Debido a la menor cantidad de sustancias nocivas como cenizas, nitrógeno y azufre en la biomasa en comparación con la energía mineral, esta posee grandes reservas, buena actividad de carbono, fácil ignición y alto contenido de componentes volátiles. Por lo tanto, la biomasa es un combustible energético ideal y muy adecuado para la combustión, conversión y utilización. Las cenizas residuales tras la combustión de la biomasa son ricas en nutrientes necesarios para las plantas, como fósforo, calcio, potasio y magnesio, por lo que pueden utilizarse como fertilizante para su reincorporación al campo. Dadas las enormes reservas de recursos y las ventajas únicas de la energía renovable de la biomasa, actualmente se considera una opción importante para el desarrollo nacional de nuevas energías en países de todo el mundo. La Comisión Nacional de Desarrollo y Reforma de China ha declarado claramente en el "Plan de Implementación para la Utilización Integral de la Paja de Cultivos durante el XII Plan Quinquenal" que la tasa de utilización integral de la paja alcanzará el 75% para 2013 y se esforzará por superar el 80% para 2015.
Cómo convertir la energía de la biomasa en energía limpia, de alta calidad y conveniente se ha convertido en un problema urgente que debe resolverse. La tecnología de densificación de biomasa es una de las formas efectivas de mejorar la eficiencia de la incineración de energía de biomasa y facilitar el transporte. Actualmente, existen cuatro tipos comunes de equipos de formación densificada en los mercados nacionales e internacionales: máquina de partículas de extrusión en espiral, máquina de partículas de estampado de pistón, máquina de partículas de molde plano y máquina de partículas de molde anular. Entre ellas, la máquina de pellets de molde anular es ampliamente utilizada debido a sus características, tales como la ausencia de necesidad de calentamiento durante el funcionamiento, amplios requisitos de contenido de humedad de la materia prima (10% a 30%), gran producción por máquina, alta densidad de compresión y buen efecto de formación. Sin embargo, estos tipos de máquinas de pellets generalmente presentan desventajas como fácil desgaste del molde, corta vida útil, altos costos de mantenimiento y reemplazo inconveniente. En respuesta a las deficiencias mencionadas de la máquina de pellets de molde anular, el autor ha realizado un nuevo diseño mejorado de la estructura del molde de formación y ha diseñado un molde de formación de tipo conjunto con larga vida útil, bajo costo de mantenimiento y mantenimiento conveniente. Mientras tanto, este artículo realizó un análisis mecánico del molde de conformado durante su proceso de funcionamiento.
1. Diseño de mejora de la estructura del molde de conformado para el granulador de molde anular
1.1 Introducción al proceso de conformado por extrusión:La peletizadora de matriz anular se puede dividir en dos tipos: vertical y horizontal, según la posición de la matriz anular; según la forma de movimiento, se puede dividir en dos formas diferentes de movimiento: rodillo de presión activo con molde anular fijo y rodillo de presión activo con molde anular accionado. Este diseño mejorado está dirigido principalmente a la peletizadora de matriz anular con un rodillo de presión activo y un molde anular fijo como forma de movimiento. Consta principalmente de dos partes: un mecanismo de transporte y un mecanismo de partículas de molde anular. El molde anular y el rodillo de presión son los dos componentes centrales de la peletizadora de matriz anular, con muchos orificios de moldeo de formación distribuidos alrededor del molde anular, y el rodillo de presión está instalado dentro del molde anular. El rodillo de presión está conectado al husillo de transmisión, y el molde anular está instalado en un soporte fijo. Cuando el husillo gira, impulsa el rodillo de presión para que gire. Principio de funcionamiento: En primer lugar, el mecanismo de transporte transporta el material de biomasa triturada a un cierto tamaño de partícula (3-5 mm) a la cámara de compresión. Luego, el motor impulsa el eje principal para hacer girar el rodillo de presión, y este se mueve a velocidad constante para dispersar uniformemente el material entre el rodillo y el molde anular, lo que provoca que el molde anular se comprima y roce con el material, el rodillo de presión con el material y el material con el molde. Durante el proceso de compresión y fricción, la celulosa y la hemicelulosa del material se combinan entre sí. Al mismo tiempo, el calor generado por la compresión y la fricción ablanda la lignina, convirtiéndola en un aglutinante natural, lo que hace que la celulosa, la hemicelulosa y otros componentes se unan con mayor firmeza. Con el llenado continuo de materiales de biomasa, la cantidad de material sometido a compresión y fricción en los orificios del molde de formación sigue aumentando. Al mismo tiempo, la fuerza de compresión entre la biomasa sigue aumentando, y esta se densifica y forma continuamente en el orificio del molde. Cuando la presión de extrusión es mayor que la fuerza de fricción, la biomasa se extruye continuamente desde los orificios de moldeo alrededor del molde anular, formando un combustible de moldeo de biomasa con una densidad de moldeo de aproximadamente 1 g/cm³.
1.2 Desgaste de los moldes de conformado:La producción de una sola máquina peletizadora es alta, con un grado de automatización relativamente elevado y una gran adaptabilidad a las materias primas. Puede utilizarse ampliamente para procesar diversas materias primas de biomasa, siendo adecuada para la producción a gran escala de combustibles densos de biomasa y satisfaciendo los requisitos de desarrollo de la industrialización de estos combustibles en el futuro. Por lo tanto, la peletizadora de molde anular es de uso generalizado. Debido a la posible presencia de pequeñas cantidades de arena y otras impurezas no biológicas en el material de biomasa procesado, es muy probable que se produzca un desgaste significativo en el molde anular de la peletizadora. La vida útil del molde anular se calcula en función de la capacidad de producción. Actualmente, la vida útil del molde anular en China es de tan solo 100-1000 t.
La falla del molde anular ocurre principalmente en los siguientes cuatro fenómenos: ① Después de que el molde anular funciona durante un período de tiempo, la pared interior del orificio del molde de formación se desgasta y la abertura aumenta, lo que resulta en una deformación significativa del combustible formado producido; ② La pendiente de alimentación del orificio de la matriz de formación del molde anular se desgasta, lo que resulta en una disminución de la cantidad de material de biomasa comprimido en el orificio de la matriz, una disminución de la presión de extrusión y un bloqueo fácil del orificio de la matriz de formación, lo que lleva a la falla del molde anular (Figura 2); ③ Después de que los materiales de la pared interior y la cantidad de descarga se reducen drásticamente (Figura 3);
④ Tras el desgaste del orificio interior del molde anular, el espesor de la pared entre las piezas adyacentes del molde L se reduce, lo que disminuye la resistencia estructural del molde anular. Es probable que se produzcan grietas en la sección más crítica, y a medida que estas se extienden, se produce la fractura del molde anular. La principal causa del fácil desgaste y la corta vida útil del molde anular es su estructura inadecuada (el molde anular está integrado con los orificios del molde de conformado). Esta estructura integrada genera los siguientes problemas: en ocasiones, cuando solo unos pocos orificios del molde anular se desgastan y dejan de funcionar, es necesario reemplazar todo el molde anular, lo que no solo dificulta el trabajo de reemplazo, sino que también genera grandes pérdidas económicas y aumenta los costos de mantenimiento.
1.3 Diseño de mejora estructural del molde de conformadoPara prolongar la vida útil del molde anular de la peletizadora, reducir el desgaste, facilitar su sustitución y disminuir los costes de mantenimiento, es necesario rediseñar por completo la estructura del molde anular. En el diseño se utilizó un molde de moldeo integrado, y la estructura mejorada de la cámara de compresión se muestra en la Figura 4. La Figura 5 muestra la vista en sección transversal del molde de moldeo mejorado.
Este diseño mejorado está dirigido principalmente a la máquina de partículas de molde anular con un sistema de movimiento de rodillo de presión activo y molde anular fijo. El molde anular inferior está fijo al cuerpo, y los dos rodillos de presión están conectados al eje principal mediante una placa de conexión. El molde de conformado está integrado en el molde anular inferior (mediante ajuste a presión), y el molde anular superior se fija al molde anular inferior mediante pernos y se sujeta al molde de conformado. Al mismo tiempo, para evitar que el molde de conformado rebote debido a la fuerza después de que el rodillo de presión rodee y se mueva radialmente a lo largo del molde anular, se utilizan tornillos avellanados para fijar el molde de conformado a los moldes anulares superior e inferior respectivamente. Para reducir la resistencia al material que entra en el orificio y facilitar su entrada en el molde, el ángulo cónico del orificio de alimentación del molde de conformado diseñado es de 60° a 120°.
El diseño estructural mejorado del molde de conformado presenta características de ciclos múltiples y una larga vida útil. Tras un periodo de funcionamiento prolongado, la fricción provoca que la abertura del molde se agrande y se desgaste. Al retirar y ampliar el molde desgastado, este puede utilizarse para la producción de partículas de otras especificaciones. Esto permite la reutilización de los moldes y el ahorro en costes de mantenimiento y sustitución.
Para prolongar la vida útil del granulador y reducir los costos de producción, el rodillo de presión utiliza acero de alto contenido de carbono y manganeso con buena resistencia al desgaste, como el 65Mn. El molde de conformado debe ser de acero aleado carburizado o de aleación de níquel-cromo de bajo contenido de carbono, como Cr, Mn, Ti, etc. Gracias a la mejora de la cámara de compresión, la fuerza de fricción que experimentan los moldes anulares superior e inferior durante el funcionamiento es relativamente pequeña en comparación con el molde de conformado. Por lo tanto, se puede utilizar acero al carbono común, como el acero 45, para la cámara de compresión. En comparación con los moldes anulares de conformado integrados tradicionales, se reduce el uso de acero aleado costoso, disminuyendo así los costos de producción.
2. Análisis mecánico del molde de formación de la máquina de pellets de molde anular durante el proceso de trabajo del molde de formación.
Durante el proceso de moldeo, la lignina del material se ablanda completamente debido a la alta presión y temperatura generadas en el molde. Cuando la presión de extrusión no aumenta, el material se plastifica. Tras la plastificación, el material fluye correctamente, por lo que su longitud puede ajustarse a d. El molde se considera un recipiente a presión, lo que simplifica el análisis de las tensiones a las que está sometido.
Mediante el análisis de cálculo mecánico anterior, se puede concluir que para obtener la presión en cualquier punto dentro del molde de conformado, es necesario determinar la deformación circunferencial en dicho punto. Posteriormente, se pueden calcular la fuerza de fricción y la presión en esa ubicación.
3. Conclusión
Este artículo propone un nuevo diseño de mejora estructural para el molde de formación de la peletizadora de molde anular. El uso de moldes de formación integrados reduce eficazmente el desgaste del molde, prolonga su vida útil, facilita su sustitución y mantenimiento, y disminuye los costes de producción. Asimismo, se realizó un análisis mecánico del molde de formación durante su funcionamiento, lo que proporciona una base teórica para futuras investigaciones.
Fecha de publicación: 22 de febrero de 2024