CN101239506A - 一种生物质秸秆压块机 - Google Patents

Abstract

根据草粉特性，以定性定量的办法确定机械结构生产的一种生物质秸秆压块机。采用封闭式模具，定量给料，定热量加热，定容压缩。在给定输入功率前提下，减少机器的空载行程，缩短机器的轻载时间，提高输入能量利用率。采用液压驱动，电子自动控制，柱塞式压料模板，可开闭式压料模腔。整个系统，由左右镜像对称的两台机组构成，主油缸做往复运动时分别驱动左右机组运行。采用内芯棒加热，在左支架上的气孔芯棒内安装电加热元件，在电控箱设置温度控制器。

Description

一种生物质秸秆压块机

技术领域

本发明是一种生物质秸秆压块机，是由机械结构、液压元件、电力驱动及电控装置组成的机电设备。

其主要用途是将农作物秸秆及其它植物茎秆或叶皮经粉碎后的碎粒压制成一定密度、一定体积和形状的块状物。目前主要用于替代日趋紧缺的煤炭，作为广大农村和中小城镇的炊饮和取暖燃料，同时也可以作为养殖业的饲料。随着技术进步和市场的成熟，亦可将这种压块作为炼制燃料油的原料。

背景技术

从上世纪50年代开始，先后有许多国家开始研制和生产各种生物质致密成型设备。从上世纪80年代开始，我国通过引进、消化吸收和自主创新，也研制和生产了各种结构的致密成型机，用于压制颗粒形、条形、棒形及块形燃料，以及用于养殖业的颗粒和块状饲料。

从技术结构看，当前国内外生产的生物质燃料致密成型机，其工作原理可以分为三类：一是螺旋式挤压成型机，二是柱塞式冲压成型机，三是辊压式颗粒成型机。

1.螺旋式挤压成型机。

从螺旋式积压成型机的结构看，其主要构件有电机及传动系统、螺旋杆、螺旋杆套筒、耐热螺旋杆套筒延伸筒、套在延伸筒上的电加热器及给料装置。它的工作原理是木质素融凝固化成型原理，利用螺旋杆的螺旋运动将秸秆颗粒从给料装置下方，经过一段距离后，输送到螺旋杆的前端头部。利用螺旋的前端斜面，将物料挤入连接在螺旋杆套筒前端的耐热延伸筒内。在延伸筒内的已致密物料和筒壁的摩擦阻力的相互作用下，将物料挤压成一定密度的成型物，同时将成形后的致密物料推出。

2.柱塞式冲压成型机。

这种成型机的主要构件有压缩缸、往复运动的柱塞冲头和提供往复运动动力的液压系统或曲柄连杆机构。在压缩缸上，有三个工作段，摩擦阻塞段、给料区段及柱塞冲头导向段。它的工作原理是在给料段由螺旋给料或重力给料后，由往复运动的柱塞冲头将物料推向摩擦阻塞区，利用摩擦阻力和柱塞推力将物料压实致密，同时由柱塞推力克服摩擦阻力后将致密后的物料推出。

3.辊压式颗粒成型机。

这类工作原理的成型机，基本结构有两种，一种是双圆辊外切，在两辊错位开孔，利用双辊柱面对碾，将物料挤入对面辊上的开孔中，从辊内(或环内)的空腔中将致密颗粒排出。这种原理也称为对辊式成型机。另一种是双圆内切，在外圆环开孔，由内圆柱将物料从外环的开孔碾压挤出，最大开孔直径可达30mm，挤出的致密物料成棒状，长度不确定。这种结构的设备也称为环模成型机。

目前国内生产和使用的生物质成型机主要是这三种类型。

螺旋挤压机主要用于压制燃料条，它的生产能力多在100-200kg/小时，单位能耗为70-120kwh/t，产品规格为50-70mm棒状。这种机型，对水分要求较严，通常需要加热烘干。产品产出率较低，一般在2∶1，即需两吨秸秆生产出一吨压块商品，另一吨需要作为燃料，加热烘干秸秆颗粒，并补偿在加热过程中产生的烧蚀损失。所以该机型的产品成本较高，固定成本在280元/t以上。

柱塞冲压机型也用于生产燃料块，规格为直径80-120mm条棒状。由于该机型是在物料压实后的外表面加热(秸秆粉的热传导性极差)，所以内外的加热温度不一致，产品的稳定性不好，部分产品有爆裂。这种机型原料不需要加热烘干，没有燃料消耗和烧蚀损失，产品成本较低。但由于工作原理的限制，单位能耗在80-140kwh/t之间。

环模成型机一般用于养殖业的饲料压制，也可用于压制锅炉燃料。这种方式原料不需加热烘干，在压制过程中不需电加热，产量也较高，产品电耗根据各机型压制密度不同在40-80kwh/t之间。但这种机型压制的产品由于颗粒较小(10-20mm长、宽、高)，堆积体积仍然很大。在一般民用炉灶内燃烧时燃烧速度过快，燃烧时间短，虽然火焰温度很高，但大部分热量不能利用，只是提高了炉灶的排气温度。所以这种机型的产品作为燃料使用不适合。

综上所述，以上三种机型是当前已在使用的机型，由于受结构和产品规格的限制(产品规格只在直径或宽高方向定形，长度方向不确定，是定形不定型)，这三种机型的产品使用面并不宽，它们产生的经济效益还不足以驱动市场加工利用全部的农作物秸秆和林业、轻工业生物质废弃物。

从上述三种机型的技术结构看，尽管它们的构造和成型方式都不同，但它们成型物料的模型腔都是开式结构，即模型腔不封闭，都是利用致密后的物料与模型腔(筒、孔)壁的摩擦力作为工作阻力，与环模机的滚轮压力、螺旋机的斜面挤压力、柱塞机的正面推力形成合力，使被加工物料致密。这个工作阻力是这种开式结构机型完成物料致密所必需的，它与物料的压缩密度成正比，设定的出料密度越大，所需的工作阻力也越大。但它同时也是已经完成压缩的物料，排出时的排料阻力。压缩密度越高，它的排料阻力也越大。这也是一些机型的设备，产品密度高、相对能耗高、产量低的主要原因。对此类机型来说，这个排料阻力，是机器完成产品致密所必需的工作阻力，它的能量消耗在设备工作过程中所占的比重要大于50％。而对于产品本身来说，根据它自身的特性，只要给予适当的压力和温度，就可成为一定密度和形状的固态物，而与这个工作阻力无关。所以这个工作阻力是此类机型的结构阻力，改变机器结构就可以消除这个工作阻力，从而减少50％以上的能量消耗。

发明内容

根据草粉特性，以定性定量的办法确定机械结构生产的一种生物质秸秆压块机。采用封闭式模具，定量给料，定热量加热，定容压缩。在给定输入功率前提下，减少机器的空载行程，缩短机器的轻载时间，尽量使机器全负荷运行，全力提高输入能量利用率。

附图说明

一、整体结构：

本机采用液压驱动，电子自动控制，柱塞式压料模板，可开闭式压料模腔。主要构件有(指左机组，右机组与左机组成镜像对称，本文不复述。)：给料油缸1、退料推板组件2、回位拉杆3、下给料架组件4、下拉力梁6、缸筒吊板7、气孔芯棒8、退料推板组件9、压缩缸筒10、上拉力梁11、压模推杆定位导向滑块12、大圆螺母13、右支架14、左支架15、主油缸16、主油缸接头17、主油缸接头压板18、模板推杆19、给料推板20、左副支架21、给料油缸接头压板22、给料油缸接头23、滑轨24、底梁25、退料油缸27、给料斗28、压料模板29、上给料架30、右副支架31、压缩缸32等。安装位置如图所示(附图2)。

其中：

a.由左支架15、右支架14、上拉力梁11、下拉力梁6、底梁25构成本机基本框架，承载本机各安装部件和各部件的运动及静力载荷。压缩缸下给料仓组件吊挂在上拉力梁11和下拉力梁6上，在退料油缸27、回位拉杆3作用下左右滑动。相关位置详见附图6。

b.由左支架15、退料推板组件2、气孔芯棒8、压缩缸筒10组成封闭模具腔。使物料在模具内压制成直径158mm，高80-100mm，开有7个气孔(直径26mm)的圆柱蜂窝状压块。压块比重0.8-0.9g/cm3，总重量1.3-1.5kg。

c.由安装在左支架15上的退料油缸27、退料推板组件2、回位拉杆3、压缩缸筒10、缸筒吊板7组成模具开闭机构，完成压料模腔的开闭、压缩缸给料仓32的给料和排出上一次循环已压制成形的物料。相关位置详见附图4。

d.由压缩缸筒10、下给料架组件4、缸筒吊板7、给料推板20、给料油缸1构成下给料仓组件。相关位置详见附图5。在退料油缸27、回位拉杆3的作用下，以上拉力梁11、下拉力梁6为导轨(并由底梁25、滑轨24提供辅助支撑，防止垂向震动)，做往复运动，完成压缩缸给料仓32的给料，给料斗28底口的封闭。并由给料推板20、给料油缸1将物料压入压缩缸筒10，完成压缩缸筒10的给料。同时完成物料预压缩，使物料的比重由0.066提高至0.22。

e.由上给料架30给料斗28构成系统进料端口。给料斗28上给料架30固定安装在左支架15、右支架14之间。同时由左副支架21、右副支架31提供辅助支撑。在给料斗上方，可由人工或机械加入物料。

f.由安装在右支架14上的主油缸16、主油缸接头17、主油缸接头压板18、模板推杆19、压料模板29构成系统主动力组件，完成物料的致密压缩。

二、系统动作：系统全景如附图3(图中，底梁25和滑轨24被省略)，整个系统由左右镜像对称的两台机组构成，主油缸16做往复运动时分别驱动左右机组运行。在图示位置，左机组处于压料状态，模腔处于封闭状态，压缩缸下给料架组件处于左端，给料推板在给料油缸推动下已前推到位，并闭锁。主油缸向左伸出已到达端头。左机组压料动作已完成。右机组压缩缸下给料仓组件已到达左端。此时，右机组下给料仓开口已对准给料斗28下口，物料已落入下给料仓中。右机组退料油缸已全部伸出，退料推板也前伸到位，上一循环压好的料块已排出。

机组各部件循环如附图1所示(图中所示为左机组)。在图示a的位置，退料油缸27全部伸出，退料推板组件9前推到位，上一循环成型的物料已排出。压缩缸筒10下给料架组件4已运动到右端，给料油缸1给料推板20后退到位，压缩缸给料仓32已打开，物料已充满。由压料模板29、模板推杆19、主油缸16构成的系统动力组件处于右端。

在图示b的位置，退料油缸27收缩到位。压缩缸下给料架组件运动到左端，退料推板组件9以后退到位，压料模腔已封闭(由附图2B-B可看到，给料仓32上开口、给料斗28下开口均已关闭)。给料推板20给料油缸1都处于收缩端。压料模板29及系统动力组件处于右端。

在图示c位置，给料推板20在给料油缸1推动下已全部推出，并闭锁。给料仓32中的物料已全部压入压缩缸筒10内，预压缩已完成，物料比重已由0.06压缩至0.22。其他部件原位。(图示b位置)

在图示d位置，压料模板29已由动力系统组件推动到达左端，模腔中物料已压制完成，比重达到0.80-0.90。系统其他部件原位(如图示c位置)。系统下一动作是，主油缸16及系统部件后退，退料油缸27前推，相关其他部件同时向右运动，给料油缸1给料推板20解除闭锁向后运动。全部到位后，如图示a，系统进入下一循环。

右机组此时已完成所有预备动作，处于左机组图示c位置，即将进行图示d动作(方向相反)。

三、加热系统：本机采用内芯棒加热，在左支架上的气孔芯棒8内安装电加热元件，在电控箱设置温度控制器。将气孔芯棒8的表面温度控制在280℃-320℃，加热功率2.8kw，总热量2410大卡。

加热原理：本机采用封闭模具、内加热原理。加热时，已完成预压缩的物料(密度0.22)，由压料模板29推动进入模具压缩区。在推入行程中，物料与气孔芯棒8表面接触，在高温作用下，从气孔芯棒8表面起，逐层产生碳化层、焦化层、熟化层。同时由于物料内含空气的存在，碳化层局部做有氧燃烧，产生高温气体，在压料模板的快速压缩下，使模腔内物料瞬间软化(同时由于模具拼合缝的排气作用，压块边角受热气流冲击较大，温升较高，所以压块边角成型性较好，成品边角强度较高，有利于在存储期保持产品完整。)，之后物料立即被压缩成形(这一过程用时小于2秒)，并排出。成形压块排出后冷却反弹小于30％，压块比重≈0.85。压块规格：圆柱状，直径160mm，高度≈80mm，7孔，孔径26mm。(压块各向异性，径向回弹小于轴向回弹)

具体实施方式

本机采用了双机组(左右机组)，单油缸双向运行，消除了非工作行程，采用大流量液压泵，变流量恒功率输出，减少了空载和轻载荷运行时间，工作性能高，有效提高了输入能量利用率，加快了压块速度。在输入能量不变的情况下，压块效率提高1.5倍，吨能耗比较开式模具结构的成型机降低50％。

本机动力系统选定电机功率25-30kw，转速1450r/min，拖动每转排量160-250mL变流量液压泵，在压力控制下做恒功率输出。相应液压阀、油箱选用通用标准件构成泵站系统，本文不详述。

本机设定电机转速1450转/分，可选装25或30kw电机和排量160-250ml/r液压泵，以得到不同配置和不同产出的系列机型。但原则上说，选型配置越高产量和经济效益越好。

本机电控系统采用由通用标准元件构成的电子自动控制系统，相关配置本文不详述。

1、本机最低配置和最高配置相关数据：

单块压制时间      8.019-6.158秒

每块重量          1.3-1.5kg

每分钟压制块数    7.40-9.74块

每小时产量        0.5835-0.8767t

日产量(8小时)     4.668-7.014t

年产量(250天)     1167-1753t

2、成本效益：

成本包括电耗(电费计价1元)、人工费(5人每人每天30元)、消耗品(每小时5元)、秸秆成本120元/吨(含秸秆到厂运费)，不包括产品出厂运费、场地费用、相关福利和税。

吨成本                208.34-184.49元

售价400元/t时价差     191.66-215.51元/t

年收益                22.3667-37.7896万元

说明：低值按电机25kw，泵160ml/r，压块重1.3kg

高值按电机30kw，泵250ml/r，压块重1.5kg

使用范围：本机给料体积可调，可用于压制各种秸秆和林业、轻工业生物质有机废弃物。在10平方公里种植范围内，有土地15000亩，亩产秸秆以600kg计(平均值)，秸秆总产量9000吨，可配置本机组6台，可获取收益180万元，农民增收100万元。

附图标记说明

附图1是：

左机组各部件工作循环图，有a、b、c、d  4个工作位置。

附图2是：(A、B两幅)

左机组总装配图，其中标记序号是：1给料油缸、2退料推板组件、3回位拉杆、4下给料架组件、5给料压板、6下拉力梁、7缸筒吊板、8气孔芯棒、9退料推板组件、10压缩缸筒、11上拉力梁、12压模推杆定位导向滑块、13大圆螺母、14右支架、15左支架、16主油缸、17主油缸接头、18主油缸接头压板、19模板推杆、20给料推板、21左副支架、22给料油缸接头压板、23给料油缸接头、24滑轨、25底梁、26给料油缸滚轮支架、27退料油缸、28给料斗、29压料模板、30上给料架、31右副支架、32压缩缸。

附图3是：

系统工作状态全貌图。图中：左右机组的滑轨24、底梁25被省略，左机组处于压缩终了状态，右机组处于给料仓给料状态。

附图4是：

压料模具开闭结构图，其中标记序号是：27.1连接板、9.1滑管推杆，其他同附图2。

附图5是：

下给料架装配图，其中标记序号是：7.1压缩缸右吊板、7.2压缩缸左吊板、43给料口下支板、44下给料架底板、45下给料架侧板、46 压缩缸吊板滑套、48给料口下侧板、49给料口底板、411给料油缸安装板，其他同附图2。

附图6是：左机组工作轴线刨面图，图中退料油缸27、退料推板2前推到位，下给料架已移动到右端，压料模板29、模板推杆19处于右端。附图标记序号同附图2。

Claims (4)

1. 本发明涉及一种生物质秸秆压块机，其特征是，所述的压块机设计原则为，根据草粉特性，以定性定量的办法确定机械结构，采用封闭式模具，定量给料，定热量加热，定容压缩，在给定输入功率前提下，减少机器的空载行程，缩短机器的轻载时间，尽量使机器全负荷运行，全力提高输入能量利用率。

2. 如权利要求书1所述的一种生物质秸秆压块机，其特征是，所述的压块机结构为，采用液压驱动，电子自动控制，柱塞式压料模板，可开闭式压料模腔，主要构件有：指左机组，右机组与左机组成镜像对称，本文不复述，给料油缸1、退料推板组件2、回位拉杆3、下给料架组件4、下拉力梁6、缸筒吊板7、气孔芯棒8、退料推板组件9、压缩缸筒10、上拉力梁11、压模推杆定位导向滑块12、大圆螺母13、右支架14、左支架15、主油缸16、主油缸接头17、主油缸接头压板18、模板推杆19、给料推板20、左副支架21、给料油缸接头压板22、给料油缸接头23、滑轨24、底梁25、退料油缸27、给料斗28、压料模板29、上给料架30、右副支架31、压缩缸32等，安装位置如图所示，附图2，

其中：

a.由左支架15、右支架14、上拉力梁11、下拉力梁6、底梁25构成本机基本框架，承载本机各安装部件和各部件的运动及静力载荷，压缩缸下给料仓组件吊挂在上拉力梁11和下拉力梁6上，在退料油缸27、回位拉杆3、作用下左右滑动，相关位置详见附图6。

b.由左支架15、退料推板组件2、气孔芯棒8、压缩缸筒10组成封闭模具腔，使物料在模具内压制成直径158mm，高80-100mm，开有7个气孔，孔直径26mm的圆柱蜂窝状压块，压块比重0.8-0.9g/cm3，总重量1.3-1.5kg，

c.由安装在左支架15上的退料油缸27、退料推板组件2、回位拉杆3、压缩缸筒10、缸筒吊板7组成模具开闭机构，完成压料模腔的开闭、压缩缸给料仓32的给料和排出上一次循环已压制成形的物料，相关位置详见附图4。

d.由压缩缸筒10、下给料架组件4、缸筒吊板7、给料推板20、给料油缸1构成下给料仓组件，相关位置详见附图5，在退料油缸27、回位拉杆3的作用下，以上拉力梁11、下拉力梁6为导轨，并由底梁25、滑轨24提供辅助支撑，防止垂向震动，做往复运动，完成压缩缸给料仓32的给料，给料斗28底口的封闭，并由给料推板20、给料油缸1将物料压入压缩缸筒10，完成压缩缸筒10的给料，同时完成物料预压缩，使物料的比重由0.066提高至0.22，

e.由上给料架30、给料斗28构成系统进料端口，给料斗28上给料架30固定安装在左支架15右支架14之间，同时由左副支架21、右副支架31提供辅助支撑，在给料斗上方，可由人工或机械加入物料，

f.由安装在右支架14上的主油缸16、主油缸接头17、主油缸接头压板18、模板推杆19、压料模板29构成系统主动力组件，完成物料的致密压缩。

3.如权利要求书1所述的一种生物质秸秆压块机，其系统动作特征是，整个系统由左右镜像对称的两台机组构成，主油缸16做往复运动时分别驱动左右机组运行，系统全景如附图3，图中，底梁25和滑轨24被省略，在图示位置，左机组处于压料状态，模腔处于封闭状态，压缩缸下给料架组件处于左端，给料推板在给料油缸推动下已前推到位，并闭锁，主油缸向左伸出已到达端头，左机组压料动作已完成，右机组压缩缸下给料仓组件已到达左端，此时，右机组下给料仓开口已对准给料斗28下口，物料已落入下给料仓中，右机组退料油缸已全部伸出，退料推板也前伸到位，上一循环压好的料块已排出，

机组各部件循环如附图1所示，图中所示为左机组，在图示a的位置，退料油缸27全部伸出，退料推板组件9前推到位，上一循环成型的物料已排出，压缩缸筒10下给料架组件4已运动到右端，给料油缸1给料推板20后退到位，压缩缸给料仓32已打开，物料已充满，由压料模板29、模板推杆19、主油缸16构成的系统动力组件处于右端，

在图示b的位置，退料油缸27收缩到位，压缩缸下给料架组件运动到左端，退料推板组件9以后退到位，压料模腔已封闭，由附图2B-B可看到，给料仓32上开口、给料斗28下开口均已关闭，给料推板20给料油缸1都处于收缩端，压料模板29及系统动力组件处于右端，

在图示c位置，给料推板20在给料油缸1推动下已全部推出，并闭锁，给料仓32中的物料已全部压入压缩缸筒10内，预压缩已完成，物料比重已由0.06压缩至0.22，其他部件原位，图示b位置，

在图示d位置，压料模板29已由动力系统组件推动到达左端，模腔中物料已压制完成，比重达到0.80-0.90，系统其他部件原位，如图示c位置，系统下一动作是，主油缸16及系统部件后退，退料油缸27前推，相关其他部件同时向右运动，给料油缸1给料推板20解除闭锁向后运动，全部到位后，如图示a，系统进入下一循环，

右机组此时已完成所有预备动作，处于左机组图示c位置，即将进行图示d动作，方向相反。

4.如权利要求书1所述的一种生物质秸秆压块机，其特征是，所述的压块机加热系统为：采用内芯棒加热，在安装在左支架上的气孔芯棒8内设置电加热元件，在电控箱设置温度控制器，将气孔芯棒8的表面温度控制在280℃-320℃，加热功率2.8kw，总热量2410大卡，

加热原理：本机采用封闭模具、内加热原理，加热时，已完成预压缩的物料，密度0.22，由压料模板29推动进入模具压缩区，在推入行程中，物料与气孔芯棒8表面接触，在高温作用下，从气孔芯棒8表面起，逐层产生碳化层、焦化层、熟化层，同时由于物料内含空气的存在，碳化层局部做有氧燃烧，产生高温气体，在压料模板的快速压缩下，使模腔内物料瞬间软化，同时由于模具拼合缝的排气作用，压块边角受热气流冲击较大，温升较高，所以压块边角成型性较好，成品边角强度较高，有利于在存储期保持产品完整，之后物料立即被压缩成形，这一过程用时小于2秒，并排出，成形压块排出后冷却反弹小于30％，压块比重≈0.85，压块规格：圆柱状，直径160mm，高度≈80mm，7孔，孔径26mm，压块各向异性，径向回弹小于轴向回弹。

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