نظراً لانخفاض نسبة المواد الضارة، مثل الرماد والنيتروجين والكبريت، في الكتلة الحيوية مقارنةً بالطاقة المعدنية، فإنها تتميز باحتياطيات كبيرة، ونشاط كربوني جيد، وسهولة اشتعال، ومكونات متطايرة عالية. لذلك، تُعد الكتلة الحيوية وقوداً مثالياً للطاقة، ومناسباً جداً للتحويل والاستخدام عن طريق الاحتراق. الرماد المتبقي بعد احتراق الكتلة الحيوية غني بالعناصر الغذائية التي تحتاجها النباتات، مثل الفوسفور والكالسيوم والبوتاسيوم والمغنيسيوم، مما يجعله يُستخدم كسماد للزراعة. ونظراً لاحتياطيات الموارد الهائلة ومزاياها المتجددة الفريدة، تُعتبر طاقة الكتلة الحيوية حالياً خياراً مهماً لتطوير الطاقة الجديدة على المستوى الوطني في دول العالم. وقد ذكرت اللجنة الوطنية للتنمية والإصلاح في الصين بوضوح في "خطة تنفيذ الاستخدام الشامل لقش المحاصيل خلال الخطة الخمسية الثانية عشرة" أن معدل الاستخدام الشامل للقش سيصل إلى 75% بحلول عام 2013، ويسعى جاهداً لتجاوز 80% بحلول عام 2015.
أصبحت كيفية تحويل طاقة الكتلة الحيوية إلى طاقة عالية الجودة ونظيفة ومريحة مشكلة ملحة تتطلب حلاً. تُعد تقنية تكثيف الكتلة الحيوية إحدى الطرق الفعالة لتحسين كفاءة حرق طاقة الكتلة الحيوية وتسهيل نقلها. في الوقت الحالي، توجد أربعة أنواع شائعة من معدات التشكيل الكثيف في السوق المحلية والأجنبية: آلة تشكيل الجسيمات بالبثق الحلزوني، وآلة تشكيل الجسيمات بختم المكبس، وآلة تشكيل الجسيمات بالقالب المسطح، وآلة تشكيل الجسيمات بالقالب الحلقي. من بين هذه الأنواع، تُستخدم آلة تشكيل الحبيبات بالقالب الحلقي على نطاق واسع نظرًا لخصائصها مثل عدم الحاجة إلى التسخين أثناء التشغيل، ومتطلباتها الواسعة لمحتوى رطوبة المواد الخام (10% إلى 30%)، وإنتاجيتها الكبيرة من آلة واحدة، وكثافة ضغطها العالية، وتأثيرها الجيد في التشكيل. ومع ذلك، فإن هذه الأنواع من آلات تشكيل الحبيبات لها عيوب عامة مثل سهولة تآكل القالب، وقصر عمر الخدمة، وارتفاع تكاليف الصيانة، وصعوبة استبدالها. لمعالجة أوجه القصور المذكورة أعلاه في آلة حبيبات القالب الحلقي، قام المؤلف بتصميم محسّن جديد كليًا لهيكل قالب التشكيل، وصمم قالب تشكيل من النوع الثابت يتميز بعمر خدمة طويل وتكلفة صيانة منخفضة وسهولة في الصيانة. في الوقت نفسه، أجرى هذا المقال تحليلًا ميكانيكيًا لقالب التشكيل أثناء عملية التشغيل.
1. تحسين تصميم هيكل قالب التشكيل لحبيبات القالب الحلقي
1.1 مقدمة عن عملية التشكيل بالبثق:يمكن تقسيم آلة تشكيل الحبيبات الدائرية إلى نوعين: عمودي وأفقي، وذلك حسب موضع القالب. وحسب نوع الحركة، يمكن تقسيمها إلى نوعين مختلفين: أسطوانة ضغط نشطة مع قالب حلقي ثابت، وأسطوانة ضغط نشطة مع قالب حلقي مُدار. يستهدف هذا التصميم المُحسّن بشكل رئيسي آلة تشكيل الحبيبات الدائرية ذات أسطوانة ضغط نشطة وقالب حلقي ثابت كشكل حركة. تتكون الآلة بشكل رئيسي من جزأين: آلية نقل وآلية تشكيل الحبيبات الدائرية. يُعدّ القالب الدائري وأسطوانة الضغط المكونين الأساسيين لآلة تشكيل الحبيبات الدائرية، مع العديد من ثقوب التشكيل الموزعة حول القالب الدائري، ويتم تثبيت أسطوانة الضغط داخل القالب الدائري. تتصل أسطوانة الضغط بمغزل النقل، بينما يُثبّت القالب الدائري على دعامة ثابتة. عندما يدور المغزل، فإنه يدفع أسطوانة الضغط للدوران. مبدأ العمل: أولاً، تنقل آلية النقل مادة الكتلة الحيوية المسحوقة إلى حجم جسيمات محدد (3-5 مم) إلى حجرة الضغط. ثم يقوم المحرك بتشغيل العمود الرئيسي لدفع أسطوانة الضغط للدوران، وتتحرك أسطوانة الضغط بسرعة ثابتة لتوزيع المادة بالتساوي بين أسطوانة الضغط وقالب الحلقة، مما يتسبب في ضغط قالب الحلقة واحتكاكه بالمادة، وأسطوانة الضغط بالمادة، والمادة بالمادة. أثناء عملية الضغط والاحتكاك، يتحد السليلوز والهيميسليلوز في المادة مع بعضهما البعض. وفي الوقت نفسه، تعمل الحرارة الناتجة عن الضغط والاحتكاك على تليين اللجنين وتحويله إلى رابط طبيعي، مما يجعل السليلوز والهيميسليلوز والمكونات الأخرى مرتبطة ببعضها البعض بشكل أكثر ثباتًا. مع الملء المستمر لمواد الكتلة الحيوية، تستمر كمية المادة المعرضة للضغط والاحتكاك في فتحات قالب التشكيل في الزيادة. وفي الوقت نفسه، تستمر قوة الضغط بين الكتلة الحيوية في الزيادة، وتتكاثف باستمرار وتتشكل في فتحة القالب. عندما يكون ضغط البثق أكبر من قوة الاحتكاك، يتم بثق الكتلة الحيوية بشكل مستمر من فتحات القالب حول قالب الحلقة، مما يشكل وقود صب الكتلة الحيوية بكثافة صب تبلغ حوالي 1 جم / سم 3.
1.2 تآكل قوالب التشكيل:تتميز آلة الحبيبات بقدرة إنتاجية عالية، وأتمتة عالية نسبيًا، وقدرة عالية على التكيف مع المواد الخام. تُستخدم على نطاق واسع في معالجة مختلف مواد الكتلة الحيوية الخام، وهي مناسبة لإنتاج كميات كبيرة من وقود التشكيل كثيف الكتلة الحيوية، وتلبي متطلبات تطوير تصنيع وقود التشكيل كثيف الكتلة الحيوية مستقبلًا. لذلك، تُستخدم آلة الحبيبات ذات القالب الحلقي على نطاق واسع. نظرًا لاحتمالية وجود كميات صغيرة من الرمل وشوائب أخرى غير حيوية في مادة الكتلة الحيوية المعالجة، فمن المرجح أن تتسبب في تآكل كبير لقالب الحلقة. يُحسب عمر خدمة قالب الحلقة بناءً على الطاقة الإنتاجية. حاليًا، يتراوح عمر خدمة قالب الحلقة في الصين بين 100 و1000 طن فقط.
يحدث فشل قالب الحلقة بشكل أساسي في الظواهر الأربع التالية: ① بعد عمل قالب الحلقة لفترة من الوقت، يتآكل الجدار الداخلي لفتحة قالب التشكيل وتزداد الفتحة، مما يؤدي إلى تشوه كبير في الوقود المشكل المنتج؛ ② يتآكل منحدر التغذية لفتحة قالب التشكيل لقالب الحلقة، مما يؤدي إلى انخفاض في كمية مادة الكتلة الحيوية المضغوطة في فتحة القالب، وانخفاض في ضغط البثق، وسهولة انسداد فتحة قالب التشكيل، مما يؤدي إلى فشل قالب الحلقة (الشكل 2)؛ ③ بعد مواد الجدار الداخلي ويقلل بشكل حاد من كمية التفريغ (الشكل 3)؛
④ بعد تآكل الثقب الداخلي لقالب الحلقة، يصبح سمك الجدار بين قطع القالب المتجاورة L أرق، مما يؤدي إلى انخفاض في قوة هيكل قالب الحلقة. تكون الشقوق أكثر عرضة للظهور في أخطر الأقسام، ومع استمرار اتساعها، تحدث ظاهرة كسر قالب الحلقة. السبب الرئيسي لسهولة تآكل قالب الحلقة وقصر عمره الافتراضي هو البنية غير المعقولة لقالب الحلقة المُشكّلة (حيث يتكامل قالب الحلقة مع فتحات قالب التشكيل). يؤدي تكامل القالبين إلى نتائج مماثلة: في بعض الأحيان، عندما تتآكل بعض فتحات قالب التشكيل ولا تعمل، يلزم استبدال قالب الحلقة بالكامل، مما لا يُسبب إزعاجًا لعملية الاستبدال فحسب، بل يُسبب أيضًا هدرًا اقتصاديًا كبيرًا ويزيد من تكاليف الصيانة.
1.3 تصميم التحسين الهيكلي لقالب التشكيللإطالة عمر قالب الحلقة في آلة الحبيبات، وتقليل التآكل، وتسهيل الاستبدال، وتقليل تكاليف الصيانة، من الضروري إجراء تصميم مُحسّن جديد كليًا لهيكل قالب الحلقة. استُخدم قالب الصب المُدمج في التصميم، ويظهر هيكل غرفة الضغط المُحسّن في الشكل 4. يُظهر الشكل 5 مقطعًا عرضيًا لقالب الصب المُحسّن.
هذا التصميم المُحسّن مُصمّم بشكل رئيسي لآلة تشكيل جسيمات القالب الحلقي بنظام حركة أسطوانة ضغط نشطة وقالب حلقي ثابت. يُثبّت قالب الحلقة السفلي على الهيكل، وتُوصل أسطوانتا الضغط بالعمود الرئيسي من خلال لوحة توصيل. يُدمج قالب التشكيل في قالب الحلقة السفلي (باستخدام ملاءمة التداخل)، ويُثبّت قالب الحلقة العلوي على قالب الحلقة السفلي من خلال مسامير ويُثبّت على قالب التشكيل. في الوقت نفسه، ولمنع ارتداد قالب التشكيل بسبب القوة بعد دوران أسطوانة الضغط والتحرك شعاعيًا على طول قالب الحلقة، تُستخدم مسامير غاطسة لتثبيت قالب التشكيل على قوالب الحلقات العلوية والسفلية على التوالي. من أجل تقليل مقاومة المادة الداخلة إلى الفتحة وجعلها أكثر ملاءمة لدخول فتحة القالب. الزاوية المخروطية لفتحة التغذية لقالب التشكيل المُصمّم تتراوح من 60 درجة إلى 120 درجة.
يتميز التصميم الهيكلي المُحسّن لقالب التشكيل بتعدد دوراته وطول عمره الافتراضي. عند تشغيل آلة الجسيمات لفترة طويلة، يؤدي فقدان الاحتكاك إلى اتساع فتحة قالب التشكيل وتثبيطها. عند إزالة قالب التشكيل البالي وتوسيعه، يمكن استخدامه لإنتاج جسيمات تشكيل بمواصفات أخرى، مما يُتيح إعادة استخدام القوالب وتوفير تكاليف الصيانة والاستبدال.
لإطالة عمر آلة التحبيب وخفض تكاليف الإنتاج، تستخدم أسطوانة الضغط فولاذًا عالي الكربون والمنغنيز عالي المقاومة للتآكل، مثل 65Mn. يجب أن يكون قالب التشكيل مصنوعًا من فولاذ مكربن سبيكة أو سبائك نيكل كروم منخفضة الكربون، مثل تلك التي تحتوي على الكروم والمنغنيز والتيتانيوم، إلخ. بفضل تحسين غرفة الضغط، تكون قوة الاحتكاك التي تتعرض لها قوالب الحلقات العلوية والسفلية أثناء التشغيل منخفضة نسبيًا مقارنةً بقالب التشكيل. لذلك، يمكن استخدام الفولاذ الكربوني العادي، مثل فولاذ 45، كمادة لغرفة الضغط. مقارنةً بقوالب حلقات التشكيل المتكاملة التقليدية، يمكن تقليل استخدام فولاذ السبائك باهظ الثمن، مما يُخفض تكاليف الإنتاج.
2. التحليل الميكانيكي لقالب التشكيل لآلة حبيبات القالب الحلقي أثناء عملية عمل قالب التشكيل.
أثناء عملية التشكيل، يلين اللجنين الموجود في المادة تمامًا بفضل بيئة الضغط ودرجة الحرارة العالية المتولدة في قالب التشكيل. عندما لا يرتفع ضغط البثق، تخضع المادة لعملية التلدين. تتدفق المادة بسلاسة بعد عملية التلدين، مما يسمح بضبط الطول على d. يُعتبر قالب التشكيل وعاء ضغط، مما يُخفف الضغط الواقع عليه.
من خلال تحليل الحسابات الميكانيكية أعلاه، يمكن الاستنتاج أنه للحصول على الضغط عند أي نقطة داخل قالب التشكيل، يلزم تحديد الانفعال المحيطي عند تلك النقطة. بعد ذلك، يمكن حساب قوة الاحتكاك والضغط عند تلك النقطة.
3. الخاتمة
تقترح هذه المقالة تصميمًا جديدًا لتحسين هيكل قالب التشكيل الخاص بآلة تحبيب القالب الحلقي. يُسهم استخدام قوالب التشكيل المُدمجة في تقليل تآكل القالب بشكل فعال، وإطالة عمره الافتراضي، وتسهيل استبداله وصيانته، وخفض تكاليف الإنتاج. في الوقت نفسه، أُجري تحليل ميكانيكي لقالب التشكيل أثناء عملية التشغيل، مما يوفر أساسًا نظريًا لمزيد من الأبحاث في المستقبل.
وقت النشر: ٢٢ فبراير ٢٠٢٤