶片可收合和转动。叶片收合状态时，挤压式加料机的加料管可方便通过沼气池加料间的进料管进、出沼气池壳体内；加料时，在发酵原料的推动下叶片打开并旋转，产生一定的辅助搅拌作用，使挤入的发酵原料在沼气池内与老料混合，以减轻搅拌器的工作量。

(a)　　　　　　　　　　　　　　　 (b)

4结束语

近年来，随着农村经济的发展和农村产业结构的调整变化，分散的畜禽家庭养殖模式正逐渐被畜禽规模化集中养殖模式所取代，部分地区传统的以畜禽粪便为主要发酵原料的农村沼气池出现了发酵原料短缺的问题。因此，要保证沼气池正常使用，需购买畜禽养殖场的畜禽粪便补充发酵原料，目前急需相应的加料机械，以解决人工方式加料劳动强度大、效率低的问题。针对这一农村沼气生产面临的新问题，开发了一种挤压式沼气池加料机械。该机械先对畜禽养殖场提供的畜禽粪便加水搅拌稀释，然后用挤压装置对稀释后的原料施加挤压力；挤压机械的出料管通入沼气池加料口管道，将稀释后的原料挤入沼气池内。这一加料过程可在沼气池封闭状态下进行，不影响沼气池正常使用，且实现了整个加料过程机械化。本机械通过拖拉机牵引工作，机动灵活，适应于我国农村沼气池现状。

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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

文章编号：1003-188X(2016)03-0246-04

中图分类号：S216.4

文献标识码：A

作者简介：吕建强(1966-),男，江苏淮安人，副教授，高级工程师，(E-mail)lvjianqiang@aliyun.com。

基金项目：国家星火计划项目(2013GA690404)；江苏省科技型企业技术创新资金-科技创业园内企业项目(BC2014179)

收稿日期：2015-03-03