CN108454050A - 热电联供的可移动式挤塑机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及高分子材料加工技术领域，具体涉及热电联供的可移动式挤塑机，其结构包括机筒、螺杆、电机和甲醇水制氢发电系统，该系统包括甲醇水储存容器、输送泵、重整器、分离室、燃料电池和控制装置，挤塑机设置有至少一个用于调节机筒温度的高温气体回路，高温气体回路中设置有高温气体收集装置，高温气体收集装置中的高温气体来自分离室分离出的高温余气。本发明充分利用甲醇水重整制氢及发电过程中产生的热能和电能，并将其与传统挤塑机相结合，通过智能化的热电联控以实现能源的高效利用，并改变了传统依靠外接电源供电的供电方式，使挤塑机成为便捷可移动式设备。

Description

热电联供的可移动式挤塑机

技术领域

本发明涉及高分子材料加工技术领域，具体涉及一种热电联供的可移动式挤塑机。

背景技术

挤塑机是一种重要的塑料成型加工设备，其结构主要包括挤压装置（包括螺杆、机筒、料斗、机头和模具）、传动装置（包括电机）、加热和冷却装置。工作时，加热装置对机筒进行加热，电机提供动力，驱动螺杆在加热的机筒中旋转，将由料斗中送来的塑料母粒向前挤压，使塑料母粒均匀地塑化( 即熔融 )，通过机头和不同形状的模具，使塑料母料挤压成连续性的所需要各种形状的塑料层或其他形状的产品。上述现有技术的挤塑机，加热装置主要采用两种方式加热：第一种是电阻丝加热器，其缺陷是：1）电阻丝加热完全依靠外接电源，功率大、电能消耗大，成本高；2）电阻丝加热达到预定温度耗时较长，效率较低，且料筒受热不均匀；3）电阻丝加热器使用寿命短，易损坏；第二种是电磁感应加热器，其相比电阻丝加热器，虽然加热效率、使用寿命均得到改善，但是电磁感应加热器仍然是需要外接电源，完全依赖电能。由此，现有挤塑机的加热装置均完全依靠电能实现加热；另一方面，按照固有的思维，现有挤塑机的传动装置及其他需要用电的装置，也完全依靠外接电源，这些造成整台设备的电能消耗非常大，并不能实现真正意义上的节能和环保，特别是由于外接电源必须在固定场地使用，因此，传统的挤塑机的可移动便捷性大大受限。

随着新能源技术的发展，采用甲醇和水重整制氢的技术渐渐得到发展，其能减少化工生产中的能耗和降低成本，并有望替代电能消耗特别在的电解水制氢工艺。中国发明专利201310340475.0（申请人：上海合既得动氢机器有限公司）公开了一种甲醇水制氢系统，甲醇与水蒸气在重整器的重整室内，在350-570℃温度下、1-5MPa的压力条件下，在催化剂的作用下，发生甲醇裂解反应和一氧化碳的变换反应，生成氢气和二氧化碳，这是一个多组份、多反应的气固催化反应系统。反应方程如下：(1)CH3OH→CO+2H2；(2)H 2O+CO →CO2+H2；(3)CH 3OH+H2O→CO2+3H2，重整反应生成的H2和CO2，再经过分离室的钯膜分离器将H2和CO2分离，得到高纯氢气。中国发明申请201410622203.4（申请人：上海合既得动氢机器有限公司），公开了一种基于甲醇水制氢系统的发电机及其发电方法，该发电机采用燃料电池作为发电设备，上述甲醇水制氢系统得到的高纯氢气输送至该燃料电池，氢气与空气中的氧气发生电化学反应从而产生电能。在上述甲醇水制氢及发电系统中，甲醇与水蒸气的重整制氢反应的过程中，由于重整器内需要维持350-570℃温度，甲醇水重整反应生成的H2和CO2，经过钯膜分离器分离出氢气后，剩下的CO2以及未反应的水汽从系统中排出，这些排出的余气具有非常高的热量，其温度通常在300-600℃之间，如果直接排放出去，将严重浪费了大量的热能，使甲醇水原料利用率较低。

因此，如何利用甲醇水制氢发电技术的特点，并将其应用于传统的挤塑机实现对传统挤塑机在高能耗、完全依赖外接电源、使用受场地限制等方面的改进，将是突破固有思维的新的研究方向。

发明内容

针对现有技术存在上述技术问题，本发明的目的在于提供一种热电联供的可移动式挤塑机，其利用甲醇水重整制氢及发电过程中产生的热能和电能实现了挤塑机智能化的热电联控，而且节能环保，不依赖传统外接电源，成为便捷可移动式设备。

为实现上述目的，本发明提供以下技术方案：

提供热电联供的可移动式挤塑机，包括料斗、机筒、螺杆和电机，其特征在于：还包括甲醇水制氢发电系统，所述甲醇水制氢发电系统包括甲醇水储存容器、输送泵、重整器、燃料电池和控制装置，所述重整器包括重整室以及为重整室加热的电加热器，甲醇水原料经输送泵输送至重整器，甲醇和水在重整器内发生甲醇和水的重整制氢反应，制得以二氧化碳和氢气为主的混合气体，该混合气体经分离室分离出氢气和高温余气，该氢气输送至燃料电池产生电能，一部分电能为甲醇水制氢发电系统的输送泵和电加热器供电，一部分电能为挤塑机中的电机和其他用电设备供电；

所述控制装置包括控制主板、供电装置及电力输出端口，所述控制主板控制甲醇水制氢发电系统工作，所述供电装置为甲醇水重整制氢发电系统启动过程中自身供电，所述电力输出端口用于向外输出电力；

所述挤塑机设置有至少一个用于调节机筒温度的高温气体回路，所述高温气体回路中设置有高温气体收集装置，所述高温气体收集装置中的高温气体来自所述分离室分离出的高温余气，所述高温余气的温度为300~600℃；所述高温气体回路上设置有 流量控制阀，所述流量控制阀与所述控制装置电连接。

其中，所述挤塑机还设置有制冷回路，所述制冷回路上设置有冷却装置。

其中，所述挤塑机还包括至少一个热交换器，所述制冷回路通过所述热交换器将热量传递到至少一个高温气体回路。

其中，所述高温气体回路和所述制冷回路上均设置有温度传感器，所述温度传感器与所述控制装置电连接。

其中，所述制冷回路上设置流量控制阀，所述流量控制阀与所述控制装置电连接。

其中，所述分离室与所述高温气体收集装置之间的连接管路上设置有换向阀，在挤塑机对原料进行加热熔融过程中，分离室分离出的高温余气经换向阀进入高温气体收集装置；在挤塑机冷却过程中，分离室分离出的高温余气经换向阀排向外界。

其中，所述螺杆的长度方向上开设有流体通道，所述流体通道设置有阀门。

其中，所述供电装置为可充电电池。

其中，所述甲醇水储存容器和所述重整器之间输送管路上设置有换热器，低温的甲醇和水原料与分离室分离出的高温氢气进行热交换。

其中，所述机筒内设置有温度检测装置，所述温度检测装置与所述控制装置电连接。

本发明的有益效果：

与现有技术的挤塑机相比，本发明具有以下优点：

（1）本发明的热电联供的可移动式挤塑机一方面利用甲醇水重整制氢过程中产生的300~600℃的高温余气经高温气体收集装置收集后作为高温热源，通过至少一个的高温气体回路为机筒内的塑料母粒进行加热至熔融状态，高温余气经高温气体回路的循环而形成热量均匀稳定的热源，从而快速给机筒加热达到熔融状态所需的温度；另一方面，在甲醇水重整制氢启动过程中，不需要外接电源供电，通过自身的供电装置即可为系统自身供电，等燃料电池工作产生电能后，再为自身系统供电以及为挤塑机的所有用电设备供电，由此完全改变了传统挤塑机依靠外接电源的供电方式，实现了不受限制的在任何场地使用，使挤塑机成为便捷可移动式设备。因此，本发明突破了固有思维，充分利用甲醇水重整制氢及发电过程中产生的热能和电能，并将其与传统挤塑机相结合，根据不同待加工材料，将挤塑机所需的温度、电机等用电设备的功率以及甲醇水重整制氢发电系统中所需的甲醇用量、产生的热能和电能进行能量恒算，通过挤塑机的全智能化的热电联控以实现能源的高效利用，从而提供一种全新的节能、可移动式的创新思路，其具有广阔的产业化应用前景；

（2）由于甲醇水重装制氢过程中产生高温余气的温度高达300~600℃，这部分的热能完全满足塑料加热至熔融状所需的温度（塑料母粒塑化温度一般为70~250℃），这样不仅充分利用了甲醇水重整制氢过程中产生的余热，而且不再需要传统挤塑机的电加热装置，大大降低了将塑料加热至熔融过程的电能能耗，节能减排效果显著；

（3）由于塑料母粒在加热熔融过程中，整个机筒的不同区域对温度的要求也不同（例如机筒内靠近机头的部分，温度是逐渐降低），可以根据不同塑料母粒的特性，设置不同数量的高温气体回路，并通过调节不同高温气体回路中高温余气的流量来调节机筒不同区域段的加热温度，以使塑料母粒能够充分熔化，同时充分利用高温余气的热量，提高甲醇水原料的利用率，进一步降低能耗，节省成本；

（4）本发明的甲醇水重整制氢发电系统输出的电能为直流电，因此挤塑机的电机均可使用直流电机，其相比交流电机不需要大功率启动，无功率损耗；

（5）本发明在节能和环保上具有重大突破，一方面，本发明的原料为甲醇和水的混合液，原料成本低廉（1kg甲醇的成本约为2元），排放的水及少量二氧化碳对环境无污染；另一方面从能耗成本上看，目前工业用电的成本是1度电约为1元，1度电所需的热量相当于860kcal；然而本发明的甲醇水制氢发电系统，1kg甲醇的发电量约为2度电，即所需的热量为2*860 kcal=1720 kcal，而甲醇产生的热量相当于5kcal，还剩余3380 kcal的热量，也就是说，本发明的甲醇水制氢发电过程中除了产生的2度电可以提供给挤塑机的用电设备外，还会产生3380 kcal的高品质的热能（温度高达300~600℃），这部分热能又能进一步补偿作为挤塑机的热源使用，这样热电联供的方式折算下来，产生1度电的发电成本只需要约0.4元，相比目前的工业用电成本节省了高达一半以上的成本和能耗，这在工业和环保上具有非常重大的意义。

附图说明

图1为本发明的热电联供的可移动式挤塑机的结构示意图。

附图标记：

料斗1、机筒2、螺杆3、流体通道31、电机4；

甲醇水制氢发电系统5、甲醇水储存容器51、输送泵52、重整器53、重整室531、电加热器532、分离室533、燃料电池54、换热器55、控制装置56；

高温气体收集装置6、冷却装置7、换向阀8；

第一高温气体回路10、第二高温气体回路20、制冷回路30、第一热交换器40、第二热交换器50、第一流量控制阀60、第二流量控制阀70、第三流量控制阀80、阀门90。

具体实施方式

以下结合具体实施例及附图对本发明进行详细说明。

热电联供的可移动式挤塑机，如图1所示，包括料斗1、机筒2、螺杆3和电机4，工作时，塑料原料由料斗1进入机筒2中，经过加热并在螺杆3与机筒2的挤压下熔融，电机4驱动螺杆3旋转，进而带动原料运动至机头21连接器处，经模具挤压成型（这部分工作原理与现有技术的挤塑机相同）。

本发明的热电联供的可移动式挤塑机与现有技术的挤塑机的不同之处在于：

热电联供的可移动式挤塑机还包括甲醇水制氢发电系统5，甲醇水制氢发电系统5包括甲醇水储存容器51、输送泵52、重整器53、燃料电池54和控制装置56，重整器53包括重整室531、分离室533以及为重整室531加热的电加热器532，该系统制氢和发电的工作原理是：甲醇和水的混合原料经输送泵52输送至重整器53，电加热器532为重整器53提供所需的热量，使甲醇和水在重整室531内在催化剂作用下重整反应，制得以二氧化碳和氢气为主的混合气体，该混合气体经分离室533分离出氢气和高温余气，其中氢气经过换热器55与低温的甲醇水换热后，甲醇水蒸发气化进入重整器53，高温的氢气经过降温后输送至燃料电池54用于产生电能，一部分电能为甲醇水制氢发电系统5的输送泵52和电加热器532供电，一部分电能为挤塑机中的电机4和其他用电设备供电。整个系统不断循环地产生氢气、高温余气和输出电能。

控制装置56包括控制主板、供电装置及电力输出端口，其中：控制主板控制甲醇水制氢发电系统5工作，供电装置可以是可充电电池，在甲醇水重整制氢发电系统的启动过程中，可充电电池为自身供电（主要是为电加热器532供电，以向重整器53内提供重整制氢反应所需的热量），从而快速启动重整器53，使甲醇和水重整反应制氢。电力输出端口用于向外输出电力。

在上述甲醇水重整制氢启动过程中，不需要外接电源供电，通过自身的供电装置（可充电电池）即可为系统自身供电，等燃料电池54工作产生电能后，再为自身系统供电以及为挤塑机的电机4等用电设备供电，从而完全改变了传统挤塑机依靠外接电源的供电方式，能够不受限制在任何场地使用，使挤塑机成为便捷可移动式的设备。

热电联供的可移动式挤塑机设置有至少一个用于调节机筒2温度的高温气体回路，高温气体回路中设置有高温气体收集装置6。高温气体收集装置6中的高温气体来自分离室533分离出的高温余气，高温余气经高温气体回路的循环而形成热量均匀稳定的热源，从而快速给机筒2加热达到熔融状态所需的温度。由于高温余气的温度达到300~600℃，这部分高品质热能完全能够满足将塑料加热至熔融状所需的温度（塑料母粒塑化温度一般为70~250℃），这样不仅充分利用了甲醇水重整制氢过程中产生的余热，而且不再需要传统挤塑机的电加热装置，大大降低了将塑料加热至熔融过程的电能能耗，节能减排效果显著。

高温气体回路上设置有第一流量控制阀60，第一流量控制阀60与控制装置56电连接，控制装置56通过第一流量控制阀60调节高温气体回路中高温余气的流量以实现对机筒2加热温度的调节。本实施例中，如图1所示，高温气体回路设置有两个，分别是设置在靠近机筒2进料一侧的第一高温气体回路10和设置在靠近机头21一侧的第二高温气体回路20。这是由于塑料母粒在加热熔融过程中，机筒2的不同区域对温度的也要求不同（例如机筒2内靠近机头21一侧的区域，温度是逐渐降低），所以，可以根据不同塑料母粒的特性，设置不同数量的高温气体回路，并通过调节不同高温气体回路中高温余气的流量来调节机筒2不同区域段的加热温度，以使塑料母粒能够充分熔化。另一方面，根据不同塑料所需的加热温度，设置两个以上的高温气体回路，能够充分利用高温余气的热能，提高甲醇水原料的利用率，进一步降低能耗。

本实施例中，挤塑机还设置有制冷回路30，制冷回路30上设置有冷却装置7。当挤塑机完成工作后，冷却装置7通过该制冷回路30输送冷却介质以使设备迅速降温。

本实施例中，挤塑机还包括第一热交换器40和第二热交换器50，第一热交换器40设置在第一高温气体回路10的回流管路上，第二热交换器50设置在第二高温气体回路20的回流管路上，制冷回路30能够分别通过第一热交换器40和第二热交换器50将热量传递到相应的第一高温气体回路10和第二高温气体回路20。这是因为，对于加工某些塑料产品，塑料熔融温度较低（如70~100℃），而高温余气的热量高达300~600℃，其远远超出塑料熔融所需的温度，为防止机筒2某个区域的温度上升过快而超出所需的加热温度，此时可以通过第一热交换器40和/或第二热交换器50，使制冷回路30与第一高温气体回路10和/或第二高温气体回路20进行热交换，降低高温气体回路的温度，从而满足机筒内塑料熔融所需的温度。图1中，通往第一热交换器40和第二热交换器50的管路上还设置有第二流量控制阀70，用于控制通过第一热交换器40和第二热交换器50的高温气体流量，从而调节相应高温气体回路与制冷回路20之间的热量传递。同时，制冷回路30上设置有可控阀门90，用于控制冷却介质通往第一热交换器40、第二热交换器50或机筒2的路径，当挤塑机加热过程中，需要通过冷却介质调节高温气体回路的温度时，则阀门90通向第一热交换器40和第二热交换器50方向的路径打开；当挤塑机停止加热而进行冷却时，则阀门90通向第一热交换器40和第二热交换器50方向的路径关闭，阀门90通向机筒2的路径打开，冷却介质对机筒2进行降温。

高温气体回路和制冷回路30上均设置有温度传感器，温度传感器与控制装置56电连接，制冷回路30上设置第三流量控制阀80，第三流量控制阀80与控制装置56电连接。控制装置56根据各个温度传感器的反馈信号来控制第一流量控制阀60、第二流量控制阀70和第三流量控制阀80以实现对每个高温气体回路的温度调节，进而实现对机筒2不同区域的加热温度的精确控制。

本实施例中，分离室533与高温气体收集装置6之间的连接管路上设置有换向阀8，当挤塑机工作时，分离室533分离出的高温余气经换向阀8进入高温气体收集装置6，进而通过高温气体回路对机筒2加热；当挤塑机停止工作时，分离室533分离出的高温余气经换向阀8排向外界，冷却装置7通过制冷回路30输送冷却介质以使设备迅速降温。

本实施例中，螺杆3的长度方向上开设有流体通道31，流体通道31设置有阀门，该流体通道起到辅助加热或冷却的作用。当挤塑机工作时，可向流体通道内通入高温余气，随着螺杆3的转动，有助于使机筒2内塑料母粒充分地熔融；当挤塑机停止工作时，可向该流体通道31内通入冷却介质，有助于快速对螺杆3以及机筒2降温。

机筒2内设置有温度检测装置，温度检测装置与控制装置56电连接，便于控制装置56对机筒2内不同区域的温度精确调节。

与现有技术相比，本发明突破了固有思维，充分利用甲醇水重整制氢发电过程中产生的热能和电能，并将其与传统挤塑机相结合，通过挤塑机的全智能化的热电联控以实现能源的高效利用。为此，本发明提供了一种全新的节能、可移动式的创新思路，其具有广阔的产业化应用前景。

Claims (10)

1.热电联供的可移动式挤塑机，包括料斗、机筒、螺杆和电机，其特征在于：还包括甲醇水制氢发电系统，所述甲醇水制氢发电系统包括甲醇水储存容器、输送泵、重整器、、燃料电池和控制装置，所述重整器包括重整室、分离室以及为重整室加热的电加热器，甲醇水原料经输送泵输送至重整器，甲醇和水在重整器内发生甲醇和水的重整制氢反应，制得以二氧化碳和氢气为主的混合气体，该混合气体经分离室分离出氢气和高温余气，该氢气输送至燃料电池产生电能，一部分电能为甲醇水制氢发电系统的输送泵和电加热器供电，一部分电能为挤塑机中的电机和其他用电设备供电；

所述控制装置包括控制主板、供电装置及电力输出端口，所述控制主板控制甲醇水制氢发电系统工作，所述供电装置为甲醇水重整制氢发电系统启动过程中自身供电，所述电力输出端口用于向外输出电力；

所述挤塑机设置有至少一个用于调节机筒温度的高温气体回路，所述高温气体回路中设置有高温气体收集装置，所述高温气体收集装置中的高温气体来自所述分离室分离出的高温余气，所述高温余气的温度为300~600℃；所述高温气体回路上设置有 流量控制阀，所述流量控制阀与所述控制装置电连接。

2.根据权利要求1所述的热电联供的可移动式挤塑机，其特征在于：所述挤塑机还设置有制冷回路，所述制冷回路上设置有冷却装置。

3.根据权利要求2所述的热电联供的可移动式挤塑机，其特征在于：所述挤塑机还包括至少一个热交换器，所述制冷回路通过所述热交换器将热量传递到至少一个高温气体回路。

4.根据权利要求1或2所述的热电联供的可移动式挤塑机，其特征在于：所述高温气体回路和所述制冷回路上均设置有温度传感器，所述温度传感器与所述控制装置电连接。

5.根据权利要求2或3所述的热电联供的可移动式挤塑机，其特征在于：所述制冷回路上设置流量控制阀，所述流量控制阀与所述控制装置电连接。

6.根据权利要求1所述的热电联供的可移动式挤塑机，其特征在于：所述分离室与所述高温气体收集装置之间的连接管路上设置有换向阀，在挤塑机对原料进行加热熔融过程中，分离室分离出的高温余气经换向阀进入高温气体收集装置；在挤塑机冷却过程中，分离室分离出的高温余气经换向阀排向外界。

7.根据权利要求2所述的热电联供的可移动式挤塑机，其特征在于：所述螺杆的长度方向上开设有流体通道，所述流体通道设置有阀门。

8.根据权利要求1所述的热电联供的可移动式挤塑机，其特征在于：所述供电装置为可充电电池。

9.根据权利要求1所述的热电联供的可移动式挤塑机，其特征在于：所述甲醇水储存容器和所述重整器之间输送管路上设置有换热器，低温的甲醇和水原料与分离室分离出的高温氢气进行热交换。

10.根据权利要求1所述的热电联供的可移动式挤塑机，其特征在于：所述机筒内设置有温度检测装置，所述温度检测装置与所述控制装置电连接。