生物质致密成型装备的研究

安微农业科学, Joumal of Anhui Agri.Si.2011,39(24):14972-14974责任编辑张杨林贵任校对卢瑶生物质致密成型装备的研究朱建安,梅艳阳,郭培红·(河南理工大学机槭与动力工程学院,河南焦作400摘要介绍了目前使用的成型机类型及其缺点,设计了一种新型成型机,并介紹了其工艺流程和成型原理以及动力液压回路的设计,生产试验和诚运行结罘表明,该成型杋具有结构简单、成本低廉、威型质量好、成型管寿命显著提高等优点,具有很好的推广前景。关键词生物质;成型装备;液压中图分类号T64文献标识码A文章编号0517-66112011)24-14972-03Research on Biomass Densification and Molding EquipmentZHU Jian-an et al School of Mechanics and Power Engineering, Henan Polytechnic University, Jiaozuo, Henan 454000tion, the briquette machine is simple and cheap with good molding quality, prolonged life of pipe and broad promotion prospectKey words Biomass; Molding equipment; Hydraulic日益增长的煤炭、石油、天然气等化石燃料的消费给世挤压式(包括环模式和平模式)。各种成型机的工作原理见界带来了能源安全与环境问题,这些问题成为当今世界共同图1、2、3。其成型原理是依靠传动部件与生物质原料间的相关注的焦点之一回,因此作为世界第四大能源的生物质能对运动实现生物质压缩压缩过程中摩擦产生的热或外部的的利用引起了世界各国的广泛关注2。生物质能相对于加热热源产生的热将生物质中的纤维木质素软化的同时,在风能、太阳能等其他能源具有应用地域广、投资规模小、使用活塞或旋转设备的挤压下进入型模并被挤出,成为既定更方便、经济等优点,并且生物质能是能够真正稳定、持续提形状。供能量的绿色能源。目前生物质能源转换方式有生物质气化、生物质固化、生物质液化和直接燃烧等方式。生物质固化就是利用生物质致密成型技术降低密度的生物质转化为高密度的生物质燃料。笔者对生物质致密成型装备进行研究,旨在为更好地利用生物质能源提供参考。1生物质致密成型技术的研究意义生物质致密成型技术是指应用机械加压的方法将各类原来分散没有一定形状、密度低的生物质原料压制成一定形状、密度较高的各种固体成型燃料的过程致密成型加工后的生物质固体燃料力度均匀,体积大大注:1为压辊;2为原料;3为压模圈;4为切刀5为成型燃料。缩小,密度可达08~1.4g/cm3,更易输送和储存,含水率在Note: 1. Roller; 2. Material; 3. Die ring; 4. Cutting knife; 5. Bri-12%以下增加了单位体积热值(为16-21MJ/kg)1,能量与中质煤相当,且燃烧性能明显改善,热效率可达80%~图1环模生物质成型机原理9%,而未经处理的粗放性燃烧热利用率仅有10%~15%。因此该类燃料可广泛应用于民用炊事炉、取暖炉、生物质气化炉、高效燃烧炉和小型锅炉,是易于进行商品化生产和销售的可再生能源根据国家发改委《可再生能源发展“十一五”规划》,至020年,我国生物质固体成型燃料年利用率将达5000万t。生物质致密成型技术中成型是核心,故成型设备的性能是决定产品质量和控制生产成本的关键。2传统生物质固体燃料成型设备根据成型原理的不同,生物质致密成型设备主要分为3注:1为原料;2为成型燃料;3为成型套筒;4为活塞;5为机械类螺旋挤压式活塞冲压式(包括机械式和液压式)和辊模或液压驱动。基金项目热能与动力工程河南省特色专业项目(508057);热能工程Note: 1. Material; 2. Briquette; 3. Forming sleeve; 4. Piston: 5.Me-河南理工大学校级重点学科项目(509927)。作者简介朱建安(1955-),男,湖南衡阳人,教授,硕士生导师,从事图2活塞油压煤矿机电液一体化应用技术及生物质发电系统与设备等研中国煤化工究,E-mlil:1987my525@163.com。*通讯作者,教授,硕士生导师,从事煤矿设备虚拟样机设计与流场数值模叔研究,3成型设备存在的问CNMHGE-mail:guopeihong@126.como生物质成型机目前虽初具规模但大部分机组可靠性收稿日期20114050339亵24期朱建安等生物质致密成型装备的研究14973差,运转不平衡辊轮和成型孔磨损快维修费用高,更换不此过程往复,物料逐渐向成型管中推进,待泵站所示压力达方便。技术较成熟的螺旋挤压式成型机螺杆是在较高温度到25MPa时打开热电偶1开关,加热,由于摩擦力的存在并和压力下工作,并且与生物质始终处于干摩擦状态,故螺杆且逐渐增大物料受到挤压,成为柱状致密燃料,择时打开热寿命极其有限,平均寿命不超过200h,这就导致生物质致密电偶2开关加热,成型燃料出模成型燃料的成本偏高,严重影响生物质致密成型技术及致密4.2成型原理该成型机是在不加任何黏结剂下冷压成型成型燃料的发展和推广。因此,开发一种运行稳定、安全可的其主要是利用机械加压的方法使生物质颗粒重新排列位靠、成本低廉且维修方便的新型成型机势在必行置关系,并造成物理变形使生物质粒子靠紧、啮合种新型生物质固体燃料成型设备物料由图4中ab段运行到b段时,由于摩擦阻力很小,针对上述存在的问题,笔者设计了一种新型成型机(图所以变形很小;cd段主要是干燥段,目的是使物料中的游离4)。该机所用物料为湿度10%~40%、粒径14mm以下的木水分经加热由排气孔排出,避免其在成型出模后由于压力的屑或锯末,生产率为120~200kg/h,能耗为50~80kWh/t,突然减小而造成成型棒的开裂,并且使生物质中的木质素软产品密度为06~1.1g/cm3的实心燃料棒化,为后面的压缩成型提供一定的黏结力;de段是压缩段,物料在干馏管中向前运动受到料活塞的推力P以及管壁对其的摩擦阻力E的作用,其关系为Er=uFr计亚+Pa=k(2)式中k侧压力系数k=(45°-甲/2);q—物料的内摩擦角ψ——物料与管壁的摩擦系数;P——管壁单位面积上的竖向压力标准值;P相应计算截面处的横向推力标注:1为原料2为热电偶;3为成型燃料;4为成型套筒;5为螺准值(kN/m2)。随着物料的前进摩擦阻力逐渐增大,而液杆:6为驱动轴压系统中,压力取决于负载所以阻力E越大,推力P越ote:1. Material 2. Thermocouple; 3. Briquette; 4. Fornming大。从上式可以看出,推力的增加又造成了摩擦力的增大,sleeve; 5. Screw: 6. Drive shaft.最终使物料压缩致密成型。该段关键是保证管温不超过70图3螺旋挤压式生物质成型机原理℃,因为试验发现,超过这个温度后,物料与管壁的摩擦系数Fig 3 Structure of the screw extruder减小,物料被松散地送出管外,不能完成挤压;进入ef段后,物料再次受到加热,此时物料已基本成型,密度不会发生改变,加热主要是使生物质内部胶合、外部焦化,具有一定形状和强度,使成型棒能顺利出模。成型过程中,成型管内各段压力和温度见图5、6。管内测点 Measured points inside the pipe注:1为液压缸活塞杆;2为料活塞;3为原料;4为机身;5为热图5成型管中各段的压力变化电偶1;6为排气孔;7为成型管;8为热电偶2。A为侧视图;Fig 5 Pressure variation in the forming pipeB为俯视图。Note: 1. Hydraulic cylinder piston rod; 2. Piston; 3. Material; 4Machine body 5. Thermocouple 1; 6. Vent; 7. Forming tube8. Thermocouple 2. A Side view: B. Top vie图4新型生物质成型机原理Fig 4 Structure of the new-type briquette machine4.1工艺流程当料活塞处于初始位置(图4中所示位置)时,物料自料仓落入机身空腔中,此时启动泵站液压缸带动料活塞向前运动将物料推入成型管中一段距离,此时液压香V中国煤化工缸达到最大行程,换向阀工作,液压缸带动料活塞退回到初图6CNMHG始位置伴随着料仓中的物料下落,完成一次进料过程。如Fig6 Temperature variation in the forming pipe14974安徽农业科学2011年就需要比串联布置提高1倍,这样势必会提高生产成本。串联布置有一个问题需要解决,就是由于液压缸的内泄漏造成2个液压缸不同步现象,为此笔者采用图7所示的补油回路,很好地解决了这个问题,节约了成本,创造了效益。5结语该新型成型机目前还处于试验阶段,很多问题需要研究如在何种温度下出模最为顺利,压缩段最优长度,进料速度对成型燃料密度的影响等但就目前的试验结果来看,其()6()已经表现出很大的优越性,如成型管使用寿命大大提高结构更为简单,成本更为低廉维修更换更为方便,单位能耗显著降低等。它的开发和使用,为更好地利用生物质能提供了有效途径,能创造显著的经济效益和环境效益,具有良好的推广前景。参考文献图7同步液压回路原理[1]张雷中国能源安全和资源国际化[.资源科学,200,24(1):-4Flg. 7 Principle of synchronous hydraulic circuit[2]陈德铭全面贯彻落实科学发展观加快生物质能的开发利用[冂].科技4.3液压回路的设计为了提高产品的生产效率,笔者采与经济画报,2006(4):16-17用双成型管式结构设备这样能将生产效率提高1倍。但是3]石元春日渐蝇起的生物质能源[生命世界x64:6[4]卢凌霄周应恒借鉴国外经验,发展生物质能[]生态经济:学术版若2个成型管液压缸的油路布置不当,会造成设备制造成本200(2)437-439的增加该设备若选用并联布置所选用液压泵的额定功率5]姚向军田宜水生物质能资源清洁转化利用技术M].北京化学工业出版社,2005:108-114.(上接第14901页)combinant parvinus vaccines protects ferrets against symptomatic CDV in-参考文献cton[J]. 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