文档库

最新最全的文档下载
当前位置:文档库 > 秸秆燃料挤压成型机的设计

秸秆燃料挤压成型机的设计

目录

1绪论 (3)

1.1设计的目的与意义 (3)

1.2国内外生物质成型机的发展现状 (5)

1.2.1国外发展现状 (5)

1.2.2国内发展现状 (5)

1.3目前主要的成型机类型及其成型方法 (8)

1.3.1活塞式成型机 (8)

1.3.2螺旋式成型机 (9)

1.3.3模压颗粒成型机 (9)

1.4秸秆燃料成型加工技术与装备发展趋势 (9)

1.5秸秆成型技术存在的问题 (10)

1.5.1成型机的问题 (10)

1.5.2成型原料问题 (11)

1.5.3配套设备问题 (11)

2 秸秆燃料挤压成型机的结构及成型原理 (12)

2.1秸秆燃料挤压成型机的结构设计 (12)

2.2秸秆燃料挤压成型机的成型原理 (13)

3主要部件的设计 (15)

3.1电动机的选择 (15)

3.2套筒的设计 (15)

3.2.1套筒结构设计 (15)

3.2.2套筒基本参数的确定 (16)

3.3模头的设计 (16)

3.3.1模头设计的基本原则 (16)

3.3.2模头材料要求 (17)

3.4螺杆的设计 (17)

3.4.1螺杆结构的设计 (17)

3.4.2螺杆基本参数的确定 (17)

3.4.2螺杆的强度校核 (18)

3.5传动装置的设计 (20)

3.5.1设计功率 (20)

3.5.2选取V带型号 (20)

3.5.3确定带轮基准直径 (20)

3.5.4确定中心距a和带的基准长度 (21)

3.5.5验算包角 (21)

3.5.6确定带的根数 (22)

3.5.7定初拉力 (22)

3.5.8计算轴压力 (22)

3.6轴的设计 (22)

3.6.1轴材料的选择 (22)

3.6.2轴径的确定 (23)

3.7轴承的选择 (25)

4结论 (26)

参考文献 (27)

致谢 (29)

秸秆燃料挤压成型机的设计

1绪论

1.1设计的目的与意义

伴随着人类社会的不断进步,在利用资源取得一个又一个的胜利的同时人们惊异地发现:地球母亲能够提供给我们的资源已越来越少了,而且这些资源也自然而然的包括了为我们的生活提供保障的那些能源。这绝对是我们应该重视起来的问题,否则能源问题将带来毁灭性的灾难。因此,为了人类社会持续发展,开发新能源已势在必行[1]。

目前,世界上能源消耗主要是以煤炭、石油和天然气为主的不可再生的化石能源。由于他们的不可再生性,其利用是以消耗地球资源为代价。据统计[2]:目前占全球能源消耗总量近50%的石油和天然气在21世纪中叶将耗尽,而其他常规能源也将随着全球人口的迅速增加、经济的高速发展和人们生活水平的不断提高而逐渐要枯竭,中国的能源状况比起全球的能源状况来就更为严峻了。人类使用能源的无限性与常规能源储量的有限性形成一对尖锐矛盾,而解决这一矛盾的主要办法就是“开源节流”,开源即开辟新的能量源泉,节流即节约常规能源,两者缺一不可。

另外,作为世界主要能源的化石能源在为人类作出巨大贡献的同时,也在严重地破坏人类的生存环境,其主要表现在:排放大量的2SO 和2NO ,而2SO 和2NO 等气体浓度的增加将会对人类的健康造成直接的危害,并产生“温室效应”。另外就是石化能源的燃烧产生大量的粉尘,这也是直接威胁人类健康的。

所以,现在作为新能源出现的可再生能源将是人类社会未来能源的基石,它必将在不久的将来替代石化能源。

可再生能源主要有风能、水能、太阳能和生物质能[3]。其中生物质能是指利用生物质产生的能源,是一种高效和廉价的太阳能浓缩储存方式,是唯一一种可储存和运输的可再生能源,而且由于生物质是指有机物中除化石燃料外的所有来源于动植物并能再生的物质,所以生物质能分布最广,不像风能、水能、太阳能,要受到天气和自然条件的限制,只要有生命的地方即有生物质存在,也就可以利用生物质能。因此,可以说生物质是地球上一个巨大的能源库。

生物质的种类很多,通常包括以下几个方面[4]:一是木材及森林工业废弃物;二是农业废弃物;三是水生植物;四是油料植物;五是城市和工业有机废弃物;六是动物粪便。全世界约有25亿人生活能源的90%以上是生物质能。

生物质能储量大,燃烧容易、污染少,有害成分低,更具特色的是生物质能燃料燃烧所释放出的2

CO大体上相当于其生长时通过光合作用所吸收的2

CO的排放量可以认为是零,甚CO,所以燃用生物质能时2

至有所减少(考虑到燃烧后草木灰中含有大量的23

K CO),这是气、油、煤等常规能源所无法比拟的。因此,生物质能在世界能源结构中占有十分重要的地位,特别是在广大农村和经济不发达地区,生物质能的应用仍占有很大的比例[5]。

目前,欧盟许多国家已经把发展生物质能源作为解决本国就业、替代化石能源和减少大气污染等问题的战略措施来对待。

然而作为生物质的一部分秸杆和颖壳等农业废弃物在我国却仍在被极大的浪费着:我国每年生产秸秆6亿多t,其中大约0.28亿t用于造纸,1.13亿t用作饲料,1.08亿t还田,3.5亿t用作燃料或就地荒烧。当前收获、打捆、运输、储藏、干燥等环节的加工利用水平都比较低。人们虽然对某些环节进行了研究,但没有进行大面积的推广,尤其是在利用农作物秸秆作为煤的替代燃料方面基本上没有成功的模式,这样就导致了近几年出现的大面积荒烧现象,造成每年数亿吨的生物质能源白白浪费,还造成了大气的严重污染,大大加重了政府工作的负担。社会的需求把科学研究推向了研究的前沿,秸秆成型燃料技术的研究就是为适应这种需求而开展的。但是,生物质能也有其缺点——热值及热效率低,体积大,不易运输,直接燃烧生物质的热效率仅为10%~30%,因此作为高效洁净燃料必须加工成型。

生物质致密成型技术就是在这种情况下产生的,他是将各类松散的生物质原料(主要是农作物秸秆、农产品加工废弃物、林木加工废弃物等)用机械加压(加热或不加热)的方法,使原来松散的、没有一定形状的原料压缩成具有一定形状的、密度较大(0.8 ~1.4g/cm3)的成型燃料成型后的原料的热性能要优于木材,热值为14~17 MJ/kg,相当于中质烟煤,可直接燃烧,同时具有黑烟少,火力旺、燃烧充分,不飞灰、干净卫生等优点, 2

NO极微量排放。[6]

SO和2

生物质固化成型燃料具有加工简单、成本较低、便于储存和运输、易着火、燃烧性能好、热效率高的优点,可作为炊事、取暖的燃料,也可以作为工业锅炉和电厂的燃料。对生物质能源资源丰富的贫油、贫煤国家来说,生物质能源必将成为一种发展前景非常可观的替代能源。

中国作为一个迅速崛起的发展中农业大国,在保护环境的前提下,要实现国民经济的持续增长,必须改变传统的能源利用和能源生产方式,开发利用生物质资源,生产清洁能源是一项必然的选择。作为人类传统燃料的农作物秸秆,是来源于太阳能的一种可再生能源,具有资源丰富含碳量低的特点,加之在其生长过程中吸收大气中的CO2而成为碳元素的汇(Sink)而被称为清洁能源[。近年来随着农业生产经济水平

的不断提高,农村生活用能中高品位的商品能源的比例增加,秸秆所占的比重正逐步下降。燃烧秸秆成为被替代的对象,田间地头或田间焚烧的秸秆量逐年增加,这种污染在收获季节集中排放,使得短时间内大气质量严重恶化,成为一个严重的社会问题。本课题主要研究了废弃的农作物秸秆转化为高品位的能源,替代部分煤炭、石油等化石燃料,来提高农民的收入,缓解农村能源紧张的局面,从而实现农村能源的可持续发展。开发利用生物质能对中国农村更具特殊意义。中国80%人口生活在农村,秸秆和薪柴等生物质能是农村的主要生活燃料。尽管煤炭等商品能源在农村的使用迅速增加,但生物质能仍占有重要地位。1998年农村生活用能总量3.65亿吨标煤,其中秸秆和薪柴为2.07亿吨标煤,占56.7%。因此发展生物质能技术,为农村地区提供生活和生产用能,是帮助这些地区脱贫致富,实现小康目标的一项重要任务。由上述可知,生物质成型技术是我们目前必须加紧研究的重大课题,而且需要我们去努力解决的问题还非常多。

1.2国内外生物质成型机的发展现状

1.2.1国外发展现状

从20世纪30年代美国开始了压缩成型燃料技术的研究,并研制了螺旋压缩机至今共有包括:日本、西德、意大利、丹麦、法国、德国、瑞典、瑞士、比利时,泰国、印度、越南、菲律宾、南非等国家先后加入了生物质成型技术的研究行列。目前这些国家生物质成型燃料技术己基本成熟,并进入了规模化生产及应用阶段[7]。并且一些机型极具代表性,如:比利时研制成功的T117型螺旋压块机,其主要性能为:压块燃料的出模温度180℃,轴向压缩力大于686kN,压块的移动速度1700~2500mm/min,耗能量45~55kWh/t,压块燃料的低位热值18~

19.7MJ/kg,燃料外表面有一层自然纤维保护膜。还有就是联邦德国研制的KAHI系列压粒机可生产直径为3~40mm的压缩粒,所用电机的功率为20~400kW,能耗为15~40kWh/t。泰国、印度、菲律宾等国80

年代研制成的加粘结剂的生物质压缩成型机等。

1.2.2国内发展现状

而我国是在20世纪80年代引进螺旋挤压式生物质成型机后开始参与生物质压缩成型技术的研究开发的,至今已有二十多年的历史,并且取得了明显成果,如:清华大学清洁能源研究与教育中心已开发出生物

质颗粒燃料冷成型技术和设备,并在北京怀柔区组织了示范项目,环境科学与工程系也有相关研究。浙江大学生物机电工程研究所能源清洁利用国家重点实验室也在生物质成型理论、成型燃料燃烧技术等方面进行了研究。国内部分厂家生产的成型机信息见表1-2[9]。

表1-2我国生物质致密成型设备的主要性能指标

研究单位与生产单位产品型号

规格

台/年

生产率

kg/h

电耗kwh/t

江苏省连云港市东海粮食机械厂OBM-88 150 120 120.5 陕西省武功县轻功机构厂SX-7.5,11 200 85~150 100 广西林市安无机械炭机械厂150 120 100

河北正定厂宏木炭设备制造厂JD-A 150 120 100 西北农业大学能源研究室SZJ-8A 80 71.4 江苏林产化学工业研究室HD 120 100 辽宁省能源研究所产业基地200 100 110~130 中国农机院能源动力所SYJ-35 50~100 83.3 江苏盯治国营九三O五厂HD型100 110~130 102.9 河南农业大学HPB-Ⅲ型100 60~80 39.78~47.9 1)螺旋挤压技术

螺旋挤压成型技术是目前生产生物质成型燃料最常用的技术,尤其

是以机制炭为最终产品的用户,大都选用螺旋挤压成型机。

1990年,通过实施国家“七五”公关项目“木质棒状(螺旋挤压)

成型机的的开发研究”工作,国内建立了第一条年产1000吨棒状成型

燃料生产线;1993年前后,国内一部分企业和有关省的农村能源办公

室从日本、中国台湾、比利时、美国引进了近20条生物质压缩成型生

产线,这些生产线基本上都是采用螺旋挤压式,大多数是以木屑为原料,

生产“炭化”燃料棒状成型燃料的形状为直径50mm左右、长度450mm

左右,横截面为圆形或六角形,每根重约1kg,用于蒸发量 1000kg/h

工业锅炉或民用炉灶。

螺旋挤压成型技术的优点:

(1)成品密度高。以木屑、稻壳、麦草等为原料,国内生产的几种螺旋

挤压式成型机加工的成型棒料的密度1100-1400kg/3

m.

(2)成品质量好、热值高,更适合再加工成为炭化燃料、

螺旋挤压成型技术的缺点是:

(1)产量低。目前国产设备的最高台时产量不到150kg/h,距离规模化

生产的产量要求相差较大。

(2)能耗高。粉料在螺旋挤压成型前先要经过电加温预热,挤压成型过

程的吨料电耗就在90kw*h/t以上。

(3)易损件寿命短。国产设备主要工作部件螺杆的最高寿命不超过500h,距离国际先进水平1000h以上还有不小的距离。

(4)原料要求苛刻。螺旋挤压成型机采用连续挤压,成型温度通常在

-280

220之间,为了避免成型过程中原料水分的快速汽化造成成型块?

C

的开裂和“放炮”现象的发生,一般要将原料含水率控制在8%-12%之间,所以对有的物料要进行预干燥处理,增加了加工成本。这一点,对于移动式的成型燃料加工系统来说也许是一个致命伤,因此与螺旋挤压成型工艺相衔接还需要配套的烘干机。

2)活塞冲压技术

这种技术的优点是成型密度较大,允许物料水分高达20%左右。但因为是油缸往复运动,间歇成型,生产率不高,产品质量不太稳定,不

SiO 适宜炭化。活塞式的成型模腔容易磨损,一般100h要修1次,有的含

2少的生物质材料可维持300h。

2003年,通过实施科技部“秸秆压块成型燃料产业化生产的可行性研究”项目,开发了液压驱动式秸秆成型机,该设备采用活塞套筒双向挤压间歇成型。生产率为400kg/h;吨料电耗为60kw*h/t左右。

3)辊模挤压技术

生物质颗粒燃料的辊模挤压成型技术是在颗粒饲料生产技术基础上发展起来的,两者的主要区别在于纤维性物料含量的多少和成型密度的高低。用辊模挤压式成型机生产颗粒成型燃料一般不需要外部加热,依靠物料挤压成型时产生的摩擦热,即可使物料软化和黏合。对原料的含水率要求较宽,一般在10%-40%之间均能成型。其成型最佳水分为18%左右,相比于螺旋挤压和活塞冲压而言,辊模挤压成型法对物料的适应性最好。因此,国内一些生产秸秆颗粒饲料的企业在生产颗粒饲料的同时也生产颗粒燃料,以提高设备的利用率。

目前国内一些知名的饲料机械企业,在环模制粒机和平模制粒机的设计、制造方面,已积累了丰富的经验,某些方面已达到世界先进水平。在生物质颗粒成型燃料加工机械的研发方面也进行了多年的探索,并取得了可喜的成绩。

(1)环模挤压成型技术。1994年-1998年,通过实施国家林业局“林业剩余物制造颗粒成型燃料技术研究”项目,成功开发了以木屑和刨花为主要原料的颗粒燃料成型机,当时产量在250kg/h,成型燃料产品的规格为直径6mm,长8-15mm,颗粒密度>1000kg/m,其热值为20096.7Kj/kg左右。产品质量达到日本“全国燃料协会”公布的颗粒成型燃料标准的特级或一级。但是由于当时在材料和加工工艺等方面的原因,主要易损件环模在面对粗纤维物料时暴露出了使用寿命短的缺陷。使用成本高成为环模式制粒机难以在生物质成型燃料领域大面积推广的重要原因。但是,该项目的开展,为我国辊模挤压成型燃料技术的

发展打下了良好的基础。

(2)平模挤压成型技术。由于在平模制造工艺水平和主要加工物料对象方面与国外的差距等原因,以前国内在对平模式制粒机的研究方面不够深入,国内能生产的最大平模直径只有400mm.2000年,通过实施农业部引进国际先进农业科学技术项目“秸秆颗粒饲料加工技术与设备引进”,在引进国际上著名的德国卡尔公司的38-780型大型平模制粒机的基础上,结合我国实际,又进行了多处技术改进和创新。研制的具有自主知识产权的SZLP-780型平模制粒机的主要技术参数为:颗粒直径12mm;生产能力:2100kg/h;吨粒耗电量:31Kw*h/t;颗粒成型率:94%;颗粒成型密度:9203

kg;平模直径:780mm.

/m

与其他生物质成型颗粒加工技术相比,大型平模式制粒机的优点在于:

(1)原料适应性广。

(2)产量大。

(3)吨粒耗电低。

(4)辊模寿命长。

(5)成型密度可调。

2004年,一些发电企业利用SZLP-780型平模制粒机生产的颗粒燃料来发电,(配套电机为75KW电机)进行了以棉杆为原料的制粒试验,当成型颗粒密度在1100kg/3

m

m时,产量达到1300kg/3

但总体来看,目前,我国的生物质固化成型装备在设备的实用性、系列化、规模化上还是不足,距估计先进水平还有不小的差距。这一问题以成型机最为突出,表现在生产率低、成型能耗高、主要工作部件寿命短、机器故障率多、费用高等方面。

1.3目前主要的成型机类型及其成型方法

目前世界各地的成型机主要有两种:压块和颗粒成型机。根据成型原理的不同可分为:活塞成型机、螺旋式成型机和模压颗粒成型机。1.3.1活塞式成型机

按驱动动力的不同可分为两类:一类是用发动机或电动机通过机械传动驱动的称为机械驱动活塞式成型机;另一类是用液压机构驱动的称为液压驱动活塞成型机[14]。这两类成型机的成型过程是靠活塞的往复运动实现的。其进料、压缩和出料都是间歇进行的,即活塞往复运动一次可以形成一个压块,在成型套内压块之间被紧密挤在一起,但其端面之间的连接不牢固。因此,当压块从成型机的出口被挤出时,一般在重力的作用下自行分离。根据压缩室末端有无挡板又分为开式和闭式两种。

闭式柱塞压块依靠压缩室末端的挡板形成挤压阻力,压块形成后再开启挡板排出,这种机构不需要很大的挤压力,消耗能量较少;开式成型机依靠被压缩物与压缩室壁之间的摩擦力和锥形压模形成挤压阻力实现原料的压缩成型,这种形式的成型机出料方便,不需要特殊的挤出成型块机构和动作。

1.3.2螺旋式成型机

根据成型过程中粘结机理的不同可分为加热和不加热两种形式。一种是先在物料中加入粘结剂,然后在锥型螺旋输送器的压送下,压在原料上的压力逐渐增大,到达压缩喉口时物料所受的压力最大。物料在高压下体积密度增大,并在粘结剂的作用下成型,然后从成型机的出口处被连续挤出。另一种是在成型套筒上设置加热装置,利用物料中的木质素受热塑化的粘结性,使物料成型[15]。此类成型机最早被研制开发,也是目前各地推广应用较为普遍的一种机型。

1.3.3模压颗粒成型机

根据压模型形状的不同可分为:平板模颗粒成型机和环板模颗粒成型机,其中环模成型机根据其结构布置方式又可分为立式和卧式两种形式。由于立式环模成型机具有压模易更换、保养方便、易进行系列化设计等优点而成为现有颗粒成型机的主流机型,其生产率可达1-3t/h。卧式环模成型机的压模和压辊的轴线都为垂直设置,生产率可达

500-800kg/h。平板模颗粒机的工作原理是平板上有4-6个辊子,辊子随轴作圆周运动,并与平模板间有相对运动,原料在辊子和模板间受挤压,多数原料被挤入模板孔中,切割机将挤出的成型条按一定的长度切割成粒。

1.4秸秆燃料成型加工技术与装备发展趋势

进入二十一世纪以来,人们愈加感觉到石化能源渐趋枯竭,在对可持续发展、保护环境和循环经济的追求中,世界开始将目光聚焦到了可再生能源与材料,“生物质经济”已浮出水面。以生物能源和化工产品为主的生物质产业正在兴起,引起了世界各国政府和科学家的关注。许多国家都制定了相应的计划,如日本的“阳关计划”,美国的“能源农场”,印度的“国家战略行动”等、2005年“可再生能源法”在我国正式颁布实施,所有这些,也预示着各国在包括生物质成型燃料开发在内

的生物质技术领域的竞争进入一个白热化时代。

虽说生物质产业是世界发展之大势和新兴的朝阳产业,但其当前成本与价格尚难与石油基本产品竞争,这一点对于成型燃料来说,表现得尤其明显。因此,以降低生产成本为目的,寻找技术上的创新、突破,成为生物质燃料领域最大的命题。降低颗粒燃料的吨料能耗、降低设备的使用成本,也成为目前所追求的最大目标。

在生物质固化成型技术装备研究、开发方面,国内外发展总的趋势是:装备生产专业化、产品生产批量扩大化、生产装备系列化和标准化。尤其国内则在设备实用性、系列化上下功夫,不断降低成本并提高技术水平,为21世纪大规模开发利用生物质能提供必要的技术储备。

(1)秸秆成型燃料加工技术向实用、高效、低成本方向发展

秸秆成型燃料加工技术能否在生产中得以广泛应用,与技术本身的实用性、效率的高低、使用成本的多少有着密不可分的关系。因此,今后秸秆成型燃料加工技术的发展将以实用、高效、低使用成本为方向。在实用性方面将以冷成型压缩技术为主,在高效和低使用成本方面将以平模式压制技术为主。

(2)秸秆成型燃料加工设备向可移动、自动化方向发展

我国农作物秸秆资源丰富,分布分散,集中在固定场地加工,运输成本过高,经济性较差,不利于农作物秸秆成型燃料加工技术的推广和应用。因此,秸秆成型燃料加工设备必须具有可移动性,以方便千家万户使用。同时,由于秸秆成型燃料加工设备使用对象的文化水平参差不齐,这就要求秸秆成型燃料加工设备应能实现自动化,使用者只需完成简单的原料供给工作,就能完成秸秆成型燃料加工。总之,今后秸秆成型燃料加工设备的发展将以产品规格系列化、产品质量优质化、性能价比合理化、生产加工标准化为方向,实现秸秆成型燃料加工过程的连续化、自动化,为推动我国农作物秸秆资源化利用,商品化生产,提供技术和装本支撑。

1.5秸秆成型技术存在的问题

虽然,秸秆成型机的研制目前已初具规模,但要真正实现产业化,还有一些技术障碍亟待解决。

1.5.1成型机的问题

目前大部分机组可靠性能差,运行不平稳,易损件使用寿命太短,维修和更换不方便。技术较成熟的螺旋挤压式成型机的螺杆寿命极其有限,由于物料的压缩是靠螺杆和出料套筒配合完成的,螺杆的几何尺寸