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苏州生物质颗粒成型的精准式上料装置研究

来源: 发布时间:2018-12-11 6108 次浏览

  [摘要]:生物质(Biomass)固化成型(Forming)是解决其收集、运输和储藏的关键技术(Technology)。生物质能源颗粒纯度高,不含其他不产生热量的杂物,其含炭量75—85%,灰份3—6%,含水量1—3%,不含煤矸石,石头等不发热反而耗热的杂质,将直接为企业降低成本。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。生物质颗粒燃料发热量大,发热量在3900~4800千卡/kg左右,经炭化后的发热量高达7000—8000千卡/kg。生物质锅炉燃料作为一种新型的颗粒燃料以其特有的优势赢得了广泛的认可;与传统的燃料相比,不仅具有经济优势也具有环保效益,完全符合了可持续发展的要求。平模碾压是常用的生物质颗粒生产方式,通过碾压产生的热量(Heat)可使木质素软化,为生物质固化提供内部粘结力。试验发现布料厚度对生物质成型率和能耗有很大影响。通过响应曲面法和多目标优化设计(Design)获得更优物料厚度及成型条件。在此基础上设计了精准式布料装置(device),该装置采用气压输送实现上料布料,通过对气压进行调整,便可对上料速度进行控制,实现了均匀布料,保证物料在平模上被充分碾压。该装置所设布料管可随碾压辊(gǔn)一起旋转(rotate),实现边布料边碾压。通过试验与普通上料装置比较,该装置可进一步提高生物质成型率4%左右,降低能耗6%左右。减小压辊的径向受力的波动,提高设备使用周期(lifetime)。

  0引言

  生物质在地球上分布广泛,取之不尽,用之不竭。我国农作物秸秆年产量约7.2亿t,这是一笔巨大的能源储备,但其有效利用率却不足30%。生物质作为能源,存在能量密度小,形态各异,运输不便,使用过程(process)不能方便、洁净地实现能量转换,储存和使用占用空间大等缺点,成为制约生物质规模化利用的“瓶颈(bottleneck)”。生物质成型技术是解决这一“瓶颈”的有效方法(method)。生物质成型就是将松散的生物质加工成具有一定密度、形状的颗粒[1]。成型颗粒可替代石化能源,用于日常生活和工业生产中。

  目前国内外生物质固化成型技术及设备的研究发展主要有[2]:日本开发(develop)的螺旋挤压方式生产的棒状成型技术、欧洲各国开发的活塞式挤压条状成型技术、美国研发的内压滚筒颗粒状成型技术。螺旋挤压式和曲柄活塞冲压成型物密度稍低,容易松散,且不能连续生产,上述两种设备能耗大,主件易磨损,寿命较低,平均寿命60~80h,大大增加了生物质固化成型的成本。

  我国多采用环模辊碾压和平模碾压生产方法。此两种方法连续性挤压成型,生效率较高。但现有设备上料靠人工,布料量难以控制。随意布料造成原料(Raw material)的厚度不均匀,无法对生物质进行充分碾压,同时严重影响碾压辊运动平稳性,造成设备损坏。人工上料,一次会上很多的料到成型内,而物料成型在生产过程中是作旋转运动的,这又加剧了能源的损耗。所以传统颗粒成型机的产品(Product)制造成本较高、生产率低。

  本文针对生物质微粒布料问题,设计一种适用于平模式生物质颗粒成型机的上料布料装置,确保原料均匀平铺在平模上,使生物质被充分碾压,颗粒成型更均匀。同时进一步提高生产效率,降低能耗。

  1物料厚度对成型性能的影响

  生物质主要组成成分(ingredient)为纤维素、半纤维素和木质素,其中秸秆类生物质中纤维素占70%左右,木质素占17%~25%[3-4]。纤维被粉碎后形成颗粒状,在压缩成型过程中,颗粒进一步破裂成微小颗粒,同时颗粒发生剪切流动对颗粒间的间隙进行填充,剪切填充进一步引起颗粒的破裂,而破裂进一步引起剪切填充流,直到整体致密。微小颗粒的剪切和填充运动会产生大量的摩擦力,从而产生大量的热量。这些热量和填充压力(pressure)给了木质素活化的能量,促使木质素软化和塑化,此时木质素具有较好的粘结性,木质素的这一变化为纤维颗粒的团聚提供了粘结力,随着材料的硬化,小颗粒地粘结在一起。对木质素进行充分摩擦碾压,激活木质素的活化性能,是提高生物质颗粒成型率的关键因素。

  1.1物料厚度成型性能的影响

  平模式碾压可实现生物质在碾压辊和平模之间的碾压和摩擦。1所示为平模式碾压原理。模辊间隙δ是颗粒成型的关键。间隙过大时,碾压辊对原料的挤压力变小,原料无法从成型孔流出,使原料堆积在成型室内,最终导致成型机被堵死。间隙过小,喂入原料量少,生产率低,能耗高[5-6]。

  根据不同的模辊间隙δ,物料在辊道上的平铺厚度h也会严重影响生物质成型。h过小造成生产率低,过大同样也会造成堵模死机。

  研究物料厚度对生物质成型过程的影响,本文选取玉米秸秆、小麦秸秆、花生壳和油菜秸秆进行实验(experiment)。模辊间隙为0.3mm,主轴(Spindle)转速(Rotational Speed)为120r/min,平模上成型孔直径(diameter)为8mm[7-8]。将物料厚度与每吨颗粒能耗、成型率的关系绘成2和3的曲线。

  2显示,能耗随物料厚度增加而减小,到达一定值后又向相反方向变化。每一种物料各有一个与能耗最小值对应的物料厚度。相同厚度的各种物料能耗相比较,油菜秸秆的更大,花生壳的最小。其原因是花生壳的木质素含量更大,而油菜秸秆的木质素含量最小。

  3显示,成型率随物料厚度的增加先增大后减小。由于模辊间隙是固定的,当物料较少时碾压力会很小,不利于物料从平模底部成型孔中流出。随着物料量的增加,碾压力增大,成型率上升。物料增加到一定量时,处于厚度中间部位的物料无法得到充分碾压,所以成型率出现了下降。由于花生壳的木质素含量更大,在碾压过程中,花生壳木质素软化后提供的内部粘结力会大一些,成型相对会容易一些,其成型率相对较高。

  从2、3得出,充分发挥木质素的粘结性是提高生物质成型性能的关键。要促使木质素活化,必须对物料进行充分碾压。物料厚度过小或过大都不利于生物质的成型。

  2.2物料厚度优化

  以吨能耗Q/kW和成型率η/%为优化目标,以物料厚度h/mm、模辊间隙δ/mm、模辊转速n/(r/min)和木质素含量准/%为设计变量(Variable),设X=(x1,x2,x3,x4,)=(h,δ,n,h)。优化目标与设计变量之间关系模糊,至今没有明确的函数公式来表达。优化目标函数采用如下形式:

  根据生物质成型特点,设计安排了三因素四水平的正交试验,试验因素与水平见表1所示。运用正交试验获得实验数据如表2所示

  3变量式布料装置

  为控制布料厚度,本文设计的一种新型料布料装置,结构(Structure)如4所示。

  连接座2通过螺纹连接固定在成型机旋转座上,随压辊一起旋转,其内部设计为锥形,便于物料从其内部流出。布料管1末端做成鸭嘴状,随连接座做圆周旋转,在旋转过程中将物料均匀地平铺在滚压道上。静止接头5通过轴承(bearing)6与连接座连接,当连接座旋转时,静止接头固定不动,这样可与上料管可靠连接,完成原料输送。静止接头5通过输料管与气动物料输送泵相连接。为保护固定轴承,上方加一上盖4,下部加一陶瓷密封(seal)3,同时防止物料泄露。

  该布料装置在平面内布置如5所示。两根布料管交错间隔设置(set up)在碾压辊的正前方。物料平铺到辊道上,碾压辊和二次碾压辊随后顺序对生物质进行碾压成型。在生产过程中可根据碾压情况(Condition)随时调整布料厚度和速度。

  与现有技术相比,本装置设计合理,其优点:实现物料均匀地平铺在平模辊道上,便于生物质的充分碾压;实现即时上料,减少平模上方及顶部料斗内的物料,节省能源消耗(consume);物料均匀布置,保证碾压辊所受径向力和摩擦力的均匀,防止旋转轴剪切折断,提高设备使用寿命;采用气动物料输送泵,减小设备顶部的料仓,输送泵放置在地上完成地面物料的输送,减少了设备的整体高度;通过操控阀控制物料输送速度、出口压力和输送量,可实现间歇式或连续式送料。

  以玉米秸秆为例,在普通平模碾压成型机加上该布料装置后进行吨能耗和成型率试验。6是每吨生物质成型颗粒所产生的能耗,从6中看到,不论碾压辊转速为多少,使用精准均匀布料方式吨能耗下降了5%~6%。7为颗粒成型率,使用可控式均匀布料方式成型率提高了3%~4%。

  4结论

  生物质成型过程是填隙流和剪切流的混合,会产生大量热量,而木质素在这一温度(temperature)变化过程中被软化,木质素的软化为生物质微粒的团聚提供了粘结力,充分激活木质素的活化性是提高颗粒成型率的一个关键。对物料进行充分的碾压可产生大量热能,进一步提高木质素的粘结性。

  本文研究设计的精准布料装置通过气压输送和布料管的旋转运动,可实现均匀精准布料,保证了物料被充分碾压。可进一步提高生物质成型率4%左右,降低能耗6%左右。同时减小压辊的径向受力的波动,提高设备使用寿命。

  


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