Grazie alla minore presenza di sostanze nocive come ceneri, azoto e zolfo rispetto alle fonti energetiche minerali, la biomassa presenta caratteristiche quali grandi riserve, buona attività del carbonio, facile infiammabilità e un elevato contenuto di componenti volatili. Pertanto, la biomassa è un combustibile energetico ideale e si presta perfettamente alla conversione e all'utilizzo tramite combustione. Le ceneri residue derivanti dalla combustione della biomassa sono ricche di nutrienti essenziali per le piante, come fosforo, calcio, potassio e magnesio, e possono quindi essere utilizzate come fertilizzante da reintrodurre nei campi. Date le enormi riserve di risorse e gli esclusivi vantaggi rinnovabili dell'energia da biomassa, essa è attualmente considerata una scelta importante per lo sviluppo di nuove energie a livello nazionale da molti paesi in tutto il mondo. La Commissione Nazionale per lo Sviluppo e la Riforma della Cina ha chiaramente affermato nel "Piano di attuazione per l'utilizzo completo della paglia durante il XII Piano Quinquennale" che il tasso di utilizzo completo della paglia raggiungerà il 75% entro il 2013 e si impegnerà a superare l'80% entro il 2015.
La conversione dell'energia da biomassa in energia pulita, di alta qualità e facilmente utilizzabile è diventata una questione urgente da risolvere. La tecnologia di densificazione della biomassa è uno dei metodi più efficaci per migliorare l'efficienza dell'incenerimento della biomassa e facilitarne il trasporto. Attualmente, sul mercato nazionale ed estero, esistono quattro tipologie comuni di macchine per la formatura densa: la pellettatrice a estrusione a spirale, la pellettatrice a pistone, la pellettatrice a stampo piatto e la pellettatrice a stampo anulare. Tra queste, la pellettatrice a stampo anulare è ampiamente utilizzata grazie a caratteristiche quali l'assenza di necessità di riscaldamento durante il funzionamento, l'ampia gamma di umidità della materia prima (dal 10% al 30%), l'elevata produttività per singola macchina, l'alta densità di compressione e il buon effetto di formatura. Tuttavia, queste tipologie di pellettatrici presentano generalmente svantaggi quali la facile usura dello stampo, la breve durata, gli elevati costi di manutenzione e la difficoltà di sostituzione. Per ovviare a tali inconvenienti, l'autore ha ideato un nuovo design migliorato per la struttura dello stampo di formatura, progettando uno stampo di formatura a modulo continuo con lunga durata, bassi costi di manutenzione e facilità di manutenzione. Nel frattempo, questo articolo ha condotto un'analisi meccanica dello stampo di formatura durante il suo processo di lavorazione.
1. Progettazione migliorata della struttura dello stampo di formatura per il granulatore a stampo anulare
1.1 Introduzione al processo di estrusione:La pellettatrice ad anello può essere suddivisa in due tipi: verticale e orizzontale, a seconda della posizione della matrice ad anello; in base alla forma di movimento, può essere suddivisa in due diverse forme di movimento: rullo di pressione attivo con stampo ad anello fisso e rullo di pressione attivo con stampo ad anello azionato. Questo design migliorato è principalmente destinato alla pellettatrice ad anello con rullo di pressione attivo e stampo ad anello fisso come forma di movimento. È composta principalmente da due parti: un meccanismo di trasporto e un meccanismo di formatura delle particelle con stampo ad anello. Lo stampo ad anello e il rullo di pressione sono i due componenti principali della pellettatrice ad anello, con numerosi fori di formatura distribuiti attorno allo stampo ad anello, e il rullo di pressione è installato all'interno dello stampo ad anello. Il rullo di pressione è collegato al mandrino di trasmissione e lo stampo ad anello è installato su una staffa fissa. Quando il mandrino ruota, aziona la rotazione del rullo di pressione. Principio di funzionamento: in primo luogo, il meccanismo di trasporto trasporta il materiale di biomassa frantumato in una determinata granulometria (3-5 mm) nella camera di compressione. Successivamente, il motore aziona l'albero principale per far ruotare il rullo di pressione, che si muove a velocità costante per distribuire uniformemente il materiale tra il rullo di pressione e lo stampo anulare, provocando la compressione e l'attrito tra lo stampo anulare e il materiale, tra il rullo di pressione e il materiale, e tra il materiale stesso e il materiale. Durante il processo di compressione e attrito, la cellulosa e l'emicellulosa presenti nel materiale si combinano tra loro. Allo stesso tempo, il calore generato dalla compressione e dall'attrito ammorbidisce la lignina trasformandola in un legante naturale, che rende la cellulosa, l'emicellulosa e gli altri componenti più saldamente legati insieme. Con il continuo riempimento di materiali di biomassa, la quantità di materiale sottoposto a compressione e attrito nei fori dello stampo continua ad aumentare. Allo stesso tempo, la forza di compressione tra la biomassa continua ad aumentare, densificandola e modellandola continuamente all'interno del foro di stampaggio. Quando la pressione di estrusione è maggiore della forza di attrito, la biomassa viene estrusa continuamente dai fori di stampaggio attorno allo stampo anulare, formando un combustibile per stampaggio a biomassa con una densità di stampaggio di circa 1 g/cm³.
1.2 Usura degli stampi di formatura:La pellettatrice a stampo anulare ha una capacità produttiva elevata, un grado di automazione relativamente alto e una forte adattabilità alle materie prime. Può essere ampiamente utilizzata per la lavorazione di diverse materie prime di biomassa, risultando adatta alla produzione su larga scala di combustibili densi da biomassa e soddisfacendo i requisiti di sviluppo futuri dell'industrializzazione di tali combustibili. Pertanto, la pellettatrice a stampo anulare è ampiamente utilizzata. A causa della possibile presenza di piccole quantità di sabbia e altre impurità non di biomassa nel materiale di biomassa lavorato, è molto probabile che ciò causi un'usura significativa dello stampo anulare della pellettatrice. La durata utile dello stampo anulare viene calcolata in base alla capacità produttiva. Attualmente, in Cina, la durata utile dello stampo anulare è di sole 100-1000 tonnellate.
Il cedimento dello stampo ad anello si verifica principalmente nei seguenti quattro fenomeni: ① Dopo che lo stampo ad anello ha funzionato per un certo periodo di tempo, la parete interna del foro dello stampo di formatura si usura e l'apertura aumenta, con conseguente significativa deformazione del combustibile formato prodotto; ② La pendenza di alimentazione del foro della matrice di formatura dello stampo ad anello si usura, con conseguente diminuzione della quantità di materiale di biomassa estruso nel foro della matrice, diminuzione della pressione di estrusione e facile ostruzione del foro della matrice di formatura, portando al cedimento dello stampo ad anello (Figura 2); ③ Dopo che i materiali della parete interna si usurano e la quantità di scarico si riduce drasticamente (Figura 3);
④ Dopo l'usura del foro interno dello stampo anulare, lo spessore della parete tra i pezzi di stampo adiacenti L si riduce, con conseguente diminuzione della resistenza strutturale dello stampo anulare. Nella sezione più critica si tende a formare crepe e, con il loro continuo allungamento, si verifica la frattura dello stampo anulare. La causa principale della facile usura e della breve durata dello stampo anulare è la struttura non ottimale dello stampo anulare di formatura (lo stampo anulare è integrato con i fori dello stampo di formatura). Questa struttura integrata porta a risultati come: a volte, quando solo alcuni fori dello stampo anulare di formatura sono usurati e non funzionano più, è necessario sostituire l'intero stampo anulare, il che non solo comporta disagi per l'intervento di sostituzione, ma causa anche un notevole spreco economico e un aumento dei costi di manutenzione.
1.3 Miglioramento strutturale della progettazione dello stampo di formaturaAl fine di prolungare la durata utile dello stampo anulare della pellettatrice, ridurre l'usura, facilitare la sostituzione e diminuire i costi di manutenzione, è necessario realizzare un progetto di miglioramento completamente nuovo sulla struttura dello stampo anulare. Nel progetto è stato utilizzato uno stampo a compressione integrato e la struttura migliorata della camera di compressione è mostrata in Figura 4. La Figura 5 mostra la vista in sezione dello stampo a compressione migliorato.
Questo design migliorato è principalmente destinato alla macchina per la formatura di particelle con stampo anulare, dotata di un sistema di movimento a rulli di pressione attivi e stampo anulare fisso. Lo stampo anulare inferiore è fissato al corpo macchina, mentre i due rulli di pressione sono collegati all'albero principale tramite una piastra di collegamento. Lo stampo di formatura è incassato nello stampo anulare inferiore (mediante accoppiamento forzato), e lo stampo anulare superiore è fissato allo stampo anulare inferiore tramite bulloni e bloccato sullo stampo di formatura. Allo stesso tempo, per evitare che lo stampo di formatura rimbalzi a causa della forza esercitata dal rullo di pressione durante il suo scorrimento radiale lungo lo stampo anulare, vengono utilizzate viti a testa svasata per fissare lo stampo di formatura rispettivamente allo stampo anulare superiore e inferiore. Ciò consente di ridurre la resistenza all'ingresso del materiale nel foro e di facilitarne l'immissione. L'angolo conico del foro di alimentazione dello stampo di formatura progettato è compreso tra 60° e 120°.
Il design strutturale migliorato dello stampo di formatura presenta caratteristiche di cicli multipli e lunga durata. Quando la macchina per la produzione di particelle funziona per un certo periodo di tempo, la perdita per attrito provoca un allargamento e una passivazione dell'apertura dello stampo di formatura. Una volta rimosso e allargato lo stampo usurato, può essere utilizzato per la produzione di particelle di formatura di altre specifiche. Ciò consente il riutilizzo degli stampi e riduce i costi di manutenzione e sostituzione.
Al fine di prolungare la durata del granulatore e ridurre i costi di produzione, il rullo di pressione è realizzato in acciaio ad alto tenore di carbonio e manganese con buona resistenza all'usura, come ad esempio il 65Mn. Lo stampo di formatura deve essere realizzato in acciaio legato cementato o in lega di nichel-cromo a basso tenore di carbonio, ad esempio contenente Cr, Mn, Ti, ecc. Grazie al miglioramento della camera di compressione, la forza di attrito esercitata sugli stampi ad anello superiore e inferiore durante il funzionamento è relativamente bassa rispetto a quella dello stampo di formatura. Pertanto, è possibile utilizzare acciaio al carbonio comune, come l'acciaio 45, come materiale per la camera di compressione. Rispetto ai tradizionali stampi ad anello integrati, ciò consente di ridurre l'utilizzo di costoso acciaio legato, abbassando così i costi di produzione.
2. Analisi meccanica dello stampo di formatura della pellettatrice ad anello durante il processo di lavorazione dello stampo di formatura.
Durante il processo di stampaggio, la lignina presente nel materiale si ammorbidisce completamente grazie all'ambiente ad alta pressione e alta temperatura generato nello stampo. Quando la pressione di estrusione non aumenta, il materiale subisce una plastificazione. Dopo la plastificazione, il materiale scorre bene, quindi la lunghezza può essere impostata a d. Lo stampo di formatura viene considerato come un recipiente a pressione e le sollecitazioni sullo stampo stesso vengono semplificate.
Dall'analisi dei calcoli meccanici sopra riportata, si può concludere che per ottenere la pressione in qualsiasi punto all'interno dello stampo di formatura, è necessario determinare la deformazione circonferenziale in quel punto. Successivamente, è possibile calcolare la forza di attrito e la pressione in quella posizione.
3. Conclusion
Questo articolo propone un nuovo progetto di miglioramento strutturale per lo stampo di formatura della pellettizzatrice ad anello. L'utilizzo di stampi di formatura incorporati può ridurre efficacemente l'usura dello stampo, prolungarne la durata, facilitarne la sostituzione e la manutenzione e ridurre i costi di produzione. Allo stesso tempo, è stata condotta un'analisi meccanica dello stampo di formatura durante il suo funzionamento, fornendo una base teorica per ulteriori ricerche future.
Data di pubblicazione: 22 febbraio 2024