（机械电子工程专业论文）生物质燃料颗粒成型机的研究与试验.pdf

哈尔滨工程大学硕士学位论文 摘要 能源危机和环境污染是全球面临的共同难题，世界各国已经将发展可再 生能源作为重要工作来抓。生物质能一直是人类赖以生存的重要能源，它仅 次于煤炭、石油和天然气而居于世界能源消费总量的第四位，在整个能源系 统中占有重要地位。它具有可再生、清洁、无公害等优点，因此越来越受到 人们的广泛关注。但是，由于生物质燃烧方式与利用途径单一、陈旧，生物 质能源燃烧效率低，甚至部分粮食土产区出现秸秆就地焚烧现象，造成生物 质资源浪费，加重化石燃料利用带来的污染。为此，生物质能转换技术的研 究受到各方面的重视，其中固化成型技术可将生物质压缩成致密的、可替代 煤的优质燃料。生物质致密成型燃料具有成本较低、便于储存运输、燃烧性 能好、热效率高的优点，对生物质能源丰富的贫油、贫煤国家来说，可成为 一种发展前景可观的替代能源。 目前，众多成型机的相关技术设备研究严重滞后，始终存在很多问题没 有解决。本文的研究目的是以节能、低成本为出发点，通过对常温高压致密 成型影响因素及成型机理的研究，找出使成型效果较好的影响因素的参数范 围，探讨成型机理。针对出现的各种问题，进行理论分析，做出改进设计， 设计出一种新型成型机。全文共分为4 个部分： ( 1 ) 本论文经过分析以前各种成型机械的优点及不足之处，通过实验找 到生物质成型的合适条件，依据研究所得的成型理论设计出了新型的成型 机。该成型机的机械设计部分由方案选择、带传动设计、减速器选型和关键 部件设计等几部分组成。 ( 2 ) 对生物质成型机的关键部件环模进行了静强度有限元分析，对 主要设计尺寸进行了优化分析。 ( 3 ) 本文介绍了交流变频调速的发展概况，分析了其基本原理，阐述了 正弦脉, 宽调n ( s p w m ) 和空间电压矢量( s v p w m ) 的基本原理，给出了变频调 速系统的控制方案。 ( 4 ) 通过对生物质原料成型机理的研究，确定影响其成型效果的主要因 素，然后对多种原料进行常温高压致密成型实验，通过改变原料颗粒大小、 成型压力及含水率等影响成型效果因素的水平，得出合适的工艺参数，为生 哈尔滨工程大学硕士学位论文 物质燃料常温高压致密成型设备的设计及工艺参数优化等提供理论依据。 总之，本研究的成果及方法为生物质燃料常温高压致密成型技术的推广 发展提供了理论依据，为生物质成型燃料的商业化推广奠定了基础。 关键词：生物质成型燃料：成型机理；生物质常温成型机 哈尔滨工程大学硕士学位论文 i_ i a bs t r a c t e n e r g yc r i s i sa n de n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o na l ec o m i n o np r o b l e m sf a c e db y t h ew o r l d ，t h ew h o l ew o r l dh a st a k e nt h er e p r o d u c i b l ee n e r g yd e v e l o p m e n ta sa l l i m p o r t a n tt a s k b i o e n e r g yh a s b e e nt h e i m p o r t a n te n e r g y t h a tt h em a n k i n d d e p e n d e do nf o re x i s t e n c ea l lt h et i m e ，i ti ss e c o n do i l l yt 0t h ec o a l ，p e t r o l e u m ， n a t u r a lg a sa n do c c u p yt h ef o u r t hi nt h ee n e r g y c o n s u m i n gg e n e r a lq u a n t i t yo ft h e w o d d ，h a v et h ei m p o r t a n tp o s i t i o ni nt h ew h o l ee n e r g ys y s t e m t h ea d v a n t a g e s u c ha sb e i n gr e n e w a b l e ，e n v i r o n m e n t f r i e n d l ya n dc l e a nt h a ti th a s ，m a k e si t b e e np a i dc l o s ea t t e n t i o nb ym o r ea n dm o r ep e o p l ei nr e c e n ty e a r s h o w e v e r , d u e t ot h ev e r yl o we f f i c i e n c yo f b i o m a s sa n dd a t e dm e a n so f b i o m a s s ，t h em a j o r i t yo f t h e ma r eb u r n e do ns p o tw h i c hr e s u l t s i ns e r i o u se n v i r o n m e mp o l l u t i o na n d b i o m a s sr e s o u r c e sw a s t e 讯r e f o r e ，g r e a ta t t e n t i o n sh a v eb e e np a i dt ot h e t e c h n i q u e so fc o n v e n i n ga g r i c u l t u r a lw a s t ei n t oh i g h - g r a d ef u e l s t h et e c h n o l o g y o f c o n v e n i n ga g r i c u l t u r a lw a s t ei n t os t r a wd e n s i f i c a t i o nb r i q u e t t i n go fh i g h - g r a d e a n dh i g hd e n s i t yh a sb e e nl u c u b r a t e d b i o m a s ss o l i d i f y i n gt e c h n o l o g yh a st h e m e r i t ss u c ha sc o s tl o w , d e p o s i t e da n dt r a n s p o r t e df a c i l i t y , g o o dc o m b u s t i b i l i t y a n dh i 曲t h e r m a le f f i c i e n c y t h eb i o e n e r g yw o u l dh a v eg r e a tp r o s p e c ti nt h e c o u n t r i e sw h i c ha led e f i c i e n tw i t hp e t r o l e u ma n dc o a l a tp r e s e n t , t h er e l a t e dt e c h n i q u ea n de q u i p m e n tr e s e a r c ho ft h eb i o m a s s s o l i d i f y i n gm a c h i n ei ss e r i o u sl a g t h e r ea r el o t so fp r o b l e m sn o tt os o l v ea b o u t t h e m t h ep u r p o s eo ft h i ss t u d yi sf i n d i n go u tt h ep a r a m e t e rs c o p eo fs o l i d i l y i n g f a c t o r s ，a n dg r o p i n gf o rs o l i d i f y i n gp r i n c i p l e ，w h i c ht a k ee n e r g ye f f i c i e n c y , l o w - c o s ta ss p r i n g b o a r d t h r o u g ht h es t u d yo r lp r e s e n tq u e s t i o n s ，t h ep a p e r a n a l y z e da n dd e s i g n e dan e wb r i q u e r t i n gm a c h i n e ，i ti sc o n s i s t e do ff o u rp a r t s b e l o w ： ( 1 ) 1 1 1 ep a p e ra n a l y z e se a c hk i n do ft h ee x i s t e db i o m a s sb r i q u e t t i n g m a c h i n e st h em e r i t sa n dt h ed e f i c i e n c i e s ，f i r s tf i n d t h ea p p r o p r i a t ec o n d i t i o n t h r o u g ht h ee x p e r i m e n t t h e nd e s i g naf l e wb i o m a s sb r i q u e t t i n gm a c h i n e 砀e m a c h i n ed e s i g np a r t i a li sc o m p o s e db yt h ec h o i c ef o rt h ep l a n ，t h ed e s i g no fb e l t t r a n s m i s s i o n ，d e s i g n i n gs o m ek e yp a r t sa n ds oo n 哈尔滨工程大学硕士学位论文 ( 2 ) s o m ek e yp a r t so f t h eb i o m a s sb r i q u e t t i n gm a c h i n ea l ea n a l y z e db ys t a t i c s t r e n g t hf e a ，a n ds o m ed e s i g ns i z e sa l eo p t i m i z e d ( 3 ) t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h eb a s et h e o r ya n dc o r r e l a t i v ei n f o r m a t i o no fa c v a r i a b l ef r e q u e n c ys p e e d - a d j u s t i n g , t h eb a s i ct h e o r yo fs i n ep u l s ew i d t h m o d u l a t i o n ( s p w m ) a n ds p a c e v e c t o rp u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ( s v p w m ) i s e x p a t i a t e ，a n dt h i sp a p e rp r e s e n t s c o n t r o l s t r a t e g i e s o fv f s p e e d a d j u s t i n g s y s t e m ( 4 ) t h r o u g ht h es t u d yo nb i o f u e ls h a p i n gm e c h a n i s m ，w e w i l lf r e dt h em a i n f a c t o r t h e nm a k ee x p e r i m e n to nl o t so fm a t e r i a l s ，b yc h a n g i n gi t sv a r i a b l e ss u c h a ss i z e ，s h a p i n gp r e s s u r ea n dm o i s t u r ec o n t e n t , e t c ，w ew i l ld r a wt h es u i t a b l e c r a f tp a r a m e t e r a l lt h es t u d i e sw eh a v ed o n ew o u l dp r o v i d et h e o r e t i c a lb a s i sf o r e q u i p m e n td e s i g na n do p t i m i 勉t i o no fp r o c e s sp a r a m e t e r s i naw o r l d ，t h i sr e s e a r c hw i l l p r o v i d et h e o r e t i c a l f o u n d a t i o nf o rt h e d e v e l o p m e n to fb i o m a s ss o l i d i f y i n gt e c h n o l o g yw i t hh i g hp r e s s u r eo nn a t u r a l c o n d i t i o n s ，a n db ea d v a n t a g e o u st ot h ec o m m e r c i a l i z a t i o no fb i o f u e l s k e y w o r d s ：b i o m a s sb r i q u e t t i n g , s o l i d i f y i n gp r i n c i p l e ，b i o m a s ss o l i d i f y i n g m a c h i n eo l ln a t u r a lc o n d i t i o n 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导 下，由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文 献的引用己在文中指出，并与参考文献相对应。除文中已 注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已 经公开发表的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到 本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ：丛婆运 日期：幼1 5 7 萨孑月仰日 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 生物质燃料颗粒成型机研发的目的和意义 1 1 1 缓解世界能源短缺问题 据世界能源委员会( w e c ) 和国际应用系统分析研究所( h a s a ) 分析，虽然 全球化石能源最终可采储量至少还可供人类使用1 0 0 年，但开采成本较低的 储量将在2 1 世纪后期耗尽。我国石油资源的保证前景十分严峻，据专家分 析，国内石油产量估计2 0 2 0 年前后达到峰值，产量每年约1 8 亿吨，此后逐 渐下降，到2 0 5 0 年降到不足1 亿吨，而届时石油需求将达5 亿吨以上。我 国现有重点煤矿区一级经济储量( 交通、地质和开采条件优良) 仅5 0 0 亿吨1 。 因此，化石能源资源紧张将成为能源供应的一个重要问题。 能源是经济发展的血液，它的供应能力和供应状况直接影响经济的发展。 但是基于能源资源的条件，在我国以煤炭为主的能源供应格局将在相当长的 时期内不会发生根本性的改变，而且以煤的直接燃烧为主，为此带来了沉重 的环境压力。这对以煤炭为主的能源消费、能源发展及能源结构优化提出了 严峻的挑战闭。为了保证能源安全供应，改善环境，促进经济社会的可持续 发展，根据我国的能源资源情况，在我国开发利用新能源和可再生能源具有 其必然性。从长期的能源发展战略角度来审视，新能源和可再生能源的开发 与利用，是“零”排放或“低 排放的技术，这是未来可持续发展型能源结 构的基础。因此开发新能源和可再生能源，特别是把它们转化为高品位能源， 因地制宜，多能互补，对我国社会、经济和生态环境协调发展具有重要意义。 能源的开发和利用给科技、经济、环境和人类文明的发展均带来了巨大 潜力。除了己列为主要商品能的煤、石油、天然气和电能以外，可以认为生 物质是人类利用历史最长、覆盖面最广的太阳能转换物质。化石能源资源的 开发利用对环境造成的影响和能源资源匮乏对社会经济发展带来的潜在危 机是当今世界面临的严峻问题。近1 0 0 年来，全球能源消耗平均每年以3 的速度递增p 1 。针对化石能源资源越来越少的前景，农村可再生能源资源开 1 哈尔滨二 程大学硕+ 学位论文 发利用却有着挖掘不尽的巨大潜力。生物质能的广泛利用在多次世界性石油 危机中被重新认识和发展。欧盟1 9 9 8 年公布的能源战略自皮书宣布：到2 0 5 0 年可再生能源在欧盟成员国能源结构供应中将达到5 0 1 美国和日本也宣布， 2 1 世纪的能源增长主要考虑可再生能源；部分发展中国家如印度、印度尼西 亚和巴西等也把可再生能源发展作为能源发展的一个重要方面，纳入了国家 能源发展的基本政策之中h 。 中国是一个发展中国家，也是一个农业大国，有7 0 的人口居住在农村， 人口众多，能源消费水平低，能源供求矛盾一直十分突出。中国的国情不允 许农村社会发展沿用西方国家高投入、高耗能、高产出的路子，只能走节能 型的社会发展模式，这是世界公认的发展趋势。在农村，生产用能源需要供 应商品能源，而相当大的一部分生活用能要依靠当地的自然能源来解决。大 多数农村可供利用的自然资源主要是生物质能、太阳能、水能和风能。其中 以生物质能表现为资源量大，覆盖面较广，而又适合农村分散用能的要求， 而且就地转换方便，利用方式方便。生物质能传统的利用方式简单，具有投 资少、见效快等优点，特别在发展中国家的广阔农业区，它在可再生能源中 占有极重要的位置。 1 1 2 有利于环境保护 随着经济的快速发展，对矿物燃料的过分依赖，能源尤其矿物能源消耗 逐年增加，我国环境污染问题日趋严重。2 0 0 1 年我国二氧化碳排放量达到 3 0 亿吨，占全球排放量的1 3 ，居世界第二位。中国不仅需要调整能源结构， 还必须开发新的能源利用途径，加速我国新型工业化道路和全面实现小康社 会的进程。国家十五计划提出“推行生物质能高效利用技术，加快生物质成 型和高效直接燃烧设备的开发利用”。因此，充分开发利用生物质能源势在 必行，是对我国能源短缺的补充，是改善农村居民生活环境的有效途径，是 关系到国家能源安全的紧迫课题。我国农村，秸秆资源十分丰富，但由于缺 乏有效的利用方式，利用率很低，绝大部分农作物秸秆因得不到有效利用而 就地焚烧于农田，浪费资源、污染环境、威胁交通安全、破坏土壤结构蹬1 ， 给社会生活和经济发展造成了一定程度的负面影响。利用生物质成型设备与 技术将废弃能源转化为优质商品燃料，不仅减轻了化石能源消耗对环境的污 2 哈尔滨工程大学硕士学位论文 染，并且能够有效避免秸秆随地焚烧所带来的土壤板结、空气质量恶化等问 题。我国每年可开发的生物资源达7 亿吨，如果能充分开发，这对保护我国 能源资源，减少对石化燃料的依赖，改善能源结构，最终缓解能源消耗给环 境造成的压力具有重要的意义。 1 1 3 有利于社会主义新农村的建设 中华人民共和国国民经济和社会发展第十一个五年规划纲要中第二 篇为“建设社会主义新农村”，提出要发展现代农业，增加农民收入，改善 农村面貌。这充分说明了国家对“三农”问题的重视。 生物质成型技术的广泛应用能使随意丢弃或焚烧的秸秆转化为清洁、环 保、高品位的生物质商品能源，改变农村原来直接燃用秸秆、薪柴所带来的 烟熏火燎的炊事和取暖局面。直接燃烧利用方式比较落后，不仅热效率低下， 而且劳动强度大，污染严重，不能满足生产和生活对高品位能源的需要峥1 。 压缩成型之后提高了能源品位，缓解了农村能源紧张问题，改善了农村卫生 环境，提高了农民生活质量；另一方面可直接使农民增加收入。以每户农民 耕种5 亩地，每亩耕地产秸秆0 5 吨，每吨秸秆销售1 2 0 元计算，每户每年 即可以增加收入3 0 0 元。所以说生物质成型技术是符合目前国家农村政策的 一项重要技术，应该大力发展。 1 2 生物质燃料颗粒成型机国内外发展状况 生物质压缩成型技术，是将各种生物质资源包括锯末、秸秆、稻壳等农 林废弃物通过加压、加热由原来的松散原料压缩成具有一定形状和密度的成 型燃料的技术【7 1 。生物质压缩成型技术的应用与发展，是因为一般农作物秸 秆都具有疏松、密度小、单位体积热值低等缺点，作为燃料使用很不方便。 这是造成人们不愿用秸秆作为燃料的主要原因之一。秸秆生物质成型技术不 仅能有效地解决这一问题，而且能有效地改变秸秆的燃烧特性。原料挤压成 型后，密度可达o 8 1 3 t m 3 ，能量密度与中质煤相当，燃烧特性明显改善， 火力持久，黑烟少，炉膛温度高，且储存、运输和使用方便，干净卫生，可 代替矿物能源用于生产和生活领域伟1 。因此，作为生物质转化的重要手段和 方法，压缩成型技术越来越受到人们的重视。 3 哈尔滨工程大学硕士学位论文 生物质燃料颗粒的生产和使用，在发达国家和地区正在蓬勃发展，在国 内也已引起了高度的重视。由于生物质的可再生性，以及低硫、低氮、少灰、 零二氧化碳排放等优良特性，木质颗粒燃料的生产和使用在欧洲、北美、日 本等地已有3 0 多年的历史，现在的年生产和消费量已达到8 0 0 万吨以上， 主要用作民用和工业锅炉燃料，进行供热，甚至发电。 生物质颗粒燃料的生产技术主要有两种方式，一种是热压缩挤压成型技 术，另一种是高压模腔成型技术。热压缩成型工艺一般由原料预处理干 燥加温挤压冷却几个环节组成，其中挤压技术常采用螺杆模孔 挤压成型，或压辊环模孔挤压成型，或对辊环模挤压成型。这种工艺的 设备多，系统复杂，能耗高，燃料生产成本高。另一种技术流派是采用对模 腔加载高压，使模腔内的生物质原料受压成型的技术，一般用液压作动力， 推动活塞，给成型模具加压，压制块状或棒状燃料。这种工艺的压力高达10 0 m p a ，能耗大，模具的磨损严重，生产效率低，燃料的燃烧速率比颗粒燃料 低。上述无论哪种工艺，都要求进入压缩设备的粉状原料的含水率为1 0 2 0 。因为需要对原料进行集中干燥，因此生产设备是固定的，采用工厂化 生产方式。 为了克服生物质颗粒燃料成型设备系统复杂、能耗高的缺点，国内外近 些年来在生物质的成型技术方面作了艰苦的探索性研究。虽然我国辽宁能源 所、西北农大、河南农大、南京林科所、广州林科所等机构对生物质固化成 型燃料的开发已有2 0 多年的历史，但是没有突破国际上主流技术的框框。 国能惠远生物质能发展有限公司与清华大学合作，率先研制了一种生物 质常温压缩颗粒成型技术( 国外称其为“冷成型”技术) ，在国际上最先突破 了上述“热成型”工艺的限制，以比较简单的工艺流程和设备就能将农作物 秸杆、林业废弃物加工成颗粒燃料，并在国内外申报了发明专利，形成了由 我国自主创新的、具有自主知识产权的原创性成果。 1 2 1 国内生物质燃料成型机的研究现状 中国从2 0 世纪8 0 年代引进螺旋推进式秸秆成型机，生物质压缩成型技 术的研究开发已有二十多年的历史。南京林业化工研究所在“七五期间设 立了关于生物质压缩成型机及生物质成型理论研究的课题。湖南省衡阳市粮 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 食机械厂为处理大量加工粮食剩余谷壳，于1 9 8 5 年根据国外样机试制了第 一台z t - 6 3 型生物质压缩成型机。江苏省连云港市东海粮食机械厂于1 9 8 6 年引进了一台o b m 一8 8 棒状燃料成型机如图1 1 。1 9 9 8 年初，东南大学、江 苏省科技情报所和国营9 3 0 5 厂研制出了m d 一1 5 型固体燃料成型机。1 9 9 0 年 以后，陕西武功轻工机械厂、河南巩义包装设备厂、湖南农村能源办公室以 及河北j e 定县常宏木炭公司等单位先后研制和生产了几种不同规格的生物 质成型机和碳化机组。2 0 世纪9 0 年代期间河南农业大学和中国农机能源动 力研究所分别研究出p b 一1 型机械冲压式成型机、h p b 系列液压驱动活塞式 成型机、c y j 一3 5 型机械冲压式成型机。 图1 1 棒状燃料成型机 经过多年的研究与试验，国内部分成型设备及其配套产品发展成熟。但 国产成型加工设备在引进及设计制造过程中，都不同程度地存在着技术及工 艺方面的问题，这就有待于去深入研究探索、试验、丌发。总之在我国未来 的能源消耗中，生物质成型燃料将占有越来越大的份额。生物质成型燃料在 我国一些地区己进行批量生产，并形成研究、生产和开发的良好势头，生物 质压块成型生产线的组建也会逐步完善。 5 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1 2 2 国外生物质燃料成型机的研究现状 国外生物质成型机的主要方式有四种即颗粒成型机、螺杆连续挤压成型 机、机械驱动活塞式成型机和液压驱动活塞式成型机”。螺旋挤压式成型机 是最早研制生产的生物质热压成型机。这类成型机以其运行平稳、生产连续、 所产成型棒易燃( 由于其空心结构以及表面的炭化层) 等特性，在成型机市场 中尤其是在印度、泰国、马来西亚等东南亚国家和我国一直占据着主导地位。 但制约螺旋式成型机商业化利用的主要技术问题一个是成型部件，尤其是螺 杆磨损严重，使用寿命短；另一个是单位产品能耗高1 。 日本从2 0 世纪3 0 年代就开始研究应用机械驱动活塞式成型技术处理木 材废弃物，并于1 9 5 4 年研制出棒状燃料成型机及相关的燃烧设备，1 9 8 3 年 又从美国引进颗粒成型燃料生产技术”。美国在1 9 8 9 年开发了生物质颗粒及 成型燃烧设备如图12 所示：亚洲一些国家( 泰国、印度、韩国、菲律宾等) 在2 0 世纪8 0 年代己建立了不少生物质固化、碳化专业生产厂，并研制出相 关的燃烧设各。日本、美国及欧洲一些国家生物质成型燃料燃烧设备己经定 型，并且形成产业化，在加热、供暖、干燥、发电等领域已普遍推广应用”； 西欧一些国家( 荷兰、瑞典、比利时、芬兰、丹麦等) 在2 0 世纪7 0 年代已有 了活塞式成型机、颗粒成型机及配套的燃烧设各。 图1 2 生物质颗粒机 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1 3 生物质燃料颗粒成型工艺研究 生物质成型技术发展至今，己开发了许多种成型工艺和成型机械。根据 主要工艺特征的差别，可将这些工艺从广义上分为：湿压成型、热压成型和 炭化成型4 1 。 1 3 。1 湿压成型工艺 纤维类原料经定程度的腐化后，会损失定能量。但是与般风干原 料相比，其挤压、加压性能会有明显改善。通常情况下，将原料在常温下浸 泡数日，即可使其湿润皱裂并部分降解。这种方法常用于纤维板的生产，但 也可以利用简单的杠杆和木模将腐化后的农林废弃物中的水分挤出，压缩成 燃料块。菲律宾一家研究机构的试验结果表明，这类机组的生产率可以达到 l t h ，在2 5 的含水率条件下，燃料的平均热值约为2 3 k j k g ，该类燃料在当 地被称为“绿色炭或“绿色燃料州坫1 ，在燃料市场上具有一定的竞争能力。 1 ，3 2 热压成型工艺 热压成型是目前普遍采用的生物质压缩成型工艺。其工艺过程一般可分 为原料粉碎、干燥混合、挤压成型和冷却包装等几个环节。由于原料的种类、 粒度、含水率、成型压力、成型温度、成型方式、成型模具的形状和尺寸以 及生产规模等因素对成型工艺过程和产品的性能都有一定的影响，所以具体 的生产工艺流程以及成型机结构和原理也有一定的差别，但是在各种成型方 式中，挤压成型作业都是关键的作业步骤州。 1 。3 3 碳化成型工艺 碳化成型工艺的基本特征是，首先将生物质原料碳化或部分碳化，然后 再加入一定量的粘结剂挤压成型。由于原料的纤维结构在碳化过程中受到破 坏，高分子组份受热裂解转换成炭并释放出挥发份( 包括可燃体、木醋液和 焦油等) ，因而其挤压加工性能得到改善，成型部件的机械磨损和挤压加工 过程中的功率消耗明显降低”n 。但是，碳化后的原料在挤压成型后维持既定 形状的能力较差，贮存、运输和使用时容易破碎，所以采用碳化成型工艺时， 一般都要加入一定量的的粘结剂3 1 。如果在成型过程中不使用粘结荆，要保 证成型块的贮存和使用性能，需要有较高的成型压力，这将明显提高成型机 7 哈尔滨工程大学硕士学位论文 的造价。从成型燃料的热值、环保性及总体造价方面考虑，目前较多地应用 热压成型工艺。 1 4 本课题研究的主要内容 本文以生物质燃料颗粒机为研究实体，通过对比大量同类产品，结合国 内外相关技术，设计出较为实用的生物质燃料颗粒机。本文主要研究内容如 下： ( 1 ) 生物质燃料颗粒机的总体设计。论述了该机所选的传动方案，确定 了电机、减速器以及皮带的具体参数，对压辊和环模进行了具体设计，最后 确定了主机的具体结构形式。 ( 2 ) 生物质燃料颗粒成型机的环模设计。本章对环模材料和热处理工艺 的选择进行了详细说明，对设计环模的各个参数进行了详细论述，最后对所 设计的环模进行了有限元分析。 ( 3 ) 生物质燃料颗粒成型机控制系统设计。本章简述了变频调速原理， 介绍了本文设计成型机控制系统的基本原理。 ( 4 ) 生物质燃料颗粒成型机的试验。通过具体试验，得出了本次设计的 生物质燃料颗粒成型机对环模线速度以及对物料含水率的要求，为新的设计 提供了可靠依据。 8 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第2 章生物质燃料颗粒成型机总体设计 2 1 生物质燃料颗粒成型机技术指标的确定 目前国内外市场上的颗粒燃料均采用热压缩成型工艺( 颗粒成型温度在 2 3 0 c 左右) 力n - r 而成，但利用热成型工艺加工颗粒燃料，会损失一部分的生 物质能量，污染环境，并不理想的颗粒燃料成型工艺。本文突破传统思想， 利用冷压缩成型工艺来加工生物质燃料，确定本次设计的颗粒燃料成型机的 技术指标如下： ( 1 ) 整机功率：4 5 k w 。 ( 2 ) 产能：8 0 0 k g h 。 ( 3 ) 颗粒直径：, 6 r n m 。 ( 4 ) 颗粒密度o0 8 - - 1 3 t m 3 。 ( 5 ) 颗粒成型温度：小于1 0 0 。 为实现冷压缩成型工艺加工生物质颗粒燃料，确定本次设计的成型机具 体传动方案为：电动机通过皮带带动减速器，减速器通过联轴节与主轴相连， 环模通过平键固定在主轴上。环模再通过物料带动压辊被动转动。该种传动 方案有如下好处：首先，通过调整皮带轮的大小，可以方便地调节环模转数； 其次，通过主轴拖动环模，其机械结构简单，传动路线短，功率损耗低；最 后，通过环模与压辊的滚动挤压出物料，使摩擦力降到最低，有利于提高产 量，降低吨电耗。具体传动路线见图2 1 。 图2 1生物质燃料颗粒成型机传动方案图 2 2 异步电动机型号的选择 三相交流电源容易获得，因此本次设计的生物质燃料颗粒成型机动力源 采用三相异步电动机。由于该生物质燃料颗粒成型机对电动机无特殊的要求， 9 哈尔滨工程大学硕士学侍论文 因此本次设计选用最常用的y 系列笼型三相交流异步电动机，其具有效率高， 工作可靠，结构简单，维修方便，价格低等优点。具体参数见表2 1 。 表2 1交流异步电动机参数表 电机型号y 2 2 5 m - 4 额定功率4 5 k w 额定电压 3 8 0 v 额定转数 14 7 0 r m i r z 额定电流8 4 a 2 3 减速器的选择 减速器是原动机和工作机之间的独立的闭式传动装置，用来降低转速和 增大转矩，以满足工作需要，在某些场合也用来增速，称为增速器。 减速器的种类很多，按照传动类型可分为齿轮减速器、蜗杆减速器和行 星减速器以及它们互相组合起来的减速器；按照传动的级数可分为单级和多 级减速器；按照齿轮形状可分为圆柱齿轮减速器、圆锥齿轮减速器和圆锥一 一圆柱齿轮减速器；按照传动的布置形式又可分为展开式、分流式和同轴式 减速器”9 1 。 由于生物质燃料颗粒成型机工作条件恶劣，要求减速器输出扭距大，因 此本次采用国茂g k f 系列减速器。该减速器由两级斜齿轮和一级弧齿锥齿 轮构成。具体参数见表2 2 。 表2 2国茂g k f l 2 7 减速器参数表 减速器型号g k f l 2 7 输出转速5 3 r ，m i n 输出转距7 6 7 7 n m 传动比2 7 8 3 许用径向载荷5 1 4 9 0 n 使删系数】，6 电机极数 4 p 质量 7 8 0 k g l o 哈尔滨下程大学硕+ 学位论文 2 4 皮带的选择 1 确定计算功率 p c a = 尸杨= 4 5 x 1 1 = 4 9 5 k w( 1 - 1 ) 式中：畅工况系数，取1 1 尸额定功率，k w 肠计算功率，k w 2 选取v 带带型 选取s p b 型窄v 带。 3 确定带轮基准直径 为提高v 带寿命，条件允许的情况下小带轮直径尽量取较大值【冽。选取 小带轮直径d a l = 2 2 4 m ，大带轮直径d d 2 = 2 2 4 m m 。 4 验算带速 亿d l n l3 1 4 x 2 2 4 x 1 4 7 0 净旦盟=1丽=1723ms(2-2)60 x10006 0 1 0 0 0 积= 3 5 m s ，满足设计要求。 5 确定窄v 带的基准长度和中心距 根据0 7 ( d d ，+ 如) 匈f 7 1 2 0 0 主动轮上的包角满足要求。 9 计算窄v 带的根数z z = ( 即p p c 丽a = 而筹丽：4 5 4 取z r - 5 根。 式中：包角修正系数，选取屹= 1 瓦带长修正系数，选取k l = 0 9 2 1 0 计算预紧力f o f o = 5 0 0 铬( 誉一，) 舻 刊o旦(罕一，)+o2x172317235 2 弓0 0 l t - 1 ) + 0 z ( 2 5 ) ( 2 6 ) _ 4 9 0 n ( 2 - 7 ) 1 1 计算作用在轴上的压轴力昂 疗， 18 0 0 昂= 2 z f os i n 了v - 1 = 2 x 5 x 4 9 0 xs i n _ = 4 9 0 0 n( 2 - 8 ) 二二 2 5 压辊的总体设计 2 5 1 压辊与压辊轴的结构设计 对于生物质燃料颗粒成型机来说，压辊是主要易损件之一，其寿命的长 短直接影响到颗粒燃料生产成本，因此对压辊合理设计、提高使用寿命有着 重要的意义。生物质颗粒燃料成型机在造粒的过程中要求压辊与环模之间保 持一定的间隙，一方面是使物料进入模孔，另一方面避免环模和压辊直接接 触。该间隙随物料类型的不同而变，一般保持在0 1 5 m m 左右，而造粒过程 中，物料对压辊和环模的磨损恰恰使这一间隙经常改变，因此要求压辊能够 】2 哈尔滨工程大学硕士学位论文 调整偏心，这样可以补偿磨损，提高压辊寿命。基于此理论，本次设计选择 压辊轴材料为4 0 c r ，调制处理，表面硬度为h b 3 5 0 ：压辊材料选择为 2 0 c r m n t i ，表面采取渗碳热处理工艺，渗碳后硬度为h r c 5 2 - - 5 4 。为使机 器产能达到设计要求，通过理论计算确定压辊直径为1 6 5 r a m ，压辊数量为4 个；确定环模直径为6 0 0 r a m 。 2 5 2 压辊轴承的选择 本次设计压辊轴承选用既可以承受径向力又可以承受轴向力的圆锥滚 子轴承；其型号为3 3 2 1 1 。设定轴向游隙时必须考虑热膨胀。采用x 型配置 方式时，温度升高总是使轴承游隙减小；采用o 型配置方式时，有三种不同 的情况：当滚动圆锥顶点，即轴承外圈滚道延长线与轴承中心线的交点重合 时，轴承游隙不受热膨胀的影响；当两轴承距离较近，滚子圆锥顶点互相交 错，轴承轴向游隙会随热膨胀的增加而减小；当轴承距离较大时，滚子圆锥 顶点不相交，轴承轴向游隙会随着热膨胀的增加而增大。 由于生物质燃料颗粒成型机在工作时，压辊、环模与物料相互摩擦和挤 压，产生大量的热。这些热量势必引起压辊轴系和轴承游隙的变化，因此在 设计时必须加以考虑。由于压辊轴较短，因此无论轴承采用哪种安装方式， 在受热的状态下都会使轴承轴向游隙减小。考虑到加工和安装结构简单，本 次设计的一对圆锥滚子轴承采用x 型布置方式，在装配时保证轴承的轴向游 隙为0 1 5 m m 。具体结构见图2 2 。 1 3 哈尔滨工程大学硕士学位论文 图2 2 压辊轴系图 2 6 环模的结构设计 环模是颗粒机的关键零件，是颗粒机的最主要易损件。根据统计，环模 损耗费占整个生产车间维修费的2 5 以上，同时对挤压出来的颗粒饲料质量 有着直接的影响。因此，了解环模的特性并对环模进行正确的选用、合理的 使用以及有效的保养，对于颗粒生产者来说是至关重要的。本次设计中，环 模材料为4 2 c r m o ，淬火后表面硬度为h r c 5 4 5 8 ，环模内经为6 0 0 m m ，线 速度为1 5 r n s ，压缩比为5 ，孔形结构如图2 3 。 1 4 ! 笪查薹三垒奎兰些圭兰堡鎏兰 0 6 3 0 图2 3 环模孔形结构 27 主机的结构设计 生物质燃料颗粒成型机结构形式多种多样，国内外也各不相同，根据结 构形式，有立式( 如图24 ) 、卧式( 如图25 ) 和平模( 如图26 ) 三种。 图2 4 立式生物质燃料颗粒机 1 5 鉴兰薹三垒奎兰堡圭兰篁兰圣 图2 5 卧式生物质燃料颗粒机 图2 6 平模生物质燃料颗粒机 但经过实际调研，在国内还没有任何一个厂家能提供町靠连续运行的设 备。本文所设计的生物质燃料颗粒成型机完全突破传统设计，采用立式中心 1 6 哈尔滨丁程大学硕士学位论文 传动结构，由环模转动，通过介质带动压辊转动来实现造粒。此种结构传动 简单，结构可靠，通过合理确定环模和压辊的直径，以及电动机的功率和转 数，确保了该机的产能和工作温度，在实际运行中表现良好。具体结构形式 如图2 7 。 上盖 压棍 行星板压板导料块环模 图2 7 生物质燃料颗粒成型机机头结构简图 2 8 本章小结 本章从生物质燃料颗粒成型机的总体传动方案出发，确定了电机功率、 颗粒直径、压辊和环模直径以及环模的转数。通过主要部件具体参数的确定， 使得设计的技术指标得以满足。该机在实际运行中，较为理想，各个技术指 标均达到了设计要求。 1 7 哈尔滨工程大学硕+ 学位论文 第3 章生物质燃料颗粒成型机的环模设计 环模是生物质燃料颗粒成型机的关键零件之一，对挤压出来的颗粒质量 有着直接的影响。同时，环模也是颗粒燃料成型机的最主要易损件之一，价 格不菲，根据统计，环模损耗费占整个生产车间维修费的2 5 以上。其质量 的好环和质量是否稳定，直接影响环模的使用寿命和颗粒燃料成型机的产量 以及颗粒的质量，从而影响颗粒燃料加工的生产成本。因此，了解环模的特 性并对环模进行正确的设计、合理的使用以及有效的保养，对于燃料颗粒生 产来说是至关重要的。 3 1 环模材料和热处理工艺的选择 目前，国内外环模生产商加工环模主要使用以下三类材料：碳素结构钢、 合金结构钢和不锈钢。碳素结构钢如4 5 钢，其热处理硬度一般为h r c 4 5 5 0 ，它属于比较低档的环模材料，其耐磨性和耐腐蚀性都较差；合金结构钢， 如2 0 c r m n t i 、4 0 c r 、3 5 c r m o 等，热处理硬度在h r c 5 0 以上，并具有良好 的综合力学性能，由此类材料制造的环模强度高，耐磨性也好，但缺点是耐 腐蚀性不好；不锈钢材料有4 c r l 3 、3 c r l 3 等，这些材料的刚度和韧性都较 好，热处理硬度大于h r c 5 0 ，并具有良好的耐磨性和耐腐蚀性，使用寿命较 长( 2 l 】o 在常用环模材料加工工艺中，常见的热处理方法有正火、调质、淬火、 渗碳、渗氮。要针对不同的环模材料，综合考虑这些热处理方法的特点，进 而安排于机加工工序之间。 正火是将环模加热到氏l 或氏m 3 0 - - 5 0 以上，保温一段时间( 4 5 分钟 至9 0 分钟) 后，在空气中冷却。正火处理的冷却速度比退火处理的冷却速度 快些，得到的组织要细一些，且生产效率也要高些。因此，常用正火处理来消 除前一道工序所带来的各种组织或性能上的缺陷，消除内应力，为下一道工 序作组织准备。在环模加工工艺中，正火处理一般安排在锻造之后或粗加工 之前，也有安排在精车之前。经正火处理后的环模，切肖0 性能有所改善，并 18 哈尔滨丁程大学硕士学位论文 能适当地改善加工后表面光洁度田1 。 调质是将环模加热到a 。3 或a 。z 3 0 c - - 5 0 c 以上，保温一段时间( 4 5 分钟 至9 0 分钟) 后，迅速冷却( 淬油) 后，再高温回火。调质的目的是获得较高的 强度和韧性相配合的综合机械性能，特别是保持环模心部的综合机械性能。 在环模加工工艺中，一般安排在精车，扩孔之前或粗加工之后；也可以安排 在渗氮之前，为最终热处理准备良好的组织。对于中碳优质结构钢和合金结 构钢，要注意淬火与高温回火的时间间隔不宜过长，否则，因环模的复杂结 构而可能造成环模的热处理裂纹。 淬火是将环模加到a c 3 或& l 以上3 0 c 5 0 c ，保温一段时间( 4 5 分钟 至9 0 分钟) 后，快速冷却。常用的冷却介质为水和油。在水中的冷却速度比 在油中快些。如在水中加入o 1 5 o 3 0 的聚乙烯醇，其冷却介于水和 油之间，可得到较好的热处理组织。淬火一般安排在扩孔后或磨削加工之前， 可作最终热处理工艺。 渗碳是向环模模孔表面和内环表面渗入碳原子，形成较高硬度、较严密 的碳铁化合物组织，以提高模孔和内环表面的硬度，提高其耐磨性，从而提 高环模的使用寿命。渗碳主