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aj白绿凯尔特人介绍: 環模制粒成型技術的國內外研究現狀 木屑顆?;鷟秸稈顆?;鷟秸稈壓塊機|木屑制?;鷟生物質顆?;鷟富通新能源 / 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?;? src=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?;峁共問災屏I實撓跋?,陳炳偉指出,環模和壓輥的結構參數對環模制?;納視跋旌艽?,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?;納?。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?;納視牖紡5淖倜揮醒細竦惱幢裙叵?,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?;坑牖紡O咚俁戎浯嬖詮盞?,即對應特定的物料,制?;捎煤俠淼南咚俁瓤墑溝彌屏2孔畬??;紡1礱嬋茁史矯?,高放研究表明,環??茁手苯佑跋斕街屏;納?,理論上,環模表面的開孔率越大,制?;納試礁?,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??茁?。輥模間隙也影響到環模制?;納?,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???,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?;實難芯客?,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?;?,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?;惺褂們懈鈄?,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??梢越屑笆鋇囟ㄏ蚯懈?,有助于效率的提高;某公司提出了兩種高效率制?;夯紡:脫構蹩賞弊鬧屏;┖退紡D謚檬街屏;?,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?;鮒昧四諢紡?,在內環模壁上同樣設有若干徑向的???,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?;惺褂霉擁乃慊紡@叢鑾炕紡F@頹慷?,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?;墻街換紡0滄霸謚鞅歡嶸?,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?;涸諢萇仙柚昧俗笥一幕?,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?;猩柚盟椒胖玫男鐾?,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?;芎?、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、??壯嘰?、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?;哪芎牡撓跋?,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??字械牧?,降低制?;哪芎?,但木屑的保壓時間對擠壓力及制?;哪芎撓跋觳幻饗?;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??梢韻災亟檔湍芎?;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?;捎孟嘞蛐⑼馇械乃紡?,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??撞灰錐氯?,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??壯雋峽?,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?;問爸屏9ひ詹問鑰帕V柿康撓跋旖辛俗凼?,為制粒參數的選擇提供了參考。
    Obidzinskir54]應用實驗型制?;芯苛酥屏;峁共問ɑ紡f軱徑長度、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?;屏9探醒芯?,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?;雜跋煨÷蠡仔途圃憧帕V柿康南喙匾蛩兀ㄋ趾?、溫度和環??壯嘰紓┙辛聳笛檠芯?,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?。┒蚤祥髦μ蹩帕5鬧柿浚芏群湍途瞇裕┑撓跋?,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?;誦形榷?,關鍵部件可靠性高。從制?;導試誦星榭隼純?,我國制?;嘍雜詮饌嗖范砸廊淮嬖詮丶考褂檬倜?,振動、噪聲大等問題。作為環模制?;丶考?,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?;紡S胙構醯氖問揭越峁蠱蘋島凸饒ニ鷂?,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??椎淖羆殉ぞ侗任?: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?;紡=辛司仍睪珊頭薔仍睪傻撓邢拊治?,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??準費構探辛朔掄娣治?,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?;紡J形辛搜芯?,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??啄詒詒諍穹⑸浠?,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??椎牡饒ニ鷯嘔P?;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??椎畝氯笆鼻謇?,否則不僅影響制?;納?、顆粒質量,還會影響制?;氖褂檬倜?;姚修偉指出,提高環模的開孔率可以很大程度上提高制?;納?,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?;姆闌藍碌確矯?。目前研究成果主要是在制?;峁狗矯娼猩杓坪透慕?,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?;祿?。
    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?;?、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。
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