Da Biomasse im Vergleich zu mineralischer Energie weniger Schadstoffe wie Asche, Stickstoff und Schwefel enthält, verfügt sie über große Reserven, eine gute Kohlenstoffaktivität, ist leicht entzündbar und enthält viele flüchtige Bestandteile. Daher ist Biomasse ein idealer Energieträger und eignet sich hervorragend für die Verbrennung und Nutzung. Die nach der Verbrennung von Biomasse verbleibende Asche ist reich an pflanzenwichtigen Nährstoffen wie Phosphor, Kalzium, Kalium und Magnesium und kann daher als Dünger für die Wiederausbringung auf Felder verwendet werden. Angesichts der enormen Ressourcenreserven und der einzigartigen Vorteile der Erneuerbarkeit von Biomasseenergie gilt sie derzeit weltweit als wichtige Option für die nationale Entwicklung neuer Energien. Die Nationale Entwicklungs- und Reformkommission Chinas hat im „Umsetzungsplan zur umfassenden Nutzung von Erntestroh im 12. Fünfjahresplan“ klar festgelegt, dass die umfassende Strohnutzungsrate bis 2013 75 % erreichen und bis 2015 über 80 % liegen soll.
Die Umwandlung von Biomasseenergie in hochwertige, saubere und kostengünstige Energie ist zu einem dringenden Problem geworden. Die Biomasseverdichtungstechnologie ist eine effektive Methode, um die Effizienz der Biomasseverbrennung zu steigern und den Transport zu erleichtern. Derzeit gibt es auf dem In- und Ausland vier gängige Arten von Verdichtungsmaschinen: Spiralextrusions-Pelletmaschinen, Kolbenstanzmaschinen, Flachform-Pelletmaschinen und Ringform-Pelletmaschinen. Ringform-Pelletmaschinen sind aufgrund ihrer Eigenschaften wie der fehlenden Heizleistung, der hohen Anforderungen an den Feuchtigkeitsgehalt der Rohstoffe (10 % bis 30 %), der hohen Einzelleistung, der hohen Kompressionsdichte und der guten Formgebung weit verbreitet. Diese Arten von Pelletmaschinen haben jedoch in der Regel Nachteile wie schnellen Formverschleiß, kurze Lebensdauer, hohe Wartungskosten und umständlichen Austausch. Um diese Nachteile der Ringform-Pelletmaschinen zu beheben, hat der Autor die Struktur der Formgebungsform grundlegend verbessert und eine Set-Formgebungsform mit langer Lebensdauer, geringen Wartungskosten und einfacher Wartung entwickelt. In diesem Artikel wurde eine mechanische Analyse der Form während des Arbeitsprozesses durchgeführt.
1. Verbesserung des Designs der Formstruktur für Ringformgranulatoren
1.1 Einführung in den Extrusionsformprozess:Ringmatrizen-Pelletmaschinen lassen sich je nach Position der Ringmatrize in zwei Typen unterteilen: vertikal und horizontal. Je nach Bewegungsart unterscheidet man zwischen einer aktiven Presswalze mit fester Ringform und einer aktiven Presswalze mit angetriebener Ringform. Diese verbesserte Konstruktion zielt vor allem auf Ringform-Pelletmaschinen mit aktiver Presswalze und fester Ringform als Bewegungsform ab. Sie bestehen im Wesentlichen aus zwei Teilen: einem Fördermechanismus und einem Ringform-Pelletmechanismus. Ringform und Presswalze sind die beiden Kernkomponenten der Ringform-Pelletmaschine. Sie weist zahlreiche um die Ringform verteilte Formöffnungen auf, wobei die Presswalze in der Ringform eingebaut ist. Die Presswalze ist mit der Antriebsspindel verbunden, die Ringform auf einer festen Halterung montiert. Dreht sich die Spindel, treibt sie auch die Presswalze an. Funktionsprinzip: Zunächst befördert der Fördermechanismus das zerkleinerte Biomassematerial in eine bestimmte Partikelgröße (3–5 mm) in die Kompressionskammer. Anschließend treibt der Motor die Hauptwelle an, um die Druckwalze zu drehen. Die Druckwalze bewegt sich mit konstanter Geschwindigkeit, um das Material gleichmäßig zwischen Druckwalze und Ringform zu verteilen. Dadurch wird die Ringform komprimiert und reibt mit dem Material, die Druckwalze mit dem Material und das Material mit dem Material. Durch die Reibung verbinden sich Zellulose und Hemizellulose im Material. Gleichzeitig erweicht die durch die Reibung erzeugte Wärme Lignin zu einem natürlichen Bindemittel, wodurch Zellulose, Hemizellulose und andere Komponenten fester miteinander verbunden werden. Mit dem kontinuierlichen Einfüllen von Biomassematerialien steigt die Menge des Materials, das in den Löchern der Form komprimiert und gerieben wird, weiter an. Gleichzeitig nimmt die Quetschkraft zwischen der Biomasse weiter zu und diese verdichtet und formt sich in den Formlöchern kontinuierlich. Wenn der Extrusionsdruck größer ist als die Reibungskraft, wird die Biomasse kontinuierlich aus den Formlöchern um die Ringform extrudiert und bildet Biomasse-Formbrennstoff mit einer Formdichte von etwa 1 g/cm³.
1.2 Verschleiß der Formwerkzeuge:Die Pelletiermaschine hat eine hohe Einzelmaschinenleistung, einen relativ hohen Automatisierungsgrad und ist gut an verschiedene Rohstoffe anpassbar. Sie kann vielseitig zur Verarbeitung verschiedener Biomasse-Rohstoffe eingesetzt werden, eignet sich für die Massenproduktion von Biomasse-Brennstoffen und erfüllt die zukünftigen Entwicklungsanforderungen für die Industrialisierung von Biomasse-Brennstoffen. Ringform-Pelletmaschinen werden daher häufig eingesetzt. Da das verarbeitete Biomassematerial geringe Mengen Sand und andere Verunreinigungen enthalten kann, die nicht aus Biomasse stammen, kommt es wahrscheinlich zu erheblichem Verschleiß der Ringform der Pelletiermaschine. Die Lebensdauer der Ringform wird anhand der Produktionskapazität berechnet. Derzeit beträgt die Lebensdauer von Ringformen in China nur 100–1.000 Tonnen.
Das Versagen der Ringform tritt hauptsächlich in den folgenden vier Phänomenen auf: 1. Nachdem die Ringform eine Zeit lang gearbeitet hat, verschleißt die Innenwand des Formlochs und die Öffnung vergrößert sich, was zu einer erheblichen Verformung des erzeugten geformten Brennstoffs führt. 2. Die Zuführneigung des Formlochs der Ringform ist abgenutzt, was zu einer Verringerung der Menge an Biomassematerial führt, die in das Loch gepresst wird, zu einer Verringerung des Extrusionsdrucks und zu einer leichten Verstopfung des Formlochs, was zum Versagen der Ringform führt (Abbildung 2). 3. Nachdem das Innenwandmaterial abgenutzt ist, nimmt die Ausstoßmenge stark ab (Abbildung 3).
④ Durch den Verschleiß der inneren Öffnung der Ringform verringert sich die Wandstärke zwischen den benachbarten Formteilen L, was zu einer Verringerung der strukturellen Festigkeit der Ringform führt. Im gefährlichsten Bereich treten häufig Risse auf, und wenn sich die Risse weiter ausbreiten, kommt es zum Bruch der Ringform. Der Hauptgrund für den schnellen Verschleiß und die kurze Lebensdauer der Ringform ist die ungünstige Struktur der Formringform (die Ringform ist in die Formformöffnungen integriert). Die integrierte Struktur der beiden führt zu folgenden Folgen: Manchmal muss die gesamte Ringform ausgetauscht werden, wenn nur einige Formformöffnungen der Ringform abgenutzt sind und nicht mehr funktionieren. Dies ist nicht nur umständlich, sondern verursacht auch großen wirtschaftlichen Aufwand und erhöhte Wartungskosten.
1.3 Strukturelles Verbesserungsdesign der FormgebungsformUm die Lebensdauer der Ringform der Pelletmaschine zu verlängern, den Verschleiß zu verringern, den Austausch zu erleichtern und die Wartungskosten zu senken, ist eine völlig neue, verbesserte Konstruktion der Ringform erforderlich. Bei der Konstruktion wurde eine eingebettete Form verwendet. Die verbesserte Struktur der Kompressionskammer ist in Abbildung 4 dargestellt. Abbildung 5 zeigt den Querschnitt der verbesserten Form.
Dieses verbesserte Design ist hauptsächlich für Ringform-Partikelmaschinen mit einer Bewegungsform aus aktiver Druckrolle und feststehender Ringform vorgesehen. Die untere Ringform ist am Körper befestigt und die beiden Druckrollen sind über eine Verbindungsplatte mit der Hauptwelle verbunden. Die Formform ist (mittels Presspassung) in die untere Ringform eingebettet und die obere Ringform ist mit Bolzen an der unteren Ringform befestigt und auf der Formform festgeklemmt. Um zu verhindern, dass die Formform nach dem Überrollen der Druckrolle aufgrund der Kraft zurückprallt und sich radial entlang der Ringform bewegt, wird die Formform mit Senkschrauben an der oberen bzw. unteren Ringform befestigt. Um den Widerstand des in die Öffnung eindringenden Materials zu verringern und das Einführen in die Formöffnung zu erleichtern, ist die Formform mit einem Kegelwinkel von 60° bis 120° ausgestattet.
Das verbesserte Strukturdesign der Formgebung zeichnet sich durch Mehrzyklentauglichkeit und lange Lebensdauer aus. Bei längerem Betrieb der Partikelmaschine führt Reibungsverlust dazu, dass sich die Öffnung der Formgebung vergrößert und passiviert. Nach dem Ausbau und der Erweiterung der verschlissenen Formgebung kann diese für die Herstellung von Formpartikeln anderer Spezifikationen verwendet werden. Dies ermöglicht die Wiederverwendung von Formen und spart Wartungs- und Austauschkosten.
Um die Lebensdauer des Granulators zu verlängern und die Produktionskosten zu senken, wird für die Druckwalze verschleißfester, kohlenstoffreicher Manganstahl, beispielsweise 65Mn, verwendet. Die Formgebungsform sollte aus legiertem, aufgekohltem Stahl oder einer kohlenstoffarmen Nickel-Chrom-Legierung, beispielsweise mit Cr, Mn, Ti usw., bestehen. Durch die Verbesserung der Kompressionskammer ist die Reibungskraft, die während des Betriebs auf die obere und untere Ringform wirkt, im Vergleich zur Formgebungsform relativ gering. Daher kann gewöhnlicher Kohlenstoffstahl, beispielsweise 45er-Stahl, als Material für die Kompressionskammer verwendet werden. Im Vergleich zu herkömmlichen integrierten Formgebungsringformen kann so der Einsatz von teurem legiertem Stahl reduziert und so die Produktionskosten gesenkt werden.
2. Mechanische Analyse der Formform der Ringform-Pelletmaschine während des Arbeitsprozesses der Formform.
Während des Formprozesses wird das Lignin im Material aufgrund des hohen Drucks und der hohen Temperatur in der Form vollständig erweicht. Steigt der Extrusionsdruck nicht an, plastifiziert das Material. Nach der Plastifizierung fließt das Material gut, sodass die Länge auf d eingestellt werden kann. Die Form wird als Druckbehälter betrachtet, wodurch die Belastung der Form reduziert wird.
Aus der obigen mechanischen Berechnungsanalyse lässt sich schlussfolgern, dass zur Ermittlung des Drucks an einem beliebigen Punkt innerhalb der Form die Umfangsspannung an diesem Punkt innerhalb der Form ermittelt werden muss. Anschließend können die Reibungskraft und der Druck an dieser Stelle berechnet werden.
3. Fazit
Dieser Artikel schlägt ein neues Design zur strukturellen Verbesserung der Formgebungsform des Ringformgranulators vor. Der Einsatz eingebetteter Formgebungsformen kann den Formverschleiß effektiv reduzieren, die Lebensdauer der Form verlängern, Austausch und Wartung erleichtern und die Produktionskosten senken. Gleichzeitig wurde während des Arbeitsprozesses eine mechanische Analyse der Formgebungsform durchgeführt, die eine theoretische Grundlage für zukünftige Forschungen bildet.
Veröffentlichungszeit: 22. Februar 2024