生物質型煤高壓成型設備及其成型方法
2023-05-20 04:02:51 3
專利名稱：生物質型煤高壓成型設備及其成型方法
技術領域：
本發明屬於工業成型技術領域，特別涉及生物質型煤和純生物質型塊的成型方法，以及按該方法成型的高壓成型機及工藝。
生物質型煤係指利用農作物秸杆和雜草等植物維碎料的網絡連接作用而製成的型煤。它是近期內開發利用生物質能的有效途徑。按現有水平能以接近30％的比例與末煤混合成型，供工業層燃爐燃用，使生物質能為工業所用，熱效率比民用柴灶提高2-3倍，並有著生物質代煤的節能效益和環境效益。它也是提高工業型煤技術經濟性能的得力措施。此外，生物質易燃，富含揮發分，而硫分和灰分均很低，對型煤燃燒、無煙末煤的工業利用和環境保護均有積極意義。
高壓成型機是生物質型煤技術開發的核心設備，其技術性能的優劣，不僅關係到對不同煤種和生物質種類的適應性及其製備要求，也直接關係到能否利用生物質纖維的網絡連接作用實現成型。
現有的生物質型煤高壓成型機是在工業型煤對輥成型技術之基礎上發展起來的，一種典型的基本結構如
圖1所示，包括機座1，左端蓋2，固定型輪組件3，4條雙頭螺栓鋼柱及緊固件4，頂蓋5，錐形鬥6，錐形雙頭螺旋體7，螺旋驅動自動調頻變速減速機8，進料鬥9，退讓型輪組件10，傳力板11、12，圓錐銷13，兩組活塞和活塞杆組件14，兩個油缸15，油缸座16，退讓滑軌17(上、下各一條)，隔離塊18。其中，固定型輪組件和退讓型輪組件構成成型基本單元。固定型輪組件結構如圖2所示，包括軸向定位盲蓋19，兩個軸承座20，兩個調心滾子軸承21，兩個不同規格的Z2型脹緊式聯接套22、24，型輪23，軸向定位法蘭25，三個氈圈26，套筒27，傳動軸28。退讓型輪組件10的結構除軸承座20上、下面開有滑軌槽外，其餘與圖2所示的固定型輪組件完全相同。
圖1、2中，機座1為一個由縱、橫梁構成的框架，其前、後橫梁上表面組成一個安裝軸承座20的基面，兩組型輪組件橫跨其間。其中，固定型輪組件3的軸承座20經螺栓緊固在機座上，退讓軸承座則經滑軌17支撐和軸向定位，左右可滑移，並經隔離塊18限位保持兩型輪表面之間隙。滑軌17作為易損件用螺栓緊固並經銷釘定位在機座上。頂蓋5與軸承座20的裝配方式與機座相同，上下滑軌平行。保證退讓順暢。最後由雙頭螺栓鋼柱4，經左端蓋2和油缸座16連成整體，並承受油缸施壓和軸承座退讓產生的作用力。安裝在頂蓋5上的螺旋機構8既起預實作用，又將輸送線的定量供料轉變為脈衝供料。兩型輪的對滾轉動則由安裝在傳動軸28軸伸上的聯軸器帶動傳動軸，再經兩個脹緊式聯接套22、24帶動型輪23轉動，也便於兩型輪表面上的兩半型窩對中。兩個聯軸器的轉動則來自主電機、主減速機和一對同步齒輪的輸出。
採用上述高壓成型機的工藝方法一般包括以下步驟首先，將原煤和生物質原料粉碎，並予烘乾；經分別中間貯存和定量輸出，與固硫劑按配比連續混合，而後由輸送機送入進料鬥，經螺旋預實和脈衝供料送入輥間成型。
利用上述生物質型煤高壓成型機的成型方法習慣上採用的兩半型窩閉合對接成型，即在大小相同的兩個輥輪圓柱面上各開有交錯排列和均勻分布的半型窩，並安裝成相對稱的形式。隨著輥輪的對滾轉動，料煤在摩擦力和重力的作用下不斷受擠壓，逐漸壓實，最終通過兩半型窩成對逐列閉合對接成型，並由型煤內部的結合力大於其外表面對窩底的附著力而使型煤脫落。這種成型方法在粘結劑低壓成型工藝中已得到普遍應用，亦早已成功用於煤的熱壓高壓成型。
然而上述成型方法有如下不足之處其一，這種成型方法潛藏著一個為其成型機制所決定的且不利於成型的隱患。即當維持輥輪往下卷料的摩擦力不能克服輥間物料跟隨輥輪同步轉動所能產生的壓力梯度時，必然發生部分物料相對輥面滑動上翻。輥間受擠物料特定的空間分布決定了上翻的不可避免性，從而增大成型功耗，亦使輥面容易磨損。特別是在高壓成型中，由於物料在成型後期變得難以壓縮，壓力梯度很大。儘管可通過輥軸的定壓退讓使多餘物料有出路，而在達到特定的成型壓力之前，卻無法保證使摩擦力足以克服急劇增大的壓力梯度而避免上翻。這種高壓下的滑動剪切將徹底破壞生物質纖維對兩半型煤的連接作用，使生物質型煤對接面上的強度很低，容易跌落為兩半和發生粘窩等現象。其二，為實現生物質型煤成型，現用的成型機利用高壓下物料滑動上翻的熱效應，使閉合對接面上的溫度達到生物質軟化點之上，產生粘結作用而提高兩半型煤的對接強度。這與煤的熱壓成型很相似。只是由於生物質纖維的加入，兩半型煤各自均有很高的強度，只需在對接面上加熱；而生物質本身的性質，又使析出粘性組分的溫度大為降低。為了保證這種成型機制的有效性，必須採用物料烘乾工序，嚴格控制物料水分，以避免少量水分的蒸發對局部溫升的嚴重影響；且其升溫要求，容易導向採用更高的成型壓力。其三，為避免兩半型窩閉合對接中的料煤上翻現象，現有的高壓對輥成型機在對輥之間增設了特定結構的螺旋預實送料機構和高靈敏度的螺旋變速控制系統。如此配製的螺旋機構具有下述三種功能一是成型所必需的預實功能。因為生物質的加入使料煤蓬鬆，堆積密度不及原煤的一半，所需壓縮比理應成倍增加，而輥輪的卷料能力卻大為減弱，若無預實作用無法達到成型所需的高壓；二是輔助性的摩擦增溫作用，表現為送料螺旋錐角顯著小於外圍料鬥錐角，螺旋上部與料鬥錐壁有很大間距，能形成反覆摩擦的物料局部循環；三是在輸送帶定量供料的基礎上，提供一定頻率的脈衝供料。供料脈衝突升時能協助摩擦力增強克服壓力梯度的能力，突降時則由油路系統的蓄能器主動施壓，無需由摩擦力提升成型壓力，從而緩解型窩閉合中的料煤滑動上翻。供料脈衝的頻率和振幅與輥輪直徑和轉速有內在聯繫，結合預實度的要求，通過調試選擇螺旋基準轉速和反饋量，以達到較好的成型效果，但這種措施使高壓對輥成型機結構複雜，製造成本增加。
綜上所述，儘管引進了上述成型機制和技術保證措施，現生物質型煤高壓成型機仍存在許多局限性和不經濟性。如對不同煤種的適應性差，適用的生物質配比相對窄；成型條件要求嚴格，對料煤製備粒度，特別是成型物料的水分有很高要求，需作烘乾處理；許可的成型轉速低，所需的成型壓力大，成型功耗也大，集中反映在加工成本上，生物質型煤較之普通工業型煤非但沒有經濟優勢，反而高出很多。所有這些都與傳統成型方式及其成型機理有關。
本發明的目的在於，為克服已有技術的不足之處，提出一種生物質型煤高壓成型設備和成型方法，完全利用生物質網絡連接作用實現成型，其高壓的產生不靠摩擦力繼續提升成型壓力，而是利用機械方法，在交叉重疊壓合至準封閉的狀態下，利用物料的不可再壓縮性和殘餘的機械壓縮量有效提升高壓。使其壓縮量大，重疊壓合提升成型壓力的能力亦比靠摩擦力卷料的方式強，而且簡化了成型設備；也避免了兩半型煤的熱對接問題，從而使成型工藝設施最簡化。
本發明提出的一種生物質型煤高壓成型設備，包括底盤、頂蓋及端蓋構成的機座，設置在該機座中的油缸/活塞推壓組件和由一對固定型輪組件和退讓型輪組件構成的成型基本單元；安裝在該頂蓋上的進料鬥，以及驅動所說的成型基本單元相對轉動的驅動機構；所說的固定型輪組件緊固在機座上，退讓型輪的軸承座則經固定在該機座上的滑軌支撐和軸向定位，並由油缸/活塞推壓組件頂緊，兩型輪表面之間設有隔離塊；其特徵在於，該成型基本單元中的一對型輪的表面是兩個三面敞口和空間垂直的曲面，隨著型輪的轉動，兩個曲面虛含的空間互相交叉重疊而形成一個封閉的型腔。
所說的一對型輪的表面曲面可分別為周向貫通/軸向隔斷和軸向貫通/周向隔斷的兩種異形曲面；軸向貫通的型輪表面上在與軸向隔斷的型輪的對應部位切有周向貫通且與軸向隔斷截面形狀相同或相似的凹槽，裝配成兩型輪互相嵌入的形式。
所說的進料鬥上還可裝有螺旋預實機構。
本發明提出一種採用如上所述設備的生物質型煤高壓成型方法，其特徵在於，包括自預實、機械升壓和高壓成型三個階段1)在自預實階段中，先利用摩擦力及重力通過成型基本單元的兩個型輪的對滾往下卷料使物料得到預實；2)在機械升壓階段中，隨著所說的兩異形曲面開始交叉嵌合和嵌合程度的加深，物料重疊壓合，成型壓力迅速提升；3)在高壓成型階段中，即在兩異形曲面交叉重疊基本封閉之後，靠準封閉狀態下的微小壓縮量達到所需的高壓成型。
在上述的自預實階段，預實體積可減至堆積體積一半左右。在機械升壓階段，嵌合產生的重疊壓縮和頂封作用使摩擦力變成了維持成型壓力的被動力，且其作用隨成型壓力主動提升而不斷加強。在高壓成型階段，利用高壓下物料的不可壓縮性，靠準封閉狀態下的微小壓縮量達到成型所需的高壓。這種終了階段的高壓成型等同於模壓成型，從而避免了靠摩擦力提升高壓所必然產生的滑動剪切。由此可見本成型方法不但壓縮量大，其重疊壓合提升成型壓力的能力亦比靠摩擦力卷料的方式強，不需螺旋預實送料，利用摩擦力實現物料的自預實，在重疊壓合過程中達到高壓，特別是在重疊壓合成型的終了階段，各敞口經交叉重疊已基本封閉，擠壓已轉變為準封閉式擠壓，可將滑動上翻減至最小。又由於型煤沒有對接界面，也不會影響成型。此成型新方法完全達到了發明的基本目的。
本發明以所說的型輪為核心部件，開發設計出分別適用於生物質型煤和生物質型塊成型的兩種工業對輥高壓成型機。兩者的共同特徵在於採用上述成型方法成型；兩者的基本區別在於前者取消了任何形式的預實送料機構，後者雖保留了原有的預實送料螺旋，但不用脈衝供料，只保留預實功能以輔助型輪成型。
本發明的技術特點及優點第一，本發明找出一種完全利用生物質網絡連接作用實現成型之對輥高壓成型的新方法，並開發出工程上易實施的新型輪，其高壓的產生不再靠摩擦力而是靠成型單元在轉動中交叉重疊壓合，同時不斷加強磨擦力在此情況下維持成型壓力的能力，有效緩解了滑動剪切；並採用沒有對接界面的成型方式，讓可能發生的滑動剪切限制在輥面與型煤外表面之間。從而可靠地避免了高壓對輥成型原本存在的嚴重滑動剪切對生物質交聯作用的破壞。
第二，本發明的生物質型煤/型塊高壓成型機，前者省去預實送料機構，後者僅保留預實送料功能，仍有優異的成型性能對成型物料的普適性強，製備要求低；對不同煤種和生物質的適應性很強，如無煙末煤加玉米秸和稻草等生物質纖維都有良好的成型性能，對料煤和生物質製備的粒度要求低，散煤經通用粉煤機粉碎和生物質經飼料粉碎機粉碎即有優良的可成型性；對物料的水分要求允許提高一倍甚至更多，如日本設備堅持使用的玉米秸許可的含水量＜7％，而本發明在19％的水分下實現了風乾煤的成型，臨沂煤許可的含水率比前期對照試驗提高一倍，大同煤含水9％也有良好的成型效果；生物質的配比範圍得以大大擴展，增至50％仍不需螺旋預實送料且成型性能優良，裝上送料螺旋後實現了純生物質的成型；成型壓力也有較大幅度的下降，如山東臨沂煤成型壓力，按成型力全部集中在與定壓退讓距離相應的半弦高度上計，僅為120MPa，比日本成型機(150～200MPa)下降20％以上。摩擦效應小，成型壓力低而型煤機械強度高。為生物質能的利用和煤的清潔燃燒提供更為經濟有效的關鍵設備，並可使成型工藝和相關工藝設備最簡化。
第三，本發明根據所述的成型設備及其成型方法對已有的生物質型煤高壓成型的工藝進行了改進，其特點為原煤和生物質原料不烘乾；經篩分或由通用粉碎機粉碎的末煤先與固硫劑按配比連續混合，末煤過溼時則與石灰固硫劑混合和棚存過渡，再與經粉碎的生物質纖維狀碎屑連續定量混合；而後由輸送機送入輥間料鬥，不經螺旋預實直接成型。因本成型設備對物料的水分要求許可成倍提高，且有高強的擠壓能力，故可省去原煤烘乾設備，生物質烘乾設備及配套的供熱設施和通風除塵設施，與粉碎和混合作業配套的通風收塵設施也可簡化；不用預實送料螺旋，同時也省去了配套的電動機、變速器和減速機。從而使成型工藝設施得到最大簡化，僅保留粉碎或篩分-混合-成型這一最基本的成型工藝，且在這三個基本工序上都大大地放寬了對各種成型條件參數的要求，包括原料粉碎的粒度，適用的生物質配比及其混合均勻度，最高成型轉速和最小成型壓力等等，進一步提高生物質型煤成型的技術經濟水平。
附圖簡要說明圖1為現有的生物質型煤高壓成型機基本結構示意圖。
圖2為圖1中的固定型輪組件結構示意圖。
圖3為本發明型輪結構和型輪之間裝配關係一個實施例的軸向視圖。
圖4為本發明的固定型輪組件結構示意圖。
圖5為本發明的生物質型煤成型機一個實施例的結構示意圖。
圖6為本發明的生物質型塊成型機一個實施例的結構示意圖。
結合各附圖對本發明的實施例詳細說明如下圖3是反映本實施例的型輪結構和型輪之間裝配關係的軸向視圖，它體現了按本發明成型方法的工作原理和一對型輪的表面曲面(成型單元)的一種結構特徵。圖中29為周向貫通/軸向隔斷型輪，30為傳動端軸，31為支撐端軸，32為軸向貫通/周向隔斷型輪，33為彈性圓柱銷和螺栓組件。32類似於一個鏈輪，成型單元是兩個「鏈齒」之間的彎曲表面及其虛含的空間。「鏈齒」軸向寬度尺寸與形狀與29周向貫通的環槽截面相同，隨型輪的轉動嵌入其中。「鏈齒」的三面敞口在成型終了時為29的成型單元所封閉，該成型單元的空間重疊為一個封閉的型腔。29的成型單元因周向貫通延展為一個連續的環槽，其成型單元由兩個「鏈齒」插入分割而成。本型輪的成型方法是先由與一定直徑對應的咬入區提供所需的預壓縮比，即由摩擦力產生所需的預實作用，再靠兩個成型單元所含物料的重疊壓縮達到所需的高壓，且避免了型煤內部生物質纖維受剪切從而實現成型。
本型輪所採用的分體式結構既能減少耐磨型輪的加工和更換費用，也有利於提高整體剛度和改善薄弱部位的受力情況，其性能優於脹套式聯接，且經濟得多。雖其銷孔的分度要求比螺栓孔高，但加工上不難保證。採用彈性圓柱銷，銷與孔的精度配合要求不高，且對銷亦無定位要求。
圖4是固定型輪組件實施例結構示意圖。圖中19為軸向定位盲法蘭，20為軸承座，34為調心滾子錐孔軸承，29-33為分體式型輪(參見圖3)，25為軸向定位法蘭，26為密封隔塵氈墊，27為套筒。本實施例的退讓型輪的組裝圖則在兩個軸承座的上、下面開有定向退讓的滑槽，其餘與圖4完全相同。兩個型輪可以互換，其軸伸分別與兩個半聯軸器連接，視型輪長度(產量)和傳遞扭矩的大小選用GIICL2型鼓形齒式聯軸器或TL型彈性套柱銷聯軸器等撓性聯軸器。通過兩端帶法蘭的長套筒與雙軸輸出減速機上的兩個半聯軸器連接，以在許可的撓度內產生數mm的退讓，同時為29和32兩個型輪表面形狀的磨損提供不下兩次的修復量。
圖5是生物質型煤成型機的一個實施例結構示意圖。圖中35為機座，36為定位塊，37為帶折邊的側封板，38為固定型輪組件(詳見圖4)，39為頂蓋，18為型輪間隙隔離塊，40為進料鬥，41為退讓型輪組件(參見圖4)，11和12為傳力板，42為油缸座，13為圓錐銷，43為整體式活塞，15為油缸，17為定向退讓滑軌。38中的固定軸承座與機座35及頂蓋39的聯接各用三個高強度大六角頭螺栓，以利用軸承座提高整機的剛性。41中的退讓軸承座支撐在上、下兩塊滑軌17上，與機座和頂蓋虛貼，由滑軌保證兩個型輪間的軸向配合。滑軌作為更換件，用螺栓和定位銷固定在機座和頂蓋上。兩型輪間的徑向間隙則由隔離塊18來保證。由活塞43施加的推力只作用在軸承座、隔離塊和定位塊36上。其反作用力則經油缸座42傳給機座和頂蓋。兩型輪只受成型過程中自發產生的成型力之反作用力。此反作用力的大小，由於活塞的定壓退讓，與活塞推力大致相同，最終傳遞給機座和頂蓋。41組件和活塞的定壓退讓則由通用的蓄能器液壓系統來實現。成型機的運轉由配套的成型電動機和減速機來驅動。從而按本發明成型方法實現生物質型煤的成型。
該成型機的啟動和生產運行方式與常用工業型煤成型機相同。先由顯示油缸油壓的電接壓力表設定工作油壓，在空載情況下啟動成型電動機和油泵。在電接壓力表達到設定的上限油壓後啟動輸送機(線)向進料鬥40定量供料。40為長方形截面進料鬥，底口長邊與型輪外圓輪廓留有數毫米間距，短向壁面沿型輪端面垂直下延至兩型輪外圓輪廓線交點以下。所供物料沿型輪全長填入成型區，先經型輪往下卷料漸次充實，後靠重疊壓合實現高壓成型。
圖6是生物質型塊成型機的一個實施例結構示意圖。除將圖5中進料鬥40改為預實送料螺旋機構，其餘結構特徵和功能與上述介紹的生物質型煤成型機完全相同。僅有尺寸變化故不再複述。其中，預實送料螺旋機構包括6錐形鬥，7錐形雙頭螺旋體，44螺旋驅動減速機，9進料鬥。該螺旋體7採用錐形變截面的方法使生物質纖維在下擠的過程中漸次預實，並使輥間生物質碎料向下遞推。採用雙頭螺旋和圓滑收尾以改善輥間物料分布和預實的均勻度。螺旋所能產生的最大預實壓縮比不會超過錐鬥內螺旋起止部位對應的截面比。實際所能產生的預實壓縮比與螺旋轉速有關，即在滿足一定的成型供料量下，螺旋轉速越高，螺旋體內積料高度越小，所能產生的預實壓縮比也就越小。為便於調試，亦為增強對生物質種類及溼度變化的適應性，螺旋轉速要求可調。本實施例中，參照成型試驗中的螺旋工作電流，配套電機功率一般不超過5KW，故選用變頻調速電機。該螺旋和主機一起在空載啟動後再向進料鬥9供料。與一般螺旋輸送機構相類似，錐形鬥6和螺旋體7在加工和裝配上無尺寸精度要求，粗糙度要求也不高。
本發明經測試，型煤的抗壓強度在合適的成型條件範圍內均達800至數千N/個；在生物質配比17％和成型油壓13MPa下臨沂風乾煤成型取得抗壓強度1133N/個，落下強度96.3％和轉鼓強度82.5％的良好效果。含水10.2％的大同煤，按生物質配比20％加入含水9.3％的玉米秸，在13MPa油壓下獲得的抗壓強度為767N/個。其優良的成型性能是由本發明新的成型機理和最大程度上緩解了對輥高壓成型通常所存在的物料上翻的結果，故也可用於利用粘結劑的高壓成型，並能降低粘結劑的性能要求和用量。
權利要求
1.一種生物質型煤高壓成型設備，包括底盤、頂蓋及端蓋構成的機座，設置在該機座中的油缸/活塞推壓組件和由一對固定型輪組件和退讓型輪組件構成的成型基本單元；安裝在該頂蓋上的進料鬥，以及驅動所說的成型基本單元相對轉動的驅動機構；所說的固定型輪組件緊固在機座上，退讓型輪的軸承座則經固定在該機座上的滑軌支撐和軸向定位，並由油缸/活塞推壓組件頂緊，兩型輪表面之間設有隔離塊；其特徵在於，該成型基本單元中的一對型輪的表面是兩個三面敞口和空間垂直的曲面，隨著型輪的轉動，兩個曲面虛含的空間互相交叉重疊而形成一個封閉的型腔。
2.權利要求1所述的生物質型煤高壓成型設備，其特徵在於，所說的一對型輪的表面曲面分別為周向貫通/軸向隔斷和軸向貫通/周向隔斷的兩種異形曲面；軸向貫通的型輪表面上在與軸向隔斷的型輪的對應部位切有周向貫通且與軸向隔斷截面形狀相同或相似的凹槽，裝配成兩型輪互相嵌入的形式。
3.權利要求1或2所述的生物質型煤高壓成型設備，其特徵在於，所說的進料鬥上還裝有螺旋預實機構。
4.一種採用如權利要求1所述設備的生物質型煤高壓成型方法，其特徵在於，包括自預實、機械升壓和高壓成型三個階段1)在自預實階段中，先利用摩擦力及重力通過成型基本單元的兩個型輪的對滾往下卷料使物料得到預實；2)在機械升壓階段中，隨著所說的兩異形曲面開始交叉嵌合和嵌合程度的加深，物料重疊壓合，成型壓力迅速提升；3)在高壓成型階段中，即在兩異形曲面交叉重疊基本封閉之後，靠準封閉狀態下的微小壓縮量達到所需的高壓成型。
全文摘要
本發明屬於工業成型領域,包括底盤、頂蓋及端蓋構成的機座,油缸/活塞推壓組件和一對固定型輪組件和退讓型輪組件,進料鬥,以及驅動機構;其一對型輪的表面是兩個三面敞口和空間垂直的曲面,隨著型輪的轉動,兩個曲面虛含的空間互相交叉重疊而形成一個封閉的型腔。本發明完全利用生物質網絡連接作用實現成型,使其壓縮量大,重疊壓合提升成型壓力的能力強,而且簡化了成型設備;也使成型工藝設施最簡化。
文檔編號F23K1/00GK1276501SQ0012078
公開日2000年12月13日 申請日期2000年7月14日 優先權日2000年7月14日
發明者徐康富, 郝吉明, 馬永亮 申請人:清華大學