Do hàm lượng các chất độc hại như tro, nitơ và lưu huỳnh trong sinh khối thấp hơn so với năng lượng khoáng sản, nên sinh khối có đặc điểm là trữ lượng lớn, hoạt tính carbon tốt, dễ bắt lửa và hàm lượng các thành phần dễ bay hơi cao. Vì vậy, sinh khối là một loại nhiên liệu năng lượng rất lý tưởng và rất phù hợp cho việc chuyển hóa và sử dụng bằng phương pháp đốt cháy. Tro còn lại sau khi đốt sinh khối rất giàu chất dinh dưỡng cần thiết cho cây trồng như phốt pho, canxi, kali và magiê, nên có thể được sử dụng làm phân bón để bón lại cho đất. Với trữ lượng tài nguyên khổng lồ và lợi thế tái tạo độc đáo của năng lượng sinh khối, hiện nay nó được coi là một lựa chọn quan trọng cho sự phát triển năng lượng mới quốc gia của các nước trên thế giới. Ủy ban Phát triển và Cải cách Quốc gia Trung Quốc đã nêu rõ trong "Kế hoạch thực hiện sử dụng tổng hợp rơm rạ trong Kế hoạch 5 năm lần thứ 12" rằng tỷ lệ sử dụng tổng hợp rơm rạ sẽ đạt 75% vào năm 2013 và phấn đấu vượt 80% vào năm 2015.
Làm thế nào để chuyển đổi năng lượng sinh khối thành năng lượng chất lượng cao, sạch và tiện lợi đã trở thành một vấn đề cấp bách cần giải quyết. Công nghệ nén sinh khối là một trong những cách hiệu quả để nâng cao hiệu quả đốt sinh khối và tạo điều kiện thuận lợi cho vận chuyển. Hiện nay, trên thị trường trong và ngoài nước có bốn loại thiết bị tạo hình nén phổ biến: máy ép đùn xoắn ốc, máy ép đùn piston, máy ép đùn khuôn phẳng và máy ép đùn khuôn vòng. Trong đó, máy ép viên khuôn vòng được sử dụng rộng rãi do các đặc điểm như không cần gia nhiệt trong quá trình hoạt động, yêu cầu rộng về độ ẩm nguyên liệu (10% đến 30%), sản lượng máy đơn lớn, mật độ nén cao và hiệu quả tạo hình tốt. Tuy nhiên, các loại máy ép viên này thường có những nhược điểm như khuôn dễ bị mòn, tuổi thọ ngắn, chi phí bảo trì cao và khó thay thế. Để khắc phục những nhược điểm trên của máy ép viên khuôn vòng, tác giả đã thiết kế lại hoàn toàn cấu trúc khuôn tạo hình, thiết kế một loại khuôn tạo hình có tuổi thọ cao, chi phí bảo trì thấp và bảo trì thuận tiện. Đồng thời, bài báo này cũng tiến hành phân tích cơ học khuôn tạo hình trong quá trình hoạt động.
1. Thiết kế cải tiến cấu trúc khuôn tạo hình cho máy nghiền hạt dạng vòng
1.1 Giới thiệu về quy trình ép đùn:Máy ép viên dạng vòng có thể được chia thành hai loại: đứng và nằm ngang, tùy thuộc vào vị trí của vòng ép; Theo hình thức chuyển động, nó có thể được chia thành hai hình thức chuyển động khác nhau: con lăn ép chủ động với vòng ép cố định và con lăn ép chủ động với vòng ép dẫn động. Thiết kế cải tiến này chủ yếu nhằm vào máy ép viên dạng vòng với con lăn ép chủ động và vòng ép cố định làm hình thức chuyển động. Nó chủ yếu bao gồm hai phần: cơ cấu vận chuyển và cơ cấu ép viên dạng vòng. Vòng ép và con lăn ép là hai thành phần cốt lõi của máy ép viên dạng vòng, với nhiều lỗ khuôn được phân bố xung quanh vòng ép, và con lăn ép được lắp đặt bên trong vòng ép. Con lăn ép được nối với trục truyền động, và vòng ép được lắp đặt trên giá đỡ cố định. Khi trục quay, nó dẫn động con lăn ép quay. Nguyên lý hoạt động: Đầu tiên, cơ cấu vận chuyển vận chuyển vật liệu sinh khối đã được nghiền thành kích thước hạt nhất định (3-5mm) vào buồng nén. Sau đó, động cơ truyền động trục chính để làm quay con lăn ép, và con lăn ép chuyển động với tốc độ không đổi để phân tán đều vật liệu giữa con lăn ép và khuôn vòng, khiến khuôn vòng bị nén và ma sát với vật liệu, con lăn ép ma sát với vật liệu, và vật liệu ma sát với nhau. Trong quá trình ép ma sát, cellulose và hemicellulose trong vật liệu kết hợp với nhau. Đồng thời, nhiệt lượng sinh ra do ép ma sát làm mềm lignin thành chất kết dính tự nhiên, giúp cellulose, hemicellulose và các thành phần khác liên kết chặt chẽ hơn. Với việc liên tục bổ sung vật liệu sinh khối, lượng vật liệu chịu nén và ma sát trong các lỗ khuôn tiếp tục tăng lên. Đồng thời, lực ép giữa sinh khối tiếp tục tăng, và nó liên tục được nén chặt và hình thành trong lỗ khuôn. Khi áp suất ép đùn lớn hơn lực ma sát, sinh khối được ép đùn liên tục từ các lỗ khuôn xung quanh khuôn vòng, tạo thành nhiên liệu sinh khối có mật độ đúc khoảng 1g/cm³.
1.2 Sự hao mòn của khuôn đúc:Máy ép viên dạng vòng có sản lượng lớn, độ tự động hóa tương đối cao và khả năng thích ứng mạnh mẽ với nguyên liệu. Nó có thể được sử dụng rộng rãi để chế biến nhiều loại nguyên liệu sinh khối khác nhau, phù hợp với sản xuất nhiên liệu sinh khối dạng đặc quy mô lớn và đáp ứng các yêu cầu phát triển công nghiệp hóa nhiên liệu sinh khối dạng đặc trong tương lai. Do đó, máy ép viên dạng vòng được sử dụng rộng rãi. Tuy nhiên, do có thể có một lượng nhỏ cát và các tạp chất phi sinh khối khác trong nguyên liệu sinh khối được chế biến, nên rất dễ gây mài mòn đáng kể cho vòng ép của máy. Tuổi thọ của vòng ép được tính toán dựa trên công suất sản xuất. Hiện nay, tuổi thọ của vòng ép ở Trung Quốc chỉ từ 100-1000 tấn.
Sự hỏng hóc của khuôn vòng chủ yếu xảy ra ở bốn hiện tượng sau: ① Sau một thời gian hoạt động, thành trong của lỗ khuôn tạo hình bị mòn và đường kính tăng lên, dẫn đến biến dạng đáng kể của nhiên liệu được tạo thành; ② Độ dốc cấp liệu của lỗ khuôn tạo hình của khuôn vòng bị mòn, dẫn đến giảm lượng vật liệu sinh khối được ép vào lỗ khuôn, giảm áp suất ép đùn và dễ làm tắc nghẽn lỗ khuôn tạo hình, dẫn đến hỏng khuôn vòng (Hình 2); ③ Sau khi vật liệu thành trong bị mòn và lượng vật liệu thải ra giảm mạnh (Hình 3).
④ Sau khi lỗ bên trong của khuôn vòng bị mòn, độ dày thành giữa các mảnh khuôn liền kề L trở nên mỏng hơn, dẫn đến giảm độ bền kết cấu của khuôn vòng. Các vết nứt dễ xuất hiện ở phần nguy hiểm nhất, và khi các vết nứt tiếp tục lan rộng, hiện tượng gãy khuôn vòng sẽ xảy ra. Nguyên nhân chính dẫn đến việc khuôn vòng dễ bị mòn và tuổi thọ ngắn là do cấu trúc không hợp lý của khuôn vòng tạo hình (khuôn vòng được tích hợp với các lỗ khuôn tạo hình). Cấu trúc tích hợp của hai bộ phận này dễ dẫn đến những kết quả như vậy: đôi khi chỉ cần một vài lỗ khuôn tạo hình của khuôn vòng bị mòn và không thể hoạt động được nữa, toàn bộ khuôn vòng cần phải được thay thế, điều này không chỉ gây bất tiện cho công việc thay thế mà còn gây lãng phí kinh tế lớn và làm tăng chi phí bảo trì.
1.3 Thiết kế cải tiến cấu trúc khuôn đúcĐể kéo dài tuổi thọ của khuôn vòng máy ép viên, giảm mài mòn, tạo điều kiện thuận lợi cho việc thay thế và giảm chi phí bảo trì, cần phải thực hiện thiết kế cải tiến hoàn toàn mới về cấu trúc của khuôn vòng. Khuôn ép nhúng đã được sử dụng trong thiết kế, và cấu trúc buồng nén được cải tiến được thể hiện trong Hình 4. Hình 5 cho thấy mặt cắt ngang của khuôn ép được cải tiến.
Thiết kế cải tiến này chủ yếu hướng đến máy dập hạt khuôn vòng với hình thức chuyển động con lăn ép chủ động và khuôn vòng cố định. Khuôn vòng dưới được cố định trên thân máy, và hai con lăn ép được nối với trục chính thông qua một tấm nối. Khuôn tạo hình được gắn chìm trên khuôn vòng dưới (sử dụng phương pháp lắp ghép chặt), và khuôn vòng trên được cố định trên khuôn vòng dưới bằng bu lông và kẹp chặt vào khuôn tạo hình. Đồng thời, để ngăn khuôn tạo hình bị bật trở lại do lực tác động sau khi con lăn ép lăn qua và di chuyển theo hướng tâm dọc theo khuôn vòng, các vít chìm được sử dụng để cố định khuôn tạo hình vào khuôn vòng trên và khuôn vòng dưới tương ứng. Điều này nhằm giảm lực cản của vật liệu khi vào lỗ và giúp việc đưa vật liệu vào lỗ khuôn dễ dàng hơn. Góc côn của lỗ cấp liệu của khuôn tạo hình được thiết kế là từ 60° đến 120°.
Thiết kế cấu trúc cải tiến của khuôn tạo hình có đặc điểm là sử dụng được nhiều chu kỳ và có tuổi thọ cao. Khi máy tạo hạt hoạt động trong một thời gian, sự hao mòn do ma sát làm cho lỗ khuôn tạo hình trở nên lớn hơn và bị thụ động hóa. Khi khuôn tạo hình bị mòn được tháo ra và mở rộng, nó có thể được sử dụng để sản xuất các loại hạt tạo hình có kích thước khác. Điều này giúp tái sử dụng khuôn và tiết kiệm chi phí bảo trì và thay thế.
Để kéo dài tuổi thọ của máy nghiền và giảm chi phí sản xuất, con lăn ép sử dụng thép cacbon cao mangan cao có khả năng chống mài mòn tốt, ví dụ như 65Mn. Khuôn tạo hình nên được làm bằng thép hợp kim cacbon hóa hoặc hợp kim niken crom cacbon thấp, chẳng hạn như chứa Cr, Mn, Ti, v.v. Do sự cải tiến của buồng nén, lực ma sát tác động lên khuôn vòng trên và dưới trong quá trình hoạt động tương đối nhỏ so với khuôn tạo hình. Do đó, thép cacbon thông thường, chẳng hạn như thép 45, có thể được sử dụng làm vật liệu cho buồng nén. So với khuôn vòng tạo hình tích hợp truyền thống, nó có thể giảm việc sử dụng thép hợp kim đắt tiền, từ đó giảm chi phí sản xuất.
2. Phân tích cơ học khuôn tạo hình của máy ép viên dạng vòng trong quá trình hoạt động của khuôn tạo hình.
Trong quá trình tạo hình, lignin trong vật liệu được làm mềm hoàn toàn do môi trường áp suất và nhiệt độ cao được tạo ra trong khuôn đúc. Khi áp suất ép đùn không tăng, vật liệu trải qua quá trình hóa dẻo. Vật liệu chảy tốt sau khi hóa dẻo, do đó chiều dài có thể được đặt là d. Khuôn tạo hình được coi như một bình chịu áp lực, và ứng suất trên khuôn tạo hình được đơn giản hóa.
Thông qua phân tích tính toán cơ học nêu trên, có thể kết luận rằng để xác định áp suất tại bất kỳ điểm nào bên trong khuôn tạo hình, cần phải xác định biến dạng chu vi tại điểm đó bên trong khuôn tạo hình. Sau đó, có thể tính toán lực ma sát và áp suất tại vị trí đó.
3. Kết luận
Bài báo này đề xuất một thiết kế cải tiến cấu trúc mới cho khuôn tạo hình của máy ép viên dạng vòng. Việc sử dụng khuôn tạo hình nhúng có thể giảm thiểu hiệu quả sự mài mòn khuôn, kéo dài tuổi thọ khuôn, tạo điều kiện thuận lợi cho việc thay thế và bảo trì, đồng thời giảm chi phí sản xuất. Cùng lúc đó, phân tích cơ học đã được thực hiện trên khuôn tạo hình trong quá trình hoạt động, cung cấp cơ sở lý thuyết cho các nghiên cứu tiếp theo trong tương lai.
Thời gian đăng bài: 22/02/2024