نظراً لانخفاض نسبة المواد الضارة، كالرماد والنيتروجين والكبريت، في الكتلة الحيوية مقارنةً بالطاقة المعدنية، فإنها تتميز باحتياطيات كبيرة، ونشاط كربوني جيد، وسهولة الاشتعال، ونسبة عالية من المركبات المتطايرة. لذا، تُعدّ الكتلة الحيوية وقوداً مثالياً للطاقة، ومناسباً جداً للاحتراق والتحويل والاستخدام. ويُعدّ الرماد المتبقي بعد احتراق الكتلة الحيوية غنياً بالعناصر الغذائية التي تحتاجها النباتات، كالفوسفور والكالسيوم والبوتاسيوم والمغنيسيوم، ما يجعله سماداً صالحاً لإعادة استخدامه في الحقول. ونظراً لاحتياطياتها الهائلة من الموارد ومزاياها المتجددة الفريدة، تُعتبر طاقة الكتلة الحيوية حالياً خياراً مهماً لتطوير الطاقة المتجددة على المستوى الوطني في دول العالم. وقد أوضحت لجنة التنمية والإصلاح الوطنية الصينية في "خطة تنفيذ الاستخدام الشامل لقش المحاصيل خلال الخطة الخمسية الثانية عشرة" أن معدل الاستخدام الشامل للقش سيصل إلى 75% بحلول عام 2013، ويسعى إلى تجاوز 80% بحلول عام 2015.
أصبح تحويل طاقة الكتلة الحيوية إلى طاقة عالية الجودة ونظيفة وسهلة الاستخدام مشكلة ملحة تتطلب حلاً عاجلاً. وتُعد تقنية تكثيف الكتلة الحيوية إحدى الطرق الفعالة لتحسين كفاءة حرق طاقة الكتلة الحيوية وتسهيل نقلها. يوجد حاليًا أربعة أنواع شائعة من معدات التشكيل الكثيف في الأسواق المحلية والعالمية: آلة بثق الجسيمات الحلزونية، وآلة ختم الجسيمات بالمكبس، وآلة تشكيل الجسيمات بالقالب المسطح، وآلة تشكيل الجسيمات بالقالب الحلقي. ومن بينها، تُستخدم آلة تشكيل الكريات بالقالب الحلقي على نطاق واسع نظرًا لخصائصها، مثل عدم الحاجة إلى التسخين أثناء التشغيل، ومتطلباتها الواسعة لمحتوى رطوبة المواد الخام (من 10% إلى 30%)، وإنتاجيتها العالية للآلة الواحدة، وكثافة الضغط العالية، وتأثير التشكيل الجيد. ومع ذلك، فإن هذا النوع من آلات الكريات يعاني عمومًا من عيوب، مثل سهولة تآكل القالب، وقصر عمره الافتراضي، وارتفاع تكاليف الصيانة، وصعوبة استبداله. استجابةً للعيوب المذكورة أعلاه في آلة تشكيل الكريات باستخدام قالب الحلقة، قام المؤلف بتصميم مُحسّن جديد كليًا لهيكل قالب التشكيل، وصمم قالب تشكيل من النوع الثابت يتميز بعمر خدمة طويل، وتكلفة صيانة منخفضة، وسهولة الصيانة. كما أجرى هذا المقال تحليلًا ميكانيكيًا لقالب التشكيل أثناء عملية التشغيل.
1. تحسين تصميم هيكل قالب التشكيل لآلة التحبيب ذات القالب الحلقي
1.1 مقدمة عن عملية تشكيل البثق:يمكن تقسيم آلة تصنيع الكريات ذات القالب الحلقي إلى نوعين: رأسي وأفقي، وذلك حسب موضع القالب الحلقي. وبحسب آلية الحركة، يمكن تقسيمها إلى نوعين: أسطوانة ضغط نشطة مع قالب حلقي ثابت، وأسطوانة ضغط نشطة مع قالب حلقي مُدار. يهدف هذا التصميم المُحسّن بشكل أساسي إلى آلة تصنيع الكريات ذات القالب الحلقي التي تعتمد على أسطوانة ضغط نشطة وقالب حلقي ثابت. تتكون هذه الآلة بشكل رئيسي من جزأين: آلية نقل وآلية تصنيع الكريات بالقالب الحلقي. يُعد القالب الحلقي وأسطوانة الضغط المكونين الأساسيين لآلة تصنيع الكريات ذات القالب الحلقي، حيث تتوزع العديد من فتحات التشكيل حول القالب الحلقي، وتُثبّت أسطوانة الضغط داخله. تتصل أسطوانة الضغط بمحور نقل الحركة، بينما يُثبّت القالب الحلقي على دعامة ثابتة. عند دوران المحور، يُحرّك أسطوانة الضغط للدوران. مبدأ العمل: أولًا، تنقل آلية النقل مادة الكتلة الحيوية المسحوقة إلى حجم جسيمات مُحدد (3-5 مم) إلى حجرة الضغط. بعد ذلك، يُدير المحرك العمود الرئيسي لتدوير أسطوانة الضغط، فتتحرك أسطوانة الضغط بسرعة ثابتة لتوزيع المادة بالتساوي بينها وبين قالب الحلقة، مما يؤدي إلى ضغط قالب الحلقة واحتكاكه بالمادة، واحتكاك أسطوانة الضغط بالمادة، واحتكاك المادة بالمادة. خلال عملية الضغط والاحتكاك، تتحد السليلوز والهيميسليلوز الموجودة في المادة. في الوقت نفسه، تعمل الحرارة الناتجة عن الضغط والاحتكاك على تليين اللجنين وتحويله إلى مادة رابطة طبيعية، مما يزيد من تماسك السليلوز والهيميسليلوز والمكونات الأخرى. مع استمرار ملء قوالب التشكيل بمواد الكتلة الحيوية، تزداد كمية المادة المعرضة للضغط والاحتكاك في فتحات القالب. في الوقت نفسه، تزداد قوة الضغط بين جزيئات الكتلة الحيوية، مما يؤدي إلى تكثيفها وتشكيلها داخل فتحة القالب. عندما يكون ضغط البثق أكبر من قوة الاحتكاك، يتم بثق الكتلة الحيوية بشكل مستمر من فتحات التشكيل حول قالب الحلقة، مما يشكل وقود تشكيل الكتلة الحيوية بكثافة تشكيل تبلغ حوالي 1 جم/سم3.
1.2 تآكل قوالب التشكيل:تتميز آلة تصنيع الكريات بإنتاجية عالية، ومستوى عالٍ من الأتمتة، وقدرة فائقة على التكيف مع المواد الخام. ويمكن استخدامها على نطاق واسع لمعالجة مختلف أنواع الكتلة الحيوية، مما يجعلها مناسبة للإنتاج واسع النطاق للوقود الحيوي عالي الكثافة، وتلبي متطلبات تطوير صناعة هذا الوقود في المستقبل. ولذلك، تُستخدم آلة تصنيع الكريات ذات القالب الحلقي على نطاق واسع. ونظرًا لاحتمالية وجود كميات ضئيلة من الرمل وشوائب أخرى غير حيوية في المادة الحيوية المُعالجة، فمن المرجح أن يتسبب ذلك في تآكل كبير لقالب الحلقة في آلة تصنيع الكريات. ويُحسب العمر الافتراضي لقالب الحلقة بناءً على الطاقة الإنتاجية. حاليًا، يتراوح العمر الافتراضي لقالب الحلقة في الصين بين 100 و1000 طن فقط.
يحدث فشل قالب الحلقة بشكل رئيسي في الظواهر الأربع التالية: ① بعد تشغيل قالب الحلقة لفترة من الزمن، يتآكل الجدار الداخلي لفتحة قالب التشكيل وتزداد الفتحة، مما يؤدي إلى تشوه كبير في الوقود المُشكَّل؛ ② يتآكل منحدر التغذية لفتحة قالب التشكيل في قالب الحلقة، مما يؤدي إلى انخفاض كمية مادة الكتلة الحيوية المضغوطة في فتحة القالب، وانخفاض ضغط البثق، وسهولة انسداد فتحة قالب التشكيل، مما يؤدي إلى فشل قالب الحلقة (الشكل 2)؛ ③ بعد تآكل مواد الجدار الداخلي، تنخفض كمية التفريغ بشكل حاد (الشكل 3).
④ بعد تآكل الثقب الداخلي لقالب الحلقة، يقل سمك الجدار بين قطع القالب المتجاورة (L)، مما يؤدي إلى انخفاض قوة قالب الحلقة. وتكون الشقوق أكثر عرضة للظهور في أكثر المناطق حساسية، ومع استمرار اتساعها، يحدث كسر في قالب الحلقة. والسبب الرئيسي لتآكل قالب الحلقة السريع وقصر عمره الافتراضي هو التصميم غير المدروس لقالب تشكيل الحلقة (حيث يكون قالب الحلقة مدمجًا مع ثقوب قالب التشكيل). هذا التصميم المدمج يُؤدي إلى نتائج غير مرغوب فيها: ففي بعض الأحيان، عندما تتآكل بعض ثقوب قالب التشكيل فقط وتصبح غير صالحة للاستخدام، يصبح من الضروري استبدال قالب الحلقة بالكامل، مما يُسبب صعوبة في عملية الاستبدال، بالإضافة إلى هدر كبير في التكاليف وزيادة في نفقات الصيانة.
1.3 تصميم التحسين الهيكلي لقالب التشكيلبهدف إطالة عمر قالب الحلقة في آلة تصنيع الكريات، وتقليل التآكل، وتسهيل الاستبدال، وخفض تكاليف الصيانة، كان من الضروري إجراء تصميم مُحسّن جديد كليًا لهيكل قالب الحلقة. استُخدم قالب التشكيل المدمج في التصميم، ويظهر هيكل غرفة الضغط المُحسّن في الشكل 4. ويُظهر الشكل 5 المقطع العرضي لقالب التشكيل المُحسّن.
يهدف هذا التصميم المُحسّن بشكل أساسي إلى آلة تشكيل الجسيمات ذات القالب الحلقي، والتي تعتمد على آلية حركة تتكون من بكرة ضغط نشطة وقالب حلقي ثابت. يُثبّت القالب الحلقي السفلي على الهيكل، وتتصل بكرتا الضغط بالعمود الرئيسي عبر لوحة توصيل. يُدمج قالب التشكيل في القالب الحلقي السفلي (باستخدام تركيب تداخلي)، بينما يُثبّت القالب الحلقي العلوي على القالب الحلقي السفلي بواسطة براغي ويُربط به. في الوقت نفسه، ولمنع ارتداد قالب التشكيل نتيجةً للقوة بعد مرور بكرة الضغط وتحركه شعاعيًا على طول القالب الحلقي، تُستخدم براغي غاطسة لتثبيت قالب التشكيل على القالبين الحلقيين العلوي والسفلي على التوالي. يهدف هذا التصميم إلى تقليل مقاومة دخول المادة إلى الفتحة وتسهيل دخولها إلى فتحة القالب. تتراوح الزاوية المخروطية لفتحة التغذية في قالب التشكيل المُصمّم بين 60° و120°.
يتميز التصميم الهيكلي المُحسّن لقالب التشكيل بخصائص تعدد الدورات وطول العمر التشغيلي. عند تشغيل آلة الجسيمات لفترة من الزمن، يؤدي فقدان الاحتكاك إلى اتساع فتحة قالب التشكيل وتصلبها. عند إزالة قالب التشكيل المتآكل وتوسيعه، يمكن استخدامه لإنتاج جسيمات بمواصفات أخرى. وهذا يُتيح إعادة استخدام القوالب وتوفير تكاليف الصيانة والاستبدال.
بهدف إطالة عمر خدمة المحبب وخفض تكاليف الإنتاج، يُصنع أسطوانة الضغط من فولاذ عالي الكربون وعالي المنغنيز يتميز بمقاومة جيدة للتآكل، مثل فولاذ 65Mn. أما قالب التشكيل، فيُصنع من فولاذ مُكربن أو سبيكة منخفضة الكربون من النيكل والكروم، تحتوي على الكروم والمنغنيز والتيتانيوم وغيرها. وبفضل تحسين حجرة الضغط، أصبحت قوة الاحتكاك التي تتعرض لها حلقات القالب العلوية والسفلية أثناء التشغيل أقل نسبيًا مقارنةً بقالب التشكيل. لذا، يُمكن استخدام فولاذ كربوني عادي، مثل فولاذ 45، كمادة لحجرة الضغط. وبالمقارنة مع قوالب حلقات التشكيل المتكاملة التقليدية، يُقلل هذا من استخدام الفولاذ السبائكي باهظ الثمن، مما يُخفض تكاليف الإنتاج.
2. التحليل الميكانيكي لقالب التشكيل الخاص بآلة تصنيع الكريات ذات القالب الحلقي أثناء عملية تشغيل قالب التشكيل.
أثناء عملية التشكيل، يلين اللجنين الموجود في المادة تمامًا نتيجةً لبيئة الضغط والحرارة العالية المتولدة داخل قالب التشكيل. وعندما لا يزداد ضغط البثق، تخضع المادة لعملية التلدين. تتدفق المادة بسلاسة بعد التلدين، لذا يمكن ضبط الطول على القيمة d. يُعتبر قالب التشكيل وعاء ضغط، وبالتالي يتم تبسيط الإجهاد الواقع عليه.
من خلال تحليل الحسابات الميكانيكية المذكور أعلاه، يمكن استنتاج أنه للحصول على الضغط عند أي نقطة داخل قالب التشكيل، من الضروري تحديد الانفعال المحيطي عند تلك النقطة. بعد ذلك، يمكن حساب قوة الاحتكاك والضغط عند ذلك الموقع.
3. الخاتمة
تقترح هذه المقالة تصميمًا جديدًا مُحسِّنًا لهيكل قالب التشكيل في مُحَبِّب القوالب الحلقية. يُسهم استخدام قوالب التشكيل المُدمجة في تقليل تآكل القالب، وإطالة عمره، وتسهيل استبداله وصيانته، وخفض تكاليف الإنتاج. في الوقت نفسه، أُجري تحليل ميكانيكي على قالب التشكيل أثناء تشغيله، مما يُوفر أساسًا نظريًا لمزيد من الأبحاث المستقبلية.
تاريخ النشر: 22 فبراير 2024