秸稈燃料平模成型機平模?？追抡嫜芯?/h1>
2013-09-18 09:53:58谷志新鄭文超趙林
生物質(zhì)化學工程 2013年3期
谷志新，鄭文超，趙林
(1．東北林業(yè)大學機電工程學院，黑龍江 哈爾濱 150040;2．哈爾濱市園林動植物檢疫站，黑龍江 哈爾濱 150008)
人類對傳統(tǒng)三大化石能源(煤炭、天然氣、石油)的大規(guī)模開發(fā)和利用，帶來了氣候惡化、生態(tài)破壞、環(huán)境污染等問題。用秸稈等生物質(zhì)能源替代化石能源，既可改善能源結(jié)構(gòu)，在一定程度上解決能源緊缺問題，又將秸稈變廢為寶，變害為利。同時可有效地減排SO2與CO2，降低環(huán)境污染。秸稈致密成型燃料是一種新型潔凈能源，采用農(nóng)林廢棄物秸稈為原材料，經(jīng)過粉碎、烘干、混合、擠壓等工藝，制成具有一定形狀的可直接燃燒的一種新型燃料，可以看作是一種綠色煤炭。平模是秸稈燃料平模成型機的核心部件，分布著眾多?？祝菀啄p，決定著生產(chǎn)的成本。
1 秸稈開發(fā)利用的目的和意義
秸稈是我國主要的農(nóng)作物［1］，每年的產(chǎn)量在6億噸以上，其中有超過12．7% 的剩余秸稈就地焚燒或閑置，造成了環(huán)境污染和能源的浪費［2］。如果把這些秸稈作為能源加以開發(fā)與利用，可以帶來可觀的經(jīng)濟效益和社會效益。秸稈轉(zhuǎn)化的主要方式有直接燃燒或制成致密燃料(顆粒、塊狀)、氣化燃料(秸稈燃氣、沼氣)和液化燃料(燃料乙醇和生物原油)等［3］。
由于秸稈致密燃料的原料利用率可達90% 以上，熱值約為15．49～17．586 MJ/kg，不同秸稈熱值稍有不同:玉米稈 15．49 MJ/kg，稻稈 12．56 MJ/kg，麥稈 14．65 MJ/kg，大豆稈 15．90 MJ/kg，薯類14．23 MJ/kg，油料 15．49 MJ/kg，棉花稈 15．90 MJ/kg［4］。秸稈致密燃料中 S 和灰分等的含量僅為中質(zhì)煙煤的1/10左右。秸稈致密燃料中CO2的排放和吸收形成自然界碳循環(huán)，可實現(xiàn)CO2零排放，是減排CO2最有效途徑，是防止全球環(huán)境惡化的一種科學選擇，秸稈致密燃料燃燒技術(shù)參數(shù)為密度800～1 100 kg/m3，熱值 15．49 ～ 17．58 MJ/kg，灰分 6% ～ 20%，水分≤12%，CO20，NO214 mg/m3，SO246 mg/m3，煙塵≤127 mg/m3。
國家發(fā)展和改革委員會關(guān)于“‘十二五’生物質(zhì)致密成型燃料發(fā)展規(guī)劃”中提出，到2020年，使秸稈致密燃料成為普遍使用的一種優(yōu)質(zhì)燃料，每年消耗致密燃料5 000萬噸，代替3 000萬噸煤［6］。每年如果消費5 000萬噸致密燃料，可實現(xiàn)減排CO21～1．5億噸，減排SO280～100萬噸，因此，開發(fā)秸稈致密燃料具有十分重要的環(huán)境效益和經(jīng)濟效益。
2 秸稈燃料成型機工作原理
秸稈致密燃料是在一定溫度和壓力作用下，將各類分散的、沒有一定形狀的秸稈經(jīng)過收集、干燥、粉碎等預處理后，利用致密成型設備擠壓成規(guī)則的、密度較大的棒狀、塊狀或顆粒狀成型燃料［7］。
根據(jù)成型機工作原理把致密成型設備分為:活塞沖壓式成型機(pistonpress)、螺旋擠壓式成型機(extruderpress)、卷扭式成型機(twistpress)和模壓成型機(matrixpress)。其中模壓成型機生產(chǎn)成本較低，產(chǎn)能高，物料適應性強，現(xiàn)在被廣泛應用。模壓成型機的核心部件是壓輥和壓模。壓輥可以繞轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動，壓模上有模孔，物料在壓輥的作用下被壓入?？變?nèi)，擠出，用切刀切成秸稈致密燃料。根據(jù)壓模結(jié)構(gòu)的不同，模壓成型機可分為環(huán)模成型機和平模成型機［8］。本文著重討論平模成型機的工作原理及平模?？追抡嫜芯?。
平模成型機由電動機、傳動裝置、傳動軸、平模、壓輥、喂料器、進料口、切刀、出料口等部分組成。平模成型機的平模上有多個壓輥，壓輥隨軸做圓周運動，并與平模間有相對運動。電動機帶動平模，以機械圓周運動為基礎，使得壓輥和平模之間有較高的摩擦溫度。旋轉(zhuǎn)的平模通過與物料的摩擦作用帶動壓輥旋轉(zhuǎn)［9］。在平模和壓輥的強烈擠壓下，物料逐漸被壓實，均勻地分布于平模表面。物料在強烈的擠壓過程中，克服孔壁摩擦阻力，從?？字袛D出，擠壓過程如圖1所示。平模成型機對原料的粉碎度要求較低，含水率8% ～25% 的物料都能被致密成型，且由于其結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、易于維修維護，適于廣大農(nóng)村地區(qū)小規(guī)模靈活使用。
3 平模?？捉Y(jié)構(gòu)分析及仿真
平模是平模成型機中的關(guān)鍵部件，是最容易損壞的部件，需要經(jīng)常更換平模，增加了成型的成本［10］，工作中的平模如圖2所示。平模上模孔眾多，降低了平模抵抗變形的能力，特別是在工作過程中，孔與孔之間的薄壁承受著使秸稈成型所必須的壓力［11］。雖然在布孔上考慮了平衡的布局，但?？兹栽诰植糠秶鷥?nèi)會發(fā)生變形，采用Pro/Mechanica對平模工作過程中受載后位移、應力進行分析仿真，可以為優(yōu)化?？自O計提供理論基礎。
圖1 平模成型結(jié)構(gòu)示意圖Fig．1 The structure of extrusion of flat die
圖2 工作中的平模Fig．2 The flat die in working
3．1 建模
首先要進行建模分析。要使秸稈物料能擠壓成型，擠壓過程中?？變?nèi)壁上承受著一定的壓力。所以選取平模中的一個?？准爸車?個?？鬃鳛檠芯繀^(qū)域，即B區(qū)域為建模的單元，壓力在這個區(qū)域內(nèi)會起到一定的平衡作用，如圖3所示。
使用Pro/Engineer軟件，設定秸稈在?？變?nèi)滿足等壓強原理，所建模型在孔軸向所受壓強相同，因此取厚度1 mm?？走M行建模，如圖4所示，將建立的模型導入Pro/Mechanica中，模型材料選擇45#鋼，材料屬性設定為:彈性模量E=2．1×1011Pa，泊松比μ=0．269，材料密度ρ=7 800 kg/m3，張力強度σb=1 080 MPa，屈服強度σs=930 MPa，熱膨脹系數(shù)α =11．3 ×10－6℃。
3．2 施加載荷及結(jié)果分析
假定?？资芰鶆蚯移胶猓贏區(qū)域與B區(qū)域交界的面施加約束，B區(qū)域內(nèi)環(huán)面施加載荷。模型約束加載后得到位移云圖如圖5所示，由圖5可以看出，受載下模孔內(nèi)壁部分位移最大，進一步導入位移曲線，?？變?nèi)壁位移變形呈現(xiàn)小范圍連續(xù)變動規(guī)律，最大位移值為5．42×10－4mm。
根據(jù)模型加載后的應力云圖得出受載下?？變?nèi)壁部分應力最大，進一步導入應力曲線，根據(jù)應力曲線，?？變?nèi)壁應力呈現(xiàn)小范圍連續(xù)變動規(guī)律，最大應力值為5．51 N/mm2。
通過仿真說明，?？變?nèi)壁受載下位移及應力是一個小范圍連續(xù)變動的閾值，且不同載荷下的位移、最大應力呈一元線性回歸。
圖3 區(qū)域提取Fig．3 Area extracted
圖4 Pro/Engineer模型Fig．4 Pro/Engineer model
圖5 位移云圖Fig．5 Displacement fringe
3．3 不同載荷下?？椎淖畲髴Ψ治?/p>
在成型的過程中，?？资艿降膲毫Σ⒉皇峭耆嗤?，根據(jù)成型壓力曲線，當壓力高于40 MPa，才能得到較好的秸稈成型燃料。因此對壓力為45～70 MPa區(qū)間進行研究，通過仿真得到最大應力擬合曲線。對擬合曲線進行一元線性回歸分析:
式中:y(t)—最大應力，N/mm2;x(t)—壓力，MPa;a，b—回歸參量;t—時間序數(shù);u(t)—包括了除x(t)以外的影響y(t)變化的若干微小因素，u(t)是隨機部分，變化是不可控的。利用MATLAB對最大應力擬合后，得到:
參考中華人民共和國機械行業(yè)標準JB/T 5161．1－1999《顆粒飼料壓制機型式與基本參數(shù)》，結(jié)合仿真結(jié)果與理論分析確定平模的主要參數(shù)。確定平模外徑D=500 mm，平模內(nèi)徑D1=140 mm，則攫取層厚度h=9 mm，如圖6和圖7所示。
圖6 平模示意圖Fig．6 The schematic diagram of flat die
圖7 攫取層示意圖Fig．7 The schematic diagram of grab layer
4 結(jié)論
成型過程?？兹菀装l(fā)生變形和磨損，需要經(jīng)常更換平模，這樣增加了成型燃料的生產(chǎn)成本。為了降低生產(chǎn)成本，優(yōu)化?？自O計，提高?？椎膹姸?，對?？妆诘氖茌d情況進行仿真研究。根據(jù)秸稈燃料平模成型機成型原理，對平模進行建模，采用Pro/Mechanica對工作過程中?？椎氖茌d進行位移、應力仿真分析。
結(jié)果表明，?？资茌d下內(nèi)壁位移及應力值呈現(xiàn)小范圍連續(xù)變動，不同載荷下的位移、最大應力分別隨載荷呈一元線性回歸。參考中華人民共和國機械行業(yè)標準JB/T 5161．1－1999，確定平模的主要參數(shù):平模外徑D=500 mm，平模內(nèi)徑D1=140 mm，攫取層厚度h=9 mm，本文的研究旨在為平模成型機的設計和制造提供理論依據(jù)。
［1］TORBJ L，BO J，MORGAN G．NIR techniques create added values for the pellet and biofuel industry［J］．Bioresource Technology，2009，100:1589－1594．
［2］蔣劍春，應浩．中國林業(yè)生物質(zhì)能源轉(zhuǎn)化技術(shù)產(chǎn)業(yè)化趨勢［J］．林產(chǎn)化學與工業(yè)，2005，25(10):5－7．
［3］李慧玲，任俊莉，王帥陽，等．農(nóng)業(yè)廢棄物轉(zhuǎn)化成能源及高附加值化學品的研究進展［J］．生物質(zhì)化學工程，2012，46(6):55－58．
［4］周中仁，吳文良．生物質(zhì)能研究現(xiàn)狀及展望［J］．農(nóng)業(yè)工程學報，2005，21(12):12－15．
［5］劉石彩，邊軼，童婭娟，等．生物質(zhì)炭粉成型工藝及燃燒性能［J］．生物質(zhì)化學工程，2011，45(1):10－14．
［6］張百良，楊世關(guān)．中國生物質(zhì)能技術(shù)應用與農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境研究［J］．中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學報，2003，11(3):178－179．
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［10］景果仙．生物質(zhì)燃料成型機設計理論及仿真研究［D］．哈爾濱:東北林業(yè)大學碩士學位論文，2010:24－27．
［11］GRANADA E，LOPEZ G，MIGUEL L M，et al．Fuel lignocelluloses briquettes，die design and products study［J］．Renewable Energy，2002，27(4):561－573．
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1 秸稈開發(fā)利用的目的和意義
秸稈是我國主要的農(nóng)作物［1］，每年的產(chǎn)量在6億噸以上，其中有超過12．7% 的剩余秸稈就地焚燒或閑置，造成了環(huán)境污染和能源的浪費［2］。如果把這些秸稈作為能源加以開發(fā)與利用，可以帶來可觀的經(jīng)濟效益和社會效益。秸稈轉(zhuǎn)化的主要方式有直接燃燒或制成致密燃料(顆粒、塊狀)、氣化燃料(秸稈燃氣、沼氣)和液化燃料(燃料乙醇和生物原油)等［3］。
由于秸稈致密燃料的原料利用率可達90% 以上，熱值約為15．49～17．586 MJ/kg，不同秸稈熱值稍有不同:玉米稈 15．49 MJ/kg，稻稈 12．56 MJ/kg，麥稈 14．65 MJ/kg，大豆稈 15．90 MJ/kg，薯類14．23 MJ/kg，油料 15．49 MJ/kg，棉花稈 15．90 MJ/kg［4］。秸稈致密燃料中 S 和灰分等的含量僅為中質(zhì)煙煤的1/10左右。秸稈致密燃料中CO2的排放和吸收形成自然界碳循環(huán)，可實現(xiàn)CO2零排放，是減排CO2最有效途徑，是防止全球環(huán)境惡化的一種科學選擇，秸稈致密燃料燃燒技術(shù)參數(shù)為密度800～1 100 kg/m3，熱值 15．49 ～ 17．58 MJ/kg，灰分 6% ～ 20%，水分≤12%，CO20，NO214 mg/m3，SO246 mg/m3，煙塵≤127 mg/m3。
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根據(jù)成型機工作原理把致密成型設備分為:活塞沖壓式成型機(pistonpress)、螺旋擠壓式成型機(extruderpress)、卷扭式成型機(twistpress)和模壓成型機(matrixpress)。其中模壓成型機生產(chǎn)成本較低，產(chǎn)能高，物料適應性強，現(xiàn)在被廣泛應用。模壓成型機的核心部件是壓輥和壓模。壓輥可以繞轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動，壓模上有模孔，物料在壓輥的作用下被壓入?？變?nèi)，擠出，用切刀切成秸稈致密燃料。根據(jù)壓模結(jié)構(gòu)的不同，模壓成型機可分為環(huán)模成型機和平模成型機［8］。本文著重討論平模成型機的工作原理及平模?？追抡嫜芯?。
平模成型機由電動機、傳動裝置、傳動軸、平模、壓輥、喂料器、進料口、切刀、出料口等部分組成。平模成型機的平模上有多個壓輥，壓輥隨軸做圓周運動，并與平模間有相對運動。電動機帶動平模，以機械圓周運動為基礎，使得壓輥和平模之間有較高的摩擦溫度。旋轉(zhuǎn)的平模通過與物料的摩擦作用帶動壓輥旋轉(zhuǎn)［9］。在平模和壓輥的強烈擠壓下，物料逐漸被壓實，均勻地分布于平模表面。物料在強烈的擠壓過程中，克服孔壁摩擦阻力，從?？字袛D出，擠壓過程如圖1所示。平模成型機對原料的粉碎度要求較低，含水率8% ～25% 的物料都能被致密成型，且由于其結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、易于維修維護，適于廣大農(nóng)村地區(qū)小規(guī)模靈活使用。
3 平模?？捉Y(jié)構(gòu)分析及仿真
平模是平模成型機中的關(guān)鍵部件，是最容易損壞的部件，需要經(jīng)常更換平模，增加了成型的成本［10］，工作中的平模如圖2所示。平模上模孔眾多，降低了平模抵抗變形的能力，特別是在工作過程中，孔與孔之間的薄壁承受著使秸稈成型所必須的壓力［11］。雖然在布孔上考慮了平衡的布局，但?？兹栽诰植糠秶鷥?nèi)會發(fā)生變形，采用Pro/Mechanica對平模工作過程中受載后位移、應力進行分析仿真，可以為優(yōu)化?？自O計提供理論基礎。
圖1 平模成型結(jié)構(gòu)示意圖Fig．1 The structure of extrusion of flat die
圖2 工作中的平模Fig．2 The flat die in working
3．1 建模
首先要進行建模分析。要使秸稈物料能擠壓成型，擠壓過程中?？變?nèi)壁上承受著一定的壓力。所以選取平模中的一個?？准爸車?個?？鬃鳛檠芯繀^(qū)域，即B區(qū)域為建模的單元，壓力在這個區(qū)域內(nèi)會起到一定的平衡作用，如圖3所示。
使用Pro/Engineer軟件，設定秸稈在?？變?nèi)滿足等壓強原理，所建模型在孔軸向所受壓強相同，因此取厚度1 mm?？走M行建模，如圖4所示，將建立的模型導入Pro/Mechanica中，模型材料選擇45#鋼，材料屬性設定為:彈性模量E=2．1×1011Pa，泊松比μ=0．269，材料密度ρ=7 800 kg/m3，張力強度σb=1 080 MPa，屈服強度σs=930 MPa，熱膨脹系數(shù)α =11．3 ×10－6℃。
3．2 施加載荷及結(jié)果分析
假定?？资芰鶆蚯移胶猓贏區(qū)域與B區(qū)域交界的面施加約束，B區(qū)域內(nèi)環(huán)面施加載荷。模型約束加載后得到位移云圖如圖5所示，由圖5可以看出，受載下模孔內(nèi)壁部分位移最大，進一步導入位移曲線，?？變?nèi)壁位移變形呈現(xiàn)小范圍連續(xù)變動規(guī)律，最大位移值為5．42×10－4mm。
根據(jù)模型加載后的應力云圖得出受載下?？變?nèi)壁部分應力最大，進一步導入應力曲線，根據(jù)應力曲線，?？變?nèi)壁應力呈現(xiàn)小范圍連續(xù)變動規(guī)律，最大應力值為5．51 N/mm2。
通過仿真說明，?？變?nèi)壁受載下位移及應力是一個小范圍連續(xù)變動的閾值，且不同載荷下的位移、最大應力呈一元線性回歸。
圖3 區(qū)域提取Fig．3 Area extracted
圖4 Pro/Engineer模型Fig．4 Pro/Engineer model
圖5 位移云圖Fig．5 Displacement fringe
3．3 不同載荷下?？椎淖畲髴Ψ治?/p>
在成型的過程中，?？资艿降膲毫Σ⒉皇峭耆嗤?，根據(jù)成型壓力曲線，當壓力高于40 MPa，才能得到較好的秸稈成型燃料。因此對壓力為45～70 MPa區(qū)間進行研究，通過仿真得到最大應力擬合曲線。對擬合曲線進行一元線性回歸分析:
式中:y(t)—最大應力，N/mm2;x(t)—壓力，MPa;a，b—回歸參量;t—時間序數(shù);u(t)—包括了除x(t)以外的影響y(t)變化的若干微小因素，u(t)是隨機部分，變化是不可控的。利用MATLAB對最大應力擬合后，得到:
參考中華人民共和國機械行業(yè)標準JB/T 5161．1－1999《顆粒飼料壓制機型式與基本參數(shù)》，結(jié)合仿真結(jié)果與理論分析確定平模的主要參數(shù)。確定平模外徑D=500 mm，平模內(nèi)徑D1=140 mm，則攫取層厚度h=9 mm，如圖6和圖7所示。
圖6 平模示意圖Fig．6 The schematic diagram of flat die
圖7 攫取層示意圖Fig．7 The schematic diagram of grab layer
4 結(jié)論
成型過程?？兹菀装l(fā)生變形和磨損，需要經(jīng)常更換平模，這樣增加了成型燃料的生產(chǎn)成本。為了降低生產(chǎn)成本，優(yōu)化?？自O計，提高?？椎膹姸?，對?？妆诘氖茌d情況進行仿真研究。根據(jù)秸稈燃料平模成型機成型原理，對平模進行建模，采用Pro/Mechanica對工作過程中?？椎氖茌d進行位移、應力仿真分析。
結(jié)果表明，?？资茌d下內(nèi)壁位移及應力值呈現(xiàn)小范圍連續(xù)變動，不同載荷下的位移、最大應力分別隨載荷呈一元線性回歸。參考中華人民共和國機械行業(yè)標準JB/T 5161．1－1999，確定平模的主要參數(shù):平模外徑D=500 mm，平模內(nèi)徑D1=140 mm，攫取層厚度h=9 mm，本文的研究旨在為平模成型機的設計和制造提供理論依據(jù)。
［1］TORBJ L，BO J，MORGAN G．NIR techniques create added values for the pellet and biofuel industry［J］．Bioresource Technology，2009，100:1589－1594．
［2］蔣劍春，應浩．中國林業(yè)生物質(zhì)能源轉(zhuǎn)化技術(shù)產(chǎn)業(yè)化趨勢［J］．林產(chǎn)化學與工業(yè)，2005，25(10):5－7．
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