CN101254663A - 一种生物质致密成型加工方法 - Google Patents

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    • B30B11/00Presses specially adapted for forming shaped articles from material in particulate or plastic state, e.g. briquetting presses, tabletting presses
    • B30B11/22Extrusion presses; Dies therefor
    • B30B11/28Extrusion presses; Dies therefor using perforated rollers or discs

Abstract

本发明公开一种可移动式生物质致密成型加工方法,其包括预先破碎、粉碎和对辊式成型步骤;在预先破碎步骤中,将生物质原料先压扁,并沿其纵向劈开;在下面的粉碎步骤中,将压扁并纵向劈开的生物质送入粉碎机构进行横向铡切;将铡切粉碎后的生物质输入对辊式成型机,压缩致密,成型为生物质颗粒产品输出;所有加工步骤都是在一带脚轮可移动的机架上完成。本方法不需要对原料进行干燥,也不需要加温成型,大大节约了能源。本方法机动、灵活,既可采用电机,也可使用农用车的柴油机作为动力,整机可随农用车转移到不同地点,在生物质原产地进行加工。其可提高农民的积极性,且使一些偏远地区,缺乏电力地区的生物质原料得到加工利用,大大提高资源利用率。

Description

一种生物质致密成型加工方法
技术领域
本发明属于生物质致密成型加工技术领域,涉及一种生物质致密成型加工方法。
背景技术
目前,广泛使用的生物质致密成型加工方法,是把生物质原料运输到专门的加工厂里加工,原因在于现有加工方法中各个工序呈分开状态,设备可移动性差;生物质主要是农作物的秸秆、薪柴等农林废弃物,将这样分散在各处、松散的生物质原料长距离搬运至加工厂,需要付出昂贵的收集、运输及储存费用;加工成型后产品还要再运出给用户,有时候就是返给提供生物质原料的原有用户使用。这样集中加工导致了二次搬运的麻烦和浪费。有些生物质原料产地位置偏僻,交通运输不便,将该处的生物质运输到加工厂中,运费高和运输艰难,致使这些地方的生物质不能有效转化成致密型产品,造成资源浪费。
导致现有技术中生物质致密成型加工不能移动到生物质产地进行的另一个原因是加工过程需要较大能耗和设备庞大、不便移动。
在现有的加工方法中,原料在加工时通常需要经烘干或自然风干工序后使其含水量降低,然后进行粉碎等预处理后,再进行成型加工。原料烘干能耗较大,装置也比较复杂,使得设备的可移动性变差。
现有成型方法有螺旋挤压成型、压模式成型和活塞式冲压成型几种类型。
螺旋挤压成型,是利用生物质的木质素在加热到适当温度(130-200摄氏度)下会软化的特性,将生物质加热,然后加压使其固化成型。此方法中,原料需要干燥至含水率13%以下,粉碎后利用螺旋挤压机在高温下挤压成型,成形后致密颗粒的温度一般都在90℃以上,因此,需要冷却到常温才能包装、运输。干燥、加热、挤压以及冷却等过程的能耗都非常高,因此,一般情况下,每生产一吨生物质致密成型产品的耗电量都高于100千瓦时,有的甚至达每吨200千瓦时;而且,螺旋挤压件工作环境恶劣,寿命非常短,螺杆的寿命通常只有几百小时,甚至不足100小时。
压模式成型方法,包括环模式、平模式及对辊式几种成型模式。环模式及平模式成型,是通过一个压辊在具有成型孔的环模或平模上的环面或平面上滚动,将一定细度的原料压进成型孔中挤压成型。在压辊相对于环模或平模滚动将料压入成型孔过程中,压辊与物料之间的滑动,使得将物料压进成型孔出现困难,另外,由于滑动生热也使得物料在其成型过程中温升很大,一般成型孔出口处物料的温度都在90℃左右。压制出温度这样高的颗粒,一般也要进行冷却,然后才可以进行包装、运输等。冷却也增大了能耗。同时,由于滑动摩擦生热,使得环模及压辊温度升高,工作环境恶劣,致使其使用寿命降低。另外,在环模式成型中,压辊比环模或平模的磨损严重,需要频繁更换。为了提供其耐磨性,在制作时要对零件表面作高频淬火处理,因而费用昂贵。
现有技术中的对辊式成型方法通常有两种,一种是在具有成型孔的一对轧辊组成的成型装置中进行,成型方式与环模式及平模式成型方式基本相同,优缺点也相同;而另一种成型方式是利用一对辊子表面的凹状成型的,这种成型方法制出的颗粒密度较低,容易散开,所以,往往需要根据情况在原料中添加粘结剂。
活塞冲压式成型方法,对原料的含水率要求不高,允许原料含水率高达20%左右。成型机通常不用加热,但成型物密度稍低,容易松散,工作部件与螺旋挤压式成型机相比,明显改善了工作条件,但由于存在较大的振动负荷,所以机器运行稳定性差,噪音较大。
现有诸多生物质致密成型方法,有的在干燥原料和成型工序中需要加热,用电负荷很高,受加工条件的限制,有些生物质原料所在地,缺少电力或电力不足,不能设置成型加工点,即使将设备放置在车辆上,靠近生物质原料堆放地,因为电力问题也难以作业。
现有的加工方法由于能耗和运输等问题导致成本高,也影响了农民将秸秆等生物质制成致密的颗粒用作燃料等可再利用资源的积极性,因而,也很难形成生物质致密加工的产业化。
中国专利号为00100122.1,名称为“秸秆燃料、饲料压型机”专利公开了一种秸秆饲料燃料成型加工工艺。它包括对秸秆进行粉碎、搅拌、冲压成型几个步骤。该工艺过程中的各个设备都放置在一个带有脚轮的底板上,这解决了定点加工、不易移动的缺陷,但是,此工艺除了对原料有含水率要求(小于18%)外,冲压成型过程仍然要求对原料加热,因此,仍没有摆脱能耗高的缺点,虽然该工艺所使用的各个设备理论上可以移动,但是,其较高的能耗和2.8吨的重量及庞大机身,仍然制约了其前往各个地方、特别是电力缺乏和道路交通不便的偏僻处加工处理生物质的使用;而且,处在高温下的工作部件,工作条件恶劣,使用寿命短。
中国专利号为03118876.1、名称为“饲料、燃料作物秸秆成型生产成套设备”的发明专利公开了一种饲料、燃料成型工艺,其包括对原料脱水、烘干过程,而且需要预压,因此,仍然没有摆脱投资大、能耗高、机动性差的缺点。
申请号为200610017153.2名称为“一种生物质秸秆成型机”的发明专利申请,虽然放宽了生物质原料的含水率,不需要粉碎、烘干,但是成型时仍需要加温,采用热成型技术,仍然存在能耗高的缺点。
发明内容
本发明的目的在于改进现有技术中生物质致密成型方法能耗高、设备易磨损以及机动性差导致生物质原料运输产生高额费用的不足,提供一种新型生物质致密成型加工方法,该方法从各个加工环节入手降低能耗;能耗较低,使其可以适应广大农村包括电力不足的偏远地区使用,将加工现场设在生物质原料产地,降低运输费用;
本发明进一步的目的在于提供一种可以使用电能,但在没有电力的地方也可以使用非电力,可以到田间地头等没有电源的地方进行作业的生物质致密成型加工方法。
为实现上述目的,本发明采取以下设计方案:
本发明提供的生物质致密成型加工方法,其特征是:包括粉碎步骤和对辊式成型步骤,所述粉碎和对辊式成型所使用的设备设置在同一个机架上,粉碎设备出口排出的碎屑输入到所述对辊式成型设备的进料口中;
生物质原料首先在粉碎步骤中粉碎成碎屑,然后,粉碎的碎屑进入对辊式成型设备中进行成型加工;
所述成型步骤使用一对辊式成型设备,其包括一对可转动且其间距可调或不可调地固定在所述机架上的凹凸对辊,对辊中的每个辊子的圆周表面设有凹模部和凸模部,在所述辊子的凹模部上设有径向成型孔,在该辊子的轴心沿其轴向设有轴向通孔,使之成为空心辊,该径向成型孔与该轴向通孔连通;一个所述轧辊的凸模部深入另一个所述轧辊的凹模部,将输入到所述进料口中再落到凹模部中间的碎屑压入凹模部上的径向成型孔中并施压,使得碎屑在成型孔中被压结成型,成型的生物质致密产品从径向成型孔的位于轴向通孔中的孔口排出。
本发明提供的加工方法中的所述粉碎步骤,是将细长的生物质原料纵向输入粉碎设备中进行横向铡切生成碎屑。即是将生物质沿尺寸较小的截面进行铡切;或者,
更进一步地,本发明提供的加工方法中,在所述粉碎步骤可以包括一个预先破碎步骤和横向铡切步骤在所述预先破碎步骤中,将生物质原料压扁,并沿其纵向劈开;然后,在下面的粉碎步骤中,将压扁并纵向劈开的生物质送入粉碎机构进行横向铡切;所谓横向铡切,就是将生物质沿尺寸较小的截面进行的铡切。
接着,将铡切粉碎后的生物质碎屑输入对辊式成型机,压缩致密,成型为生物质颗粒产品输出。
在包括预先破碎步骤的所述粉碎步骤中,具体地,在预先破碎步骤中,可以是将生物质纵向送到一个旋转的压辊和一个静止的进料导板之间,该压辊的圆周面上分布有将生物质纵向劈开的劈刀,该劈刀可以是楔形刀片、三角形断面刀片或矩形体块形刀具,其刀刃垂直于压辊的轴线设置;所述劈刀在压辊上的排列形式为,沿压辊的圆周方向成排设置,在压辊的轴线方向平行地排列若干排,同一排各个劈刀之间设有间隙,其为5-30mm,优选25mm。相邻两排劈刀中的各劈刀相错设置。该劈刀的刀刃长度一般可以是5-25mm,优选20mm;相邻两排劈刀的间距可以在5-15mm,优选10mm。
压辊到进料导板之间的间距小于生物质原料的径向尺寸。
在与劈刀对应位置的进料导板上设有劈刀槽,劈刀的端部从该劈刀槽中通过。
在所述机架上设有一传动机构,与所述粉碎和对辊式成型所使用的设备的主动件连接,该传动机构连接动力源,所述动力源可以是电机或是柴油机。
所述对辊式成型步骤中,所述的两个辊子转向相反地转动,其上的凹模部和凸模部在转动过程中,一个辊子的一个凸模部逐渐嵌入到另一辊子的凹模部的凹陷处,相互嵌合、再逐渐从凹模部脱出脱离嵌合,在凸模部进入凹模部和相互嵌合过程中,经前一粉碎步骤粉碎为碎屑的生物质进到凹模部中间,被凸模部压入凹模部上的径向成型孔中并施压,压结成型。
所述的两个辊子的凸模部和凹模部的外廓的形状为:该凸模部的外廓为外凸弧形表面,与凹模部内凹弧形表面吻合,使得在两个轧辊相对转动时凸模部与凹模部形成相嵌或称为啮合结构。
所述凹模部底部开有的所述径向成型孔从内向外,顺序为为锥形孔段和直直孔段,或者,所述成型孔为直孔。
在成型步骤后面最好还设有切断步骤,将压成的产品切断成为生物质致密颗粒。
具体地,可以在所述辊式成型设备的对辊成型产品出口处的机架上设置回转切断刀具,该切断刀具可以固定在机架上,探伸到所述辊子的轴向通孔的孔口内,径向成型孔孔口上,辊子转动,切断刀与从成型孔压出的条状产品形成相对运动而切断之,形成大小均匀的生物质致密颗粒。
在上述加工方法中,生物质原料,可以是农作物秸秆,荆棘杂草等,较粗的生物质如玉米、高梁秸秆由喂入机构喂入预先破碎装置中被压扁,并沿纵向劈开,再进入铡切式粉碎机构被铡切成碎屑,最后进入成型装置的进料斗,落入到辊面为凹凸模结构的凹凸式的一对轧辊上,经过凹凸式对辊压缩后成型。如果是较细的生物质,如麦秸或稻草,可以由预先破碎机构压扁、劈开,再进行横向铡切,还可以不经过压扁劈开过程,直接通过喂料装置输送横向铡切设备,只是对其进行横向铡切,例如通过不带劈刀的压辊和静止的进料导板之间的输送进入粉碎机构进行横向铡切的粉碎工段,然后通过对辊成型即可。
本发明提供的生物质致密成型加工方法,其中生物质原料的含水率一般不大于30%即可。对于本发明的加工方法,原料较高的含水率一般更容易成型,这是因为较粗大的秸秆等经过本发明特殊的预先破碎过程以及粉碎过程,生物质在纵向劈开呈纤细状,在后面的成型过程中,生物质粒子相互嵌合成型容易,而且在生物质粒子相互填充、镶嵌的过程中,水可以起到润滑作用,使成型过程变得更加容易。对于成熟的农作物秸秆,一般情况下,含水率都不会大于30%。因此,本加工方法不需要对原料进行烘干等干燥处理。这样,使得设备更加简单,成本低、重量轻,体积小,能耗也大大降低。
本加工方法中,成型设备也不需要加热,主要依靠在压力作用下成型,在压力作用下,生物质的粒子相互填充、镶嵌压制成型。由于大多数秸秆类生物质其结构较疏松,粒子间的空隙较大,在压力作用下相互挤压、填充而使结构更密实。而细胞中的水分可以起到润滑作用,加速这一过程的实现。细胞壁中含有的主要多糖为纤维素、木质葡聚糖和果胶类多糖,在填充、镶嵌过程中这类物质起着粘结剂的作用。理论上讲,碎屑的颗粒越小,压力越大,其硬化效果越好。由于本工艺在成型之前设置的压扁(压碎)、纵向劈切、横向铡切使生物质的各种组织充分暴露,因而,使得这种镶嵌、填充更加容易,由此,可以降低压力,节省能耗。
由于本发明采用凹凸对辊嵌入式成型方法,其成型方式与现有技术中的成型方式大不相同。其没有了现有技术中螺旋式成型升温磨损的问题,也解决了现有环模型、平模型和某些对辊压辊在环模等上面打滑的问题,两个压辊的理论啮合线的分度圆是处于纯滚动的作用方式,凸模部可以压到凹模部的成型孔的孔口,对于其中碎屑的施压可以是高效的。因此使用本成型装置,成型部件与物料之间的摩擦很小,因而,不会引起温度的过度升高。在将原料以一定的压力压入成型孔过程中会有一定的温升,本发明的加工方法中,成型温度一般不会高于70℃。而这种适当的温升有助于秸秆中果胶类物质的粘结效果。
本加工方法中,成型压力可以是30-120MPa。
压力的取值范围与生物质秸秆的类型、成熟度、含水率等因素有关。如棉花秸秆与玉米、小麦、稻谷类秸秆不同,其纤维素等含量较少,因此,成型压力要求较高。成熟早期与晚期不同,秸秆中的多糖类物质将发生变化,成型压力也要随着改变。
在粉碎步骤中,一般将物料粉碎到小于或等于成型颗粒直径的三分之二的碎屑,如果成型颗粒的直径在8-12mm范围内,则碎屑的长度应为5.5-8mm。
本加工方法压制的产品颗粒的密度一般在0.9-1.3吨/立方米。这样的密度完全适用于用作燃料、饲料等用途。
在所述成型步骤中,对成型孔中的温度和/或压力进行监测,对于所述凹凸对辊可转动且其间距可调地固定在所述机架上的对辊式成型设备,根据成型温度和/或压力,相应调整对辊间距,以便调整成型生物质致密产品的密度。或者,根据生物质致密产品的密度要求与成型压力的关系,通过调节对辊的间距调节成型压力,从而得到密度合格的产品。
设于所述成型孔中的温度传感器和/或压力传感器上的导线和数据传输线通过所述辊子的所述轴向通孔引出,可以与一显示屏连接,使得得到的温度和/或压力值通过显示屏显示,操作者通过显示的相应数据,调节对辊的间距。
通过在成型过程中监测控制对辊的压力和温度,及时调节压力控制装置,调节凹凸对辊的成型压力,使压力不致过大而浪费能源,也不致压力过小不成型或成型密度不达标。
在本发明提供的所述加工方法中,自生物质原料给料到压缩致密成型产品出料的整个加工过程所需零、部件及自动或手动控制装置均布置于一个机架上;机架上装有小轮,使得设备可以用动力等拖动或车辆装载而移动;由此,本加工方法使用的整台设备具备机动性,其可以用农村常用的农用机动车拖动转移,也可以装载在农用车上转移,在生物质原料产地进行就地加工。由于本发明提供的方法和使用的设备的独特,可以使得本设备的重量控制在该机器每小时生产生物质致密颗粒重量的两倍。例如,设备的生产率是300千克/小时,则机器的重量可以在600千克左右。现有技术中一般使用的柴油发动机牵引的农用车的载重量为2-3吨,在该车上放置或拖动本发明使用的设备,其外,车辆还可以运输加工好的生物质致密颗粒。
所述加工方法中的各机构通过传动机构连接,其总传输轴可以连接一电机,或农用柴油机作为驱动动力。还可以采用牵引本加工设备的农用车本身的动力柴油机。其连接结构在现有技术中种类繁多,在此不再赘述。
本发明提供的生物质致密成型加工方法,其中的粉碎步骤具有独到之处,其不是将原料放入粉碎机杂乱地进行粉碎,而是将细长的原料纵向输入粉碎机,通过横向铡切,粉碎成一定的细度,对于例如玉米或高梁等较粗的秸秆,在横向铡切粉碎之前设置一个预破碎步骤,将其压扁且纵向劈开成细长物,然后在如粉碎细长原料一样地横向铡切粉碎。这样的粉碎或预破碎加粉碎工艺可以高效率地将物料粉碎成所要求的细度,再有,由于本加工方法中设置了预先的压扁劈切工序,粉碎中采用横向铡切的粉碎方式,这样就更加降低了粉碎能耗。因此,本加工方法的能耗比现有技术中的加工方法显著节能,这其中减少粉碎能耗对整个方法耗能低有较大贡献。
在成型过程中监测成型温度和/或压力值,避免压力过大而浪费能量,这也是降低本发明的方法能耗的有效措施。
在本发明提供的加工方法中,对于原料的含水率限制范围较宽,使得原料不需要烘干,在成型过程中采用冷压技术致密成型,也不需加热,这些是使得本方法的能耗与现有技术中其它方法相比能耗低得很多的重要因素。同时,没有干燥原料过程,使得设备简单,设备的重量和体积大大减少,另外,再加上本加工方法中的各个对应机构连接的驱动装置同时适用电机与柴油机,即使是没有电力、道路交通情况比较差的偏远地区,使用本发明方法对应的设备上述地区都可以方便到达,因此,本发明可以使得分散、偏远地区的生物质资源也能得到利用。
本发明提供的生物质致密成型加工方法采用冷成型技术,一次性致密成型,无须烘干及加热,也不需要冷却,能耗低,效率高,成本低,本发明提供的方法,每生产一吨生物质致密颗粒,能耗不超过80千瓦时。另外,本方法的一次成型率可达到85-95%,略高于现有技术中的同类水平,生产率较高;将动力输入设计成既适合于电力,也适合于柴油机,可以到地块偏僻、分散、缺少电力的区域作业,生物质原料可以在产地加工,方便使用。本发明提供的加工方法实现了成型设备的机动性、一体性、方便性,与电动机或柴油机动力配置,能够在生物质产地进行加工,不需烘干,生物质原料被直接、就地、一次性致密成型,能耗低,效率高,方便使用、运输,惠及广大农民。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步说明。
图1为本发明提供的生物质致密成型加工方法的工艺流程图;
图2为本发明提供的生物质致密成型加工方法所使用的全套设备的结构示意图;
图3为一种进料压扁劈切机构的结构示意图;
图3a为图3所示的压扁劈切机构中压辊的展开结构示意图;
图4为本发明提供的生物质致密成型加工方法中使用的轧辊式成型机构中一对轧辊上凹凸碾压表面的结构示意图;
图5为在如图3所示的轧辊上安装压力传感器的结构示意图;
图6为本发明提供的一种传动系统的示意图。
具体实施方式
本发明提供的生物质致密成型加工方法的一个实施例是用于粉碎玉米秸秆,其加工工艺流程见图1,包括对原料的预先破碎、粉碎和对辊式成型几个步骤;预先破碎步骤又分为压扁和劈开两个分步骤,在所述预先破碎步骤中,将生物质原料先压扁,再沿其纵向劈开;然后,在下面的粉碎步骤中,将压扁并纵向劈开的细条状生物质送入粉碎机构进行横向铡切;接着,将铡切粉碎后的碎屑通过一道筛网,大小合格的碎料落入对辊式成型机即一对可转动且其间距可调地固定在机架上的凹凸对辊之间的进料口,进行压缩致密成型,制出具有一定密度的生物质颗粒产品输出。筛网上面的较大的物料可以重新返回粉碎过程进行粉碎后再进入成型过程。
本加工方法可以在如图2所示的一套整体设备中进行。其包括一个机架1,其上固设机架车轮8。在机架上固设一电机05或柴油机,其输出轴连接一减速箱7,该减速箱具有两个转速不同的输出轴,一根输出轴通过皮带传动机构03连接粉碎机构中的横向铡切机构4,横向铡切机构4再通过一链传动机构01连接一预先破碎机构的压辊13;另一根输出轴通过一皮带传动机构02连接成型机构对辊中的一个轧辊17,两个轧辊16、17之间设置链传动机构021,使得两个压辊转向相反、转速相同的转动(见图6)。各个传动机构向相应机构提供适合的速度和转向。在减速箱7的输入轴上还设有一个皮带轮,其上设皮带04用于连接牵引或装载本加工设备的车辆的动力输出轴,例如连接装载本设备的农用机的柴油发动机(图中未示出)。
在机架1的最上面设置的搁板101上设有一预先破碎装置,该预先破碎装置由带劈刀12的压辊13、进料导板11以及外罩14组成。实现压扁和劈开预破碎步骤的压辊13,其可转动地固定在搁板101上的轴承座上,该压辊13的圆周面131上分布有将生物质纵向劈开的楔形劈刀12,所述劈刀为沿压辊的圆周方向成排设置,在压辊的轴线方向平行地排列若干排,同一排各个劈刀12之间设有间隙d1,相邻两排劈刀的间距位d2,该劈刀的刀刃长度d3一般可以是5-25mm,优选20mm;同一排劈刀的间隙d1为5-30mm,优选25mm。相邻两排劈刀的间距d2可以在5-15mm,优选10mm。相邻两排劈刀相错设置。
压辊到进料导板之间的间距小于生物质原料的径向尺寸。
如图3所示,在圆形截面压辊13的下方机架1上固设静止的进料导板11,进料导板11与压辊13的不设劈刀12的圆周表面之间设有一定的间隙,该间隙的大小是可以可调的,其大小决定了生物质被压扁的程度和被劈开的效果。该间隙越小,生物质被压得越扁,破碎效果越好,但是能耗将提高。在与劈刀12对应位置的进料导板11上设有劈刀槽111,劈刀的端部置于该劈刀槽111中设置。工作中,劈刀的端部从该劈刀槽中通过纵向劈开秸秆。
压辊13到进料导板11之间的间距通常调节到小于生物质原料的径向尺寸的0.25-0.6倍。本实施例中可定为5-8mm。
压辊13和进料导板11之间的间距可以有多种调节方法,也对应有多种调节结构。例如,可以通过调节压辊13在搁板上支撑的轴承的高低位置实现,在轴承和机架之间设置若干垫片,通过增减垫片调整压辊13的与进料导板11的间距;也可以调节进料导板11的高度实现;也可以采用弹簧机构自动控制,例如压辊支撑固定在一个弹性装置上。
在压辊13的进料口上设有一喂料保护机构2,其可以是一个倾斜的导板。原料沿喂料保护机构的导板进入后,由压辊压扁劈切成细条,然后进入粉碎室。
粉碎室设在机架1上位于压辊出料口的后面偏下方,其中固设有横向铡切刀具,其是一个可转动地设置在机架1上的回转铡刀,即滚动铡刀,其与驱动机构通过皮带传动机构03连接,该回转铡刀的固接轴与压辊13的固接轴之间通过链传动机构01连接(见图6)。本发明提供的加工方法中的所述粉碎步骤,是包括前面预破碎工序即把压扁并纵向劈开成细长物的玉米秸秆纵向输入粉碎设备中,通过滚动铡刀进行铡切。前面的带有劈刀的压辊13和进料导板11还起到进料机构的作用。
本发明提供的粉碎步骤,还可以不设预先破碎步骤,直接将较细的秸秆如稻草或麦秸直接进行横向铡切。对应的所述粉碎装置,可以是包括一个进料机构和一个铡切机构,设在机架1上,所述进料机构包括可转动地固定在机架上的一个压辊和与之对应静止地固定在机架上的一个进料导板,其间形成进料口和出料口,该轧辊上不设劈刀。在出料口处固设所述铡切机构,其包括一个与所述传动机构连接的转盘,在该转盘上圆周方向上铰接设置一把或几把铡刀片,构成柔性铡刀,该铡刀片的转动轨迹与前述进料机构的出料口相交。由此,可以对进料机构出料口排出的细长的生物质原料进行横向铡切生成碎屑。本粉碎装置中,铡切机构在现有技术中种类很多,也都可以用于本设备中。
在搁板下方的机架上与粉碎机出料口位置相应处设置对辊式成型机6。在对辊式成型机的上方进料口和粉碎机出料口之间设置成型进料斗5,使得粉碎后的生物质碎屑过筛后直接进入成型机进料斗中。在对辊式成型机的下方固设出料斗10,成型后的生物质颗粒从出料斗排出(见图2)。
如图4所示,对辊式成型机6包括一对可转动且其间距可调地固定在机架1上的凹凸对辊16、17,其罩在一外壳中,外壳上设进料口与进料斗5连接,出料斗10也设置在外壳上。每个辊子的圆周表面设有凹模部161、171和凸模部162、172,在每个辊子的凹模部底部设有径向成型孔15,在该辊子的轴心沿其轴向设有轴向通孔151成为空心辊,该径向成型孔15与该轴向通孔151连通;在辊子的轴向的两端设置轴承架轮毂,其通过辐条与空心辊的辊体固联,通过轮毂,辊子固定在机架上的轴承座上,两个辊子中的一个上面连接皮带轮,通过连接皮带构成皮带传动机构02与减速器的另一个输出轴连接,在另一侧,两个辊子上均设有大小相等的链轮,其上呈交叉状套设链条构成链传动机构021,使得两个辊子16、17可转向相反、转速相同地固定在机架1上转动,其上的凹模部和凸模部在转动过程中,一个辊子的一个凸模部逐渐嵌入到另一辊子的凹模部的凹陷处,相互嵌合、再逐渐从凹模部脱出脱离嵌合,在凸模部进入凹模部和相互嵌合过程中,凸模部将从进料斗5落到凹模部中间的碎屑压入凹模部上的径向成型孔中并施压,压结成型,从径向成型孔的位于轴向通孔中的孔口排出。两个辊子的凸模部和凹模部的外廓的形状为相互匹配的曲面构成,即该凸模部的外廓为对称的外凸弧形表面,与凹模部对称的内凹弧形表面吻合,使得在两个轧辊相对转动时凸模部与凹模部形成相嵌或称为啮合结构。在嵌入、脱出过程中两个辊子在理论啮合的分度圆上保证没有滑动,处于纯滚动的运动模式。凹模部底部开有成型孔15,成型孔的上部为锥形段,这样有利于压料进孔和凸模部施压,成型孔的下部为直孔(见图4)。物料由凸模部不断压进凹模部上的成型孔锥形段孔口,结构较疏松、其间空隙较大的秸秆碎屑,在压力作用下相互挤压、填充和镶嵌而使结构更密实。秸秆细胞中的水分可以起到润滑作用,加速这一过程的实现。秸秆细胞壁中含有的纤维素、木质葡聚糖和果胶类多糖,在填充、镶嵌过程中这类物质起着粘结剂的作用。理论上讲,碎屑被粉碎得颗粒越小,成型压力越大,其成型后颗粒的硬化效果越好。由于前面的预破碎和粉碎的压碎、劈切、铡切使生物质的各种组织充分暴露,因而,使得这种镶嵌、填充更加容易,由此,本方法中的压力可以降低,从而节省能耗。成型的生物质颗粒从成型孔的另一个设在轴向通孔151中的出口排出,通过对辊中间的轴向通孔排出进入出料口10。在成型步骤中设有切断步骤,将压成的产品切断成为大小均匀的生物质致密颗粒。
例如可在对辊成型孔的出口处设有回转切断刀具,该切断刀具可以固定在机架上,探伸到所述辊子的轴向通孔的孔口内成型孔孔口上,辊子转动,切断刀与从成型孔输出的条状产品形成相对运动而切断之,形成生物质致密颗粒。
如图5所示,为了监控成型过程中的压力,可以在其中一个轧辊17的一个凹模部的槽口内侧槽壁上开孔,在该孔中嵌设一压力传感器18。
设于成型孔15中的压力传感器上的导线和数据传输线通过辊子17的轴向通孔引出,与一显示屏连接,使得到的压力值通过显示屏显示,操作者通过显示的相应数据,通过调节对辊的间距调节成型温度和/或压力。
对辊间距的调节结构可以是:其中一个轧辊固定在机架1上,另一个固定在一个移动平台上,该移动平台上设有螺孔螺杆调节装置,螺杆上设有一手轮或手柄,通过转动手轮调节两压辊的间距。操作者可参照通过显示屏显示的温度和/或压力的数值,扳动手轮或手柄,通过调节对辊的间距调节成型压力和/或温度。
还可以在螺杆上连接一传动机构,其支架固定在机架上,该传动机构的主动件连接一驱动装置,该驱动装置上连接一可编程序控制器(PLC),压力传感器18连接PLC的信号输入端,用于将压力信号传输给PLC,与其中对应一定产品密度要求事先设定的压力值进行比较,PLC的信号输出端连接与螺杆连接的电机。通过PLC自动控制装置根据监测到的轧辊的压力和设定的压力值比自动启动或关闭电机以及给出电机的转速,使对辊的间距自动调节,继而自动控制成型压力和温度。传感器将信号传给PLC自动控制装置,以调节成型压力的大小的上述自动控制调节结构可以使用现有技术中的自动机构,与主动件驱动装置例如电机的连接以及与PLC的关联结构在现有技术中为成熟技术,因为其并非本发明的发明点,故不赘述。
在机架上还设有一个操作站台9。
使用上述设备具体工作时的操作过程如下:操作人员站在操作站台9上,将原料由喂入保护机构2喂入,经压辊13的压扁以及其上劈刀12的劈切,压扁并切成细条后,进入粉碎机构4,由铡刀铡切后,符合粒度要求的颗粒经筛网落入成型进料斗5,进入进料斗的物料被压进轧辊上的成型孔15中,通过两个轧辊相向转动,不断有碎屑落在轧辊凹模部中,另一个轧辊上的凸模部在与凹模部啮合中将原料压入成型孔15的外侧的孔口,成型物从与轴向孔连通的成型孔15的另一个孔口排出。
在对玉米秸秆加工的具体实施例中,秸秆含水量可以是25-30%;在预处理的压扁劈切工序中,压扁生物质的压力可以是10KPa,粉碎及压辊13的转动功率小于4KW。在成型工序中,成型的压力可以控制在50MPa,并被切成短节。轧辊16、17的转动功率小于11KW,转速不高于100rpm。由此制成的生物质颗粒的密度为0.9-1.3T/m3。由此可以看出,本方法每吨产量的能量消耗只有几十千瓦时。
如果加工棉花秸,秸秆含水率一般在20%,压扁劈切工序中的压力为10Kpa,成型压力控制在70-80MPa。
如果加工麦秸或稻草,可以取消压扁劈切工序,将压辊13变成光滑表面的物料喂入辊,将生物质喂入横向铡切的粉碎机构中横向铡切成5-8mm、断面面积为0.5cm2的碎屑,即可投入如前一样的成型机中成型。成型压力为40-50MPa。
本发明公开的可移动式生物质致密成型加工方法,它是在一个机架上,顺序布置进料压扁劈切机构,铡切粉碎机构,对辊压制成型机构,减速机以及传动机构。使生物质原料(农作秸秆,荆棘杂草等)从进料、粉碎、压制到致密成型均在一套机组上完成的生物质致密成型的加工方法。除了各加工工段能量的合理利用外,还利用温度和压力传感器及PLC自动控制系统,调节成型压力,以优化能源利用。本方法不需要对原料进行干燥,也不需要进行加温成型及成型后冷却,大大节约了能源。本方法的另一特点就是机动、灵活,既可以采用电机,也可以使用农用车的柴油机作为动力,整机可以随农用车转移到不同地点,在生物质原产地进行加工。这样不仅大提高了农民的积极性,而且,也使一些偏远地区,缺乏电力地区的生物质原料得到加工利用,大大提高资源利用率。

Claims (10)

1、一种生物质致密成型加工方法,其特征是:包括粉碎步骤和对辊式成型步骤,所述粉碎和对辊式成型所使用的设备设置在同一个机架上,粉碎设备出口排出的碎屑输入到所述对辊式成型设备的进料口中;
生物质原料首先在粉碎步骤中粉碎成碎屑,然后,粉碎的碎屑进入对辊式成型设备中进行成型加工;
对辊式成型设备包括一对可转动且其间距可调或不可调地固定在所述机架上的凹凸对辊,每个辊子的圆周表面设有凹模部和凸模部,在所述辊子的凹模部上设有径向成型孔,在该辊子的轴心沿其轴向设有轴向通孔,使之成为空心辊,该径向成型孔与该轴向通孔连通;一个所述轧辊的凸模部深入另一个所述轧辊的凹模部,将输入到所述进料口中再落到凹模部中间的碎屑压入凹模部上的径向成型孔中并施压,使得碎屑在成型孔中被压结成型,成型的生物质致密产品从径向成型孔的位于轴向通孔中的孔口排出。
2、根据权利要求1所述的生物质致密成型加工方法,其特征是:
所述粉碎步骤是将细长的生物质原料纵向输入粉碎设备中进行横向铡切生成碎屑,即是将生物质沿尺寸较小的截面进行铡切;或者,
在所述粉碎步骤包括预先破碎和横向铡切两步骤,在所述预先破碎步骤中,将生物质原料压扁,并沿其纵向劈开;然后,在下面的横向铡切步骤中,将压扁并纵向劈开的生物质进行横向铡切,即是将生物质沿尺寸较小的截面进行铡切。
3、根据权利要求2所述的生物质致密成型加工方法,其特征是:在包括预先破碎步骤的所述粉碎步骤中,在所述预先破碎步骤中,将生物质纵向送到一个旋转的压辊和一个静止的进料导板之间,该压辊的圆周面上分布有将生物质纵向劈开的劈刀。
4、根据权利要求1-3之一所述的生物质致密成型加工方法,其特征是:在成型步骤后面还设有切断步骤,将压成的产品切段使之成为生物质致密颗粒。
5、根据权利要求1-3之一所述的生物质致密成型加工方法,其特征是:在所述成型步骤中,对成型孔中的温度和/或压力进行监测,对于所述凹凸对辊可转动且其间距可调地固定在所述机架上的对辊式成型设备,根据成型温度和/或压力,相应调整对辊间距,以便调整成型生物质致密产品的密度。
6、根据权利要求5所述的生物质致密成型加工方法,其特征是:通过手动方式或自动方式调整所述对辊间距。
7、根据权利要求1-3之一所述的生物质致密成型加工方法,其特征是:在所述机架上设有一传动机构,与所述粉碎和对辊式成型所使用的设备的主动件连接,该传动机构连接动力源,所述动力源为电机或柴油机。
8、根据权利要求1-3之一所述的生物质致密成型加工方法,其特征是:所述对辊式成型步骤中使用的成型设备中,所述的两个辊子转向相反地转动,其上的凹模部和凸模部在转动过程中,一个辊子的一个凸模部逐渐嵌入到另一辊子的凹模部的凹陷处,相互嵌合、再逐渐从凹模部脱出脱离嵌合,在凸模部进入凹模部和相互嵌合过程中,经前一粉碎步骤粉碎为碎屑的生物质进到凹模部中间,被凸模部压入凹模部上的径向成型孔中并施压,压结成型。
9、根据权利要求8所述的生物质致密成型加工方法,其特征是:所述的两个辊子的凸模部和凹模部的外廓的形状为:该凸模部的外廓为外凸弧形表面,与凹模部内凹弧形表面吻合,使得在两个轧辊相对转动时凸模部与凹模部形成相嵌或称为啮合结构。
10、根据权利要求8所述的生物质致密成型加工方法,其特征是:所述凹模部底部开有的所述径向成型孔从内向外,顺序为锥形孔段和直形孔段,或者,所述成型孔为直孔。
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