CN102615848A - 一种生物质成型燃料的成型模具与成型方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种生物质成型燃料的成型模具和成型方法。在本发明中，齿轮啮合时对储存在根切区中的生物质物料产生切削作用，其切削力可分解为沿成型孔的轴向分力，将生物质物料推进成型孔中，显著提高了挤压效果。本发明提出的外啮合齿轮式成型模具，结构简单、使用寿命长、能源消耗少，可以连续运行，解决了生物质成型燃料制造技术中亟待解决的技术问题。
Description
技术领域
本发明属新能源领域，具体涉及用于制造生物质成型燃料的一种外啮合齿轮式成型模具与成型方法。
技术背景
能源是人类赖以生存的物质基础，是国民经济发展的基本条件。我国是能源消费大国，能源供应主要依靠煤炭、石油和天然气等不可再生的化石能源，而化石能源资源的有限性及其开发利用过程对环境生态造成的巨大压力，严重制约着社会经济的可持续发展。发展可再生能源，是实现自然资源的综合利用与经济社会的可持续发展的重要技术途径。
所谓生物质能(biomass energy)，是绿色植物通过叶绿素将太阳能转化为化学能存储在生物质内部的能量，是一种可再生能源，也是唯一一种可再生能源。
所谓生物质成型燃料是将草本或木本生物质物料通过机械物理作用，加工成圆柱形、管形等形状的颗粒燃料。
欧洲率先开发了以木屑为原料的生物质成型燃料的成型技术，以木屑为原料的生物质成型燃料在德国、丹麦、瑞典、意大利等欧洲国家被广泛使用。
在生物质能源的利用方式上，有气态、液态和固态三种，固态的生物质成型燃料是最有市场前景的产业化方向。根据中华人民共和国国家发展和改革委员会2007年9月颁布的《可再生能源中长期发展规划》，到2020年，中国生物质成型燃料年利用量将达到5000万吨。
生物质物料干燥后的热值一般在3500kcal/kg到5000kcal/kg之间，其中以竹材为最高。1公斤干燥的竹材与原煤相当，其热值约为5000kcal/kg，相当于0.714公斤原煤(标准煤的热值为7000kcal/kg，每公斤原煤相当于07143公斤标准煤)。
活塞式成型机、螺旋式成型机、辊压式成型机是制造生物质成型燃料的主要设备。
与稻壳、秸杆等草本农作物废弃物不同，竹屑、木屑等生物质物料的热值较高，但成型困难，成型模具极易磨损，轴承破裂时有发生，难以连续运行，从而导致维修费用高，能源消耗大，大大提高了竹屑、木屑等生物质成型燃料的制造成本。
对于生物质成型燃料的这些成型机，成型模具与基于该成型模具的成型方法成为生物质成型燃料制造技术中亟待解决的技术问题。
发明专利(发明号：201110274628.7)公开了一种以滚筒作为压辊的成型模具，发明专利(发明号：201110002215.3)公开了一种以齿轮作为压辊的成型模具。在上述发明中，内置成型孔的一对滚筒或一对齿轮构成辊压式成型模具，其基本成型方法是：
粉碎后的生物质物料进入两个滚筒之间的间隙或两个齿轮之间的齿间间隙，因压辊对物料的碾压力，导致物料被碾压从而进入压辊中的成型孔进行成型。
上述辊压式成型模具及成型方法存在3个主要缺点：
1、碾压时用于储存生物质物料的是一对压辊之间的间隙。所述间隙很小，因而每次碾压进入成型孔的生物质物料很少。
2、生物质物料内部存在许多空隙，因而是可压缩的。生物质物料的可压缩性导致大部分碾压力耗散在这些空隙中，作用于生物质物料的碾压力大大减小，碾压时产生的挤压力严重不足，挤压效果差。
3、生物质物料在成型孔内的成型过程中产生了极大的摩擦力。为克服这种摩擦力，需要相当大的轴向挤压力。然而，压辊运转时对物料不能直接产生所述轴向挤压力，成型模具极易磨损，轴承破裂时有发生，能源消耗大，难以连续运行。
发明内容
基于齿轮传动时产生根切的原理，本发明提出一种外啮合齿轮式成型模具和成型方法，用于制造生物质成型燃料。
本发明的技术方案如下。
一种生物质成型燃料的成型模具，包括由相互外啮合的第一齿轮和第二齿轮构成的一对外啮合齿轮式压辊，用于制造生物质成型燃料；所述第一齿轮为圆简结构，中部设有用于收集生物质成型燃料的通孔；所述第一齿轮的每个轮齿沿轴向设置有成型孔，用于生物质物料的成型；所述第一齿轮与所述第二齿轮外啮合并对所述第二齿轮产生根切；所述第二齿轮为根切齿轮，所述根切齿轮的齿根部为根切齿廓，所述根切齿廓是齿根部根切部分标准齿廓后形成的齿廓，从而在每个轮齿两侧的根部分别形成一个用于存储生物质物料的根切区。
所述第一齿轮和第二齿轮为渐开线齿轮，所述第二齿轮的齿数为8～12个。
所述第二齿轮的齿顶部的标准齿廓与齿根部的根切齿廓由一段光滑的过渡曲线连接。
所述第一齿轮的每个齿槽根部沿轴向也设置有成型孔。
所述成型孔包括挤压区和固化区；所述挤压区为普通锥孔，所述固化区的压缩比为4.5～6。
所述挤压区为流线形锥孔。
一种生物质成型燃料的成型方法，包括下述步骤：
步骤(1)、生物质物料从进料口进入生物质成型燃料的成型模具；
步骤(2)、生物质成型燃料的成型模具运转，所述生物质物料随齿轮转动进入并储存于第二齿轮的根切区，所述第一齿轮和所述第二齿轮啮合时产生的根切力将存储在所述根切区中的生物质物料挤压进入第一齿轮的成型孔中；
步骤(3)、所述生物质物料在所述成型孔的挤压区中挤压为成型燃料；
步骤(4)、所述成型燃料在所述成型孔的固化区中固化；
步骤(5)、所述成型燃料进入所述第一齿轮的中部通孔中折断排出。
所述步骤(1)之前经过下述处理工序：物料的粉碎、搅拌、过热蒸汽软化和干燥。
所述步骤(1)中的所述生物质物料包括竹屑、木屑、芒草、巨菌草或稻壳秸杆。
与现有技术对比，本发明产生的有益效果为：
1、在现有技术中，生物质物料储存在齿间间隙中或滚筒间隙中。所述间隙较小，储存的生物质物料少。在本发明中，生物质物料储存在根切区中，储存的生物质物料多。
2、现有技术依靠轮齿或滚筒产生的碾压力将生物质物料挤压到成形孔中。由于生物质物料的可压缩性，大部分碾压力耗散在生物质物料之间的空隙中，碾压时产生的挤压力严重不足，挤压效果差。在本发明中，齿轮啮合时对储存在根切区中的生物质物料产生切削作用，其切削力可分解为沿成型孔的轴向挤压力，将生物质物料挤压进入成型孔中，显著提高了挤压效果。
3、本发明提出的外啮合齿轮式成型模具，结构简单、使用寿命长、能源消耗少，可以连续运行，解决了生物质成型燃料制造技术中亟待解决的技术问题。
附图说明
图1为具体实施方式的外啮合齿轮式成型模具的原理示意图；
图2为图1中根切齿轮的齿廓示意图；
图3为图1中成型孔沿轴向的分布示意图；
图4为图1中的普通锥形成型孔的示意图；
图5为另一种流线形成型孔的示意图。
具体实施方式
齿轮加工时，如果被切齿轮的齿数较少，例如，对于标准渐开线齿轮(压力角为20°、齿顶高系数为1)，被切齿轮的齿数等于或少于17时，必然产生根切，即被切齿轮的齿根被切去部分标准齿廓。被切齿轮的齿数愈少，根切愈严重。
齿根部根切掉部分标准齿廓后形成的齿廓称之为根切齿廓。存在根切齿廓的齿轮称之为根切齿轮。
在齿轮传动中，根切将产生严重的干涉，齿轮或卡死或损坏，导致传动失败。为此，在出现根切时，现有技术采取变位等技术手段加工出变位齿轮，以避免产生根切齿轮。
本发明将齿轮的啮合运动用于挤压生物质物料，根切可以产生根切力，有利于生物质物料的挤压成型。因而，本发明按照根切条件加工根切齿轮，与另一个标准齿轮构成外啮合齿轮式压辊模具。
一种具体技术方案如图1所示。为保证啮合运动的平稳性，至少有一对以上的轮齿同时啮合。第一齿轮1与第二齿轮2相互外啮合，构成一对外啮合齿轮式压辊，其中齿轮2为根切齿轮。
对于渐开线齿轮，第二齿轮2的齿数一般可取为8～12，为已加工成形的根切齿轮。
第二齿轮2的齿廓结构如图2所示，其齿廓分为ab、cd二段，ab为标准齿廓，cd为根切齿廓。图中的虚线为被根切的标准齿廓，其与根切齿廓之间的区域称之为根切区。根切区有两个，轮齿根部径向两侧各一个。
第一齿轮1为圆简结构的普通齿轮，其中部为通孔，用于收集生物质成型燃料。如图3所示，第一齿轮1的每个轮齿沿轴向设置若干成型孔3；第一齿轮1的每个齿根也沿轴向设置若干成型孔3。
生物质物料4由上方进入外啮合齿轮式压辊中间，储存在齿间间隙中。
外啮合齿轮式压辊产生啮合运动时，储存在齿间间隙中的生物质物料受到碾压。由于生物质物料的可压缩性，大部分碾压力耗散在生物质物料之间的空隙中，碾压产生的挤压力不足，挤压效果差。
在本技术实施例中，除齿间间隙中的生物质物料外，大部分生物质物料储存在第二齿轮2的根切区中。外啮合齿轮式压辊产生啮合运动时，第一齿轮1对第二齿轮2产生根切，对储存在第二齿轮2根切区中的生物质物料产生切削作用，其切削力可分解为沿成型孔3方向的轴向挤压力，将生物质物料挤压进入成型孔3中。
成型孔3的结构如图4所示。其中，挤压区3-1为图3所示的普通锥孔，固化区3-2为圆孔。在挤压区3-1中，生物质物料被挤压入固化区3-2中固化成型。固化区3-2中圆孔的长度与直径之比称为压缩比；圆孔的直径一般为8mm，压缩比一般为4.5～6。
特别是，挤压区3-1为图5所示的流线形锥孔，以减小轴向摩擦力增加径向挤压力。
为减小生物质物料压入成型孔3时的摩擦力，第二齿轮2的标准齿廓ab与根部的根切齿廓cd用一段光滑的过渡曲线bc连接。
在上述外啮合齿轮式压辊中，第一齿轮1或第二齿轮2均可作为主动轮。其他技术问题，例如，外啮合齿轮式压辊与电机的连接方式，轴承的配置，装配方式、调速方法等均为常规技术。
采用本发明提出的外啮合齿轮式成型模具可用于竹屑、木屑等成型困难的生物质物料，特别是竹屑含量高或100％竹屑构成的生物质物料。
在本发明，生物质物料还包括稻壳、秸杆等农作物废弃物，芒草、巨菌草等能源草。
在本发明，生物质物料中无须任何添加剂与胶结剂，模具寿命长、生产效率高、能源消耗小。
上述生物质燃料成型模具用于生物质燃料成型包括以下工艺步骤：
步骤(1)、将生物质物料粉碎、搅拌、过热蒸汽软化和干燥(含水率在30％以下)；将生物质物料从进料口进入外啮合齿轮式生物质燃料成型模具；
步骤(2)、外啮合齿轮式成型模具运转，生物质物料随齿轮转到进入并储存于第二齿轮的根切区，第一齿轮和第二齿轮啮合时产生的根切力将所述存储在第二齿轮根切区中的生物质物料挤压进入第一齿轮的成型孔中；
步骤(3)、所述生物质物料在所述成型孔的挤压区中挤压为成型燃料；
步骤(4)、所述成型燃料在所述成型孔的固化区中固化；
步骤(5)、所述成型燃料进入所述第一齿轮的中部通孔中折断排出。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，例如，可以采用直齿轮或斜齿轮，还可以采用各种不同的啮合曲线以及根据不同的根切条件制造根切齿轮等，都应当视为属于本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种生物质成型燃料的成型模具，包括由相互外啮合的第一齿轮(1)和第二齿轮(2)构成的一对外啮合齿轮式压辊；所述第一齿轮(1)为圆简结构，中部设有用于收集生物质成型燃料的通孔；所述第一齿轮(1)的每个轮齿沿轴向设置有成型孔(3)，用于生物质物料(4)的成型；其特征在于：
所述第一齿轮(1)对所述第二齿轮(2)产生根切，所述第二齿轮(2)为根切齿轮，所述根切齿轮的齿根部为根切齿廓，所述根切齿廓是齿根部根切部分标准齿廓后形成的齿廓，从而在每个轮齿根部的两侧分别形成一个用于存储生物质物料的根切区。
2.如权利要求1所述的生物质成型燃料的成型模具，其特征还在于，所述第一齿轮(1)和第二齿轮(2)为渐开线齿轮，所述第二齿轮(2)的齿数为8～12个。
3.如权利要求1所述的生物质成型燃料的成型模具，其特征还在于，所述第二齿轮(2)的齿顶部的标准齿廓与齿根部的根切齿廓由一段光滑的过渡曲线连接。
4.如权利要求1所述的生物质成型燃料的成型模具，其特征还在于，所述第一齿轮(1)的每个齿槽根部沿轴向也设置有成型孔(3)。
5.如权利要求4所述的生物质成型燃料的成型模具，其特征还在于，所述成型孔(3)包括挤压区(3-1)和固化区(3-2)；所述挤压区(3-1)为普通锥孔，所述固化区(3-2)的压缩比为4.5～6。
6.如权利要求5所述的生物质成型燃料的成型模具，其特征还在于，所述挤压区(3-1)为流线形锥孔。
7.一种生物质成型燃料的成型方法，其特征在于，包括下述步骤：
步骤(1)、生物质物料(4)从进料口进入权利要求1至6中任意一项所述的生物质成型燃料的成型模具；
步骤(2)、生物质成型燃料的成型模具运转，所述生物质物料(4)随齿轮转动进入并储存于第二齿轮(2)的根切区，所述第一齿轮(1)和所述第二齿轮(2)啮合时产生的根切力将存储在所述根切区中的生物质物料(4)挤压进入第一齿轮(1)的成型孔(3)中；
步骤(3)、所述生物质物料(4)在所述成型孔(3)的挤压区中挤压为成型燃料；
步骤(4)、所述成型燃料在所述成型孔(3)的固化区中固化；
步骤(5)、所述成型燃料进入所述第一齿轮(1)的中部通孔中折断排出。
8.如权利要求7所述的生物质成型燃料的成型方法，其特征还在于，所述步骤(1)之前经过下述处理工序：物料的粉碎、搅拌、过热蒸汽软化和干燥。
9.如权利要求7所述的生物质成型燃料的成型方法，其特征还在于，所述步骤(1)中的生物质物料(4)包括竹屑、木屑、芒草、巨菌草或稻壳秸杆。
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