Grâce à sa faible teneur en substances nocives telles que les cendres, l'azote et le soufre par rapport à l'énergie minérale, la biomasse se caractérise par de grandes réserves, une bonne activité carbonée, une combustion facile et une forte volatilité des composants. Par conséquent, la biomasse est un combustible idéal, parfaitement adapté à la conversion et à la valorisation par combustion. Les cendres résiduelles issues de la combustion de la biomasse sont riches en nutriments essentiels aux plantes, tels que le phosphore, le calcium, le potassium et le magnésium, et peuvent donc être utilisées comme engrais pour le retour aux champs. Compte tenu de ses énormes réserves de ressources et de ses avantages renouvelables uniques, la biomasse est aujourd'hui considérée comme un choix important pour le développement national de nouvelles énergies par les pays du monde entier. La Commission nationale du développement et de la réforme de Chine a clairement indiqué dans le « Plan de mise en œuvre pour une utilisation globale de la paille des cultures au cours du 12e Plan quinquennal » que le taux d'utilisation globale de la paille atteindra 75 % d'ici 2013 et visera à dépasser 80 % d'ici 2015.
Convertir l'énergie de la biomasse en énergie de haute qualité, propre et pratique est devenu un problème urgent. La technologie de densification de la biomasse est l'un des moyens efficaces pour améliorer l'efficacité de l'incinération de l'énergie de la biomasse et faciliter le transport. Actuellement, quatre types d'équipements de formage dense sont couramment utilisés sur les marchés nationaux et internationaux : l'extrudeuse de particules en spirale, l'estampeuse de particules à piston, la machine à granulés à moule plat et la machine à granulés à moule annulaire. Parmi ces machines, la machine à granulés à moule annulaire est largement utilisée en raison de ses caractéristiques telles que l'absence de chauffage pendant le fonctionnement, des exigences élevées en matière d'humidité des matières premières (10 % à 30 %), une grande capacité de production, une densité de compression élevée et un bon effet de formage. Cependant, ces types de machines à granulés présentent généralement des inconvénients tels qu'une usure facile du moule, une durée de vie réduite, des coûts de maintenance élevés et un remplacement peu pratique. Pour remédier à ces inconvénients, l'auteur a amélioré la structure du moule de formage et conçu un moule fixe offrant une longue durée de vie, un faible coût de maintenance et une maintenance aisée. Parallèlement, cet article a réalisé une analyse mécanique du moule de formage pendant son processus de travail.
1. Amélioration de la conception de la structure du moule de formage pour granulateur à moule annulaire
1.1 Introduction au processus de formage par extrusion :La machine à granulés à matrice annulaire se divise en deux types : verticale et horizontale, selon la position de la matrice. Selon le type de mouvement, elle se divise en deux types : le rouleau presseur actif avec moule annulaire fixe et le rouleau presseur actif avec moule annulaire entraîné. Cette conception améliorée est principalement destinée aux machines à granulés à moule annulaire utilisant un rouleau presseur actif et un moule annulaire fixe comme forme de mouvement. Elle se compose principalement de deux parties : un mécanisme de transport et un mécanisme de granulométrie à moule annulaire. Le moule annulaire et le rouleau presseur sont les deux composants principaux de la machine à granulés à moule annulaire. De nombreux orifices de formage sont répartis autour du moule annulaire, et le rouleau presseur est installé à l'intérieur de celui-ci. Le rouleau presseur est relié à la broche de transmission, et le moule annulaire est installé sur un support fixe. La rotation de la broche entraîne le rouleau presseur. Principe de fonctionnement : le mécanisme de transport transporte la biomasse broyée en particules de granulométrie spécifique (3 à 5 mm) vers la chambre de compression. Le moteur entraîne ensuite l'arbre principal pour entraîner le rouleau presseur en rotation. Ce dernier se déplace à vitesse constante pour répartir uniformément la matière entre le rouleau presseur et le moule annulaire. Ce dernier se comprime et frotte contre la matière, le rouleau presseur contre la matière et le matériau contre la matière. Lors de ce processus, la cellulose et l'hémicellulose du matériau se combinent. Parallèlement, la chaleur générée par ce processus ramollit la lignine et la transforme en liant naturel, ce qui renforce la cohésion de la cellulose, de l'hémicellulose et des autres composants. Avec le remplissage continu de biomasse, la quantité de matière soumise à la compression et au frottement dans les orifices du moule de formage continue d'augmenter. Parallèlement, la force de compression entre les biomasses augmente, ce qui entraîne une densification et une formation continues dans l'orifice de moulage. Lorsque la pression d'extrusion est supérieure à la force de frottement, la biomasse est extrudée en continu des orifices de moulage autour du moule annulaire, formant un combustible de moulage de biomasse d'une densité de moulage d'environ 1 g/cm³.
1.2 Usure des moules de formage :La machine à granuler offre une grande capacité de production, un degré d'automatisation relativement élevé et une grande adaptabilité aux matières premières. Elle est 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 granuler à moule annulaire est largement utilisée. La présence possible de faibles quantités de sable et d'autres impuretés non issues de la biomasse dans la biomasse traitée peut entraîner une usure importante du moule annulaire. La durée de vie du moule annulaire est calculée en fonction de la capacité de production. Actuellement, la durée de vie d'un moule annulaire en Chine n'est que de 100 à 1 000 tonnes.
Français La défaillance du moule annulaire se produit principalement dans les quatre phénomènes suivants : 1. Après que le moule annulaire fonctionne pendant un certain temps, la paroi intérieure du trou du moule de formage s'use et l'ouverture augmente, ce qui entraîne une déformation importante du combustible formé produit ; 2. La pente d'alimentation du trou de la matrice de formage du moule annulaire est usée, ce qui entraîne une diminution de la quantité de matière de biomasse pressée dans le trou de la matrice, une diminution de la pression d'extrusion et un blocage facile du trou de la matrice de formage, conduisant à la défaillance du moule annulaire (Figure 2) ; 3. Une fois que les matériaux de la paroi intérieure réduisent considérablement la quantité de décharge (Figure 3) ;
④ Après l'usure de l'alésage intérieur du moule annulaire, l'épaisseur de paroi entre les pièces adjacentes L diminue, ce qui entraîne une diminution de la résistance structurelle du moule. Des fissures sont susceptibles d'apparaître dans la zone la plus dangereuse et, à mesure que ces fissures s'étendent, le moule annulaire se fracture. La principale raison de cette usure facile et de sa courte durée de vie réside dans la structure défaillante du moule annulaire de formage (le moule annulaire est intégré aux alésages du moule). Cette intégration est susceptible de provoquer des conséquences : lorsque seuls quelques alésages du moule annulaire sont usés et ne fonctionnent plus, le moule annulaire doit être remplacé dans son intégralité, ce qui non seulement complique le remplacement, mais engendre également un gaspillage important et une augmentation des coûts de maintenance.
1.3 Conception d'amélioration structurelle 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 d'améliorer sa structure. Un moule de moulage intégré a été utilisé pour la conception, et la structure améliorée de la chambre de compression est illustrée à la figure 4. La figure 5 présente une vue en coupe transversale du moule de moulage amélioré.
Cette conception améliorée est principalement destinée aux machines à particules à moule annulaire, dotées d'un rouleau presseur actif et d'un moule annulaire fixe. Le moule annulaire inférieur est fixé au corps, et les deux rouleaux presseurs sont reliés à l'arbre principal par une plaque de liaison. Le moule de formage est encastré dans le moule annulaire inférieur (par ajustement serré), tandis que le moule annulaire supérieur est fixé par des boulons et serré sur le moule de formage. Afin d'éviter tout rebond du moule de formage sous l'effet de la force exercée par le rouleau presseur et 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 respectivement. Afin de réduire la résistance du matériau à l'entrée du trou et de faciliter l'insertion, l'angle conique du trou d'alimentation du moule de formage conçu est compris entre 60° et 120°.
La conception structurelle améliorée du moule de formage permet une utilisation multi-cycles et une longue durée de vie. Lorsque la machine à particules fonctionne pendant un certain temps, les pertes par frottement entraînent un élargissement et une passivation de l'ouverture du moule. Une fois le moule usagé retiré et élargi, il peut être utilisé pour la production d'autres spécifications de particules. Cela permet de réutiliser les moules et de réduire les coûts de maintenance et de remplacement.
Afin de prolonger la durée de vie du granulateur et de réduire les coûts de production, le rouleau presseur est fabriqué en acier à haute teneur en carbone et en manganèse, offrant une bonne résistance à l'usure, tel que le 65Mn. Le moule de formage doit être en acier allié cémenté ou en alliage nickel-chrome à faible teneur en carbone, contenant par exemple du Cr, du Mn, du Ti, etc. Grâce à l'amélioration de la chambre de compression, la force de frottement subie par les moules annulaires supérieur et inférieur pendant le fonctionnement est relativement faible par rapport au moule de formage. Par conséquent, un acier au carbone ordinaire, tel que l'acier 45, peut être utilisé pour la chambre de compression. Comparé aux moules annulaires de formage intégrés traditionnels, il permet de réduire l'utilisation d'acier allié coûteux, diminuant ainsi 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 du matériau est complètement ramollie grâce à la pression et à la température élevées générées dans le moule. Lorsque la pression d'extrusion n'augmente pas, le matériau subit une plastification. Après plastification, le matériau s'écoule bien, ce qui permet de régler la longueur à d. Le moule de formage est considéré comme un récipient sous pression, ce qui simplifie les contraintes exercées sur le moule.
L'analyse mécanique ci-dessus permet de conclure que pour obtenir la pression en tout point du moule de formage, il est nécessaire de déterminer la contrainte circonférentielle en ce point. La force de frottement et la pression à cet endroit peuvent ensuite être calculées.
3. Conclusion
Cet article propose une nouvelle conception d'amélioration structurelle pour le moule de formage du granulateur à moule annulaire. L'utilisation de moules de formage intégrés permet de réduire efficacement l'usure, de prolonger la durée de vie du moule, de faciliter son remplacement et sa maintenance, et de réduire les coûts de production. Parallèlement, une analyse mécanique du moule de formage a été réalisée pendant son fonctionnement, fournissant ainsi une base théorique pour de futures recherches.
Date de publication : 22 février 2024