一种适用于秸秆发酵的卧式搅拌装置的制作方法

本实用新型涉及秸秆厌氧发酵的处理设备技术领域，尤其涉及一种适用于秸秆发酵的卧式搅拌装置。

背景技术：

我国是一个农业大国，农作物秸秆资源丰富，是仅次于煤炭、石油、天然气的第四大能源且具有可再生性，是最安全、最稳定的能源，秸秆利用是解决好能源与环境问题的根本途径之一。

随着养殖业的集约化发展和化石能源的普及，原用于牲畜饲料和农村生活用能的秸秆逐步成为农业生产废弃物。大量农作物秸秆的弃置不仅造成大量的耕地占用和严重的资源浪费，秸秆荒烧、堵塞河道等造成的环境污染和安全事故时有发生。为解决这一问题，秸秆发酵气化是目前国家大力推广的秸秆资源化处理技术。

秸秆若在厌氧发酵池内长期静止或者无适当的破壳搅拌装置时，由于秸秆含有大量的木质素、纤维素和半纤维素等难水解的固形物，在发酵罐内一方面由于产生沼气上升力的带动，另一方面由于秸秆原料密度小等原因，会凝聚上浮至发酵液表面形成结壳层。影响发酵底物传质、气液流动及沼气的导出，使得发酵系统酸化瘫痪，形成了大量的病池、废池。目前国内市场上常用的搅拌装置，无论是立式、侧式或复合式等结构虽然可处理其他原料(如餐厨垃圾、果蔬垃圾、粪便等)发酵，但对于秸秆原料的发酵无能为力或效果很差。

国内部分机构推荐采用增加搅拌装置或者引入沼气回流的方式解决结壳问题，略有效果但不佳，同时会导致系统能耗过大。

国内针对秸秆的发酵罐属于湿式发酵，为了保证运行，允许的进罐干物质含量TS一般在6％～12％，通常不超过8％。较低的TS会造成发酵过程产生大量的沼液，增加了后处理的难度和系统运营成本。

中国在先公开的专利CN204058449U公开了一种卧式搅拌装置，具体为：沼气池搅拌器，包括转轴2和桨叶3，所述转轴2横向设置在反应器1内，转轴2上成螺旋形设置多个桨叶3；所述桨叶3包括连接臂31和桨叶头32，连接臂31的一端与转轴2固定连接，连接臂31的另一端与桨叶头32固定连接；桨叶头32是由板材制成的具有空腔的多面体，多面体面积最大的一个侧面设置成开口，多面体的一端与连接臂31固定连接；转动机构驱动转轴2转动。桨叶在转轴的转动带动下转动，桨叶头设置有开口处一侧向下与反应器内的液面首先接触，桨叶头的空腔把漂浮在液面上的秸秆等较轻的物料带到液面以下，与其他物料充分混合，提高产气率。

实际应用中发现，在先的沼气池搅拌器存在以下问题：1.连接部位通常采用螺栓连接，在运行过程中发生过螺栓松动导致开罐检修的问题；2.搅拌设备上桨叶之间的螺距一致，则越靠近圆周边缘的物料被搅拌的相对靠近圆心的不充分；3.无法完全消除发酵池内顶层的结壳问题。

技术实现要素：

为了克服现有技术的上述不足，本实用新型提供了一种适用于秸秆发酵的卧式搅拌装置，可以提供对秸秆沼气发酵物料的高效搅拌、破壳，同时具有低功耗、可允许罐内高含固率的优势，其中本实用新型的搅拌装置功耗仅为传统搅拌设备的30％～50％，允许罐内的含固率高于15％。

为了解决上述技术问题，本实用新型通过下述技术方案得以解决：

一种适用于秸秆发酵的卧式搅拌装置，所述搅拌装置001安装在厌氧发酵罐内，所述搅拌装置001由搅拌主轴100、桨间连接元件310和多个搅拌元件200组成，搅拌元件200安装在搅拌主轴100上，桨间连接元件310采用焊接方式固定到每两个相邻的搅拌元件200之间；其中搅拌元件200由搅拌桨叶210、搅拌桨杆220、第一搅拌底座230和第二搅拌底座240组成，外接电机和减速机配套驱动搅拌主轴100围绕转动轴线转动，搅拌元件200和桨间连接元件310均成螺旋布置在搅拌主轴100上，每相邻的两个搅拌元件200之间的螺距比值(L1：L2)1～1.3，且螺距增大方向为自搅拌装置动力驱动侧向非驱动侧；桨间连接元件320主要由横杆321、连接杆322和主要连接元件323组成，在主要连接元件323上开设多个卸载孔326。

进一步地，搅拌主轴100采用方轴结构，搅拌元件200垂直于该方轴的平面安装，第一搅拌底座230主要由第一上底板231、第一下底板232、第一高强度螺栓付233和定位块234组成；第一上底板231、第一下底板232设置在搅拌主轴100的上下两侧，第一上底板231、第一下底板232通过第一高强度螺栓付233进行加紧固定，定位块234设置在搅拌主轴100的左右两侧并与第一高强度螺栓付233形成紧配合。

进一步地，每两个相邻的搅拌元件200在圆周方向上以螺旋夹角β布置，β可以为45°、36°、30°的角度。

进一步地，桨间连接元件安装高度H1与整个搅拌装置001的搅拌半径R比值为2/3。

进一步地，桨间连接元件安装高度H2与整个搅拌装置001的搅拌半径R比值为4/5。

进一步地，搅拌桨叶210是一种凹槽结构，凹槽结构由第一凹槽板211、第二凹槽板212和第三凹槽板213组成，形成一种凹面形状带动物料。

搅拌桨叶210是一种凹槽结构，凹槽结构由第一凹槽板211、第二凹槽板212、第三凹槽板213和倾斜表面214组成，形成一种凹面形状。

进一步地，第一凹槽板211、第二凹槽板212和第三凹槽板213的非连接外缘需要加工成锯齿状结构215。

进一步地，第二凹槽板212、第三凹槽板213和倾斜表面214与物料的接触面上需要加工多个卸载孔216。

进一步地，第二搅拌底座240主要由第二上底板241、第二下底板242、第二高强度螺栓付243组成。

本实用新型的适用于秸秆发酵的卧式搅拌装置具有以下有益的技术效果：

1、搅拌装置在秸秆发酵罐内转动时，既可以产生沿罐体圆周方向的水平推力，起到推动罐内物料平流的效果，又可以沿每个单独的搅拌装置转动方向产生沿转动轴线的扭力，起到将物料上下搅拌的效果。这两种效果叠加后，可以保证罐内的发酵物料达到均质效果，并可以增加物料与发酵菌种的接触前度，提高单位产气率。根据某实施例显示，采用该搅拌装置的秸秆发酵罐单位容积产气率可达2.5以上，是目前传统湿式发酵的两倍。

2、搅拌装置的特殊桨叶以及桨间连接件的增强结构设计，可以保证避免秸秆发酵罐顶层结壳的产生，不会形成病罐、坏罐。

3、由于具有强大的推力及优越的破壳效果，采用该搅拌装置的秸秆发酵罐可允许含固率在15％以上，属于半干式厌氧发酵，大幅度的降低了后端沼液的排放量，提高经济效益。

4、该搅拌装置适用于大型沼气发酵工程，可明显降低工程建设成本，实际应用中测定，当工程规模超过日产沼气10000m3时，能节约成本30％以上，随着规模的增加这种经济效益更明显。

5、实际应用中测定，该搅拌装置相对于沼气产量所需要的驱动能耗比传统湿式发酵采用的搅拌装置节约30％～50％。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本实用新型的进一步理解，构成本申请的一部分，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。在附图中：

图1为本实用新型卧式搅拌装置安装在厌氧发酵罐内的平面布局图；

图2为本实用新型卧式搅拌装置的结构示意图；

图3示出从图2中的A—A方向观察时的搅拌装置结构示意图；

图4为采用增强型桨间连接元件时的搅拌装置结构示意图；

图5为搅拌桨叶的结构示意图；

图6示出从图2中的B—B方向观察时的搅拌元件安装示意图；

图7示出从图2中的C—C方向观察，且搅拌主轴为方轴结构时的第一搅拌底座结构示意图；

图8示出从图2中的D—D方向观察，且搅拌主轴为方轴结构时的第二搅拌底座结构示意图。

图9示出从图2中的C—C方向或D—D方向观察，且搅拌主轴为圆轴结构时的第三搅拌底座结构示意图。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例的附图，对本实用新型实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本实用新型的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

如图1所示，显示的是卧式搅拌装置001安装在厌氧发酵罐内，可以根据厌氧发酵罐002的体积以及尽管物料的种类及干物质含量，布置合理数量的搅拌装置001，搅拌装置001的数量可以为3个、4个、5个，每个搅拌装置001都配套使用合适的电机和减速机003驱动，转速为2～6转/分钟。搅拌装置001可以产生沿厌氧发酵罐002圆周方向的水平推力，起到推动罐内物料平流的效果，又可以沿每个单独的搅拌装置001转动方向产生沿转动轴线110的扭力，起到将物料上下搅拌的效果。这两种效果叠加后，可以保证罐内的发酵物料达到均质效果，并可以增加物料与发酵菌种的接触前度，提高单位产气率。实际应用测试，采用该搅拌装置的秸秆发酵罐单位容积产气率可达2.5以上，是目前传统湿式发酵的两倍。进一步，所述搅拌装置在秸秆发酵罐的外侧一端采用电机和减速机的组合驱动，优选的电机采用三相四级7.5kW或11kW两个规格。进一步地，所述搅拌装置001的转速为2～6转/分钟。

如图2所示，本实用新型中特定的专门为秸秆发酵而设计的变距螺旋搅拌装置001，由搅拌主轴100、搅拌元件200和普通型桨间连接元件310主要部件组成。其中搅拌元件200由搅拌桨叶210、搅拌桨杆220、第一搅拌底座230和第二搅拌底座240组成。搅拌主轴100可围绕转动轴线转动，由外接电机和减速机配套提供动力。优选的，搅拌主轴100为方轴结构，可选为圆形或其他多边形结构。当采用方轴结构时，可直接选用合适规格的空心矩形钢管制作，两端增加定位及传动部件即可。当采用圆形结构时，可直接选用合适规格的空心圆钢管制作。优选的，搅拌主轴为圆形结构时，需要在与搅拌元件配合的位置预先焊接合适的安装支架，并开孔攻丝，用于与搅拌元件螺栓连接。

每个搅拌装置001包括多个搅拌元件200，可以为8个、10个、12个，对应的包括多个普通型桨间连接元件310，可以为7个、9个、11个。搅拌元件和桨间连接元件均成螺旋排列，并且搅拌元件在圆周方向上沿一个旋向布置。搅拌元件200采用高强度螺栓安装在搅拌主轴100上，普通型桨间连接元件310采用焊接方式固定到每两个相邻的搅拌元件200之间。

进一步的，搅拌元件200和普通型桨间连接元件310均成螺旋布置在搅拌主轴100上，每相邻的两个搅拌元件200之间的螺距比值(L1：L2)1～1.3为宜，且螺距增大方向为自搅拌装置动力驱动侧向非驱动侧。优选的，由于搅拌装置通常水平卧式安装于圆形搅拌罐内，物料沿搅拌装置轴向所需的搅拌效果存在差异，所以可根据实际情况优化两个搅拌元件之间的螺距，形成搅拌梯度，增强搅拌效果，提高秸秆发酵产气率。两个相邻的螺距比值1～1.3为宜，且螺距增大方向为自搅拌装置动力驱动侧向非驱动侧。

多个搅拌桨之间的螺距不一样，从圆心向圆周方向螺距逐渐减小。好处在于，第一，一个罐体内有多个搅拌设备，搅拌设备之间的距离是从圆心向圆周方向逐渐变大，如果搅拌设备上搅拌桨之间的螺距一致，则越靠近圆周边缘的物料被搅拌的相对靠近圆心的不充分，更改螺距可以改变这一弱势，从而把搅拌物质的流动性从乱流变为趋于稳定流。第二，单个搅拌设备不仅希望提供的是将物料沿搅拌设备主轴线的圆周运动驱动力，也希望提供可推动物料沿整个罐体缓慢旋转(以发酵池中心垂线为旋转中心轴)的驱动力，可以根据不同的设计更改螺距，从而增加靠近发酵池外缘额物料推力。在国外应用时，如果采用的是等螺距、等直径的桨叶，则圆心处为了避免各个搅拌装置之间的碰撞，必须预留较大的安全距离，可能导致的后果恰恰是中间容易结壳分层(固液分离严重，中间流速慢)，从而部分系统需要在中间位置配套冲洗泵，用来冲散结壳。本实用新型改进后的好处就是搅拌桨能够靠近中心，增加中心区域的搅拌效果，同时保证各半径处的流速趋于一致。

现有技术中，搅拌桨与搅拌主轴通常采用螺栓连接，在运行过程中发生过螺栓松动导致开罐检修的问题。目前有两种方式。第一种：采用预应力螺栓并配合液压预紧工艺，同时安装一个搅拌桨上的四个螺栓，保证各个螺栓处于预紧状态且预紧力一致，不会因搅拌轴的正反转产生的往复应力过多作用后产生的疲劳松动。第二种：采用的液压铆接措施，但这种技术在钢结构工程(如大桥建造)显然很普遍了。本实用新型结构改进：绝大多数的螺栓松动都发生在搅拌轴为方轴的情况下，所以在方轴结构上增加了两侧的定位块，这个定位块与螺栓之间的配合是铰制孔制造的紧配合，没有过多的间隙。同时定位块与方轴之间的尺寸也是机加工保证，减小间隙。由于间隙减小后，搅拌桨与搅拌轴之间的作用力不仅仅在螺栓上，或者说作用于配合的方轴的两个面上，改进后的结构时作用在四个面上。同时这种结构比原有的采用两对斜铁结构定位后焊接的定位精度要好很多；而且斜铁的定位现场需要焊接工艺，多数情况下会导致薄壁方轴的热变形。

如图3所示，两个相邻的搅拌元件200在圆周方向上以螺旋夹角β布置，β可以为45°、36°、30°以及其他根据实际情况选择的角度。搅拌元件200主要包括三部分：搅拌桨叶210、搅拌桨杆220、安装底座，搅拌桨叶通过搅拌桨杆与安装底座连接在一起形成搅拌元件。

普通型桨间连接元件310需要选择合适安装位置，根据实施例，桨间连接元件安装高度H1与整个搅拌装置001的搅拌半径R比值为2/3。所述普通型桨间连接元件310为两个搅拌元件之间的连接装置，主要功能为定位两个搅拌元件的合理位置，并起到加固作用，同时为配合部分高秸秆比例的系统运行，可优化桨间连接元件的结构增强破壳作用。优选的，常规结构的桨间连接元件根据相邻搅拌元件之间的间距采用合适规格的钢板折弯加工，采用焊接的方式安装于两搅拌元件之间。

如图4所示，增强型桨间连接元件320主要由横杆321、连接杆322和主要连接元件323组成。为减小增强型桨间连接元件320因结构增加的阻力，需要在主要连接元件323上开设多个卸载孔326。优选的，有增强结构的桨间连接元件在常规结构的桨间连接元件上额外增加辅助钢结构，用于增强破壳效果。这种辅助钢结构采用螺纹钢和滚花钢管制作。

增强型桨间连接元件320需要选择合适安装位置，根据实施例，增强型桨间连接元件安装高度H2与整个搅拌装置001的搅拌半径R比值为4/5，且横杆321所形成的搅拌半径应小于等于整个搅拌装置001的搅拌半径R。优选的，桨间连接元件可以根据发酵物料中秸秆的比例调整其在整个搅拌装置中的径向相对位置。无需额外增加破壳作用时以搅拌桨杆2/3处、靠外缘为宜；需要增加额外破壳作用时以搅拌桨杆4/5处，靠外缘为宜。

如图5所示，搅拌桨叶210是一种凹槽结构，包括凹面和边缘部分。在搅拌装置绕转动轴线旋转过程中，搅拌桨叶由开始转动到液面以下时，一些发酵物料被容纳在凹槽的凹面内，由于垂直于凹面的推力，从而带动物料搅拌；当搅拌桨叶高出发酵物料上层液面且凹面的开口开始斜向下时，凹面内的物料滑落，进入下一个循环。为了增加发酵物料顶层的破壳作用，搅拌桨叶的边缘部分提供锐利的锋刃，可以切碎顶层物料，使其不被结壳。

一种搅拌桨叶210的凹槽结构可以由第一凹槽板211、第二凹槽板212和第三凹槽板213组成，形成一种凹面形状带动物料。根据实施例，另一种搅拌桨叶210的凹槽结构可以由第一凹槽板211、第二凹槽板212、第三凹槽板213和倾斜表面214组成，形成一种凹面形状，凹槽结构与220搅拌桨杆能平滑过渡，从而能较少物料的累积。搅拌桨叶的凹面具有减小运行阻力的设计。在搅拌桨叶旋转过程中，凹面推动物料搅拌需要较大的扭矩，为了减小这个扭矩，可以在搅拌桨叶的凹面上开设卸载孔，使得发酵物料内的液体部分可以穿过卸载孔而不形成过大的阻力。而且倾斜表面214的加入可以有效的减少或消除发酵物料在桨叶内沉积。例如搅拌元件200在其10点钟至2点钟位置之间时，物料在重力作用下会自动脱落，如果搅拌桨叶210与搅拌桨杆220的连接处为平面结构，则很容易造成物料沉积，减小搅拌桨叶210的凹槽容积；如果搅拌桨叶210与搅拌桨杆220的连接处配置合理角度的倾斜表面214，则发酵物料会更容易的脱落，避免沉积产生。

具体地，卸载孔的存在，第一，能形成流体的小孔效应，增加过孔流速，降低物体物料与凹槽平面的附着力，带走部分固体物料，减低物料累积程度。第二，在搅拌装置正常运行一段时间后，可以让搅拌装置反转一段时间(反转时，由于与物料的作用面变更，会大幅度降低搅拌装置的运行阻力，所以反转运行可以比正常运行转速高)，即使凹槽内已经存在一定程度的附着物，反转时，液相物料通过卸载孔将凹槽内部附着的物料冲刷。增加了增强型桨间连接元件、卸载孔的同时，所需的凹槽容积会大幅度降低，运行过程中物料对减小容积后的凹槽阻力会降低。从而会降低系统的功耗。多个卸载孔的存在，既能减低能耗，又能通过设置搅拌装置的反转，形成对搅拌装置附着物的自清洁功能。

第一凹槽板211、第二凹槽板212和第三凹槽板213的非连接外缘需要加工成锯齿状结构215，锯齿状结构215可以加速发酵物料上层结壳的破碎。

第二凹槽板212、第三凹槽板213和倾斜表面214与物料的接触面上需要加工多个卸载孔216。搅拌桨叶210的凹槽结构在推动物料搅拌时需要较大的扭矩，为了减小这个扭矩开设卸载孔216，使得发酵物料内的液体部分可以穿过卸载孔216而不形成过大的阻力。

如图6所示，搅拌桨杆220采用一定壁厚的空心方管结构。优选的，搅拌桨叶凹槽的相邻两凹面与搅拌桨杆的相邻两表面贴合密实后焊接，并且结合长度不小于10cm。

优选的，在搅拌主轴为方轴结构时，安装底座具有2种配套的结构形式，一种为平面结构，用于与搅拌主轴的四个平面之一直接配合；另一种为平面辅助定位结构，用于与搅拌主轴的四个棱和两个相邻平面的一部分配合。优选的，安装底座与搅拌主轴采用高强度螺旋连接。

如图7所示，当搅拌主轴100采用方轴结构、且搅拌元件200垂直于该方轴的任一表(平)面安装时，第一搅拌底座230主要由第一上底板231、第一下底板232、第一高强度螺栓付233和定位块234组成。第一上底板231、第一下底板232设置在搅拌主轴100的上下两侧，第一上底板231、第一下底板232通过第一高强度螺栓付233进行加紧固定，定位块234设置在搅拌主轴100的左右两侧并与第一高强度螺栓付233形成紧配合。

定位块234的作用是保证搅拌元件200在搅拌主轴100的中间位置，第一高强度螺栓付233提供合适的预紧力将搅拌元件200牢靠的固定在搅拌主轴100上，并保证30年的使用寿命内不松动。

如图8所示，当搅拌主轴100采用方轴结构、且搅拌元件200与该方轴的任一对角线平面平行安装时，第二搅拌底座240主要由第二上底板241、第二下底板242、第二高强度螺栓付243组成。

第二上底板241和第二下底板242均具有对中结构设计，可以保证搅拌元件200在搅拌主轴100的中间位置，第二高强度螺栓付243提供合适的预紧力将搅拌元件200牢靠的固定在搅拌主轴100上，并保证30年的使用寿命内不松动。

如图9所示，当搅拌主轴100采用圆轴结构时，第三搅拌底座250主要由第三上底板251、第三下底板252、第三高强度螺栓253组成。

第三下底板252预先焊接在搅拌主轴100的外圆面，可以采用多种结构方式，如整体马鞍式、独立式等等。焊接完成后并将第三下底板252与第三上底板251配合的表面加工至一个平面或预先加工后焊接。第三高强度螺栓253提供合适的预紧力将搅拌元件200牢靠的固定在搅拌主轴100上，并保证30年的使用寿命内不松动。

应该理解，尽管参考其示例性的实施方案，已经对本实用新型进行具体地显示和描述，但是本领域的普通技术人员应该理解，在不背离由权利要求书所定义的本实用新型的精神和范围的条件下，可以在其中进行各种形式和细节的变化，可以进行各种实施方案的任意组合。