朱德文, 陳永生, 鐘成義
摘要: 針對原有生物質顆粒成型機的局限性以及成型過程中出現的問題, 開發設計了空心對輥式生物顆粒成型機; 闡述了該機的結構組成和工作原理, 分析並確定了空心對輥式生物顆粒成型機的核心部分結構參數. 試驗表明, 該機結構和參數設計合理, 能夠滿足生物顆粒成型的特殊要求. 該機的研製大大提高了生物顆粒機械化成型的品質和成型率, 是較為理想的生物顆粒成型機具.
0引言
生物質在我國十分豐富, 主要包括農林廢棄物, 畜禽排泄物和有機垃圾等. 生物質可加工成飼料, 肥料和燃料, 生物質能源是僅次於煤炭, 石油, 天然氣的第4大能源, 在世界能源總消費量中佔14%. 生物質成型顆粒具有便於儲存, 運輸, 使用方便, 衛生, 製作燃料燃燒效率高, 是清潔能源, 有利於環保 [1, 2]. 現有的生物質顆粒成型設備存在著一些不足之處, 制粒時, 物料經高溫, 高壓有效成分易產生變化, 動力利用效率低, 制粒後需要冷卻系統; 同時, 這種制粒機結構複雜, 易損件較多, 維護困難, 工作性能不穩定, 連續工作時間較短. 為了克服以上制粒機存在的缺點, 由農業部南京農業機械化研究所經多年研製成功的新型空心對輥式生物顆粒成型機, 在我國還屬首例, 填補了國內空白.
試驗表明, 該機結構和參數設計合理, 能夠滿足生物顆粒成型機的特殊要求, 該項技術與設備研發促進了我國生物顆粒成型產業的發展[3].
1結構組成, 工作原理及主要技術參數
1.1結構組成及工作原理
新型空心對輥式生物顆粒成型機的結構示意圖, 如圖1所示.
該成型機由主電機, 動力傳動裝置, 空心對輥輪, 進料鬥, 攪拌裝置, 出料鬥, 振動篩, 振動電機, 刮刀和機架等組成. 動力傳動裝置主要包括主電動機, 皮帶, 皮帶輪, 減速器, 聯軸器, 過載保護裝置, 齒輪箱和主, 被動傳動軸, 在聯軸器與齒輪箱之間裝有過載保護裝置. 當有較大, 較硬異物落入兩空心對輥輪之間時, 通過過載保護裝置作用使動力傳遞中斷, 避免部件的損壞, 起到對整個設備的保護作用. 齒輪箱中裝有一對大小動力傳遞齒輪, 通過大小齒輪的傳動, 可實現兩空心對輥輪做差速相向運轉. 由於兩空心對輥輪的差速轉動, 使物料在進入兩空心對輥輪上的成型孔時受到剪切力和兩對輥輪與物料間產生摩擦力的聯合作用, 使物料相互易於搭接, 包絡和進入成型孔成型, 因而可以提高物料的成型率和成型密度. 在兩空心對輥輪上分別制有多排相互間隔的兩端呈喇叭口狀的成型通孔, 如圖2所示.
在成型通孔的進料端喇叭口較小, 出料端喇叭口較大, 中間為圓柱狀的成型通孔, 進口處製成小喇叭狀為了使物料更易於進入成型通孔成型, 防止物料在壓力作用下向上移動從而影響物料成型效果; 出料口處製成大喇叭狀是為了使成型後顆粒易於脫模出料, 中間成型通孔的直徑的長度應根據成型物料與成型顆粒大小粒度的不同而定. 在進料鬥的進料口處安裝有物料攪拌裝置, 該裝置一方面起到將物料定時定量地送往兩空心對輥輪之間, 另一方面有對物料向下推進作用, 以減小物料由於受到壓力作用而向上移動, 強迫物料進入成型孔成型. 在成型顆粒出口處設有振動篩, 振動篩在振動電機的帶動下不斷振動, 成型脫模後的顆粒落入振動篩中, 振動篩上部的成型顆粒最後掉入物料輸送機構帶走, 振動篩下部的碎物料經收集後再放到進料鬥中重新成型. 刮刀固定在機架上, 放到兩空心對輥輪成型顆粒出口處, 可將成型後的物料切斷.
工作時, 電機動力經動力傳動裝置最後傳遞給兩空心對輥輪, 使其做差速運轉, 與此同時粉碎後的物料經進料鬥的進料攪拌裝置, 源源不斷地將物料送往兩空心對輥輪之間, 並形成一定的向下推進力, 物料在進入兩空心對輥輪處受到物料與兩空心對輥輪之間產生的摩擦力, 由兩空心對輥輪做差速運轉時產生的剪切力, 由進料攪拌裝置產生的向下推力和兩空心對輥輪運轉過程中產生的相互擠壓力的聯合作用, 使物料源源不斷地被強制進入成型孔成型, 再經刮刀切斷後落入振動篩, 最終落入輸送機構帶走, 從而完成物料制粒的整個過程.
1.2主要技術參數
成型機外形尺寸/mm: 500×2000×1760
整機質量/kg: 2000~ 3000
配套總動力/kW: 35
空心對輥輪直徑/mm: 450
顆粒規格/mm: φ4~ φ12
生產能力/t·h-1: 1~ 4
顆粒成型率/%: ﹥ 85
兩空心對輥輪轉速/rad·min-1: 80~ 200
成型顆粒平均抗壓強度/N: 10~ 50
2結構特點
2.1一機多用(多功能性)
該機通過更換兩空心對輥輪, 根據生產要求可將生物質加工成大小不同的飼料, 肥料或燃料, 實現一機多功能. 該機採用兩對輥輪相向滾壓成型的原理, 在工作過程中, 工作零部件磨損較少, 工作性能穩定可靠, 在制顆粒飼料或肥料時可在常溫下工作, 這樣能夠保持物料原有成分, 可較長時間連續工作.
2.2傳動系統結構
傳動系統是由皮帶傳動和齒輪傳動聯合傳動作業, 由減速器, 齒輪箱和在減速器與齒輪箱輸入軸間安裝一個過載保護聯軸器組成. 通常齒輪箱中齒輪是由一對大小齒輪組成, 可實現兩空心對輥輪差速運動. 當由於種種原因出現過載時, 過載保護聯軸器就會產生斷裂或脫離, 切斷動力傳遞, 實現對機器的保護功能[4].
2.3兩空心對輥輪及其成型通孔
在綜合考慮整機外形尺寸, 質量, 生產率及物料在兩輥輪間產生的壓力角等因素, 確定兩對輥輪的直徑為450mm, 寬度為40~ 70mm. 在對輥輪上制有多排相互間隔的成型通孔, 成型通孔分3段 (如圖2所示) . 進料端呈小喇叭口狀, 出料端呈大喇叭口狀, 目的是便於物料進入成型孔成型和成型後顆粒脫模; 中間為圓柱狀的成型通孔, 成型通孔的直徑及其長度應根據物料成型顆粒的大小而定.
3試驗分析
生物質壓縮成型受多個因素影響, 這些因素有的與生物質自身的生化特性有關, 有的與外部壓縮條件, 模具類型, 壓縮方式, 成型工藝等有密切聯繫, 它們都從根本上影響或制約著成型物內部的粘結方式和粘結力大小, 直接造成成型物的物理品質差異. 對於一台設計好的顆粒成型機, 原料的種類, 含水率, 粒度, 溫度及工作壓力是影響顆粒成型的主要因素[5, 6].
3.1不同原料顆粒成型的結果分析
試驗的生物質原料為粉碎後的農作物秸稈及鋸木, 經乾燥後含水率為20%~ 30%, 原料粒度為2~ 10mm, 在成型溫度為140~ 60℃時, 試驗結果如表1所示.
由表1試驗數據可知, 由於成型使用的原材料種類的不同, 使得成型機的產量, 單位產品耗電量, 成型密度及成型率都有所不同. 從表1看出, 使用鋸木材料的生產率, 成型密度和成型率都較農作物秸稈材料大, 而單位產品能耗卻較小, 說明鋸木材料較秸稈材料易於成型[7, 8].
3.2原料含水率和粒度對顆粒成型的影響以玉米秸稈為原料進行試驗, 測得成型機性能指標和成型顆粒的基本特性, 測得數據如表2所示.
由表2可知, 原料的粒度對成型機性能指標的影響, 隨著物料粒度的增加成型的產量減小, 耗電量在增加, 對成型顆粒的成型率和成型密度影響不大; 成型機的產量和耗電量以及成型顆粒的成型率和成型密度在原料一定範圍的含水率內, 隨著原料含水率增加而增加, 當含水率超過30%時, 隨著原料含水率增加, 除耗電量仍增加外, 其餘指標都在減小. 由此可見, 原料成型適宜含水率在25%~ 28%之間, 粒度應在1~ 6mm之間[9~ 11].
3.3成型壓力和溫度對顆粒成型的影響
據有關試驗數據表明, 由於成型物料中木質素, 半纖維素和纖維素含量不同, 成型所需的壓力和溫度也不同. 壓力過低不能使物料壓緊壓實, 導致物料顆粒成型率下降; 在制顆粒燃料時, 溫度過低, 不足以使木質素塑化, 即使有足夠壓力, 也不能使物料成型. 生物質在受熱時可分解轉化為液態, 固態和部分氣態產物, 將生物質熱解技術與壓縮成型工藝相結合, 利用熱解反應產生的液態熱解油或焦油作為壓縮成型的粘結劑, 有利於物料壓縮成型並可提高成型燃料的品位和熱值. 但成型溫度過高也會造成成型燃料表面嚴重熱分解, 出現裂縫, 降低強度, 甚至於不能成型. 因此, 成型時選擇合適的壓力和溫度是必要的[12].
4結論
通過對成型機性能指標和成型顆粒的基本特性試驗結果分析, 表明該空心對輥式生物顆粒成型機各項性能指標都能滿足生物質顆粒成型的要求. 同時, 可通過更換兩空心對輥輪, 採用不同的制粒工藝和參數, 以適合生產生物有機顆粒肥, 顆粒飼料和顆粒燃料的生產目的要求, 實現一機多用的功能. 試驗表明, 該機生產效率高, 工作性能穩定, 設計合理, 結構新穎, 磨損件較少, 可實現長時間連續化作業. 該機的研發可為包括秸稈和鋸木在內的生物質提供了有效的制粒途徑, 促進了生物質資源的有效利用可持續化發展.
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