孫啟新1,陳書法1,董玉平2
(1.222005江蘇省連云港市淮海工學院機械工程學院;2.250061山東省濟南市山東大學高效潔凈機械制造教育部重點實驗室)
[摘要]:生物質(zhì)固化成型是解決其收集、運輸和儲藏的關(guān)鍵技術(shù)。平模碾壓是常用的生物質(zhì)顆粒生產(chǎn)方式,通過碾壓產(chǎn)生的熱量可使木質(zhì)素軟化,為生物質(zhì)固化提供內(nèi)部粘結(jié)力。試驗發(fā)現(xiàn)布料厚度對生物質(zhì)成型率和能耗有很大影響。通過響應(yīng)曲面法和多目標優(yōu)化設(shè)計獲得最優(yōu)物料厚度及成型條件。在此基礎(chǔ)上設(shè)計了精準式布料裝置,該裝置采用氣壓輸送實現(xiàn)上料布料,通過對氣壓進行調(diào)整,便可對上料速度進行控制,實現(xiàn)了均勻布料,保證物料在平模上被充分碾壓。該裝置所設(shè)布料管可隨碾壓輥一起旋轉(zhuǎn),實現(xiàn)邊布料邊碾壓。通過試驗與普通上料裝置比較,該裝置可進一步提高生物質(zhì)成型率4%左右,降低能耗6%左右。減小壓輥的徑向受力的波動,提高設(shè)備使用壽命。
0引言
生物質(zhì)在地球上分布廣泛,取之不盡,用之不竭。我國農(nóng)作物秸稈年產(chǎn)量約7.2億t,這是一筆巨大的能源儲備,但其有效利用率卻不足30%。生物質(zhì)作為能源,存在能量密度小,形態(tài)各異,運輸不便,使用過程不能方便、潔凈地實現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換,儲存和使用占用空間大等缺點,成為制約生物質(zhì)規(guī)模化利用的“瓶頸”。生物質(zhì)成型技術(shù)是解決這一“瓶頸”的有效方法。生物質(zhì)成型就是將松散的生物質(zhì)加工成具有一定密度、形狀的顆粒[1]。成型顆粒可替代石化能源,用于日常生活和工業(yè)生產(chǎn)中。
目前國內(nèi)外生物質(zhì)固化成型技術(shù)及設(shè)備的研究發(fā)展主要有[2]:日本開發(fā)的螺旋擠壓方式生產(chǎn)的棒狀成型技術(shù)、歐洲各國開發(fā)的活塞式擠壓條狀成型技術(shù)、美國研發(fā)的內(nèi)壓滾筒顆粒狀成型技術(shù)。螺旋擠壓式和曲柄活塞沖壓成型物密度稍低,容易松散,且不能連續(xù)生產(chǎn),上述兩種設(shè)備能耗大,主件易磨損,壽命較低,平均壽命60~80h,大大增加了生物質(zhì)固化成型的成本。
我國多采用環(huán)模輥碾壓和平模碾壓生產(chǎn)方法。此兩種方法連續(xù)性擠壓成型,生效率較高。但現(xiàn)有設(shè)備上料靠人工,布料量難以精確控制。隨意布料造成原料的厚度不均勻,無法對生物質(zhì)進行充分碾壓,同時嚴重影響碾壓輥運動平穩(wěn)性,造成設(shè)備損壞。人工上料,一次會上很多的料到成型內(nèi),而物料成型在生產(chǎn)過程中是作旋轉(zhuǎn)運動的,這又加劇了能源的損耗。所以傳統(tǒng)顆粒成型機的產(chǎn)品制造成本較高、生產(chǎn)率低。
本文針對生物質(zhì)微粒布料問題,設(shè)計一種適用于平模式生物質(zhì)顆粒成型機的精確上料布料裝置,確保原料均勻平鋪在平模上,使生物質(zhì)被充分碾壓,顆粒成型更均勻。同時進一步提高生產(chǎn)效率,降低能耗。
1物料厚度對成型性能的影響
生物質(zhì)主要組成成分為纖維素、半纖維素和木質(zhì)素,其中秸稈類生物質(zhì)中纖維素占70%左右,木質(zhì)素占17%~25%[3-4]。纖維被粉碎后形成顆粒狀,在壓縮成型過程中,顆粒進一步破裂成微小顆粒,同時顆粒發(fā)生剪切流動對顆粒間的間隙進行填充,剪切填充進一步引起顆粒的破裂,而破裂進一步引起剪切填充流,直到整體致密。微小顆粒的剪切和填充運動會產(chǎn)生大量的摩擦力,從而產(chǎn)生大量的熱量。這些熱量和填充壓力給了木質(zhì)素活化的能量,促使木質(zhì)素軟化和塑化,此時木質(zhì)素具有較好的粘結(jié)性,木質(zhì)素的這一變化為纖維顆粒的團聚提供了粘結(jié)力,隨著材料的硬化,小顆粒永久地粘結(jié)在一起。對木質(zhì)素進行充分摩擦碾壓,激活木質(zhì)素的活化性能,是提高生物質(zhì)顆粒成型率的關(guān)鍵因素。
1.1物料厚度成型性能的影響
平模式碾壓可實現(xiàn)生物質(zhì)在碾壓輥和平模之間的碾壓和摩擦。圖1所示為平模式碾壓原理圖。模輥間隙δ是顆粒成型的關(guān)鍵。間隙過大時,碾壓輥對原料的擠壓力變小,原料無法從成型孔流出,使原料堆積在成型室內(nèi),最終導(dǎo)致成型機被堵死。間隙過小,喂入原料量少,生產(chǎn)率低,能耗高[5-6]。
根據(jù)不同的模輥間隙δ,物料在輥道上的平鋪厚度h也會嚴重影響生物質(zhì)成型。h過小造成生產(chǎn)率低,過大同樣也會造成堵模死機。

研究物料厚度對生物質(zhì)成型過程的影響,本文選取玉米秸稈、小麥秸稈、花生殼和油菜秸稈進行實驗。模輥間隙為0.3mm,主軸轉(zhuǎn)速為120r/min,平模上成型孔直徑為8mm[7-8]。將物料厚度與每噸顆粒能耗、成型率的關(guān)系繪成圖2和圖3的曲線。

圖2顯示,能耗隨物料厚度增加而減小,到達一定值后又向相反方向變化。每一種物料各有一個與能耗最小值對應(yīng)的物料厚度。相同厚度的各種物料能耗相比較,油菜秸稈的最大,花生殼的最小。其原因是花生殼的木質(zhì)素含量最大,而油菜秸稈的木質(zhì)素含量最小。
圖3顯示,成型率隨物料厚度的增加先增大后減小。由于模輥間隙是固定的,當物料較少時碾壓力會很小,不利于物料從平模底部成型孔中流出。隨著物料量的增加,碾壓力增大,成型率上升。物料增加到一定量時,處于厚度中間部位的物料無法得到充分碾壓,所以成型率出現(xiàn)了下降。由于花生殼的木質(zhì)素含量最大,在碾壓過程中,花生殼木質(zhì)素軟化后提供的內(nèi)部粘結(jié)力會大一些,成型相對會容易一些,其成型率相對較高。
從圖2、圖3得出,充分發(fā)揮木質(zhì)素的粘結(jié)性是提高生物質(zhì)成型性能的關(guān)鍵。要促使木質(zhì)素活化,必須對物料進行充分碾壓。物料厚度過小或過大都不利于生物質(zhì)的成型。
2.2物料厚度優(yōu)化
以噸能耗Q/kW和成型率η/%為優(yōu)化目標,以物料厚度h/mm、模輥間隙δ/mm、模輥轉(zhuǎn)速n/(r/min)和木質(zhì)素含量準/%為設(shè)計變量,設(shè)X=(x1,x2,x3,x4,)=(h,δ,n,h)。優(yōu)化目標與設(shè)計變量之間關(guān)系模糊,至今沒有明確的函數(shù)公式來表達。優(yōu)化目標函數(shù)采用如下形式:

根據(jù)生物質(zhì)成型特點,設(shè)計安排了三因素四水平的正交試驗,試驗因素與水平見表1所示。運用正交試驗獲得實驗數(shù)據(jù)如表2所示

3變量式布料裝置
為精確控制布料厚度,本文設(shè)計的一種新型料布料裝置,結(jié)構(gòu)如圖4所示。

連接座2通過螺紋連接固定在成型機旋轉(zhuǎn)座上,隨壓輥一起旋轉(zhuǎn),其內(nèi)部設(shè)計為錐形,便于物料從其內(nèi)部流出。布料管1末端做成鴨嘴狀,隨連接座做圓周旋轉(zhuǎn),在旋轉(zhuǎn)過程中將物料均勻地平鋪在滾壓道上。靜止接頭5通過軸承6與連接座連接,當連接座旋轉(zhuǎn)時,靜止接頭固定不動,這樣可與上料管可靠連接,完成原料輸送。靜止接頭5通過輸料管與氣動物料輸送泵相連接。為保護固定軸承,上方加一上蓋4,下部加一陶瓷密封3,同時防止物料泄露。
該布料裝置在平面內(nèi)布置如圖5所示。兩根布料管交錯間隔設(shè)置在碾壓輥的正前方。物料平鋪到輥道上,碾壓輥和二次碾壓輥隨后順序?qū)ι镔|(zhì)進行碾壓成型。在生產(chǎn)過程中可根據(jù)碾壓情況隨時調(diào)整布料厚度和速度。

與現(xiàn)有技術(shù)相比,本裝置設(shè)計合理,其優(yōu)點:實現(xiàn)物料均勻地平鋪在平模輥道上,便于生物質(zhì)的充分碾壓;實現(xiàn)即時上料,減少平模上方及頂部料斗內(nèi)的物料,節(jié)省能源消耗;物料均勻布置,保證碾壓輥所受徑向力和摩擦力的均勻,防止旋轉(zhuǎn)軸剪切折斷,提高設(shè)備使用壽命;采用氣動物料輸送泵,減小設(shè)備頂部的料倉,輸送泵放置在地上完成地面物料的輸送,減少了設(shè)備的整體高度;通過操控閥控制物料輸送速度、出口壓力和輸送量,可實現(xiàn)間歇式或連續(xù)式送料。

以玉米秸稈為例,在普通平模碾壓成型機加上該布料裝置后進行噸能耗和成型率試驗。圖6是每噸生物質(zhì)成型顆粒所產(chǎn)生的能耗,從圖6中看到,不論碾壓輥轉(zhuǎn)速為多少,使用精準均勻布料方式噸能耗下降了5%~6%。圖7為顆粒成型率,使用可控式均勻布料方式成型率提高了3%~4%。

4結(jié)論
生物質(zhì)成型過程是填隙流和剪切流的混合,會產(chǎn)生大量熱量,而木質(zhì)素在這一溫度變化過程中被軟化,木質(zhì)素的軟化為生物質(zhì)微粒的團聚提供了粘結(jié)力,充分激活木質(zhì)素的活化性是提高顆粒成型率的一個關(guān)鍵。對物料進行充分的碾壓可產(chǎn)生大量熱能,進一步提高木質(zhì)素的粘結(jié)性。
本文研究設(shè)計的精準布料裝置通過氣壓輸送和布料管的旋轉(zhuǎn)運動,可實現(xiàn)均勻精準布料,保證了物料被充分碾壓。可進一步提高生物質(zhì)成型率4%左右,降低能耗6%左右。同時減小壓輥的徑向受力的波動,提高設(shè)備使用壽命。
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