CN111903261A - 一种基于立式旋耕的秸秆碳化还田机及工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于立式旋耕的秸秆碳化还田机及工作方法，涉及农业工程领域，包括灭茬***、秸秆捡拾、秸秆二次粉碎、旋耕填埋***以及点火碳化；通过立式灭茬装置首先对残茬和剩余秸秆进行一次粉碎，同时对浅层土壤进行平行扰动，减少了土壤与秸秆的混合；经由捡拾机构对地表的秸秆进行捡拾输送进粉碎机，然后由风机作为动力，将粉碎的秸秆吹进立式旋耕刀轴，在随刀轴底部的叶轮进入土壤内部。由于地下的氧气浓度很低，在经过后面的点火装置点燃后，秸秆不会进行燃烧，而是在缺氧环境下进行碳化，秸秆碳化制成的生物炭，有着较大的孔隙度和比表面积，吸附力、抗氧化能力和抗生物分解能力比较强，可有效改善土壤结构和理化性质，增加土壤碳含量。

Description

一种基于立式旋耕的秸秆碳化还田机及工作方法

技术领域

本发明属于农业工程领域，涉及到一种基于立式旋耕的秸秆碳化还田机。

背景技术

以玉米为例，种植地区的秸秆还田模式大体上有四种模式，一是在进行玉米收获时通过玉米联合收割机将玉米秸秆粉碎后铺盖在地表，第二年对还田地块实行免耕播种，并采用深松机对地块进行隔年深松。二是在玉米收获作业后，采用旋耕机对表层土壤与秸秆进行均匀混合的浅层表层浅旋还田的秸秆还田模式。三则是利用铧式犁对秸秆进行翻压，使秸秆被浅层土壤所所覆盖。四则是通过开沟机开出深沟，而后掩秸秆。深度在20cm～30cm。

现有秸秆还田模式的不足：

1.前两种秸秆还田的模式可以使秸秆均匀散落与地表或是浅层表土，这可能会造成“跑风”现象，即造成土质疏松，不密实。影响土壤的理化性质。

2.浅层表土是植株根系生长发育的主要环境，秸秆的数量过多会直接影响植株的根系生长，进而导致减产。而且，在秸秆腐烂后才会对土壤肥力有所提升，这一过程中并无作用。另外土壤在分解秸秆时会吸收氮素，可能会导致土壤内氧气不足，影响根系的生长。

3.在秸秆下翻的过程中，藏于秸秆中的虫卵草籽也随着翻动而下，在这里，他们有着良好的生长发育环境，会随着下季作物一起复苏。

4.虽然较焚烧秸秆的方式来说，粉碎入土的污染要小的多，但是这种方式的弊端在于会产生大量的粉尘，漂浮在空中。

5.秸秆还田如果量过大或翻入土壤不均匀的话，易发生土壤微生物与作物幼苗争夺养分的矛盾，甚至出现黄苗、死苗、减产等现象。

6.由于地下的氧气浓度很低，在经过后面的点火装置点燃后，秸秆不会进行燃烧，而是在缺氧环境下进行碳化，秸秆碳化制成的生物炭，有着较大的孔隙度和比表面积，其吸附力、抗氧化能力和抗生物分解能力比较强，可有效改善土壤结构和理化性质，增加土壤碳含量，因此被广泛应用于改良酸化土、沙化土、白浆土等低产土壤，被国际学术界誉为“黑色黄金”。

发明内容

本发明的目的是为克服现有技术的不足，提供了一种基于立式旋耕的秸秆碳化还田机，通过仿照窑烧法的制碳方式，通过灭茬-捡拾-深埋入土-点燃的大致流程，仿造出窑烧法的窑体环境；秸秆在收集粉碎后埋入地下深度60～70cm，在此碳化还田。

本发明采用的具体技术方案如下：

本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。

一种基于立式旋耕的秸秆碳化还田机的工作方法，包括如下步骤：步骤一：灭茬装置将秸秆初步粉碎置于土壤表层；步骤二：捡拾器将步骤一)中经过初步粉粹后的秸秆捡拾出送至粉碎装置粉碎；步骤三：步骤二)粉碎后的秸秆经风机吹送至旋耕刀轴内部后随重力落入土壤；步骤四：进入土壤内秸秆经点火装置中的点火器点火碳化。

基于立式旋耕的秸秆碳化还田机的工作方法的装置，包括设置在机架上的灭茬装置、捡拾器和粉碎装置；机架上还设置有悬挂装置，所述悬挂装置将机架悬挂在动力机械上，并由动力机械带动；所述灭茬装置设置在捡拾器的前方位置，粉碎装置设置在捡拾器的上方出口位置处；粉碎装置出口端设置有风机，风机与中空的旋耕刀轴通过管道连接；旋耕刀轴和点火装置也设置在机架上，且旋耕刀轴设置在点火装置的前方。

进一步的，所述灭茬装置包括刀轴和刀辊；刀轴上设置有上刀辊、中间刀辊和下刀辊，且中间刀辊与地面平齐；上刀辊和下刀辊分别向上翻和向下翻。

进一步的，所述捡拾器包括捡拾刀、孔型传送带和固定板；所述捡拾刀设置在孔型传送带的前端，所述捡拾刀通过紧固弹簧连接至固定板，固定板设置在孔型传送带下端面上；紧固弹簧可使得捡拾刀在前进方向上下翻动或者在水平方向左右侧移。

进一步的，所述旋转刀轴内设置有动力扇叶，且动力扇叶的旋转方向与旋转刀轴的旋转方向相反。

进一步的，所述动力扇叶的转速200～300r/min。

进一步的，所述点火装置包括点火器、储气池和旋钮开关；所述点火器设置在点火装置的最下方，储气池用来提供点火器所需的气体，旋钮开关用来打开或者关闭储气池。

进一步的，所述点火装置最下方的点火器低于地面。

进一步的，还包括ARM控制器，ARM控制器接收来源于机架的速度传感器和旋耕刀轴底部的土壤湿度传感器的信息。

进一步的，所述孔型传送带上开有直径在1～3mm型孔。

本发明的优点是：

1.立式旋耕深度可达70cm，极大增加了耕作深度，同时立式旋耕为平行翻动，不会扰动原有的土层结构。有利于保墒蓄水，对于土壤板结问题解决，水土理化性质的提升有重要作用。

2.将秸秆通过立式旋耕刀轴输送至70cm地下，仿行窑烧法的无氧环境使秸秆在此高温碳化，秸秆在无限氧热裂化的过程中产生生物质碳基材料和秸秆气，对于保水保熵，改善土壤环境，提高氮磷钾利用率，钝化重金属的影响有着极大的改善。

3.在增加土壤肥力，改善土壤结构的同时，又不会影响表层土壤的凝聚都，不会对根系的生长发育造成影响。

4.通过灭茬和秸秆碳化减少了病虫害及杂草的侵扰。

附图说明

图1为本发明涉及到的整机结构示意图；

图2为本发明涉及到的灭茬装置外观图；

图3为本发明涉及到的捡拾装置结构示意图；

图4为本发明涉及到的旋耕刀轴图；

图5为风机将粉碎后秸秆通过管道吹送到旋耕刀轴的结构示意图；

图6为本发明涉及到的ARM控制***示意图；

图7为本发明涉及到的捡拾刀与固定板机紧固弹簧连接关系示意图。

附图标记：

附图标记如下：

1-悬挂装置；2-传动变速箱a；3-机架；4-灭茬装置；5-皮带轮；6-捡拾器；7-传送器；8-粉碎装置；9-风机；10-旋耕刀轴；11-点火器；12-储气池；13-钢结构管；14-旋钮开关；15-传动变速箱b；16-pvc硬管；17-捡拾刀；18-紧固弹簧；19-固定板；20-孔型传送带。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“轴向”、“径向”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面首先结合附图具体描述根据本发明实施例的

结合附图1所示，为本发明提出的整机结构示意图，按照工序的先后，依次完成灭茬、捡拾、旋耕入土、点燃碳化的工作过程。动力由牵引拖拉机后部的动力输出轴，通过万向节传递变速箱a动力输入轴，带动竖直的刀辊进行灭茬作业；与此同时，动力经皮带轮轮和链传动继续向后传递，皮带轮带动捡拾装置将捡拾的残茬秸秆向上运动，完成秸秆的收集。链传动则将动力传递至传动变速箱b作为带动旋耕部件的动力，对土地进行深旋耕，同时通过旋耕刀轴10底部的扇片的旋转以及自身重力和风机动力的推动，将粉碎的秸秆导入土壤。最后由钢结构管中的喷火枪喷出的火焰将之引燃，由于氧气的不足，秸秆在此碳化，滋养土壤。

结合附图2所示，为本发明提出的灭茬装置外观图，机具采用立式灭茬，刀辊纵轴成60°分别螺旋环绕在刀轴，同时以中间刀辊402为地面的高度，相邻的上刀辊401、下刀辊403分别向上、下翻，并与之垂直距离为30mm，处理在此高度的繁多的植株秸秆，上刀辊401、下刀辊403向上、下翻是保持秸秆和土壤的分离，尽量保持秸秆在土壤上方；两边的上刀辊401、下刀辊403距离中间刀辊402的距离为120mm，用来处理漏割的秸秆或者是深度的根系。

结合附图3和图7所示，捡拾刀17由3个紧固弹簧18固定至固定板19，进一步固定于机架3。捡拾刀17在田间作业时遇到各种路障或阻碍，紧固弹簧18的特性会使捡拾刀17可以在前进方向上下翻动也可以在水平方向左右侧移来自动规避障碍。孔型传送带20开有直径在1-3mm型孔，在运输的过程中，用来分离细碎的土壤；图7中，17-1为捡拾刀隔板，捡拾刀隔板17-1与固定板19之间设置有三根紧固弹簧18，且三根紧固弹簧18在捡拾刀隔板17-1与固定板19的分布如A、B和C，及a、b和c，且紧固弹簧的一端连接在A点，另一端连接到a点，同理的，B连接b，C连接c，通过上述连接方式，在捡拾刀17在碰到障碍物时，在紧固弹簧18的作用下，实现在前进方向上下翻动也可以在水平方向左右侧移来自动规避障碍，紧固弹簧18为刚性弹簧，有一定的刚度。

结合附图4所示，为本发明提出的旋耕刀轴图，在原立式旋耕到的基础上，在旋耕刀轴10内部加一动力扇叶，其固定方式是通过轴承固定于旋耕刀轴内部，其动力通过上方的变速箱b动力输出轴的齿轮啮合传递，旋向与旋耕刀轴10的选旋向相反，转速约200-300r/min。其可以帮助旋耕刀轴10入土，同时也在将秸秆排入土壤，同时对秸秆的粉碎也起到一定的帮助作用。

结合附图6所示，此图为本发明的ARM控制***示意图，首先点火器11及其连接管路都处于钢结构管13中，保证入土。在对火焰的控制中，人们可以通过旋钮开关14来控制燃气管路的开闭，也是在机具非工作状态时的断气保证。在工作状态时，处在旋耕刀轴上的土壤湿度传感器和机架上的速度传感器将数据收集并传给ARM控制器，在做出处理后将信号反馈给电磁阀，以此来控制燃气量。

刀辊纵轴成60°分别螺旋环绕在刀轴，同时以中间刀辊为地面的高度，相邻的刀辊分别向上、下翻，并与之垂直距离为20～40mm。两边的刀辊距离中间刀辊的距离为90～130mm，处理漏割的秸秆或者是深度的根系。

秸秆碳化还田机通过灭茬装置4残茬和秸秆初步粉碎置于土壤表层，然后再有捡拾器6捡拾出送至粉碎装置8，最终经过风机9通过pvc硬管16传送到旋耕刀轴10内部进入土壤，再由点火器11点火碳化，挥发物逸出后，还田滋养；点火器11将燃气和空气按照一定比例混合后从点火器扇形喷出，完成点燃过程。此过程中的氧气由点火器11供给，充足。

秸秆碳化方式：仿照窑式碳化的方法，粉碎的秸秆由旋耕刀轴10底部入土，经旋耕刀轴10本身以及底部的螺旋叶轮将土壤挤开空间，旋转的叶轮将将粉碎的秸秆送入这部分空间，形成条状秸秆层，完成“装窑”过程，在机具继续下一阶段作业时，此处的空间会因为土壤的重力势能和压强作用顺势掩埋，氧气缺失，但在旋耕后土质疏松，密封度恰似烧窑后期的密封要求，进入“炭化阶段”。

机具采用立式灭茬，刀辊纵轴成60°分别螺旋环绕在刀轴，同时以中间刀辊为地面的高度，相邻的刀辊分别向上、下翻，并与之垂直距离为20-40mm。两边的刀辊距离中间刀辊的距离为90-130mm，处理漏割的秸秆或者是深度的根系。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种基于立式旋耕的秸秆碳化还田机的工作方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤一：灭茬装置(4)将秸秆初步粉碎置于土壤表层；步骤二：捡拾器(6)将步骤一)中经过初步粉粹后的秸秆捡拾出送至粉碎装置(8)粉碎；步骤三：步骤二)粉碎后的秸秆经风机(9)吹送至旋耕刀轴(10)内部后随重力落入土壤；步骤四：进入土壤内秸秆经点火装置中的点火器(11)点火碳化。

2.实现如权利要求1所述的基于立式旋耕的秸秆碳化还田机的工作方法的装置，其特征在于，包括设置在机架(3)上的灭茬装置(4)、捡拾器(6)和粉碎装置(8)；机架(3)上还设置有悬挂装置(1)，所述悬挂装置(1)将机架(3)悬挂在动力机械上，并由动力机械带动；所述灭茬装置(4)设置在捡拾器(6)的前方位置，粉碎装置(8)设置在捡拾器(6)的上方出口位置处；粉碎装置(8)出口端设置有风机(9)，风机(9)与中空的旋耕刀轴(10)通过管道连接；旋耕刀轴(10)和点火装置也设置在机架(3)上，且旋耕刀轴(10)设置在点火装置的前方。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述灭茬装置(4)包括刀轴和刀辊；刀轴上设置有上刀辊(401)、中间刀辊(402)和下刀辊(403)，且中间刀辊(402)与地面平齐；上刀辊(401)和下刀辊(403)分别向上翻和向下翻。

4.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述捡拾器(6)包括捡拾刀(17)、孔型传送带(20)和固定板(19)；所述捡拾刀(17)设置在孔型传送带(20)的前端，所述捡拾刀(17)通过紧固弹簧(18)连接至固定板(19)，固定板(19)设置在孔型传送带(20)下端面上；紧固弹簧(18)可使得捡拾刀(17)在前进方向上下翻动或者在水平方向左右侧移。

5.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述旋转刀轴(10)内设置有动力扇叶，且动力扇叶的旋转方向与旋转刀轴(10)的旋转方向相反。

6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述动力扇叶的转速200～300r/min。

7.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述点火装置包括点火器(11)、储气池(12)和旋钮开关(14)；所述点火器(11)设置在点火装置的最下方，储气池(12)用来提供点火器(11)所需的气体，旋钮开关(14)用来打开或者关闭储气池(12)。

8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述点火装置最下方的点火器(11)低于地面。

9.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，还包括ARM控制器，ARM控制器接收来源于机架(3)的速度传感器和旋耕刀轴(10)底部的土壤湿度传感器的信息。

10.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述孔型传送带(20)上开有直径在1～3mm型孔。

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