Благодаря более низкому содержанию вредных веществ, таких как зола, азот и сера, в биомассе по сравнению с минеральной энергией, она обладает большими запасами, высокой активностью углерода, легкостью воспламенения и высоким содержанием летучих компонентов. Поэтому биомасса является идеальным энергетическим топливом и очень подходит для сжигания, преобразования и использования. Остаточная зола после сжигания биомассы богата питательными веществами, необходимыми растениям, такими как фосфор, кальций, калий и магний, поэтому ее можно использовать в качестве удобрения для повторного внесения в почву. Учитывая огромные ресурсные запасы и уникальные возобновляемые преимущества биоэнергии, в настоящее время она рассматривается странами по всему миру как важный вариант для развития национальной энергетики. Национальная комиссия по развитию и реформам Китая четко указала в «Плане реализации комплексного использования соломы сельскохозяйственных культур в течение 12-й пятилетки», что к 2013 году коэффициент комплексного использования соломы достигнет 75%, а к 2015 году будет стремиться превысить 80%.
Преобразование энергии биомассы в высококачественную, чистую и удобную энергию стало актуальной проблемой. Технология уплотнения биомассы — один из эффективных способов повышения эффективности сжигания биомассы и упрощения транспортировки. В настоящее время на внутреннем и внешнем рынках распространены четыре типа оборудования для формования уплотнений: экструзионные машины для спирали, штамповочные машины для поршня, машины для плоских и кольцевых форм. Среди них кольцевые грануляторы широко используются благодаря таким характеристикам, как отсутствие необходимости в нагреве во время работы, широкий диапазон требований к влажности сырья (от 10% до 30%), большая производительность одной машины, высокая плотность сжатия и хороший эффект формования. Однако эти типы грануляторов, как правило, имеют недостатки, такие как быстрый износ пресс-формы, короткий срок службы, высокие затраты на техническое обслуживание и неудобная замена. В ответ на вышеуказанные недостатки кольцевых грануляторов автор разработал совершенно новую усовершенствованную конструкцию формовочной пресс-формы и создал формовочную пресс-форму комплектного типа с длительным сроком службы, низкими затратами на техническое обслуживание и удобством в обслуживании. Между тем, в данной статье был проведен механический анализ формовочной формы в процессе ее работы.
1. Усовершенствованная конструкция формовочной формы для кольцевого гранулятора.
1.1 Введение в процесс экструзионного формования:Гранулятор с кольцевой матрицей можно разделить на два типа: вертикальный и горизонтальный, в зависимости от положения кольцевой матрицы; по типу движения он может быть разделен на два различных типа: активный прижимной ролик с неподвижной кольцевой матрицей и активный прижимной ролик с приводной кольцевой матрицей. Данная усовершенствованная конструкция в основном предназначена для гранулятора с кольцевой матрицей, использующего активный прижимной ролик и неподвижную кольцевую матрицу в качестве формы движения. Он состоит из двух основных частей: механизма подачи и механизма гранулятора с кольцевой матрицей. Кольцевая матрица и прижимной ролик являются двумя основными компонентами гранулятора с кольцевой матрицей, имеющими множество формовочных отверстий, расположенных вокруг кольцевой матрицы, а прижимной ролик установлен внутри кольцевой матрицы. Прижимной ролик соединен с приводным шпинделем, а кольцевая матрица установлена на неподвижном кронштейне. При вращении шпинделя он приводит во вращение прижимной ролик. Принцип работы: сначала механизм подачи транспортирует измельченный биоматериал до определенного размера частиц (3-5 мм) в камеру прессования. Затем двигатель приводит в движение главный вал, который вращает прижимной ролик, и ролик, вращаясь с постоянной скоростью, равномерно распределяет материал между прижимным роликом и кольцевой формой, вызывая сжатие и трение между кольцевой формой и материалом, прижимным роликом и материалом, а также между самим материалом. В процессе сжатия и трения целлюлоза и гемицеллюлоза в материале соединяются друг с другом. Одновременно с этим тепло, выделяемое при сжатии и трении, размягчает лигнин, превращая его в природное связующее, что обеспечивает более прочное соединение целлюлозы, гемицеллюлозы и других компонентов. С непрерывным заполнением биомассой количество материала, подвергающегося сжатию и трению в формовочных отверстиях, постоянно увеличивается. Одновременно с этим сила сжатия между биомассой продолжает расти, и материал непрерывно уплотняется и формируется в формовочном отверстии. Когда давление экструзии превышает силу трения, биомасса непрерывно экструдируется из формовочных отверстий вокруг кольцевой формы, образуя формовочное топливо из биомассы с плотностью около 1 г/см³.
1.2 Износ формовочных форм:Производительность гранулятора на одной машине высока, он отличается относительно высокой степенью автоматизации и хорошей адаптивностью к сырью. Он может широко использоваться для переработки различных видов биомассы, подходит для крупномасштабного производства плотного формовочного топлива из биомассы и отвечает требованиям развития индустриализации плотного формовочного топлива из биомассы в будущем. Поэтому гранулятор с кольцевой формой широко используется. Из-за возможного присутствия небольшого количества песка и других примесей, не относящихся к биомассе, в перерабатываемом биоматериале высока вероятность значительного износа кольцевой формы гранулятора. Срок службы кольцевой формы рассчитывается исходя из производственной мощности. В настоящее время срок службы кольцевой формы в Китае составляет всего 100-1000 тонн.
Выход из строя кольцевой формы происходит главным образом по следующим четырем причинам: ① После определенного периода работы кольцевой формы внутренняя стенка формовочного отверстия изнашивается, а его размер увеличивается, что приводит к значительной деформации производимого топлива; ② Изнашивается подающий наклон формовочного отверстия кольцевой формы, что приводит к уменьшению количества биомассы, выдавливаемой в отверстие, снижению давления экструзии и легкому засорению формовочного отверстия, что приводит к выходу кольцевой формы из строя (рис. 2); ③ После извлечения материала из внутренней стенки резко уменьшается количество выгружаемого материала (рис. 3);
④ После износа внутреннего отверстия кольцевой формы толщина стенки между соседними элементами формы L уменьшается, что приводит к снижению прочности кольцевой формы. В наиболее опасном участке склонны к образованию трещин, и по мере их распространения происходит разрушение кольцевой формы. Основной причиной быстрого износа и короткого срока службы кольцевой формы является нерациональная конструкция формовочной кольцевой формы (кольцевая форма интегрирована с формовочными отверстиями). Интегрированная конструкция этих двух элементов приводит к следующим результатам: иногда, когда изнашиваются лишь несколько формовочных отверстий кольцевой формы и она перестает работать, необходимо заменить всю кольцевую форму, что не только создает неудобства при замене, но и приводит к значительным экономическим потерям и увеличению затрат на техническое обслуживание.
1.3 Усовершенствование конструкции формовочной формыДля увеличения срока службы кольцевой формы гранулятора, снижения износа, упрощения замены и сокращения затрат на техническое обслуживание необходимо разработать совершенно новую усовершенствованную конструкцию кольцевой формы. В конструкции использована встроенная формовочная форма, а усовершенствованная конструкция камеры сжатия показана на рисунке 4. На рисунке 5 показан поперечный разрез усовершенствованной формовочной формы.
Усовершенствованная конструкция в основном предназначена для кольцевой формовочной машины с подвижной формой активного прижимного ролика и неподвижной кольцевой формы. Нижняя кольцевая форма закреплена на корпусе, а два прижимных ролика соединены с главным валом через соединительную пластину. Формовочная форма встраивается в нижнюю кольцевую форму (с использованием посадки с натягом), а верхняя кольцевая форма крепится к нижней кольцевой форме болтами и зажимается на формовочной форме. В то же время, чтобы предотвратить отскок формовочной формы под действием силы после того, как прижимной ролик перекатывается и перемещается радиально вдоль кольцевой формы, для крепления формовочной формы к верхней и нижней кольцевым формам используются винты с потайной головкой. Для уменьшения сопротивления при подаче материала в отверстие и облегчения его заполнения в формовочное отверстие, конический угол загрузочного отверстия разработанной формовочной формы составляет от 60° до 120°.
Усовершенствованная конструкция формовочной формы обеспечивает многоцикловую работу и длительный срок службы. В процессе работы дробильной машины потери на трение приводят к увеличению размеров отверстий формовочной формы и их пассивации. После снятия и расширения изношенной формовочной формы её можно использовать для производства дробиной массы других размеров. Это позволяет повторно использовать формы и экономить на затратах на техническое обслуживание и замену.
Для увеличения срока службы гранулятора и снижения производственных затрат в качестве прижимного ролика используется высокоуглеродистая высокомарганцевая сталь с хорошей износостойкостью, например, 65Mn. Формовочная форма должна быть изготовлена из легированной цементированной стали или низкоуглеродистого никель-хромового сплава, например, содержащего Cr, Mn, Ti и т. д. Благодаря усовершенствованию камеры сжатия, сила трения, испытываемая верхним и нижним кольцевыми формами во время работы, относительно мала по сравнению с формовочной формой. Поэтому в качестве материала для камеры сжатия можно использовать обычную углеродистую сталь, например, сталь 45. По сравнению с традиционными интегрированными формовочными кольцевыми формами это позволяет сократить использование дорогостоящей легированной стали, тем самым снижая производственные затраты.
2. Механический анализ формовочной формы гранулятора кольцевого типа в процессе его работы.
В процессе формования лигнин в материале полностью размягчается под воздействием высокого давления и высокой температуры, создаваемых в формовочной форме. Когда давление экструзии не увеличивается, материал подвергается пластификации. После пластификации материал хорошо течет, поэтому его длину можно установить равной d. Формовочная форма рассматривается как сосуд под давлением, что упрощает расчет напряжений в ней.
На основании проведенного выше механического расчета можно сделать вывод, что для определения давления в любой точке внутри формовочной формы необходимо определить окружную деформацию в этой точке. Затем можно рассчитать силу трения и давление в этом месте.
3. Заключение
В данной статье предлагается новая конструкция, улучшающая формующую форму гранулятора кольцевого типа. Использование встроенных формовочных элементов позволяет эффективно снизить износ формы, продлить срок ее службы, упростить замену и техническое обслуживание, а также снизить производственные затраты. Одновременно был проведен механический анализ формовочной формы в процессе ее работы, что обеспечивает теоретическую основу для дальнейших исследований.
Дата публикации: 22 февраля 2024 г.