РОТОРНЫЙ ПРЕСС ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ТОПЛИВНЫХ ГРАНУЛ Российский патент 2008 года по МПК B30B11/12 

Изобретение относится к обработке порошкообразных материалов давлением и может быть использовано в фармацевтической промышленности для производства таблеток, деревообрабатывающей промышленности, мебельном производстве и в строительстве для переработки отходов древесины и стройматериалов, содержащих древесину и для изготовления топливных гранул из измельченных отходов.

В дальнейшем приведено описание роторного пресса для изготовления топливных гранул (пеллет) - это нормированное цилиндрическое прессованное изделие из высушенных измельченных древесных отходов, таких как мука от работы фрезерно-отрезного станка, опил, стружка, щепа, шлифовальная пыль и т.п. Производятся они без химических закрепителей под высоким давлением. Пеллеты применяются для сжигания в котлах коммунально-бытового и производственного назначения, в энергетических установках тепловых и электрических станций, в домашнем хозяйстве. Системы сжигания топливных гранул легко устанавливаются на типовые котлы взамен горелок для жидкого (газообразного) топлива с сохранением высокого уровня автоматизации. Топливные гранулы имеют очень много преимуществ по сравнению с другими видами топлива (табл.1), основные из которых это небольшая стоимость и экологическая чистота.

Таблица 1Сравнение топливных гранул с другими видами топлива:Вид топливаТеплота сгорания МДж/кг% серыТеплотворность ккал/кг% золыУглекислый газ кг/ГДжКаменный уголь15-251-3740010-4060Дизельное топливо42,50,210200178Мазут421,298001,578Щепа древесная, опил10-120450010Древесные гранулы17,50,145000,50Торфяные гранулы100нет2070Природный газ35-38 МДж/куб.м 8300057

Топливные гранулы изготавливаются по Европейским стандартам (табл.2), пока же аналогичные стандарты в РФ отсутствуют.

Таблица 2Европейские стандарты качества топливных гранул. ГерманияАвстрияГерманияШвецияDIN 51731O-Norm М7135DIN plusSS1871 20Диаметр, мм4-104-10  Длина, мм<50<5·d<5·d<5·dПлотность, кг/куб.дм>1,0-1,4>1,12>1,12нетВлажность, %<12<10<10<10Насыпная масса, кг/куб.м650650650650Брикетная пыль, %нет<2,3<2,3нетЗольность, %<1,5<0,5<0,5<1,5Теплота сгорания, МДж/кг17,5-19,5>18>18>18Содержание серы, %<0,08<0,04<0,04<0,08Содержание азота, %<0,3<0,3<0,3нетСодержание хлора, %<0,03<0,02<0,02<0,03Мышьяк, мг/кг<0,8нет<0,8нетСвинец, мг/кг<10нет<10нетКадмий, мг/кг<0,5нет<0,5нетХром, мг/кг<8нет<8нетМедь, мг/кг<5нет<5нетРтуть, мг/кг<1,5нет<1,5нетЦинк, мг/кг<100нет<100нетЗакрепитель, связующие материалы, %нет<12<2 

Известен способ изготовления брикетов (гранул) по а.с. СССР №435951, МПК D30D 11/04, 1972 г. Этот пресс содержит загрузочное устройство, подпрессовывающий элемент и камеру прессования. Недостатком является низкая производительность, обусловленная тем, что за один цикл изготавливается один брикет (гранула).

Известно устройство прессования брикетов из сыпучих материалов по а.с. СССР №1810212, МПК 5 В30В 11/02, 1991 г, содержащий загрузочное устройство, корпус и прессующее устройство.

Недостатки этого устройства: высокая влажность брикетов, низкая производительность, быстрый износ оборудования.

Известен пресс для брикетирования сыпучих материалов, торфяной крошки, опилок или их смеси по патенту РФ на изобретение №2273563. Этот пресс содержит загрузочное устройство, подпрессовывающий элемент и камеру прессования, в которой расположено прессующее устройство, при этом камера прессования образована торцовой плитой, расположенной на раме и жестко соединенной с задней плитой, верхней и нижними плитами, установленными в торцовой плите и соединенными между собой неподвижными элементами с вогнутыми криволинейными поверхностями, размещенными между упомянутыми верхней и нижней плитами и закрепленными в торцовой плите, и подвижными криволинейными вогнутыми поверхностями, соединенными с гидроцилиндрами с возможностью бокового прессования.

По способу, реализуемому в этом устройстве, сначала дозируют массу измельченной древесины, потом ее прессуют, потом сушат методом нагрева в специальном нагревателе, имеющем цилиндрическую формы. При этом сушат по одному брикету (грануле) последовательно по времени, в результате гранулы будут иметь разный процент влажности. что не допустимо. Влажность брикетов (гранул) не контролируется. Производительность процесса очень низкая, т.к. за один цикл изготавливается только одна гранула.

Известен валковый пресс по а.с. СССР №301223, опубл. 21.04.71 г, который содержит два валка, вращающихся друг навстречу другу, загрузочный бункер и механизм подпрессовки в виде двух параллельно установленных щек.

Недостатком является невысокой коэффициент подпрессовки шихты.

Известен валковый пресс по патенту РФ на изобретение «Пресс-валковый агрегат» №2133673, опубл. 27.07.1999 г., предназначенный для изготовления брикетов из любых материалов, прототип.

Этот валковый пресс содержит смонтированные в корпусе, с возможностью вращения навстречу друг другу валки и загрузочный бункер.

Известен пресс по а.с. СССР №866919, прототип, выполненный в виде ротора, соединенного с приводом.

Этот пресс имеет недостатки:

1. Сложность конструкции из-за наличия механизма подпрессовки.

2. Низкая степень сжатия, которая обеспечивается только эффективностью механизма подпрессовки.

3. Возможность прилипания брикетов к стенкам матриц (углублений), особенно для брикетов цилиндрической формы и при использовании в качестве связующего клея.

4. Отсутствие механизмов настройки и регулировки пресса в зависимости от прессуемого материала, его плотности и влагосодержания.

5. Отсутствие системы отвода паров воды.

6. Отсутствие устройства отсеивания мелкой фракции от готовой продукции (брикетов), приводящее к пожарам, если в работе используется горючее сырье.

7. Отсутствие средств, обеспечивающих выдержку брикетов после сжатия для завершения процесса испарения влаги и полимеризации брикетов в случае применения связующих или пластифицирующих компонентов.

8. Плохое качество брикетов, особенно его торцов.

9. Относительно низкая плотность гранул от 1000 до 1400 кг/м³, или насыпная плотность 700...800 кг/см³, которая приводит к увеличению затрат на транспортировку готовой продукции особенно на большие расстояния.

10. Наличие пыли в готовой продукции (гранулах).

11. Пожароопасность производства этой продукции.

Задачи создания изобретения: обеспечение эффективного выпаривания влаги и изменения степени сжатия гранул.

Решение указанных задач достигнуто в роторном прессе для изготовления топливных гранул из отходов древесины, содержащем загрузочный бункер для исходного сырья, смонтированный в корпусе с возможностью вращения и соединенный с приводом ротор, оснащенный матрицами и выполненный с полостью, расположенный в упомянутой полости ротора кулачковый механизм и подпружиненные пуансоны, установленные в матрицах в контакте с кулачком кулачкового механизма, при этом пресс снабжен установленными внутри ротора нагревательными элементами, ротор соединен с приводом через механизм прерывистого вращательного движения, пуансоны установлены с возможностью полного или частичного выхода из матриц после завершения процесса сжатия гранул, а кулачок кулачкового механизма установлен с возможностью поворота для изменения степени сжатия гранул. Загрузочный бункер снабжен установленным в нем магнитным улавливателем металлических предметов. Роторный пресс снабжен приемным бункером с наклонно установленной сеткой, размер ячеек которой меньше размера спрессованных гранул. Роторный пресс снабжен трубопроводом подвода воздуха, установленным в приемном бункере под сеткой. Роторный пресс снабжен установленным на валу привода вентилятором, соединенным с трубопроводом подвода воздуха. Роторный пресс снабжен съемным сборником для просыпавшегося исходного сырья, установленным в приемном бункере. Роторный пресс снабжен трубопроводом для выхода воздуха, установленным в приемном бункере над сеткой. Ротор уплотнен со стороны промежуточного бункера полосами из эластичного материала.

Предложенное техническое решение обладает новизной, изобретательским уровнем и промышленной применимостью, т.е. всеми критериями изобретения.

Новизна технического решения подтверждается проведенными патентными исследованиями, изобретательский уровень наличием новой совокупности признаков, обеспечивающей получение нового технического эффекта, а именно одновременное получение большого количества положительных свойств, приведенных далее.

Промышленная применимость подтверждается тем, что для реализации устройства необходимы известные в производстве компоненты.

Сущность изобретения поясняется на фиг.1...13, где

на фиг.1 приведен пресс с выдвижными пуансонами и выталкивателями гранул,

на фиг.2 приведен поперечный разрез пресса по А- А,

на фиг.3 приведена конструкция с пуансонами, закрепленными на планках для удобства монтажа в роторе пресса,

на фиг.4...6 приведены некоторые варианты формы гранул,

на фиг.7 приведена электрическая схема управления прессом,

на фиг.8 и 9 - первый вариант исполнения мальтийского креста,

на фиг.10 и 11 - второй вариант исполнения мальтийского креста,

на фиг.12 и 13 - зубчатый механизм прерывистого вращательного движения.

Роторный пресс (фиг.1) содержит установленный в корпусе 1 ротор 2. Ротор 2 выполнен пустотелыми с полостью «Г» внутри него. Над ротором 2 находится загрузочный бункер 3, под ним - приемный бункер 4 с сеткой 5 для отсеивания мелкой фракции 6 от гранул 7 и накопления мелкой фракции 6 в съемном сборнике 8. Выходное окно 9 для выгрузки гранул 7 в приемную емкость 10, трубопровод выхода воздуха 11 и трубопровод подвода воздуха 12. В загрузочном бункере 3 целесообразно установить магнитный улавливатель металлических предметов 13 для отделения посторонних металлических предметов, например металлических опилок, от исходного сырья 14. В роторе 2 выполнены матрицы (углубления) «Е» любой формы, но предпочтительно цилиндрической, и расположенные с равномерным шагом в угловом и в линейном направлениях. В этом же роторе 2 установлены пуансоны 15.

Пуансоны 15 выполняют функции выталкивателей и подпружинены пружиной 16. Пуансоны 15 контактируют с кулачком 17, установленным внутри ротора 2.

Ротор 2 уплотнен со стороны загрузочного бункера 3 полосами из эластичного материала 18. В полости «Д» могут быть установлены нагревательные элементы 19, например тэны.

Ротор 2 (фиг.2) установлен на подшипниковых опорах 20, которые защищены теплоизолятором 21. Пуансоны 15 и пружины 16 для облегчения сборки целесообразно установить на планках 22, на концах которых выполнены крепежные элементы 23 (фиг.3).

Гранулы 7 могут иметь любую форму, например цилиндра, конуса или полусферы и размеры соответствующие Европейским стандартам (фиг.4...6). Это позволит поставлять гранулы на экспорт и использовать унифицированные печи для их сжигания, а также комплектовать оборудование для производства топливных гранул, например пневмотранспорт, упаковочную машину от разных производителей.

Привод 24 через редуктор 25 и механизм прерывистого вращения 24, например, мальтийский крест или шестерни прерывистого вращения соединен с ротором 2 (фиг.7).

Механизм прерывистого вращения 26 имеет ведущий вал 27 и ведомый вал 28. Ведомый вал 28 через передачу 29 соединен с ротором 2. На оси 30 привода 24 установлен вентилятор 31, к которому подсоединен трубопровод подвода воздуха 12.

В цепи питания привода 24 (фиг.7) установлен регулятор частоты вращения привода 32, например тиристорный, а в цепи питания нагревательных элементов 19 установлен регулятор мощности подогрева 33.

Механизм прерывистого вращения 25 может быть выполнен в виде мальтийского креста, при этом возможны два варианта исполнения.

По первому варианту (фиг.8 и 9) мальтийский крест выполнен с внешним зацеплением и содержит, установленные на ведущем валу 27 ведущее звено креста 34, и на ведомом валу 28 ведомое звено креста 35.

По второму варианту мальтийский крест выполнен с внутренним зацеплением (фиг.10 и 11).

Также возможно выполнение вместо мальтийского креста зубчатого механизма прерывистого движения (фиг.12 и 13) в виде пары шестерен: ведущей 36 и ведомой 37, также установленных, соответственно на ведущем 27 и ведомом 28 валах.

При работе включают привод 24, он приводит во вращение редуктор 25 и через механизм прерывистого вращения 36 ротор 2. В загрузочный бункер 3 засыпается исходное сырье 14, ротор 2 захватывает порции исходного сырья 14 и сжимают его между матрицами «Е», пуансонами 15 и стенкой корпуса 1. Механизм прерывистого вращения 26 на короткий промежуток времени прекращает вращение ротора 2, но вращение привода 24 не прекращается. За это время топливная гранула 7 прогревается и влага испаряется практически полностью (до 5%...6%), что в 2 раза лучше, чем требуют Европейские стандарты. Механизм прерывистого вращения 26 снова приводит в действие ротор 2 и топливные гранулы 7 сбрасываются при помощи пуансонов 15 в приемный бункер 4 на сетку 5. Мелкая фракция исходного сырья 7 может пройти между ротором 2 и стенкой корпуса 1 в приемный бункер 5, далее она проходит через сетку 6, и возвращается по трубопроводу выхода воздуха 11 в загрузочный бункер 4, что гарантирует выполнение требований Европейских стандартов, не допускающих содержания пыли в готовой продукции более 2,3%. Топливные гранулы 7 поступают через выходное окно 10 в загрузочную емкость 11 (или на автоматизированную расфасовку в мешки). Часть паров воды выходит в загрузочный бункер 3 и смачивает исходное сырье 14. Большая часть паров воды уходит в приемный бункер 4 и сбрасываются через трубопровод сброса воздуха 11 в атмосферу. Для сепарации пыли может быть применен циклон. Для охлаждения и встряски топливных гранул 7 подают воздух на сетку 5 по трубопроводу подвода воздуха 12 от вентилятора 31, установленного на одной оси 30 с приводом 24.

Регулировка и настройка пресса осуществляется регулятором частоты вращения привода 32, регулятором мощности 33, заменой пуансонов 15 или поворотом кулачка 17.

РАСЧЕТЫ ПОТРЕБНОЙ МОЩНОСТИ ПРЕССА

Расчеты проведены для валкового пресса, предназначенного для деревоперерабатывающих производств с большими объемами переработки исходного сырья. В мебельной промышленности могут быть использованы недорогие малогабаритные установки с более низкой производительностью.

Исходные данные:

а) Размеры топливной гранулы

Диаметр D=10 мм. Высота Н=4 мм, материал - древесина, плотность гранулы 1000 кг/м³ (плотность гранул по Европейским стандартам более 1,0...1,4 кг/м³).

Исходная плотность сырья 300 кг/м³.

в) Габариты валков, пуансонов, технологические показатели и скорости вращения

- диаметр валков Д=1000 мм,

- длина валков L=2000 мм,

- число пуансонов в ряду n₁=100,

- число рядов п₂=120,

- поворот валков на 1 ряд пуансонов (на 3 град) осуществляется за 0,5 сек, что соответствует частоте вращения валков 0,5 об/мин, окружная скорость 7 м/мин,

- уменьшение влажности при прессовании на 10%, при этом уменьшение влагосодержания за счет сжатия на 5% и выпаривания влаги на 5%,

- давление прессования (максимальное) Р=100 кг/см²=10⁶·кг/м².

РАСЧЕТ МОЩНОСТИ НАГРЕВАТЕЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

Объем одной гранулы

Объем гранул, формируемых за 0,5 сек:

Вес гранул, формируемых за 0,5 сек

G₀=γ·W₀=3,14·10^-2 кг

Вес воды, испаряемой за 0,5 сек при уменьшении влажности на 5%:

G_вод=1,57·10^-3 кг

Расход энергии на испарение воды за 0,5 сек:

Q₁=R·Gвод=539·1,7·10^-3=0,85 ккал/сек,

Расход энергии за 1 сек

Q2=Q1/t=0,85/t=1,7 ккал/сек

Мощность нагревательных элементов для первого варианта пресса:

N=4,2·1,7=7,0 кВт.

РАСЧЕТ МОЩНОСТИ ПРИВОДА

Площадь гранулы F=π·D=0,785·10^-4 м²

Усилие давления на один пуансон

P₁=Ро·F=75 кг

Усилие давления на один ряд пуансонов (100 пуансонов):

Робщ=Р₁·n₁=100·75=7500 кг.

Крутящий момент привода

М=Ктр·Робщ·R=0,1·7500·0,5=375 кг·м

Мощность привода

N=Мкр/t=187,5/0,5=7500 кг·м/сек

N=0,0098·7500=7,5 кВт

Суммарная мощность установки:

Nобщ=7,0+7,5=14,5 кВт

ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТЬ ПРЕССА (1-й вариант):

Gчас=3600×G₀/t=3600·3,14·10^-2/0,5=226 кг/час или 1800 кг/смену (8 часов).

За счет увеличения мощности нагревательных элементов и мощности привода можно повысить производительность пресса согласно табл.3.

Габариты пресса, мм1100×2200×3000Вес, кг1500Стоимость, долл. США15000Обслуживание1 чел

При непрерывной трехсменной работе пресс окупается за 50 рабочих дней.

Для сравнения можно привести данные, что стоимость аналогичного импортного оборудования 1,5...3,0 млн Евро, а одна тонна гранул может дать до 4250 руб. прибыли.

Таблица 3Производительность пресса за смену - 8 час№ ВариантаМощность нагревательных элементов, кВтМощность привода, кВтОбщая мощность, кВтПроизводительность пресса, кг/смену17,07,514,51800214,015,029,03600328,03058,0720045660,011614400

Применение изобретения позволило:

1. Создать отечественное оборудование для производства нового экологически чистого топлива более высокого качества, чем используется за рубежом.

2. Уменьшить стоимость отопления по сравнению с другими источниками топлива в 2...10 раз.

3. Отделить мелкую фракцию от готовой продукции гранул и вернуть ее в технологический цикл, обеспечив тем самым практически 100% использование исходного сырья и требование Европейских стандартов по наличию пыли. Это необходимо, чтобы обеспечить пожаробезопасность, санитарно-гигиенические условия работы и экологию окружающей среды.

4. Значительно улучшить качественные требования по габаритам топливных гранул даже в сравнении с Европейскими стандартами уменьшением их высоты, улучшением качества торцов и повышением плотности.

5. Упростить конструкцию устройства и унифицировать детали, повысив тем самым его надежность и ресурс бесперебойной работы.

6. Полностью автоматизировать процесс изготовления гранул.

7. Обеспечить высокую производительность пресса за счет большого числа пуансонов на роторе.

8. Обеспечить изготовление на одной установке гранул из любых материалов, например из строительных отходов и из отходов древесины.

9. Обеспечить высокую степень сжатия исходного материала, при необходимости - в 5...10 раз за счет применения подвижных пуансонов и обеспечить плотность гранул до 1800 кг/м³. Это реализуется подбором пуансонов и подрессовкой. Подпрессовка обеспечивается прерывистым вращением ротора, а также ходом пуансона, который обеспечивается механизмом прерывистого вращательного движения. Этот механизм обеспечивает выдержку во времени не только для прессования гранул, но и для более полного заполнения матриц за счет вибрации.

10. Обеспечить регулировку процесса сжатия и сушку брикетов в процессе прессования за счет изменения частоты вращения ротора, за счет изменения мощности нагревательных элементов и за счет изменения степени сжатия гранул. Последнее может быть реализовано за счет поворота кулачка или замены пуансонов на пуансоны другой высоты.

11. Обеспечить принудительное выталкивание пуансонами всех гранул из матриц.

12. Обеспечить процесс перенастройки оборудования при смене сырья или при изменении его влажности.

13. Обеспечить хорошую сушку топливных гранул за счет действия двух факторов: отжима влаги при прессовании и воздействия тепла, выделяемого нагревательными элементами, установленными внутри ротора.

14. Обеспечить выдержку топливных гранул после сжатия для испарения влаги и полимеризации в случае применения связующих или пластифицирующих компонентов за счет применения механизма прерывистого вращательного движения.

15. Обеспечить стабильность по влагосодержанию всей партии топливных гранул.

16. Увеличить насыпную плотность готовой продукции с 600 кг/м³ до 800 кг/м³ за счет улучшения качества торцов, и увеличения плотности гранул, что позволит уменьшить затраты на транспортировку.

17. Унифицировать оборудование с импортным оборудованием аналогичного назначения.

18. Уменьшить стоимость оборудования по сравнению с импортным.

Изобретение относится к переработке отходов древесины и стройматериалов, содержащих древесину, и может быть использовано при изготовлении топливных гранул. Пресс содержит загрузочный бункер для исходного сырья и приводной ротор, оснащенный матрицами и имеющий полость. Ротор соединен с приводом через механизм прерывистого вращательного движения. В полости ротора установлен кулачковый механизм и расположены нагревательные элементы. В матрицах размещены подпружиненные пуансоны, контактирующие с кулачком. Пуансоны могут полностью или частично выходить из матриц после завершения процесса сжатия гранул. Кулачок имеет возможность поворота для изменения степени сжатия гранул. В результате обеспечивается повышение эффективности работы пресса и расширение его технологических возможностей. 7 з.п. ф-лы, 13 ил., 3 табл.

1. Роторный пресс для изготовления топливных гранул из отходов древесины, содержащий загрузочный бункер для исходного сырья, смонтированный в корпусе с возможностью вращения и соединенный с приводом ротор, оснащенный матрицами и выполненный с полостью, расположенный в упомянутой полости ротора кулачковый механизм и подпружиненные пуансоны, установленные в матрицах в контакте с кулачком кулачкового механизма, отличающийся тем, что он снабжен установленными внутри ротора нагревательными элементами, ротор соединен с приводом через механизм прерывистого вращательного движения, пуансоны установлены с возможностью полного или частичного выхода из матриц после завершения процесса сжатия гранул, а кулачок кулачкового механизма установлен с возможностью поворота для изменения степени сжатия гранул.2. Пресс по п.1, отличающийся тем, что загрузочный бункер снабжен установленным в нем магнитным улавливателем металлических предметов.3. Пресс по п.1, отличающийся тем, что он снабжен приемным бункером с наклонно установленной сеткой, размер ячеек которой меньше размера спрессованных гранул.4. Пресс по п.1, отличающийся тем, что он снабжен трубопроводом подвода воздуха, установленным в приемном бункере под сеткой.5. Пресс по п.1, отличающийся тем, что он снабжен установленным на валу привода вентилятором, соединенным с трубопроводом подвода воздуха.6. Пресс по п.1, отличающийся тем, что он снабжен съемным сборником для просыпавшегося исходного сырья, установленным в приемном бункере.7. Пресс по п.1, отличающийся тем, что он снабжен трубопроводом для выхода воздуха, установленным в приемном бункере над сеткой.8. Пресс по п.1, отличающийся тем, что ротор уплотнен со стороны промежуточного бункера полосами из эластичного материала.