Door het lagere gehalte aan schadelijke stoffen zoals as, stikstof en zwavel in biomassa in vergelijking met minerale energiebronnen, heeft biomassa de kenmerken van grote reserves, een goede koolstofactiviteit, gemakkelijke ontsteking en een hoog gehalte aan vluchtige componenten. Daarom is biomassa een ideale energiebron en zeer geschikt voor verbranding en hergebruik. De as die overblijft na verbranding van biomassa is rijk aan voedingsstoffen die planten nodig hebben, zoals fosfor, calcium, kalium en magnesium, en kan daarom als meststof worden gebruikt. Gezien de enorme reserves en de unieke voordelen van hernieuwbare energie, wordt biomassa momenteel door landen over de hele wereld beschouwd als een belangrijke optie voor de ontwikkeling van nieuwe energiebronnen. De Chinese Nationale Ontwikkelings- en Hervormingscommissie heeft in het "Uitvoeringsplan voor de integrale benutting van gewasresten tijdens het 12e Vijfjarenplan" duidelijk gesteld dat het percentage integrale benutting van gewasresten in 2013 75% zal bereiken en in 2015 meer dan 80% zal bedragen.
Het omzetten van biomassa-energie in hoogwaardige, schone en gemakkelijk toegankelijke energie is een urgent probleem geworden. Biomassaverdichtingstechnologie is een van de effectieve manieren om de efficiëntie van biomassaverbranding te verbeteren en het transport te vergemakkelijken. Momenteel zijn er vier gangbare typen verdichtingsmachines op de binnenlandse en buitenlandse markt: spiraalextrusie-pelletmachines, zuigerpers-pelletmachines, vlakke-matrijs-pelletmachines en ringmatrijs-pelletmachines. De ringmatrijs-pelletmachine wordt veel gebruikt vanwege kenmerken zoals geen verwarming nodig tijdens bedrijf, brede eisen aan het vochtgehalte van de grondstof (10% tot 30%), grote output per machine, hoge compressiedichtheid en een goed vormeffect. Deze pelletmachines hebben echter over het algemeen nadelen zoals snelle slijtage van de matrijs, een korte levensduur, hoge onderhoudskosten en lastige vervanging. Om deze tekortkomingen van de ringmatrijs-pelletmachine aan te pakken, heeft de auteur een geheel nieuw, verbeterd ontwerp voor de matrijsstructuur ontwikkeld en een set-type matrijs ontworpen met een lange levensduur, lage onderhoudskosten en eenvoudig onderhoud. In dit artikel werd ondertussen een mechanische analyse uitgevoerd van de vormmatrijs tijdens het werkproces.
1. Verbeterd ontwerp van de vormmalstructuur voor ringvormige granulatoren
1.1 Inleiding tot het extrusievormingsproces:De ringmatrijs pelletmachine kan worden onderverdeeld in twee typen: verticaal en horizontaal, afhankelijk van de positie van de ringmatrijs. Afhankelijk van de bewegingsvorm zijn er twee verschillende varianten: de actieve persrol met een vaste ringmatrijs en de actieve persrol met een aangedreven ringmatrijs. Dit verbeterde ontwerp is met name gericht op de ringmatrijs pelletmachine met een actieve persrol en een vaste ringmatrijs als bewegingsvorm. De machine bestaat hoofdzakelijk uit twee delen: een transportmechanisme en een ringmatrijs pelletmechanisme. De ringmatrijs en de persrol zijn de twee kerncomponenten van de ringmatrijs pelletmachine. De ringmatrijs is voorzien van meerdere vormgaten en de persrol is in de ringmatrijs gemonteerd. De persrol is verbonden met de aandrijfas en de ringmatrijs is op een vaste beugel gemonteerd. Wanneer de as draait, drijft deze de persrol aan. Werkingsprincipe: Ten eerste transporteert het transportmechanisme het vermalen biomassa-materiaal tot een bepaalde deeltjesgrootte (3-5 mm) naar de perskamer. Vervolgens drijft de motor de hoofdas aan, die de drukrol in beweging zet. De drukrol beweegt met een constante snelheid om het materiaal gelijkmatig te verdelen tussen de drukrol en de ringvorm. Hierdoor wordt de ringvorm samengedrukt en wrijft het materiaal ertegenaan, evenals de drukrol en het materiaal onderling. Tijdens dit proces van samendrukken en wrijven binden de cellulose en hemicellulose in het materiaal zich aan elkaar. Tegelijkertijd verzacht de warmte die door de wrijving ontstaat de lignine tot een natuurlijk bindmiddel, waardoor cellulose, hemicellulose en andere componenten steviger aan elkaar worden gebonden. Door de continue vulling met biomassa neemt de hoeveelheid materiaal die aan samendrukking en wrijving in de vormgaten van de mal wordt blootgesteld voortdurend toe. Tegelijkertijd neemt de samendruk tussen de biomassa en het materiaal toe, waardoor het materiaal in de vormgaten continu verdicht en vorm krijgt. Wanneer de extrusiedruk groter is dan de wrijvingskracht, wordt de biomassa continu uit de vormgaten rond de ringvorm geëxtrudeerd, waardoor biomassa-vormbrandstof ontstaat met een vormdichtheid van ongeveer 1 g/cm³.
1.2 Slijtage van vormmatrijzen:De pelletmachine heeft een hoge output per machine, een relatief hoge mate van automatisering en een groot aanpassingsvermogen aan verschillende grondstoffen. De machine is breed inzetbaar voor de verwerking van diverse biomassa-grondstoffen, is geschikt voor grootschalige productie van biomassa-verdichte brandstoffen en voldoet aan de ontwikkelingsbehoeften van de industrialisatie van biomassa-verdichte brandstoffen in de toekomst. Daarom wordt de ringmatrijs-pelletmachine veel gebruikt. Door de mogelijke aanwezigheid van kleine hoeveelheden zand en andere niet-biomassa-verontreinigingen in het verwerkte biomassa-materiaal, is de kans groot dat de ringmatrijs van de pelletmachine aanzienlijk slijt. De levensduur van de ringmatrijs wordt berekend op basis van de productiecapaciteit. Momenteel bedraagt de levensduur van de ringmatrijs in China slechts 100-1000 ton.
Het falen van de ringmatrijs treedt hoofdzakelijk op door de volgende vier verschijnselen: ① Na verloop van tijd slijt de binnenwand van de matrijsopening en neemt de opening toe, wat resulteert in aanzienlijke vervorming van de geproduceerde brandstof; ② De toevoerhelling van de matrijsopening slijt af, waardoor de hoeveelheid biomassa die in de matrijsopening wordt geperst afneemt, de extrusiedruk daalt en de matrijsopening gemakkelijk verstopt raakt, wat leidt tot het falen van de ringmatrijs (Figuur 2); ③ Na verloop van tijd neemt de hoeveelheid uitgestoten materiaal aan de binnenwand sterk af (Figuur 3).
④ Na slijtage van het binnengat van de ringvorm wordt de wanddikte tussen aangrenzende vormdelen L dunner, wat resulteert in een afname van de structurele sterkte van de ringvorm. Scheuren ontstaan gemakkelijk in het meest kwetsbare gedeelte en naarmate de scheuren zich verder uitbreiden, treedt ringvormbreuk op. De belangrijkste reden voor de snelle slijtage en korte levensduur van de ringvorm is de onredelijke constructie van de ringvorm (de ringvorm is geïntegreerd met de vormgaten). Deze geïntegreerde constructie is vatbaar voor dergelijke problemen: soms moet, wanneer slechts enkele vormgaten van de ringvorm versleten zijn en niet meer functioneren, de gehele ringvorm worden vervangen. Dit brengt niet alleen ongemak met zich mee, maar leidt ook tot aanzienlijke economische verspilling en hogere onderhoudskosten.
1.3 Structureel verbeterd ontwerp van de vormmalOm de levensduur van de ringmatrijs van de pelletmachine te verlengen, slijtage te verminderen, vervanging te vergemakkelijken en onderhoudskosten te verlagen, is een volledig nieuw ontwerp voor de structuur van de ringmatrijs noodzakelijk. Bij het ontwerp is gebruikgemaakt van een ingebouwde matrijs, en de verbeterde compressiekamerstructuur is weergegeven in figuur 4. Figuur 5 toont de dwarsdoorsnede van de verbeterde matrijs.
Dit verbeterde ontwerp is voornamelijk gericht op de ringvormmachine met een actieve drukrol en een vaste ringvorm. De onderste ringvorm is vastgemaakt aan de behuizing en de twee drukrollen zijn via een verbindingsplaat met de hoofdas verbonden. De vormvorm is ingebed in de onderste ringvorm (met behulp van een perspassing) en de bovenste ringvorm is met bouten aan de onderste ringvorm bevestigd en vastgeklemd. Om te voorkomen dat de vormvorm terugveert door de kracht die ontstaat wanneer de drukrol over de ringvorm rolt en deze radiaal beweegt, worden verzonken schroeven gebruikt om de vormvorm respectievelijk aan de bovenste en onderste ringvorm te bevestigen. Dit vermindert de weerstand van het materiaal bij het inbrengen in de opening en vergemakkelijkt het inbrengen in de vormopening. De conische hoek van de invoeropening van de ontworpen vormvorm bedraagt 60° tot 120°.
Het verbeterde structurele ontwerp van de vormmatrijs kenmerkt zich door een lange levensduur en meerdere gebruikscycli. Na verloop van tijd zorgt wrijvingsverlies ervoor dat de openingen in de vormmatrijs groter worden en passiveren. Wanneer de versleten vormmatrijs wordt verwijderd en vergroot, kan deze worden gebruikt voor de productie van vormdeeltjes met andere specificaties. Dit maakt hergebruik van matrijzen mogelijk en bespaart op onderhouds- en vervangingskosten.
Om de levensduur van de granulator te verlengen en de productiekosten te verlagen, wordt voor de drukrol gebruikgemaakt van hoogwaardig koolstof- en mangaanstaal met een goede slijtvastheid, zoals 65Mn. De vormmatrijs moet gemaakt zijn van gehard gelegeerd staal of een koolstofarme nikkel-chroomlegering, bijvoorbeeld met Cr, Mn, Ti, enz. Door de verbetering van de compressiekamer is de wrijvingskracht die de boven- en onderringmatrijzen tijdens bedrijf ondervinden relatief klein in vergelijking met de vormmatrijs. Daarom kan gewoon koolstofstaal, zoals 45-staal, als materiaal voor de compressiekamer worden gebruikt. In vergelijking met traditionele geïntegreerde vormringmatrijzen kan het gebruik van duur gelegeerd staal worden verminderd, waardoor de productiekosten dalen.
2. Mechanische analyse van de vormmatrijs van de ringvormige pelletmachine tijdens het werkproces van de vormmatrijs.
Tijdens het vormproces wordt de lignine in het materiaal volledig verzacht door de hoge druk en temperatuur die in de vormmal ontstaan. Wanneer de extrusiedruk niet verder toeneemt, ondergaat het materiaal plastificatie. Na plastificatie vloeit het materiaal goed, waardoor de lengte op d kan worden ingesteld. De vormmal wordt beschouwd als een drukvat, waardoor de belasting op de vormmal wordt vereenvoudigd.
Uit de bovenstaande mechanische berekeningsanalyse kan worden geconcludeerd dat om de druk op een willekeurig punt in de vormmatrijs te bepalen, het noodzakelijk is om de omtreksrek op dat punt in de vormmatrijs vast te stellen. Vervolgens kunnen de wrijvingskracht en de druk op die locatie worden berekend.
3. Conclusie
Dit artikel presenteert een nieuw structureel verbeteringsontwerp voor de vormmatrijs van de ringmatrijs-pelletiseermachine. Het gebruik van ingebouwde vormmatrijzen kan de slijtage van de matrijs effectief verminderen, de levensduur van de matrijs verlengen, vervanging en onderhoud vereenvoudigen en de productiekosten verlagen. Tegelijkertijd werd een mechanische analyse van de vormmatrijs tijdens het werkproces uitgevoerd, wat een theoretische basis biedt voor toekomstig onderzoek.
Geplaatst op: 22 februari 2024