一种秸秆或牧草热爆加工装置及加工方法 |
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| 申请号 | CN202410254326.0 | 申请日 | 2024-03-06 | 公开(公告)号 | CN117918544A | 公开(公告)日 | 2024-04-26 |
| 申请人 | 扬州大学; | 发明人 | 程秀花; 赵国琦; 林淼; 詹康; 顾敏龙; 霍永久; | ||||
| 摘要 | 本 发明 公开了 饲料 加工装置领域内的一种秸秆或牧草热爆加工装置及加工方法，该装置包括立式设置且可承压的罐体，罐体上部为弧形封头，罐体中部为圆柱段，罐体下部为锥形出料斗，圆柱段侧面设有进料 门 ；罐体内设置有搅拌装置；锥形出料斗的 位置 沿圆周方向分布有若干 蒸汽 进口，蒸汽进口在锥形出料斗的圆周方向呈360°均布，锥形出料斗底部设有可瞬间开启的卸料 阀 ，卸料阀下方连接有拉瓦尔 喷嘴 。该装置进行加工时，可使得秸秆的容重增加，与蒸汽混合均匀，通过拉瓦尔喷嘴促进 纤维 撕裂，蒸汽闪蒸，以提升热喷加工 质量 ，从而获得高产、高质的熟化秸秆饲料。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种秸秆或牧草热爆加工装置，包括立式设置且可承压的罐体，罐体上部为弧形封头，罐体中部为圆柱段，罐体下部为锥形出料斗，其特征在于：所述圆柱段侧面设有进料门； |
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| 说明书全文 | 一种秸秆或牧草热爆加工装置及加工方法技术领域背景技术[0002] 我国农作物秸秆资源十分丰富，每年秸秆产量达7亿吨左右，产量十分巨大。秸秆作为农作物副产物，有机质含量平均为15％，平均含碳44.22％、氮0.62％、磷0.25％、钾1.44％，还有镁、钙、硫及其他重要的微量元素，具有较高的营养价值。除可用于生活燃料和工业原料外，还可用作肥料和饲料。农作物秸秆主要由木质素、纤维素和半纤维素组成，虽然纤维含量高，可作为反刍动物的饲料资源加以利用，但是由于秸秆本身结构致密，且秸秆表面分布有蜡质层和硬结，导致动物直接采食时适口性差，营养物质不易被消化吸收。要进一步提高秸秆饲料的利用率，就需要采用一定的技术手段，破坏秸秆的纤维结构，提高瘤胃微生物黏附效率，增强秸秆瘤胃降解率和发酵能力，为反刍动物提供更多的能量和营养。 [0003] 秸秆热爆加工是通过对秸秆进行短时高温高压的熟化作用后将其瞬间喷出，一方面利用蒸汽的热力作用，将木质素、纤维素、半纤维素等大分子物质分解成为小分子物质或可利用的残基，另一方面通过高速喷爆产生的摩擦的应力和蒸汽突然膨大及高温水散蒸汽的张力，使得茎秆撕碎，细胞游离，细胞壁疏松，细胞间木质素分布状态改变，表面积增加，从而增加其和体内消化酶、有机酸的接触面积，从而提高动物对营养物质的利用率。此外，热爆加工还可以减少原料中霉菌毒素的含量，进一步提高饲料的安全性。 [0004] 中国专利数据库中，公开了一种基于蒸汽爆破预处理秸秆的秸秆产沼气系统，其公开号：CN204661724U；公开日：20150923；该装置包括蒸汽爆破罐、蒸汽发生器、集料箱、秸秆粉碎机、发酵罐、固液分离器、沼渣储存箱、沼液储存箱，所述秸秆粉碎机和蒸汽发生器均与蒸汽爆破罐相连；蒸汽爆破罐与集料箱相连；集料箱与发酵罐相连；发酵罐与固液分离器相连；固液分离器分别与沼渣储存箱和沼液储存箱相连。蒸汽爆破罐采用高压蒸汽爆破的方法使秸秆中的坚实木质纤维素软化和分解，从而使秸秆原料在发酵产沼气过程中有效提高秸秆原料的分解效率及发酵产气率。 [0005] 现有的蒸汽爆破罐的不足之处在于：1、由于秸秆本身容重低，无论是运输还是储存都非常的不经济，同样，直接对松散的秸秆进行热爆加工的话，生产率也很低。2、蒸汽在罐体内难以均匀分布，使得秸秆与蒸汽之间的质热交换既不均匀也不充分。 发明内容[0007] 为此，本发明采用的技术方案为：一种秸秆或牧草热爆加工装置，包括立式设置且可承压的罐体，罐体上部为弧形封头，罐体中部为圆柱段，罐体下部为锥形出料斗，所述圆柱段侧面设有进料门；罐体内设置有搅拌装置，所述搅拌装置包括搅拌轴和设置在搅拌轴上的桨叶，所述搅拌轴向上穿过弧形封头，搅拌轴的伸出端与驱动电机传动连接；所述锥形出料斗的位置沿圆周方向分布有若干蒸汽进口，蒸汽进口在锥形出料斗的圆周方向呈360°均布，锥形出料斗底部设有可瞬间开启的卸料阀，卸料阀下方连接有拉瓦尔喷嘴，所述拉瓦尔喷嘴包括收缩段和扩张段，扩张段长度为收缩段长度的1～3倍，收缩段进口与卸料阀出口等径连接，拉瓦尔喷嘴的最小通径为收缩段进口直径的0.75～0.9倍，扩张段出口直径为收缩段进口直径的1.5～3倍。 [0008] 本发明工作时，可预先将秸秆或牧草压制成块，放置入罐体后，可通过桨叶进一步向下推进挤压，提高被加工物料的产量。通过若干蒸汽进口通入蒸汽，一方面多点进入蒸汽可以使得蒸汽均匀与物料混合，在热浮力作用下，过热蒸汽沿罐体高度方向向上扩散，从而在整个罐体内对物料实现全方位的加热，充分熟化、杀菌；另一方面，桨叶也具有搅拌作用，使得蒸汽与物料混合均匀。当罐体内建立足够大的压力时，通过卸料阀瞬间打开，使得物料爆出，高速喷爆产生的摩擦应力以及物料中的高温水闪蒸，使得茎秆撕碎，细胞游离，细胞壁疏松，细胞间木质素分布状态改变，表面积增加，从而增加其和体内消化酶、有机酸的接触面积，进而可提高动物对营养物质的利用率。 [0009] 与现有技术相比，本发明的有益效果在于： [0010] 1、通过预先压制及桨叶的挤压，使得秸秆或牧草容重和产量增加，提高了生产率。 [0011] 2、蒸汽在罐体内均匀分布，使得秸秆与蒸汽之间的质热交换充分均匀，进而提高饲料的品质。 [0012] 该装置可用于将秸秆或牧草加工成灭菌熟化饲料。 [0013] 进一步的改进在于，所述蒸汽进口在锥形出料斗的高度方向上等距离分布，且所述蒸汽进口呈切向设置在锥形出料斗外周。由于锥形出料斗整体呈上大下小的锥形，蒸汽进口在高度方向上等距离分布实际上就是从上至下离回转中心越来越近，从而使得蒸汽分布更加均匀。进一步地，蒸汽进口在空间上还可呈圆锥螺旋分布，其技术效果与上述结构相当。 [0015] 进一步地，所述桨叶在搅拌轴上呈螺旋分布，桨叶推进角度、方向一致。螺旋分布的桨叶其搅拌及推进的负荷均匀。 [0016] 进一步地，所述蒸汽进口经蒸汽管路与蒸汽发生器相连，所述蒸汽管路由主管道和若干支管组成，主管道由水平段和竖直段组成，水平段的一端与蒸汽发生器连接，竖直段经支管与蒸汽进口一一连接，所述主管道的水平段设置有疏水阀。疏水阀用于将管道中产生的冷凝水及时排出，避免冷凝水进入热喷罐影响产品质量。 [0017] 本发明还公开了一种利用上述加工装置进行的秸秆或牧草热爆加工方法，包括如下步骤： [0018] S1：对秸秆或牧草进行压块处理，将其压制成边长10～30cm的六面体形状的草块； [0019] S2：打开进料门，放入草块，草块在罐体内堆放到圆柱段高度的1/3～1/2，然后关闭出料门； [0020] S3：通过蒸汽进口通入过热蒸汽，同时开启驱动电机，驱动搅拌轴转动，桨叶对草块进行搅拌，同时向锥形出料斗底部推挤、压实草块；在搅拌过程中，过热蒸汽透过草块之间的间隙沿罐体高度方向向上扩散，在整个罐体内对草块进行全方位的加热，充分熟化、杀菌，同时浸润、渗透进入植物纤维的内部； [0021] S4：通入的过热蒸汽在罐体内建立压力为1.0MPa～3.5MPa，罐体进行保温保压15～30min； [0022] S5：打开卸料阀出料，罐体内的物料经过出料阀和拉瓦尔喷嘴喷出，内压得以释放，经过拉瓦尔喷嘴后，流速增加导致剪切、摩擦加剧，使得纤维撕裂、打散，同时压力迅速降低，使得蒸汽快速闪蒸，纤维断裂、膨大，细胞游离、细胞壁疏松，进一步粉碎后，获得高质量的秸秆或牧草饲料。附图说明 [0023] 图1为本发明结构示意图。 [0024] 图2为图1的A‑A向视图。 [0025] 图3为拉瓦尔喷嘴的结构示意图。 [0026] 图中：1疏水阀，2主管道，3支管，4锥形出料斗，5驱动电机，6弧形封头，7进料门，8搅拌轴，9桨叶，10圆柱段，11蒸汽进口，12卸料阀，13拉瓦尔喷嘴，a螺旋线。 具体实施方式[0027] 下面结合具体实施例对本发明作更进一步的说明。 [0028] 如图1、2、3所示，为一种秸秆或牧草热爆加工装置，包括立式设置且可承压的罐体，罐体上部为弧形封头6，罐体中部为圆柱段10，罐体下部为锥形出料斗4，圆柱段10侧面设有进料门7，罐体内设置有搅拌装置，搅拌装置包括搅拌轴8和设置在搅拌轴8上的桨叶9，搅拌轴8向上穿过弧形封头6，搅拌轴8的伸出端与驱动电机5传动连接；锥形出料斗4的位置沿圆周方向分布有三个蒸汽进口11，蒸汽进口11在锥形出料斗4的高度方向上等距离分布，三个蒸汽进口11在锥形出料斗的圆周方向呈360°均布；锥形出料斗4底部设有可瞬间开启的卸料阀12；卸料阀12下方连接有拉瓦尔喷嘴13，拉瓦尔喷嘴13包括收缩段和扩张段，扩张段长度为收缩段长度的1～3倍，收缩段进口与卸料阀出口等径连接，拉瓦尔喷嘴的最小通径为收缩段进口直径的0.75～0.9倍，扩张段出口直径为收缩段进口直径的1.5～3倍。 [0029] 蒸汽进口11呈切向设置在锥形出料斗4外周。蒸汽进口11在空间上还可以呈圆锥螺旋分布，形成的如图2中所示的沿圆锥内壁螺旋线a。从切向进入的蒸汽及螺旋进入的蒸汽有旋流趋势，在热浮力作用下，过热蒸汽沿罐体高度方向向上扩散更均匀。 [0030] 为便于控制，卸料阀12为气动启闭的半球阀。 [0031] 桨叶9在搅拌轴8上呈螺旋分布。螺旋分布的桨叶9其搅拌及推进的负荷均匀。 [0032] 进一步地，蒸汽进口11经蒸汽管路与蒸汽发生器相连，蒸汽管路由主管道2和三根支管3组成，主管道2由水平段和竖直段组成，水平段的一端与蒸汽发生器连接，竖直段通过经支管3与蒸汽进口11一一连接，主管道2的水平段设置有疏水阀1。疏水阀1用于将管道中产生的冷凝水及时排出，避免冷凝水进入热喷罐影响产品质量。 [0033] 该装置用于对秸秆或牧草的草块进行热喷加工，加工时，打开进料门，通过草块升运机将预先压制好的草块升运至进料门位置，并装入罐体内，待草块装满至预设的量后，关闭进料门，开启驱动电机，驱动搅拌装置做旋转运动，对装入的草块进行搅拌压实。同时开启蒸汽发生器阀门，将过热蒸汽通过主管道分配至支管通入罐体中，在通蒸汽前通过疏水阀将管道中的冷凝水排出管外，避免液态水进入罐体中。由于蒸汽进口设置在罐体下部的锥形料斗上，且沿罐体高度呈360°螺旋分布，因而蒸汽在罐体圆周方向实现初步的均匀分布。当通入罐体的过热蒸汽达到设定的压力和温度后，停止供汽，进行保压。在保压的时间段内，桨叶继续围绕搅拌轴做旋转运动，通过对草块的搅拌和推进作用，一方面，加强草块与过热蒸汽的接触和混合，使草块充分吸收过热蒸汽的热量和水分，另一方面，由于罐体为立式设置，从下方锥形斗进入的蒸汽，在热浮力作用下穿过草块与草块之间的孔隙向上部渗透，由于3个蒸汽进口为360°螺旋分布，因而在罐体内360°方向上可实现蒸汽的均匀分布。草块均匀受热后，与过热蒸汽发生质热交换，草块吸收过热蒸汽的热量，在热力作用下，其中的木质素、纤维素和半纤维素等大分子物质逐渐分解成为小分子物质；草块吸收的水分由于压力作用以液体形态存在于草块内的孔隙中。当保压时间到后，卸料阀打开，草块被瞬间喷出，草块所受压力瞬间释放，由于蒸汽的张力作用，使得纤维被撕碎，细胞游离，细胞壁疏松，从而形成丝条酥松质构的热喷产品。由于草块在保压过程中吸收了过热蒸汽的热量，组织成分熟化，使产品具有芳香气味。 [0034] 具体而言，利用上述装置可以按如下工作步骤生产秸秆或牧草饲料： [0035] S1：对秸秆或牧草进行压块处理，将其压制成边长10～30cm的六面体形状的草块； [0036] S2：打开进料门，放入草块，草块在罐体内堆放到圆柱段高度的1/3～1/2，然后关闭出料门；堆料过少则生产效率低，过过则搅拌困难，蒸汽难以熟化物料； [0037] S3：通过蒸汽进口通入过热蒸汽，同时开启驱动电机，驱动搅拌轴转动，桨叶对草块进行搅拌，同时向锥形出料斗底部推挤、压实草块；在搅拌过程中，过热蒸汽透过草块之间的间隙沿罐体高度方向向上扩散，在整个罐体内对草块进行全方位的加热，充分熟化、杀菌，同时浸润、渗透进入植物纤维的内部； [0038] S4：通入的过热蒸汽在罐体内建立压力为1.0MPa～3.5MPa，罐体进行保温保压15～30min；罐体内压力过低时，出料膨化度不好，压力过大则，物料膨化度过高； [0039] S5：打开卸料阀出料，罐体内的物料经过出料阀和拉瓦尔喷嘴喷出，内压得以释放，经过拉瓦尔喷嘴后，流速增加导致剪切、摩擦加剧，使得纤维撕裂、打散，同时压力迅速降低，使得蒸汽快速闪蒸，纤维断裂、膨大，细胞游离、细胞壁疏松，进一步粉碎后，获得高质量的秸秆或牧草饲料。 [0040] 按上述步骤进行实验验证，其中，罐体体积16m3，搅拌轴转速20rps，桨叶迎角8°，卸料阀12的出口通径为18cm，罐体内建立蒸汽压力2.0MPa，保压时间15min；拉瓦尔喷嘴的参数如下：收缩段长度30cm，扩张段长度为收缩段长度的2倍，拉瓦尔喷嘴的最小通径为收缩段进口直径的0.8倍，扩张段出口直径为收缩段进口直径的2倍。在此基础上以玉米秸秆进行实验验证。 [0041] 表一：仅改变扩张段长度 [0042] [0043] 表二：仅改变收缩段的最小通径(缩径位置直径) [0044] [0045] [0046] 表三：仅改扩张段出口直径 [0047] [0048] 上述实验中，热爆后的颜色偏黑的表示物料中的羰基化合物和氨基化合物之间发生了非酶棕色化反应。在这个过程中，最终会生成棕色甚至是黑色的类黑精或拟黑素大分子物质，随非酶棕色化反应的加剧，从而使得物料从浅黄、黄色、偏黑逐步过渡，也逐步产生更丰富的香气。这种反应不仅为食物增添了独特的颜色和风味，还在一定程度上影响了食物的口感和营养价值。 [0049] 蒸汽爆破后的玉米秸秆的酸性洗涤纤维含量和中性洗涤纤维含量下降，破坏了玉米秸秆的晶体结构，使秸秆表面粗糙、结构疏松，消化降解率提高，可提高反刍动物对粗饲料的利用率。 [0050] 综上，对拉瓦尔喷嘴的参数选择优选如下：扩张段长度L2为收缩段长度L1的1～3倍，拉瓦尔喷嘴的最小通径D2为收缩段进口直径D1的0.75～0.9倍，扩张段出口直径D3为收缩段进口直径D1的1.5～3倍。 [0051] 本发明并不局限于上述实施例，在本发明公开的技术方案的基础上，本领域的技术人员根据所公开的技术内容，不需要创造性的劳动就可以对其中的一些技术特征作出一些替换和变形，这些替换和变形均在本发明的保护范围内。 |
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