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建湖模辊式生物质能源颗粒成型机性能试验

来源: 发布时间:2019-03-14 5153 次浏览

  摘要:针对模辊式成型机在生产生物质能源颗粒过程中存在能耗高等问题,以玉米秸秆为原料,研究成型机模辊间隙、主轴转速和模孔直径等参数对生产率(productivity)、吨燃料能耗、颗粒燃料的 成型率、机械(machinery)耐久性和颗粒密度等的 影响。结果表明:模辊间隙仅对成型率有影响,间隙为0.2mm更优。吨燃料能耗和颗粒密度随主轴转速增大而减小;模孔直径大,生产率高,吨燃料能耗低,颗粒密度小;为保证生产率,主轴转速应大于等于160r/min。不同因素试验,颗粒燃料的 成型率大于95%,机械耐久性大于96%,均符合生物质能源颗粒要求。
  引言
  生物质能源颗粒作为一种优质的 可再生能源,既能作为农村炊事炉具、采暖炉或工业锅炉等的 良好燃料,又可为电厂提供清洁燃料;不仅有效解决了农村用能问题,而且也有利于改善农村环境,目前在我国正全面推广。
  生物质成型主要分为模辊式、螺旋式、柱塞式等方式。由于生物质模辊式成型机具有生产率高、成型好(成型率大于95%),可连续生产等优点,与螺旋式、柱塞式成型机相比,工作状态更加稳定,对物料的 适应性好,并且其加工方法满足燃煤电厂对生物质成型燃料均匀要求,可实现工业的 自动上料,是目前发展的 重点。但该类机具还存在着能耗高等问题。
  目前,国内外模辊式成型机研究仅针对原料的 种类、粒度及含水率等工艺参数。对于以玉米秸秆为原料的 模辊式成型机的 主要参数对成型的 影响等研究较少。机具参数的 研究主要集中在螺旋式或柱塞式成型机原理上,模辊式成型机的 成型原理与螺旋式、柱塞式差别较大,结构参数设计不同,上述研究并不适用于模辊式成型机。
  本文以玉米秸秆为原料,对生物质模辊式成型机的 主要参数(模孔直径、主轴转速、模辊间隙等)进行试验,研究其对成型机的 生产率、吨燃料能耗、颗粒燃料的 成型率、机械(machinery)耐久性和颗粒密度等指标的 影响规律,为模辊式成型机的 设计提供科学依据。
  1材料与方法
  1.1试验设备与原料
  北方地区玉米秸秆原料极为丰富,因此本试验选择北京市大兴区礼贤镇生产的 玉米秸秆为原料。采用模辊式生物(Organism)质能源颗粒成型机,其主要工作(job)部件是水平圆盘压模和与其相配的 压辊,如1所示(D为模孔直径,X为模辊间隙)。工作时电动机带动压模转动,通过模辊与物料间的 摩擦力使压辊自转,将物料钳入、挤压,最后成圆柱状从模孔中被连续(Continuity)挤出,再由安装在出料口处的 固定切刀切成一定长度的 颗粒燃料(fuel)。在该机工作过程中,由于压辊与压模之间存在相对滑动,可起到磨碎原料的 作用,所以允许使用粒径稍大些的 原料。其中,模辊间隙、主轴转速等可调,且可更换不同孔径的 压模板。试验用颗粒燃料成型机额定生产率80kg/h;主轴电动机功率(指物体在单位时间内所做的功的多少)11kW;主轴更大转速200r/min;调频器50Hz。
  其他试验设备与仪器有粉碎机(筛孔径(aperture)8mm)、秒表、台秤(精度5g)、二分器、1011A型电热鼓风干燥箱、PL2002/01型电子天平(精度0.01g)、BSA223SCW型分析天平(精度0.1mg)、KER2400型转鼓试验机、SZ114型标准自动振筛机、MH200E型电子比重计(精度0.001g/cm3)等。生物质颗粒原料的密度一般为 0.1—0.13t/m3,成型后的颗粒密度 1.1—1.3t/m3,方便储存、运输,且大大改善了生物质的燃烧性能。
  1.2试验方法
  1.2.1试验准备
  首先将玉米秸秆粉碎,粒度小于8mm的 放入振动筛进行筛选,振动30s后,测其粒度。试验原料分三批粉碎,分别用于6、8、10mm模孔直径(diameter)试验使用,如表1所示。可以得出:不同批次原料粒度基本一致。原料粉碎后,大于6mm原料占总量不到10%,粒度在3~6mm之间的 约占20%,小于3mm粒度大于70%,能够满足成型要求。将粉碎后的 秸秆原料自然风干或调湿处理,达到适宜成型的 含水率,装入密封袋备用。试验原料含水率控制在20%左右。而6mm孔径在原料含水率20%试验时,极易堵模,因此原料含水率略高。
  采用模辊式生物质能源颗粒成型机进行压缩试验,按照CEN/TS14778—12005固体生物质能源颗粒取样方法(method)取样,测量并记录相关试验数据。
  1.2.2试验指标及测定方法
  (1)生产率。正常生产过程中,在成型机出口处每隔5min接取颗粒一次,然后称量。考虑到原料含水率不同,计算中增加含水率系数。计算式为
  (5)颗粒密度。一般要求成型燃料颗粒密度大于1.0g/cm3。根据阿基米德排水法原理,利用电子比重计直接测量得出数值。
  生产出的 颗粒燃料在实验室平铺放置2~3h,待完全冷却后取样,测量成型(Forming)率、含水率、机械耐久性和颗粒密度等。
  1.2.3试验设计
  生物质(material)能源颗粒成型(Forming)机的 性能参数主要包括主轴转速、模孔直径与模辊间隙等。生物质颗粒燃料生物质颗粒的直径一般为6~8毫米,长度为其直径的4~5倍,破碎率小于1.5%~2.0%,干基含水量小于10%~15%,灰分含量小于1.5%,硫含量和氯含量均小于0.07%,氮含量小于0.5%。为考核成型机性能和颗粒燃料质量,将主轴转速、模孔直径、模辊间隙作为试验因素,考察其对生产率、吨燃料能耗、成型率、颗粒燃料的 机械耐久性及颗粒密度的 影响规律。选择主轴转速0~200r/min,间隔20r/min;模辊间隙0~1.5mm,间隔0.1mm;选择6、8、10mm模孔直径的 压模分别进行单因素试验。首先进行模辊间隙试验,分析模辊间隙对所选指标的 影响规律,然后选用更佳值进行不同主轴转速与模孔直径试验。
  2结果与讨论
  2.1模辊间隙的 影响
  模孔直径8m
  M、主轴转速160r/min时,模辊间隙对生产率、吨燃料能耗、机械耐久性、成型率的 影响如2所示。生物质能源颗粒若使用添加剂,则应为农林产物,并且应标明使用的种类和数量。欧盟标准对生物质颗粒的热值没有提出具体的数值,但要求销售商应予以标注。瑞典标准要求生物质颗粒的热值一般应在16.9 兆焦上。随着模辊间隙的 增加,生产率下降,吨燃料能耗增加,当模辊间隙大于1.5mm时,模孔已不出料,无法成型。其中,模辊间隙为0.2mm时,生产率更高,吨燃料能耗更低,为72kW·h/t。间隙过大时,压辊对秸秆原料的 挤压力变小,使攫取能力变小,压辊无法将料压进模孔内,使原料在成型室内越积越多,最终导致堵模死机。间隙过小时,喂入原料量少,生产率低,摩擦力大,导致吨燃料能耗高。
  若安装不当,模辊之间可能有直接接触表面,将加速模辊磨损,降低寿命。
  模辊间隙在0~0.4mm生物质能源颗粒的 成型率均大于95%,压缩成型的 生物质能源颗粒表面光滑,不易松散;在0.4~1.0mm之间,成型率逐渐下降,生物质能源颗粒表面偶有裂纹,成型率在90%~95%之间;大于1mm时,成型燃料表面变粗糙,裂纹增多,且压缩后成型率小于90%,已不符合成型率要求。
  模辊间隙对机械耐久性和颗粒密度影响不大,均能满足机械耐久性大于95%和颗粒密度大于等于1.0g/cm3的 标准要求。
  综上所述,模辊间隙的 更佳范围为0~0.4mm,其中0.2mm时更优。
  2.2主轴转速和模孔直径的 影响试验
  2.2.1生产率
  模辊间隙为0.2mm时,生产(Produce)率与主轴转速的 关系如3所示。在模孔直径相同时,随主轴转速的 增加,生产率增大。低转速时,生产率增加较快;大于160r/min后生产率增加变得缓慢,其值为80~100kg/h。这是由于转速过快时,压辊对原料的 挤压力一定,一些原料无法快速挤入相应模孔内,而从压辊齿两侧挤出,使生产率增加缓慢。
  同一转速下,模孔直径越大,生产率(productivity)越高,在转速160r/min时,模孔直径10mm的 生产率比直径6mm的 提高了25%,这是由于孔径大,被压进模孔的 原料多,生产率相对较高。
  但模孔直径不易过大或过小,高速转动下,孔径过小则原料难挤入模孔内,在成型室被摩擦的 时间过长而产生热量,原料水分蒸发较快,压辊无法将原料顺利压出,导致模孔堵塞,严重时会产生放炮、颗粒炭化等现象。孔径过大,在压模厚度不改变情况下,成型率难以保证,且压出的 颗粒燃料(fuel)易松散。
  2.2.2吨燃料能耗
  试验测得吨燃料(fuel)能耗与主轴转速和模孔直径的 关系如4所示,吨燃料能耗随转速增大而减小。转速大于等于160r/min,生产率增加趋于缓慢,吨燃料能耗变化不大,同一模孔直径下,吨燃料能耗变化量不超过10kW·h/t。低转速时,单位时间挤出颗粒燃料质量少,所需的 电能较多,随着转速增大,生产率提高,燃料的 出料速度加快,克服弹性变形的 能量减小,吨燃料能耗逐渐减小。当孔径为10mm,主轴转速为180r/min时,吨燃料能耗达更低值为71.4kW·h/t。
  同一转速下,模孔直径越大,吨燃料能耗越低。转速在160r/min时,模孔直径10mm的 吨燃料能耗比直径6mm的 减小了42kW·h/t。这是由于模孔直径小,单位时间内的 进料量少,挤压困难,克服秸秆原料弹性变形所需吨燃料能耗较大。
  2.2.3颗粒燃料成型率
  模孔直径和主轴转速对成型率的 影响如5所示。可以看出,主轴转速和模孔直径对成型率影响不大,成型率在95%~99%之间,满足大于95%的 要求。
  2.2.4颗粒燃料机械耐久性
  主轴转速、模孔直径对颗粒燃料的 机械耐久性影响如6所示。主轴转速和模孔直径对颗粒耐久性影响并不显著,颗粒燃料机械耐久性较好,均大于96%,符合颗粒燃料要求。主轴转速180r/min,模孔直径8mm时,颗粒燃料机械耐久性更好,更佳值为98.3%。
  2.2.5颗粒密度
  主轴转速、模孔直径对颗粒燃料(fuel)密度的 影响如7所示。颗粒密度变化范围为1.1~1.2g/cm3,均符合颗粒燃料的 要求。随着主轴转速的 增加,颗粒密度略有下降。模孔直径小,则颗粒密度大。这是由于转速增大,模孔直径大时,出料速度快,原料在模孔内的 挤压时间短,挤出颗粒较松散,致使颗粒密度小。反之,主轴转速小,模孔直径小,出料慢,被挤压时间久,压辊与原料间摩擦作用加剧而产生大量热量,导致原料中所含木质素软化,粘合力增大,粒子易被压缩成型,颗粒较密实。
  3结论
  (1)模辊间隙对成型率有显著影响,对其他指标(target aim)的 影响不显著。间隙越大,成型率越低。间隙更佳取值范围0~0.4mm,更优值为0.2mm。
  (2)主轴转速和模孔直径对生产率、吨燃料能耗影响较大。随着转速增大,生产率增大,吨燃料能耗减小;模孔直径大,生产率高,吨燃料能耗低。为保证生产率,转速取值应大于等于160r/min。为使吨燃料能耗较低,模孔直径应取较大值10mm。
  (3)各因素对颗粒燃料机械耐久性影响不显著,均符合颗粒燃料的 标准要求。
  (4)主轴转速和模孔直径对颗粒密度均有一定影响,但影响不大,颗粒密度均大于1.1g/cm3。若对颗粒密度要求较高,则主轴转速值应取较小值,选模孔直径较小的 压模。若对颗粒燃料仅为一般要求,则尽可能增加主轴转速,选取模孔直径较大的 压模。
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