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環模制粒成型技術的國內外研究現狀 木屑顆粒機|秸稈顆粒機|秸稈壓塊機|木屑制粒機|生物質顆粒機|富通新能源 / 18-05-05

    與傳統的機械加工技術不同,環模制粒成型技術的加工對象為粉體類物料,不僅涉及機械摩擦學、粉體力學、材料工程等多學科知識,而且涉及各學科領域的交叉應用;環模制粒成型技術的機理、工藝及設備均表現出了其特有的技術特征及技術難度。雖然國外在環模制粒成型技術的研究與應用方面水平較高,但環模制粒擠壓成型過程中相當一部分技術規律迄今仍不明確。
    國內外學者針對環模制粒成型技術進行了大量研究,取得了一批研究成果,為高效節能制粒技術的研究提供了一定的研究基礎。本節從成型機理、制粒生產率、制粒能耗、顆粒質量、制粒穩定性及核心部件壽命等幾個方面對國內外的研究現狀進行綜述。秸稈顆粒機1、擠壓成型機理
  擠壓機理的研究主要集中在三個方面:環模制粒擠壓成型力學模型的研究;環模制粒擠壓成型壓縮過程的研究;環模制粒擠壓成型過程粉體顆粒間內部結合機制的研究。
  針對環模制粒擠壓成型力學模型,在國外,丹麥技術大學開展的“制粒過程基礎性研究”項目(EFP-2005 Project(33031-037》對于木質粉體制粒進行了一系列基礎性研究,項目組成員Holm等建立了木質粉體在環模孔內擠壓的力學模型,推導出了擠壓力的方程式,并分別用小型試驗制粒機和單孔制粒單元試驗裝置進行了試驗驗證;為了解決力學模型關系式中三個變量(泊松比、摩擦系數和預加作用力)相互耦合而難以確定的難題,又對力學模型方程進行了改進。在國內,曹康對制粒的機理、工藝進行了全面的論述,對擠壓區的受力狀況進行了比較詳細的力學分析;張維果、吳勁鋒通過對不同粒度的苜蓿草粉進行壓縮實驗,得到了顆粒擠出力與粉體粒度、密度之間的關系,并建立了數學模型;周曉杰、王春光采用電測技術,選擇初始密度和壓縮速度為試驗因素,對苜蓿草徑向力進行測試研究,獲得了壓縮密度、初始密度和壓縮速度對苜蓿草徑向壓縮力的影響規律;武凱針對粉體環模制粒成型理論進行了一系列研究,建立了環模制粒擠壓過程完整的力學模型及扭矩模型。
    針對粉體物料的壓縮過程,楊明韶等開展了秸稈類物料開式壓縮實驗,對其流變學特性進行了研究;白煒等進行了三種秸稈顆粒冷態壓縮成型的開式實驗研究,將其壓縮成型特性曲線定義為松散、過渡、壓緊和推移四個價段,并對前三個階段進行了回歸分析;孫啟新等將生物質成型過程劃分為松散、壓緊和固化三個階段),認為固化過程是塑性變形和黏性變形的結合;對于成型過程中物料的變化規律,Rehkuglar等利用流變力學模型進行了分析;董玉平、回云埔則應用有限元軟件模擬了成型過程的應力應變和溫度場,證明存在適宜的溫度使原料流動性增強,成型更加容易。
    針對粉體顆粒間內部結合機制,Lindley將成型物內部的黏結力類型和黏結方式分成五類:固體顆粒橋接或架橋、非自由移動黏結劑作用的黏結力、自由移動液體的表面張力和毛細壓力、粒子間的分子吸引力或靜電引力、固體粒子間的充填或嵌合,認為生物質燃料特性可以用上述的一種或幾種黏結類型來解釋其內部的成型機制;田瀟瑜研究表明,秸稈燃料的內部結合形式主要為機械鑲嵌和天然黏結劑黏結;Kaliyan利用電子掃描顯微鏡(SEM)觀察了不同方式制出的玉米秸稈顆粒和柳枝稷顆粒,發現顆粒之間的結合方式主要是固體橋接,并且通過紫外熒光照片發現固體橋接主要是由天然黏合劑(纖維素、蛋白質)形成,因此提出了有必要調節物料的水分含量和制粒溫度來使得這些黏合劑融化,進而形成質量更好的顆粒;霍麗麗研究表明,玉米秸稈等生物質燃料(環模成型)的微觀成型機理為分層間斷性壓縮,分為中心層、過渡層和表層,層與層間距為25~40Um;吳云玉則研究了生物質顆粒微觀成型機理,建立了微觀接觸幾何模型,認為壓輥對原料的正壓力F與生物質顆粒表面斜角al的余弦成正比。
2、制粒成型生產率
    針對提高制粒成型生產率的研究主要集中在兩個方面,一方面是針對現有結構提出參數選擇、優化規范,另一方面是通過新的結構提升制粒效率。
    針對制粒機結構參數對制粒生產率的影響,陳炳偉指出,環模和壓輥的結構參數對環模制粒機的生產效率影響很大,選用大直徑環模和壓輥可以提高制粒生產率,但壓輥數目與模輥直徑比有相互制約的關系,因此單純增加壓輥個數并不一定能提高環模制粒機的生產效率。王敏、李艷聰研究了環模轉速與制粒生產率之間的關系:王敏研究表明,環模制粒機的生產率與環模的轉速沒有嚴格的正反比關系,環模存在最佳轉速范圍對應最高的生產率;而李艷聰則通過實驗研究了環模線速度和飼料加工產量之間的關系,得出制粒機產量與環模線速度之間存在拐點,即對應特定的物料,制粒機采用合理的線速度可使得制粒產量最大。環模表面開孔率方面,高放研究表明,環模開孔率直接影響到制粒機的生產效率,理論上,環模表面的開孔率越大,制粒機的生產率越高,但是開孔率的大小也直接影響到加工的難易程度及環模的強度,因此在保證環模有足夠的強度及加工容易的情況下,應盡可能地提高環模開孔率。輥模間隙也影響到環模制粒機的生產效率,林云鑒研究表明,輥模間隙過大時,物料打滑,生產率降低;而當間隙過小時,粉料經擠壓溫升加劇,水分蒸發較快,使物料干結堵塞模孔,生產率也降低。此外,Blank對制粒過程進行了優化分析,研究了如何在保證加工質量的前提下提高加工效率;Wuc28]建立了環模制粒生產率模型,對影響生產率的各因素進行了分析。
    除了針對現有結構參數對制粒機生產率的研究外,專利文獻中提出了多種新型結構以提高制粒效率。方亨志提出了一種帶切線攪拌槳的混合制粒機,在攪拌機構中設置了攪拌槳和傳動裝置,并將攪拌槳按其圓周的切線方向均勻分布放置,可以提高物料的混合效果,并提高生產率;邁斯特提出在制粒機中使用切割轉子,該轉子的外周面上布有切割的刀片都由一驅動系統帶動旋轉,在制粒過程中對顆粒可以進行及時地定向切割,有助于效率的提高;某公司提出了兩種高效率制粒機:環模和壓輥可同時轉動的制粒機)和雙環模內置式制粒機,環模、壓輥同時轉動可減小堵機概率,進而提升效率,而雙環模內置式制粒機增置了內環模,在內環模壁上同樣設有若干徑向的模孔,這樣兩個環模都可以進行制粒,工作效率得到提高;某廠提出在生物質顆粒制粒機中使用過盈連接的雙層環模來增強環模疲勞強度,可壓制木質顆粒以及在重載荷下連續運轉,進而可提升生產效率;某公司所提出的雙環模式制粒機是將兩只環模安裝在主被動軸上,兩者之間形成壓力角相向轉動,生產效率可成倍提高;張惠明提出了一種壓輥式碾壓制粒機:在機架上設置了左右滑動的滑模,可以根據需要調節顆粒的密度和長短,具有較高的生產率;尼羅有限公司提出在壓實制粒機中設置水平放置的旋轉滾筒,其中心軸偏心,工作時多個壓實裝置傳遞力量給顆粒以取得高的壓實效果,可進行連續壓實,效率較高。
3、制粒成型能耗
    如何降低制粒能耗是國內外研究的熱點,制粒能耗的降低不應以降低顆粒質量為代價,因此研究環模制粒能耗實際上也就是研究在保證顆粒質量的前提下如何降低單位產量能耗,即在提高顆粒質量和降低能耗之間尋求一種平衡。
    由于影響環模制粒機能耗、產量及顆粒質量的因素很多(如物料含水量、顆粒大小及分布、添加劑、環模尺寸、模孔尺寸、壓輥尺寸、環模轉速、進料速度、制粒間隙等),且這些參數間大多存在耦合關系,進行制粒系統整體優化非常困難。國內外開展的相關研究主要集中于工藝參數及物料理化參數的優化,且大多只是對其中一兩個因素進行理論分析和實驗研究。
    林云鑒等分別利用實驗室制粒系統和飼料廠制粒系統,考察了制粒工藝參數(水分、長徑比、模輥間隙)的改變對生產率、電耗、飼料顆粒質量的影響,為含谷物高的配合飼料的制粒工藝參數的選擇提供了參考依據;王敏分析了模輥間隙大小對制粒性能(生產率、電耗和顆粒加工質量)的影響,結果表明,在一定范圍內增大環模、壓輥的間隙,會增大黏料層厚度,進而使得生產率下降、噸電耗上升,但加工質量會有所提高;Rolfe研究表明,環模轉速的提高使物料高度減小,進而擠壓物料的力減小,但是顆粒的溫度提高了,制粒過程消耗的機械能增加,綜合這些結果,制粒的能耗表現為增大;武凱根據建立的能耗模型分析了環模速度對制粒能耗的影響,結果表明,隨著模速的提升,制粒能耗逐漸攀升;Tabil等建立了能耗與顆粒耐久性間的關系模型;Nielsen等對不同材質的木屑顆粒進行了實驗對比分析,分析了提取物的含量對制粒機的能耗的影響,結果表明,樹脂、脂肪族化合物、固醇等可以減小物料被擠壓入模孔中的力,降低制粒機的能耗,但木屑的保壓時間對擠壓力及制粒機的能耗影響不明顯;Mehrdad等對木屑水分含量、木質材料新鮮程度等不同參數下的物料作了制粒過程的對比試驗,發現在工藝過程中優化這些參數可以提高顆粒品質和降低能耗;Nielsenc對不同制粒特性的木屑進行了分析研究,發現加工橫向纖維方向的生物質物料時產量高、能耗低。
    在工藝技術與結構技術改進方面,某公司提出了一種飼料制粒專用潤滑液及其制備方法,將一種具有潤滑、黏合和誘食三種功能的專用潤滑液加人物料中,制造顆粒可以顯著地降低能耗;施迎春提出了一種生物質顆粒燃料制取工藝,使用該工藝的制粒機采用相向旋轉并外切的雙環模,環模上布有若干壓制通孔,孔心均指向圓心,該結構可使單位能耗大幅減少;某公司發明了一種環模和壓輥間隙調整裝置:由于壓輥裝置安裝在偏心軸上,轉動活動花板可自由調整模輥間隙,調節方便、制粒穩定,有助于降低能耗;鄭忠義提出在異形組合式環模中將成型孔的出料口做成圓形或矩形擴孔出料口,并使用了環式腰帶連接件,擠壓制粒時模孔不易堵塞,可降低能耗的浪費;尹小林提出,在節能型環模滾輪擠壓成型機中采用齒輪控制環模和滾輪之間的滾動,不需要經常性地調整間隙,可減少堵塞現象,提升制粒穩定性,進而可以降低能耗;某公司提出在壓輥殼的圓周方向開設弧形凹槽,弧形槽沿殼體軸向由兩端向中間延伸呈弧狀,可解決現有技術中殼體易磨損、卷料性差的難題,保證殼體磨損均勻而且不易堵塞,有助于達到節能的目標;陳康海提出,采用新型刀片緊靠在環模孔出料口,致使切割的顆粒端面整齊、使用物料減少,返回料也會隨著減少,進而可有效降低能耗。
4、成型顆粒質量
    制粒成型質量直接影響顆粒的存放、運輸、熱值等指標,國內外有關制粒成型質量的研究主要集中在結構參數與工藝參數對顆粒質量的影響方面。
    Kaliyan等指出,原料特性、預處理過程和成型設備都會影響成型產品的強度和耐久性;并就物料理化性質、水分含量、添加劑、制粒機參數及制粒工藝參數對顆粒質量的影響進行了綜述,為制粒參數的選擇提供了參考。
    Obidzinskir54]應用實驗型制粒機研究了制粒機結構參數(環模孑L徑長度、模輥間隙)對飼料顆粒質量的影響,結果表明,隨著孔徑長度和模輥間隙的增加,顆粒密度和動態耐久性也隨之增加,且顆粒質量與動態耐久性之間存在線性關系;Colovicc55]對三種具有不同長徑比的制粒機制粒過程進行研究,結果表明,隨著長徑比的增大,顆粒硬度、能耗和顆粒耐久性都會隨之增大,且增加水分含量可以有效地降低能耗,但同時也可能使得顆粒耐久性下降;Hernandez等應用單元制粒裝置研究了羊飼料制粒的最佳參數(含水量、溫度及長度),并進行了實際生產驗證,結果表明,此種選擇優化參數的方法簡便易行;Tumuluru利用單孔制粒單元和實驗性制粒機對影響小麥基底型酒糟顆粒質量的相關因素(水分含量、溫度和環模孔尺寸)進行了實驗研究,建立了回歸模型并進行了數據分析,并且提出了相關優化參數。
    Caronec58]研究了制粒工藝參數(壓力和溫度)和物料性質(水分含量和顆粒大小)對橄欖樹枝條顆粒的質量(密度和耐久性)的影響,結果表明,溫度影響最大,其次是水分含量和顆粒大小,影響最小的是擠壓力;Relova就加勒比松制粒過程中顆粒尺寸、水分含量和擠壓壓力對顆粒質量的影響進行了研究,結果表明,擠壓力影響最大、水分含量次之、顆粒尺寸最小,且當擠壓力增大到一定程度后繼續增加對顆粒質量影響不大;黃曉鵬等試驗得到,對苜蓿制粒密度影響的強弱依次為擠出力、含水率、草粉粒度;Mani等研究得出,成型壓力、顆粒尺寸和含水率對小麥和玉米秸稈的成型密度均有影響;陳曉青研究表明,含水率和進料速度還對玉米秸稈成型燃料裂紋的形成有較大影響;廖娜指出,玉米秸稈等生物質燃料的松弛特性與原料的木質素含量相關。
    其他相關的研究結論包括:壓力是決定生物質燃料品質的主要參數;增加成型壓力和保壓時間以及加入添加劑會提高燃料品質;成型溫度越高,燃料的抗跌碎和抗滲水能力越差;等等。
    5.制粒穩定性與核心部件壽命
    環模制粒穩定性,既指制粒過程穩定、顆粒質量有保證,又指制粒機運行穩定,關鍵部件可靠性高。從制粒機實際運行情況來看,我國制粒機相對于國外同類產品而言依然存在關鍵部件使用壽命低,振動、噪聲大等問題。作為環模制粒機關鍵部件,環模、壓輥工作時長期承受壓力和物料摩擦,工作條件惡劣,容易失效,是目前環模制粒成型設備存在的主要問題。環模與壓輥的失效形式以結構破壞和過度磨損為主,與材料、結構、熱處理方式及物料特性、生產條件密切相關。目前,對于環模、壓輥壽命的研究主要集中在結構受力分析、摩擦磨損機理分析、模具材料、模具結構、熱處理工藝等方面。
    張煒等對三種不同倒角的環模結構型孔進行了有限元靜力分析,認為60°倒角孔的變形小,結構最好;申樹云等通過受力分析得出生物質成型機模孔的最佳長徑比為5:1;劉超等研究了生物質模具錐角與應力的關系,認為最佳錐角取值為5. 5°~6. 0°;鄧勇等對制粒機環模進行了均勻載荷和非均勻載荷的有限元分析,得出了非均勻載荷是導致環模兩端磨損嚴重的重要原因;施水娟等建立了環模擠壓力學模型,并進行了數值模擬分析,研究表明,環模與壓輥的兩側變形大,中間變形小,環模與壓輥受到了不均勻載荷的作用;武凱等對制粒過程中模孔擠壓過程進行了仿真分析,得出結論:相比于錐面孔口,使用曲面孔口可以減少磨損。
    張煒、吳勁鋒對苜蓿草粉制粒機環模失效行為進行了研究,認為環模磨損失效與疲勞失效存在一定關系,隨著磨損的加劇,環模的模孔內壁壁厚發生變化,降低了環模的抗疲勞能力,環模表面在疲勞剝落和顯微切削兩種磨損機制作用下產生表面的材料流失,最終導致環模的磨損失效;吳勁鋒建立了環模結構優化設計的數理模型,并利用苜蓿草粉進行試驗得到影響磨損各因素的強弱順序依次為轉速、物料顆粒尺寸和載荷,指出環模磨損主要是由塑性變形和顯微切削兩種磨損機制造成的,植物纖維與金屬間相互作用的摩擦力是造成該類磨損的主要原因,生物質成型模具以磨料磨損為主,苜蓿等生物質原料對金屬表面的磨損為硬、軟磨粒共同作用的結果;孔雪輝對生物質環模的磨損問題進行了研究,建立了模孔的等磨損優化數學模型;霍麗麗指出,壓輥磨損除了由于原料中含有硅酸鹽成分、雜質、水分等易加速腐蝕、磨損的物質外,物料的不均勻分布也是十分重要的影響因素,研究表明,進料側壓輥面比其他位置表面多磨損約40%。
   針對環模的磨損問題,朱濱峰等研究了一種新型預應力環模,使環模的淬硬部分受到一種預應力,以抵消環模工作時壓輥對它施加的部分或全部應力,進而降低環模工作時的總應力,提高環模的使用壽命;楊毅指出,為提高模具壽命,應確保材料的Cr含量在12. 5%以上;孫晶鋒等對45鋼、9SiCr和60SiMn試樣進行磨料(紫花苜蓿)磨損試驗,結果表明,9SiCr韌性和磨損性能最好;陳志光等通過試驗表明,4Cr13環模經低溫碳氮共滲、真空高壓氣淬后,其使用壽命顯著提高,并指出增加模具硬度可提高其耐磨性能,但太硬容易發生脆性斷裂,設計時應同時考慮材料的硬度和韌性。此外,羅銳指出,環模孔的堵塞要及時清理,否則不僅影響制粒機的生產率、顆粒質量,還會影響制粒機的使用壽命;姚修偉指出,提高環模的開孔率可以很大程度上提高制粒機的生產率,但是孔的數量多,勢必使孔之間的間距減小,環模的強度和耐磨性不但差,而且易斷裂,環模的使用壽命大大縮短。
    制粒過程穩定性方面的研究主要集中在如何實現物料均布、如何實現制粒機的防滑防堵等方面。目前研究成果主要是在制粒機結構方面進行設計和改進,并以專利的形式展示出來。在實現物料均布方面,有強制喂料裝置、勻料裝置和旋轉進料裝置;在防滑防堵方面,提出對壓輥表面形狀進行改進,設計了防滑壓輥殼以提高物料攫取能力,避免物料在壓縮情況下向兩側滑動;并通過增加限高板的方式來限制物料高度進而避免制粒機堵機。
    綜上,環模制粒成型技術是一種先進的顆粒成型工藝技術,集成了機械工程、粉體力學等多學科知識,在生物質固化成型、飼料加工等國民經濟重要技術領域應用廣泛。當前,環模制粒成型技術基礎理論體系的不完備嚴重制約了我國相關產業的發展,研究環模制粒機理、技術與裝備對發展清潔能源、促進三農發展、降低環境污染具有非常重要的理論意義與實用價值。
   轉載請注明:河南省富通新能源生物質顆粒機www.ondkmj.live
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