Grâce à sa faible teneur en substances nocives telles que les cendres, l'azote et le soufre, comparée à celle des énergies minérales, la biomasse présente d'importantes réserves, une bonne activité du carbone, une combustion facile et une forte teneur en composés volatils. De ce fait, elle constitue un combustible énergétique idéal, particulièrement adapté à la combustion et à son utilisation. Les cendres résiduelles issues de sa combustion sont riches en nutriments essentiels aux plantes, comme le phosphore, le calcium, le potassium et le magnésium, et peuvent donc être utilisées comme engrais. Compte tenu de ses vastes réserves et de ses atouts uniques en tant qu'énergie renouvelable, la biomasse est aujourd'hui considérée comme une option majeure pour le développement des énergies nouvelles à l'échelle nationale. La Commission nationale du développement et de la réforme de Chine a clairement indiqué, dans son « Plan de mise en œuvre pour l'utilisation intégrale de la paille de récolte durant le 12e plan quinquennal », que le taux d'utilisation intégrale de la paille atteindrait 75 % d'ici 2013 et s'efforcerait de dépasser les 80 % d'ici 2015.
La conversion de l'énergie biomasse en une énergie propre, de haute qualité et facilement accessible est devenue un enjeu crucial. La technologie de densification de la biomasse est une solution efficace pour améliorer le rendement de l'incinération et faciliter le transport de cette énergie. Actuellement, quatre types d'équipements de densification sont couramment utilisés sur les marchés nationaux et internationaux : l'extrusion spirale, le pressage par piston, la granulation par moule plat et la granulation par moule annulaire. Parmi eux, la granuleuse à moule annulaire est largement répandue grâce à ses caractéristiques : fonctionnement sans chauffage, tolérance à une large gamme d'humidité de la matière première (10 % à 30 %), rendement élevé, forte densité de compression et qualité de formage. Cependant, ce type de granuleuse présente généralement des inconvénients : usure rapide du moule, durée de vie limitée, coûts de maintenance élevés et remplacement difficile. Pour pallier ces défauts, l'auteur a conçu une nouvelle version améliorée du moule, offrant une longue durée de vie, des coûts de maintenance réduits et une maintenance aisée. Par ailleurs, cet article a effectué une analyse mécanique du moule de formage pendant son processus de fonctionnement.
1. Amélioration de la conception de la structure du moule de formage pour granulateur à anneau
1.1 Introduction au procédé de formage par extrusion :La presse à granulés à matrice annulaire se décline en deux types : vertical et horizontal, selon la position de la matrice. Selon le mode de déplacement, on distingue deux systèmes : à rouleau de pression actif avec matrice annulaire fixe et à rouleau de pression actif avec matrice annulaire mobile. Cette conception améliorée est principalement destinée aux presses à granulés à matrice annulaire, utilisant un rouleau de pression actif et une matrice annulaire fixe. Elle se compose de deux parties principales : un système de convoyage et un mécanisme de granulation. La matrice annulaire et le rouleau de pression sont les deux composants essentiels de la presse. La matrice annulaire comporte de nombreux orifices de formage, et le rouleau de pression est installé à l'intérieur de celle-ci. Ce dernier est relié à un arbre de transmission, et la matrice annulaire est fixée sur un support. La rotation de l'arbre entraîne celle du rouleau de pression. Principe de fonctionnement : le système de convoyage achemine la biomasse broyée, jusqu'à obtenir des particules d'une granulométrie de 3 à 5 mm, vers la chambre de compression. Le moteur actionne ensuite l'arbre principal, qui à son tour entraîne la rotation du rouleau de pression. Ce dernier se déplace à vitesse constante, répartissant uniformément le matériau entre le rouleau et le moule annulaire. La compression et le frottement du matériau entre le moule annulaire, le rouleau et le matériau, ainsi qu'entre les deux parties du moule, provoquent l'agglomération de la cellulose et de l'hémicellulose. Simultanément, la chaleur générée par ce frottement ramollit la lignine, la transformant en un liant naturel qui renforce la liaison entre la cellulose, l'hémicellulose et les autres composants. Le remplissage continu du moule avec de la biomasse accroît la quantité de matériau soumis à la compression et au frottement dans les alvéoles. La force de compression entre les particules de biomasse augmente également, ce qui entraîne une densification et une formation progressives du matériau dans les alvéoles. Lorsque la pression d'extrusion dépasse la force de frottement, la biomasse est extrudée en continu par les alvéoles du moule annulaire, formant un combustible de moulage d'une densité d'environ 1 g/cm³.
1.2 Usure des moules de formage :La machine à granulés offre un rendement unitaire élevé, un degré d'automatisation relativement important et une grande adaptabilité aux matières premières. Elle peut être largement utilisée pour le traitement de diverses matières premières issues de la biomasse, convient à la production à grande échelle de combustibles denses issus de la biomasse et répond aux exigences de développement de l'industrialisation future de ces combustibles. C'est pourquoi la machine à granulés à moule annulaire est largement utilisée. Cependant, la présence possible de faibles quantités de sable et d'autres impuretés non liées à la biomasse dans le matériau traité est susceptible d'entraîner une usure importante du moule annulaire. La durée de vie de ce dernier est calculée en fonction de la capacité de production. Actuellement, en Chine, sa durée de vie est seulement de 100 à 1 000 tonnes.
La défaillance du moule annulaire se produit principalement selon les quatre phénomènes suivants : ① Après une certaine période de fonctionnement, la paroi interne de l’orifice de formage s’use et son ouverture s’élargit, entraînant une déformation importante du combustible produit ; ② La pente d’alimentation de l’orifice de formage s’use, ce qui diminue la quantité de biomasse injectée, la pression d’extrusion et favorise l’obstruction de l’orifice, conduisant à la défaillance du moule annulaire (Figure 2) ; ③ L’usure de la paroi interne réduit fortement le débit (Figure 3).
④ Après l'usure de l'alésage intérieur du moule annulaire, l'épaisseur de paroi entre les pièces de moule adjacentes L diminue, ce qui entraîne une baisse de la résistance structurelle du moule annulaire. Des fissures risquent d'apparaître dans la zone la plus critique et, à mesure qu'elles se propagent, le moule annulaire se rompt. La principale cause de l'usure rapide et de la courte durée de vie du moule annulaire réside dans sa conception inadéquate (le moule annulaire est intégré aux alésages de formage). Cette intégration engendre des problèmes tels que : il arrive que seulement quelques alésages de formage soient usés et inutilisables, nécessitant le remplacement complet du moule annulaire. Cette opération est non seulement contraignante, mais elle engendre également un gaspillage économique important et une augmentation des coûts de maintenance.
1.3 Conception structurelle améliorée du moule de formageAfin de prolonger la durée de vie du moule annulaire de la machine à granulés, de réduire l'usure, de faciliter son remplacement et de diminuer les coûts de maintenance, il est nécessaire de repenser entièrement la structure de ce moule. Un moule intégré a été utilisé dans cette conception, et la structure améliorée de la chambre de compression est illustrée à la figure 4. La figure 5 présente une vue en coupe du moule amélioré.
Cette conception améliorée est principalement destinée aux machines à granulés à moule annulaire, dotées d'un système de rouleaux de pression actifs et d'un moule annulaire fixe. Le moule annulaire inférieur est fixé au bâti, et les deux rouleaux de pression sont reliés à l'arbre principal par une plaque de liaison. Le moule de formage est emboîté sur le moule annulaire inférieur (par ajustement serré), et le moule annulaire supérieur est fixé sur le moule annulaire inférieur par des boulons et serré contre le moule de formage. Par ailleurs, afin d'éviter tout rebond du moule de formage sous l'effet de la force exercée par le rouleau de pression lors de son passage et de son déplacement radial le long du moule annulaire, des vis à tête fraisée sont utilisées pour fixer le moule de formage aux moules annulaires supérieur et inférieur. Afin de réduire la résistance à l'entrée du matériau dans l'orifice et de faciliter son alimentation, l'angle conique de l'orifice d'alimentation du moule de formage conçu est compris entre 60° et 120°.
La conception structurelle améliorée du moule de formage lui confère une grande robustesse et une longue durée de vie. Lors du fonctionnement prolongé de la machine à particules, les pertes par frottement entraînent un agrandissement et une passivation de l'orifice du moule. Une fois le moule usé retiré et agrandi, il peut être réutilisé pour la production de particules de formage de spécifications différentes. Ce procédé permet la réutilisation des moules et réduit les coûts de maintenance et de remplacement.
Afin d'allonger la durée de vie du granulateur et de réduire les coûts de production, le rouleau de pression est fabriqué en acier à haute teneur en carbone et en manganèse, offrant une excellente résistance à l'usure, tel que l'acier 65Mn. Le moule de formage est réalisé en acier allié cémenté ou en alliage nickel-chrome à faible teneur en carbone, contenant par exemple du chrome, du manganèse, du titane, etc. Grâce à l'amélioration de la chambre de compression, la force de frottement subie par les anneaux de formage supérieur et inférieur est relativement faible par rapport à celle exercée sur le moule de formage lui-même. Par conséquent, un acier au carbone ordinaire, tel que l'acier 45, peut être utilisé pour la chambre de compression. Comparée aux moules annulaires de formage intégrés traditionnels, cette solution permet de réduire l'utilisation d'aciers alliés coûteux et, de ce fait, de diminuer les coûts de production.
2. Analyse mécanique du moule de formage de la machine à granulés à moule annulaire pendant le processus de travail du moule de formage.
Lors du moulage, la lignine contenue dans le matériau est complètement ramollie sous l'effet de la haute pression et de la haute température générées dans le moule. Lorsque la pression d'extrusion se stabilise, le matériau se plastifie. Après plastification, il présente une bonne fluidité, ce qui permet de définir sa longueur à d. Le moule de formage est assimilé à un récipient sous pression, ce qui simplifie les contraintes qu'il subit.
L'analyse mécanique présentée ci-dessus permet de conclure que, pour obtenir la pression en un point quelconque à l'intérieur du moule de formage, il est nécessaire de déterminer la déformation circonférentielle en ce point. On peut alors calculer la force de frottement et la pression à cet endroit.
3. Conclusion
Cet article propose une nouvelle conception structurelle améliorée pour le moule de formage d'une granuleuse à anneaux. L'utilisation de moules de formage intégrés permet de réduire efficacement l'usure du moule, d'allonger sa durée de vie, de faciliter son remplacement et sa maintenance, et de diminuer les coûts de production. Par ailleurs, une analyse mécanique du moule de formage en fonctionnement a été réalisée, fournissant ainsi une base théorique pour de futures recherches.
Date de publication : 22 février 2024