中空生物質(zhì)燃料顆粒擠壓成型機構(gòu)研究

摘

要：生物質(zhì)能是一種環(huán)保且可再生的資源。對于我國這樣農(nóng)業(yè)發(fā)達的國家來說，合理開發(fā)利用生物質(zhì)能，不僅僅是充分利用廢棄物，變廢為寶，同時也響應(yīng)了國家節(jié)能減排、綠色能源的號召。生物質(zhì)燃料顆粒的加工，尤其是粉碎與成型機構(gòu)是研究重點?，F(xiàn)主要針對生物質(zhì)燃料顆粒的形狀，對生物質(zhì)燃料顆粒擠壓成型機構(gòu)進行了改進，使最終的顆粒成中空型顆粒，方便燃燒充分。關(guān)鍵詞：生物質(zhì)燃料顆粒；中空；成型機構(gòu)0

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，如秸稈、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(yīng)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(yīng)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，通過壓輥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4～6

mm的生物質(zhì)燃料顆粒。圖1為生物質(zhì)燃料顆粒圖。

下面對壓輥擠壓物料進行力學模型分析。壓輥壓力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：Fcosα+T=fPcosα+f1Rf1R+fPcosα≥Psinα式中,f1為平模板與物料間的摩擦系數(shù)；f為壓輥與物料間的摩擦系數(shù)；T為壓桿所受轉(zhuǎn)矩，N·m。其中

R=Pcosα+fPsinα整理后可得物料攫取條件為：根據(jù)已知物料在?？變?nèi)的軸向壓應(yīng)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(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Γ籸為膜孔半徑，m。經(jīng)積分后可得：式中，為?？變?nèi)壁對物料的軸向壓應(yīng)力；P（O）為?？變?nèi)壁對物料的徑向壓應(yīng)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22.6°～70。物料受的軸向壓應(yīng)力、?？讖较驂簯?yīng)力以及?？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?？组L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)采用的方法是輥模碾壓式成型，基本的工作部件由壓輥和壓模兩部分組成，其中壓輥繞輥軸轉(zhuǎn)動，并且在壓輥的外周加工有槽，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，四個壓輥同時進行工作，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。壓輥與成型碾盤的旋轉(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(yīng)用最廣泛的成型機構(gòu)，即平模成