生物质成型燃料的成型模具与成型方法

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内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0.7143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顶切的原理，本发明提出一种生物质成型燃料的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，包括由相互内啮合的第一齿轮和第二齿轮构成的一对内啮合齿轮式压辊；所述第一齿轮的每个轮齿沿轴向设置若干成型孔，所述成型孔用于生物质物料的成型；所述第二齿轮与第一齿轮内啮合并对第一齿轮产生顶切，所述第一齿轮为顶切齿轮，所述顶切齿轮的齿顶部为顶切齿廓，所述顶切齿廓是齿顶部顶切部分标准齿廓后形成的齿廓，从而在每个轮齿的顶部两侧分别形成一个用于存储生物质物料的顶切区。

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。

所述第一齿轮的齿根部的标准齿廓与齿顶部的顶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一齿轮的顶切区，第二齿轮和所述第一齿轮啮合时产生的顶切力将存储在所述顶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(含水率在30％以下)。

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。

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，生物质物料储存在顶切区中，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顶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、本发明提出的内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为具体实施方式的内啮合齿轮式成型模具的原理示意图；

图2为图1的顶切齿轮的齿廓示意图；

图3为图1的成型孔沿轴向的分布示意图；

图4为图1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

用齿数较少的插齿刀加工内齿轮时，内齿轮的齿顶角和插齿刀的齿根会发生根切，内齿轮的齿顶角被插齿刀切去一部分而发生顶切现象。插齿刀的齿数愈少，内齿轮的顶切愈严重。

齿顶部顶切掉部分标准齿廓后形成的齿廓称之为顶切齿廓。存在顶切齿廓的齿轮称之为顶切齿轮。

在齿轮传动中，顶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，在出现顶切时，现有技术采取许多技术手段，以避免产生顶切齿轮。

本发明将齿轮的啮合运动用于挤压生物质物料，顶切可以产生顶切力，有利于生物质物料的挤压成型。因而，本发明按照顶切条件加工顶切齿轮，与另一个标准齿轮构成内啮合齿轮式压辊模具。

一种具体实施方式如图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相互内啮合，构成一对内啮合齿轮式压辊，其中第一齿轮1为顶切齿轮。

对于渐开线齿轮，为产生顶切，第二齿轮2的齿数一般可取为8～12。

第一齿轮1为已加工成形的顶切齿轮，其齿廓分为ab、cd二段，ab为标准齿廓，cd为顶切齿廓。图中的虚线为被顶切的标准齿廓，其与顶切齿廓之间的区域称之为顶切区。顶切区有两个。

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的每个齿槽根部沿轴向也设置若干成型孔3。

生物质物料4由第一齿轮1的空腔进入内啮合齿轮式压辊中间，储存在齿间间隙中。

内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一齿轮1的顶切区中。内啮合齿轮式压辊产生啮合运动时，第二齿轮2对第一齿轮1产生顶切，对储存在第一齿轮1顶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3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，如果固化区3-2中圆孔的长度过长，则扩孔，如图2所示。

特别是，挤压区3-1为图4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，第一齿轮1的标准齿廓ab与顶部的顶切齿廓cd用一段光滑的过渡曲线bc连接。

在上述内啮合齿轮式压辊中，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，内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。

采用本发明提出的内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。

采用上述成型模具的生物质成型燃料的成型方法的技术方案如下：

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4从进料口进入内啮合齿轮式成型模具；

步骤(2)、内啮合齿轮式成型模具运转，生物质物料4随齿轮转动进入并储存于第二齿轮1的顶切区，第二齿轮2和第一齿轮1啮合时产生的顶切力将存储在顶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)、生物质物料4在成型孔3的挤压区中挤压为成型燃料；

步骤(4)、成型燃料在成型孔3的固化区中固化；

步骤(5)、成型燃料进入齿轮1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顶切条件制造顶切齿轮等，都应当视为属于本发明的保护范围。