Aufgrund des geringeren Gehalts an Schadstoffen wie Asche, Stickstoff und Schwefel in Biomasse im Vergleich zu mineralischen Energieträgern zeichnet sie sich durch große Reserven, eine hohe Kohlenstoffbindungskapazität, leichte Entzündbarkeit und einen hohen Anteil flüchtiger Bestandteile aus. Daher ist Biomasse ein idealer Energieträger und eignet sich hervorragend für die Verbrennung und Verwertung. Die nach der Biomasseverbrennung verbleibende Restasche ist reich an Nährstoffen, die Pflanzen benötigen, wie Phosphor, Kalzium, Kalium und Magnesium, und kann daher als Dünger auf den Feldern eingesetzt werden. Angesichts der enormen Ressourcenreserven und der einzigartigen Vorteile erneuerbarer Energien gilt Biomasse weltweit als wichtige Option für die nationale Entwicklung neuer Energien. Die Nationale Entwicklungs- und Reformkommission Chinas hat im „Umsetzungsplan zur umfassenden Nutzung von Ernterückständen im Rahmen des 12. Fünfjahresplans“ klar festgelegt, dass die Strohverwertungsrate bis 2013 75 % erreichen und bis 2015 auf über 80 % steigen soll.
Die Umwandlung von Biomasseenergie in hochwertige, saubere und leicht zugängliche Energie ist zu einem dringenden Problem geworden. Die Biomasseverdichtung ist ein effektiver Weg, die Effizienz der Biomasseverbrennung zu verbessern und den Transport zu erleichtern. Derzeit sind auf dem In- und Auslandsmarkt vier gängige Verdichtungsanlagen im Einsatz: Spiralextrusions-, Kolbenstempel-, Flachform- und Ringformpressen. Ringformpressen sind aufgrund ihrer Eigenschaften wie dem Verzicht auf Heizung im Betrieb, der großen Anforderungen an den Rohmaterialfeuchtegehalt (10 % bis 30 %), der hohen Einzelmaschinenleistung, der hohen Verdichtungsdichte und der guten Formgebung weit verbreitet. Allerdings weisen diese Pressen im Allgemeinen Nachteile wie hohen Werkzeugverschleiß, kurze Lebensdauer, hohe Wartungskosten und einen umständlichen Austausch auf. Um diese Nachteile der Ringformpresse zu beheben, hat der Autor die Struktur der Formwerkzeugkonstruktion grundlegend verbessert und ein Set-Formwerkzeug mit langer Lebensdauer, geringen Wartungskosten und einfacher Wartung entwickelt. In diesem Artikel wurde unterdessen eine mechanische Analyse der Formgebungsform während des Arbeitsprozesses durchgeführt.
1. Verbesserung der Konstruktion der Formwerkzeugstruktur für Ringformgranulatoren
1.1 Einführung in das Extrusionsformverfahren:Die Ringmatrizen-Pelletiermaschine lässt sich je nach Position der Ringmatrize in zwei Typen unterteilen: vertikale und horizontale Ausführungen. Hinsichtlich der Bewegungsart unterscheidet man zwischen zwei Varianten: aktiver Presswalze mit feststehender Ringmatrize und aktiver Presswalze mit angetriebener Ringmatrize. Diese verbesserte Konstruktion ist speziell für Ringmatrizen-Pelletiermaschinen mit aktiver Presswalze und feststehender Ringmatrize konzipiert. Sie besteht im Wesentlichen aus zwei Komponenten: einem Fördermechanismus und dem Ringmatrizen-Pelletiermechanismus. Ringmatrize und Presswalze sind die beiden Kernkomponenten der Ringmatrizen-Pelletiermaschine. Die Ringmatrize ist mit zahlreichen Formöffnungen versehen, und die Presswalze ist im Inneren der Matrize montiert. Die Presswalze ist mit der Antriebsspindel verbunden, und die Ringmatrize ist auf einer festen Halterung befestigt. Die Rotation der Spindel treibt die Presswalze an. Funktionsprinzip: Zunächst transportiert der Fördermechanismus das zerkleinerte Biomassematerial mit einer bestimmten Partikelgröße (3–5 mm) in die Presskammer. Der Motor treibt die Hauptwelle an, die wiederum die Druckwalze in Rotation versetzt. Diese bewegt sich mit konstanter Geschwindigkeit und verteilt das Material gleichmäßig zwischen Druckwalze und Formring. Dadurch wird der Formring komprimiert und reibt an dem Material, ebenso wie die Druckwalze und das Material selbst. Während dieses Kompressionsvorgangs verbinden sich Cellulose und Hemicellulose im Material miteinander. Gleichzeitig erweicht die durch die Kompression entstehende Wärme das Lignin zu einem natürlichen Bindemittel, wodurch Cellulose, Hemicellulose und andere Bestandteile fester miteinander verbunden werden. Mit der kontinuierlichen Befüllung der Form mit Biomassematerialien erhöht sich die Menge des komprimierten und reibenden Materials in den Formhohlräumen stetig. Gleichzeitig steigt die Presskraft zwischen den Biomassepartikeln kontinuierlich an, wodurch sich das Material in den Formhohlräumen immer weiter verdichtet und formt. Wenn der Extrusionsdruck größer ist als die Reibungskraft, wird die Biomasse kontinuierlich aus den Formlöchern um die Ringform herum extrudiert, wodurch ein Biomasse-Formbrennstoff mit einer Formdichte von etwa 1 g/Cm3 entsteht.
1.2 Verschleiß der Formwerkzeuge:Die Pelletierpresse zeichnet sich durch eine hohe Einzelleistung, einen relativ hohen Automatisierungsgrad und eine gute Anpassungsfähigkeit an verschiedene Rohstoffe aus. Sie eignet sich für die Verarbeitung diverser Biomasse-Rohstoffe, insbesondere für die großtechnische Herstellung von Biomasse-Dichtbrennstoffen, und erfüllt die zukünftigen Anforderungen der Industrialisierung dieser Brennstoffe. Daher findet die Ringform-Pelletierpresse breite Anwendung. Da das verarbeitete Biomassematerial geringe Mengen Sand und andere Verunreinigungen enthalten kann, ist mit erheblichem Verschleiß der Ringform zu rechnen. Die Lebensdauer der Ringform richtet sich nach der Produktionskapazität. Aktuell liegt die Lebensdauer der Ringform in China bei lediglich 100–1000 Tonnen.
Das Versagen der Ringform tritt hauptsächlich in den folgenden vier Phänomenen auf: ① Nach einer gewissen Betriebszeit der Ringform verschleißt die Innenwand der Formöffnung und die Öffnung vergrößert sich, was zu einer erheblichen Verformung des erzeugten Brennstoffs führt; ② Die Zuführungsneigung der Formöffnung der Ringform verschleißt, was zu einer Verringerung der in die Öffnung gepressten Biomassemenge, einem Rückgang des Extrusionsdrucks und einer Verstopfung der Formöffnung führt, was zum Versagen der Ringform führt (Abbildung 2); ③ Nach dem Verschleiß der Innenwandmaterialien nimmt die Austragsmenge stark ab (Abbildung 3);
④ Nach dem Verschleiß der inneren Bohrung der Ringform verringert sich die Wandstärke zwischen benachbarten Formteilen L, was zu einer Abnahme der Festigkeit der Ringform führt. An der kritischsten Stelle treten leicht Risse auf, die sich mit der Zeit ausbreiten und schließlich zum Bruch der Ringform führen können. Hauptgrund für den schnellen Verschleiß und die kurze Lebensdauer der Ringform ist ihre unzweckmäßige Konstruktion (die Ringform ist mit den Formbohrungen integriert). Diese integrierte Struktur begünstigt folgende Folgen: Sind nur wenige Formbohrungen der Ringform verschlissen und funktionsunfähig, muss mitunter die gesamte Ringform ausgetauscht werden. Dies ist nicht nur aufwendig, sondern verursacht auch erhebliche wirtschaftliche Verluste und erhöht die Wartungskosten.
1.3 Strukturelle Verbesserung der FormgebungUm die Lebensdauer der Ringform der Pelletpresse zu verlängern, den Verschleiß zu reduzieren, den Austausch zu vereinfachen und die Wartungskosten zu senken, ist eine grundlegende Verbesserung der Ringformkonstruktion erforderlich. Im Rahmen dieser Entwicklung wurde eine eingebettete Form verwendet. Die verbesserte Kompressionskammerstruktur ist in Abbildung 4 dargestellt. Abbildung 5 zeigt den Querschnitt der verbesserten Form.
Diese verbesserte Konstruktion ist primär für Ringform-Partikelmaschinen mit aktiver Druckwalze und feststehender Ringform vorgesehen. Die untere Ringform ist am Gehäuse befestigt, die beiden Druckwalzen sind über eine Verbindungsplatte mit der Hauptwelle verbunden. Die Form wird mittels Presspassung in die untere Ringform eingesetzt, die obere Ringform wird mittels Schrauben an der unteren Ringform befestigt und zusätzlich geklemmt. Um ein Zurückfedern der Form durch die Krafteinwirkung nach dem Überrollen der Druckwalze und deren radialer Bewegung entlang der Ringform zu verhindern, wird die Formform jeweils mit Senkkopfschrauben an der oberen und unteren Ringform fixiert. Der Einfüllwiderstand des Materials in die Formöffnung wird reduziert und die Materialzufuhr erleichtert. Der Kegelwinkel der Einfüllöffnung der Form beträgt 60° bis 120°.
Die verbesserte Konstruktion der Formwerkzeughälfte zeichnet sich durch hohe Wiederverwendbarkeit und lange Lebensdauer aus. Im Laufe der Zeit führt der Reibungsverlust in der Formwerkzeughälfte zu einer Vergrößerung und Passivierung der Öffnung. Nach dem Auspacken und Aufweiten kann die verschlissene Formwerkzeughälfte für die Herstellung von Partikeln anderer Spezifikationen wiederverwendet werden. Dadurch wird die Wiederverwendung der Formen ermöglicht und Wartungs- und Ersatzkosten werden eingespart.
Um die Lebensdauer des Granulators zu verlängern und die Produktionskosten zu senken, besteht die Druckwalze aus hochkohlenstoffhaltigem, manganreichem Stahl mit guter Verschleißfestigkeit, beispielsweise 65Mn. Die Form sollte aus legiertem, einsatzgehärtetem Stahl oder einer kohlenstoffarmen Nickel-Chrom-Legierung mit Elementen wie Chrom, Mangan und Titan gefertigt sein. Dank der optimierten Kompressionskammer ist die Reibungskraft, die im Betrieb auf die oberen und unteren Formringe wirkt, im Vergleich zur Form selbst relativ gering. Daher kann für die Kompressionskammer gewöhnlicher Kohlenstoffstahl, beispielsweise Stahl 45, verwendet werden. Im Vergleich zu herkömmlichen integrierten Formringformen kann so der Einsatz von teurem legiertem Stahl reduziert und die Produktionskosten gesenkt werden.
2. Mechanische Analyse der Formgebungsvorrichtung der Ringform-Pelletpresse während des Arbeitsprozesses der Formgebungsvorrichtung.
Während des Formprozesses wird das Lignin im Material durch den hohen Druck und die hohe Temperatur in der Form vollständig erweicht. Solange der Extrusionsdruck nicht weiter ansteigt, plastifiziert das Material. Nach der Plastifizierung ist das Material gut fließfähig, sodass die Länge auf d eingestellt werden kann. Die Form wird als Druckbehälter betrachtet, wodurch die Belastung der Form vereinfacht wird.
Aus der obigen mechanischen Berechnungsanalyse lässt sich schließen, dass zur Ermittlung des Drucks an einem beliebigen Punkt innerhalb der Form die Umfangsdehnung an diesem Punkt bestimmt werden muss. Anschließend können die Reibungskraft und der Druck an dieser Stelle berechnet werden.
3. Schlussfolgerung
Dieser Artikel schlägt eine neue Konstruktionsverbesserung für die Formwerkzeug eines Ringformgranulators vor. Durch den Einsatz eingebetteter Formwerkzeuge lassen sich der Werkzeugverschleiß effektiv reduzieren, die Werkzeuglebensdauer verlängern, Austausch und Wartung vereinfachen sowie die Produktionskosten senken. Gleichzeitig wurde das Formwerkzeug während des Betriebs mechanisch analysiert, wodurch eine theoretische Grundlage für zukünftige Forschungen geschaffen wurde.
Veröffentlichungsdatum: 22. Februar 2024