引言

生物質(zhì)能的開(kāi)發(fā)利用,對(duì)我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)起到了非常大的作用,特別是對(duì)于農(nóng)村地區(qū)來(lái)說(shuō),因?yàn)樯镔|(zhì)能的利用基本都是通過(guò)使用生物質(zhì)燃料提供能量,而生物質(zhì)燃料一般主要是農(nóng)林廢棄物,如秸桿、鋸末、甘蔗渣等。對(duì)于我國(guó)這樣的農(nóng)業(yè)大國(guó)來(lái)說(shuō),高效利用生物質(zhì)能的意義十分深遠(yuǎn),特別體現(xiàn)在帶動(dòng)農(nóng)村發(fā)展上面,能減小我國(guó)的貧富差距。然而直接燃燒農(nóng)林廢棄物是不可取的,由于原料成分含水率過(guò)高,利用率很低,且成本較高,所以需要對(duì)其進(jìn)行加工處理才能投入市場(chǎng)使用。

生物質(zhì)燃料致密成型技術(shù)研究始于20世紀(jì)初,目前世界上對(duì)其已有幾十年的研究歷史,具備了相應(yīng)的理論技術(shù)和實(shí)踐操作的基礎(chǔ)。目前市場(chǎng)上針對(duì)生物質(zhì)燃料顆粒的成型機(jī)構(gòu)有很多種,不過(guò)由于這些加工設(shè)備存在成本較高、體積較大、不利于轉(zhuǎn)移等問(wèn)題,大多應(yīng)用于規(guī)模相對(duì)較大、大批量處理的企業(yè),并不符合家庭規(guī)模加工的要求。最重要的是成型后的燃料燃燒不夠徹底,這主要是因?yàn)槌尚瓦^(guò)程使生物質(zhì)燃料顆粒內(nèi)部緊密堅(jiān)固,導(dǎo)致無(wú)法燃燒到內(nèi)部,利用率不夠高,不易燒盡。

針對(duì)上述問(wèn)題,本文對(duì)生物質(zhì)燃料粉碎顆粒成型機(jī)的成型機(jī)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn),使最終顆粒形成空心圓柱,方便燃燒充分,提高利用率,減少剩余殘?jiān)?

1成型系統(tǒng)工作原理

本文設(shè)計(jì)的擠壓成型機(jī)構(gòu)中,通過(guò)壓銀與成型碾盤(pán)的相對(duì)運(yùn)動(dòng),使原本松散雜亂的粉碎顆粒在摩擦力的作用下,逐漸被擠壓成密度較大、形狀規(guī)則的條狀生物質(zhì)燃料,由于在壓?？字泄潭ㄐ⌒吐葜?使燃料顆粒在成型過(guò)程中形成中空狀態(tài),得到顆粒呈空心的圓柱體,最后在成型碾盤(pán)下方的小口處被擠壓入下方的出料室中。在出料室內(nèi)達(dá)到一定長(zhǎng)度后,通過(guò)刮料片的自動(dòng)作用,對(duì)加工處理完成后的條狀生物質(zhì)燃料進(jìn)行切削,最終成為規(guī)格統(tǒng)一的每段長(zhǎng)4~6mm的生物質(zhì)燃料顆粒。圖1為生物質(zhì)燃料顆粒圖。

下面對(duì)壓銀擠壓物料進(jìn)行力學(xué)模型分析。

壓銀壓力P和平模內(nèi)表面反作用力R作用于原料,攫取物料需滿(mǎn)足以下條件:

式中,f1為平模板與物料間的摩擦系數(shù):f為壓銀與物料間的摩擦系數(shù):7為壓桿所受轉(zhuǎn)矩,N·m。

其中

整理后可得物料攫取條件為:

根據(jù)已知物料在模孔內(nèi)的軸向壓應(yīng)力和沿孔徑方向物料無(wú)變形兩個(gè)條件,由廣義胡克定律可得出物料的徑向壓應(yīng)力:

式中,P(x)為物料徑向壓應(yīng)力:μ為物料的泊松比。

?？自诔惺軓较驂簯?yīng)力時(shí)也受切向摩擦力F作用,摩擦力由徑向壓力產(chǎn)生。受力分析建立平衡方程:

式中,g(x)為?？浊邢蚰Σ亮?r為膜孔半徑,m。

經(jīng)積分后可得:

式中,r(o)為?？變?nèi)壁對(duì)物料的軸向壓應(yīng)力:P(o)為模孔內(nèi)壁對(duì)物料的徑向壓應(yīng)力。

從上式可知,由于物料種類(lèi)不同,其摩擦系數(shù)也不同,因此攫取角α也不同。生物質(zhì)物料的摩擦系數(shù)一般為0.1~0.7。若

f=f1,則攫取角區(qū)域α在22.6o~70o。物料受的軸向壓應(yīng)力、模孔徑向壓應(yīng)力以及?？浊邢蚰Σ亮Χ茧S模孔長(zhǎng)度呈指數(shù)變化,在?？變?nèi)表面處達(dá)到最大值,然后隨模孔長(zhǎng)度的增加逐漸減小。

2改進(jìn)后的成型機(jī)構(gòu)工作原理

圖2為生物質(zhì)燃料顆粒粉碎成型機(jī)的成型機(jī)構(gòu)明細(xì)圖。

成型系統(tǒng)采用的方法是銀模碾壓式成型,基本的工作部件由壓銀和壓模兩部分組成,其中壓銀繞銀軸轉(zhuǎn)動(dòng),并且在壓銀的外周加工有槽,用于壓緊原料而不致打滑。經(jīng)過(guò)粉碎后的原料通過(guò)輸送機(jī)構(gòu)被輸送到成型系統(tǒng),在成型機(jī)構(gòu)工作的過(guò)程中,四個(gè)壓銀同時(shí)進(jìn)行工作,提高效率。在擠壓成型的過(guò)程中,生物質(zhì)中含有的木質(zhì)素、糖分、蛋白質(zhì)和淀粉受熱變形,最后生物質(zhì)物料被擠壓成具有一定強(qiáng)度和密度的燃料顆粒。壓銀與成型碾盤(pán)的旋轉(zhuǎn)速度在擠壓成型過(guò)程中起到至關(guān)重要的作用,因此需要使其轉(zhuǎn)動(dòng)速度維持在合適的范圍內(nèi),確保最終擠壓成型出來(lái)的顆粒符合要求。

同時(shí),我們?cè)趥鹘y(tǒng)的直孔型成型孔基礎(chǔ)上,在壓模孔中固定了T字架,并利用螺栓固定。這樣使得物料在經(jīng)過(guò)擠壓成型機(jī)構(gòu)后,形成的最終的圓柱狀生物質(zhì)燃料顆粒呈中空形式。由該成型孔加工出的生物質(zhì)燃料顆粒與空氣的接觸面積增大了,雖然總體積減小,但利用率被提升了,含水量也更低,更加容易被點(diǎn)燃并燃盡,更深一層地促進(jìn)了對(duì)生物質(zhì)資源的利用,提高了生物質(zhì)能利用率,擁有巨大的生產(chǎn)空間價(jià)值,實(shí)現(xiàn)高效低耗。中空生物質(zhì)燃料顆粒具有目前市場(chǎng)上其他生物質(zhì)燃料顆粒所沒(méi)有的特點(diǎn)。該成型機(jī)構(gòu)的改進(jìn)設(shè)計(jì)使得加工成型碾盤(pán)的加工工藝變得相對(duì)簡(jiǎn)單,工作時(shí)的能耗也相對(duì)降低了。

3結(jié)語(yǔ)

擠壓成型作為生物質(zhì)燃料顆粒成型工藝過(guò)程中的最后一步工序,在很大程度上決定了最后所加工出的生物質(zhì)燃料顆粒是否滿(mǎn)足要求,在整機(jī)設(shè)備中占據(jù)著極為重要的地位。本文的設(shè)計(jì)是將目前市場(chǎng)上應(yīng)用最廣泛的成型機(jī)構(gòu),即平模成型機(jī)與環(huán)模成型機(jī)有效結(jié)合起來(lái),使得生物質(zhì)燃料顆粒的加工率得到較大程度的提高,最后所得的生物質(zhì)燃料顆粒質(zhì)量也