引言

生物質(zhì)能的開發(fā)利用,對我國經(jīng)濟建設(shè)起到了非常大的作用,特別是對于農(nóng)村地區(qū)來說,因為生物質(zhì)能的利用基本都是通過使用生物質(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。對于我國這樣的農(nóng)業(yè)大國來說,高效利用生物質(zhì)能的意義十分深遠,特別體現(xiàn)在帶動農(nóng)村發(fā)展上面,能減小我國的貧富差距。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高,利用率很低,且成本較高,所以需要對其進行加工處理才能投入市場使用。

生物質(zhì)燃料致密成型技術(shù)研究始于20世紀初,目前世界上對其已有幾十年的研究歷史,具備了相應的理論技術(shù)和實踐操作的基礎(chǔ)。目前市場上針對生物質(zhì)燃料顆粒的成型機構(gòu)有很多種,不過由于這些加工設(shè)備存在成本較高、體積較大、不利于轉(zhuǎn)移等問題,大多應用于規(guī)模相對較大、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,這主要是因為成型過程使生物質(zhì)燃料顆粒內(nèi)部緊密堅固,導致無法燃燒到內(nèi)部,利用率不夠高,不易燒盡。

針對上述問題,本文對生物質(zhì)燃料粉碎顆粒成型機的成型機構(gòu)進行了改進,使最終顆粒形成空心圓柱,方便燃燒充分,提高利用率,減少剩余殘渣。

1成型系統(tǒng)工作原理

本文設(shè)計的擠壓成型機構(gòu)中,通過壓銀與成型碾盤的相對運動,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,最后在成型碾盤下方的小口處被擠壓入下方的出料室中。在出料室內(nèi)達到一定長度后,通過刮料片的自動作用,對加工處理完成后的條狀生物質(zhì)燃料進行切削,最終成為規(guī)格統(tǒng)一的每段長4~6mm的生物質(zhì)燃料顆粒。圖1為生物質(zhì)燃料顆粒圖。

下面對壓銀擠壓物料進行力學模型分析。

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)的軸向壓應力和沿孔徑方向物料無變形兩個條件,由廣義胡克定律可得出物料的徑向壓應力:

式中,P(x)為物料徑向壓應力:μ為物料的泊松比。

模孔在承受徑向壓應力時也受切向摩擦力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)為模孔切向摩擦力:r為膜孔半徑,m。

經(jīng)積分后可得:

式中,r(o)為?？變?nèi)壁對物料的軸向壓應力:P(o)為?？變?nèi)壁對物料的徑向壓應力。

從上式可知,由于物料種類不同,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。物料受的軸向壓應力、?？讖较驂簯σ约澳？浊邢蚰Σ亮Χ茧S?？组L度呈指數(shù)變化,在?？變?nèi)表面處達到最大值,然后隨模孔長度的增加逐漸減小。

2改進后的成型機構(gòu)工作原理

圖2為生物質(zhì)燃料顆粒粉碎成型機的成型機構(gòu)明細圖。

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,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)過粉碎后的原料通過輸送機構(gòu)被輸送到成型系統(tǒng),在成型機構(gòu)工作的過程中,四個壓銀同時進行工作,提高效率。在擠壓成型的過程中,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度和密度的燃料顆粒。壓銀與成型碾盤的旋轉(zhuǎn)速度在擠壓成型過程中起到至關(guān)重要的作用,因此需要使其轉(zhuǎn)動速度維持在合適的范圍內(nèi),確保最終擠壓成型出來的顆粒符合要求。

同時,我們在傳統(tǒng)的直孔型成型孔基礎(chǔ)上,在壓?？字泄潭薚字架,并利用螺栓固定。這樣使得物料在經(jīng)過擠壓成型機構(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,更加容易被點燃并燃盡,更深一層地促進了對生物質(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)空間價值,實現(xiàn)高效低耗。中空生物質(zhì)燃料顆粒具有目前市場上其他生物質(zhì)燃料顆粒所沒有的特點。該成型機構(gòu)的改進設(shè)計使得加工成型碾盤的加工工藝變得相對簡單,工作時的能耗也相對降低了。

3結(jié)語

擠壓成型作為生物質(zhì)燃料顆粒成型工藝過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)燃料顆粒是否滿足要求,在整機設(shè)備中占據(jù)著極為重要的地位。本文的設(shè)計是將目前市場上應用最廣泛的成型機構(gòu),即平模成型機與環(huán)模成型機有效結(jié)合起來,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