바이오매스는 광물 에너지에 비해 회분, 질소, 황과 같은 유해 물질 함량이 낮고, 매장량이 풍부하며, 탄소 활성이 좋고, 발화가 용이하며, 휘발성 성분이 높다는 특징을 가지고 있습니다. 따라서 바이오매스는 매우 이상적인 에너지 연료이며 연소 전환 및 활용에 매우 적합합니다. 바이오매스 연소 후 남는 재는 인, 칼슘, 칼륨, 마그네슘 등 식물 생장에 필요한 영양분이 풍부하여 비료로 활용하여 논밭에 되돌려 줄 수 있습니다. 바이오매스 에너지는 막대한 자원 매장량과 독특한 재생 가능성을 바탕으로 전 세계 여러 국가에서 국가 신에너지 개발의 중요한 선택지로 여겨지고 있습니다. 중국 국가발전개혁위원회는 "제12차 5개년 계획 기간 중 작물짚 종합 이용 시행 계획"에서 2013년까지 작물짚 종합 이용률을 75%까지 달성하고, 2015년까지 80%를 초과 달성하도록 목표를 설정했습니다.
바이오매스 에너지를 고품질, 청정, 편리한 에너지로 전환하는 것은 시급히 해결해야 할 과제입니다. 바이오매스 압축 기술은 바이오매스 에너지 소각 효율을 향상시키고 운송을 용이하게 하는 효과적인 방법 중 하나입니다. 현재 국내외 시장에는 나선형 압출 펠릿 성형기, 피스톤 스탬핑 펠릿 성형기, 평판 금형 펠릿 성형기, 링 금형 펠릿 성형기 등 네 가지 유형의 펠릿 성형 장비가 널리 사용되고 있습니다. 그중 링 금형 펠릿 성형기는 작동 중 가열이 필요 없고, 원료 수분 함량에 대한 요구 범위가 넓으며(10%~30%), 단일 기계 생산량이 많고, 압축 밀도가 높으며, 성형 효과가 우수하다는 특징 때문에 널리 사용되고 있습니다. 그러나 이러한 유형의 펠릿 성형기는 일반적으로 금형 마모가 쉽고, 수명이 짧으며, 유지 보수 비용이 높고, 교체가 불편하다는 단점을 가지고 있습니다. 본 논문에서는 링 금형 펠릿 성형기의 이러한 단점을 해결하기 위해 성형 금형 구조를 완전히 새롭게 개선하여 수명이 길고 유지 보수 비용이 저렴하며 유지 보수가 편리한 세트형 성형 금형을 설계했습니다. 한편, 본 논문에서는 성형 금형의 작동 과정 중 기계적 분석을 수행하였다.
1. 링 금형 과립기용 성형 금형 구조의 개선 설계
1.1 압출 성형 공정 소개:링 다이 펠릿 기계는 링 다이의 위치에 따라 수직형과 수평형으로 나눌 수 있습니다. 또한 구동 방식에 따라 고정 링 금형을 사용하는 능동 압축 롤러 방식과 구동 링 금형을 사용하는 능동 압축 롤러 방식으로 구분됩니다. 본 개선 설계는 주로 능동 압축 롤러와 고정 링 금형을 구동 방식으로 사용하는 링 금형 펠릿 기계를 대상으로 합니다. 이 기계는 크게 이송 메커니즘과 링 금형 펠릿 메커니즘의 두 부분으로 구성됩니다. 링 금형과 압축 롤러는 링 금형 펠릿 기계의 핵심 부품이며, 링 금형 주변에는 여러 개의 성형 구멍이 분포되어 있고, 압축 롤러는 링 금형 내부에 설치됩니다. 압축 롤러는 구동축에 연결되어 있으며, 링 금형은 고정 브래킷에 설치됩니다. 구동축이 회전하면 압축 롤러가 회전합니다. 작동 원리는 다음과 같습니다. 먼저 이송 메커니즘이 분쇄된 바이오매스 재료를 특정 입자 크기(3-5mm)로 압축 챔버로 이송합니다. 모터는 주축을 구동하여 압력 롤러를 회전시키고, 압력 롤러는 일정한 속도로 회전하면서 재료를 압력 롤러와 링 금형 사이에 고르게 분산시킵니다. 이로 인해 링 금형과 재료, 압력 롤러와 재료, 그리고 재료끼리 압축 및 마찰이 발생합니다. 압축 및 마찰 과정에서 재료 내의 셀룰로오스와 헤미셀룰로오스가 서로 결합합니다. 동시에 압축 및 마찰로 발생하는 열은 리그닌을 연화시켜 천연 결합제로 작용하게 하며, 셀룰로오스, 헤미셀룰로오스 등의 구성 성분을 더욱 단단하게 결합시킵니다. 바이오매스 재료를 계속 채워 넣으면서 성형 금형 구멍 내에서 압축 및 마찰을 받는 재료의 양이 지속적으로 증가합니다. 이에 따라 바이오매스 사이의 압축력이 계속 증가하여 성형 구멍 내에서 바이오매스가 지속적으로 밀도가 높아지고 성형됩니다. 압출 압력이 마찰력보다 클 경우, 바이오매스가 링 금형 주변의 성형 구멍에서 연속적으로 압출되어 성형 밀도가 약 1g/cm³인 바이오매스 성형 연료가 형성된다.
1.2 성형 금형의 마모:링 몰드 펠릿 기계는 단일 기계 생산량이 많고 자동화 수준이 비교적 높으며 원료 적응성이 뛰어나 다양한 바이오매스 원료 가공에 널리 사용될 수 있습니다. 바이오매스 고밀도 성형 연료의 대량 생산에 적합하며, 향후 바이오매스 고밀도 성형 연료 산업화의 발전 요구를 충족할 수 있습니다. 따라서 링 몰드 펠릿 기계가 널리 사용되고 있습니다. 가공되는 바이오매스 원료에 소량의 모래나 기타 비바이오매스 불순물이 포함될 수 있기 때문에 펠릿 기계의 링 몰드에 상당한 마모를 유발할 가능성이 높습니다. 링 몰드의 수명은 생산 용량을 기준으로 계산됩니다. 현재 중국에서 사용되는 링 몰드의 수명은 100~1000톤에 불과합니다.
링 금형의 고장은 주로 다음 네 가지 현상에서 발생합니다. ① 링 금형이 일정 기간 작동 후 성형 금형 구멍의 내벽이 마모되어 구멍이 커지면서 생산된 성형 연료의 변형이 심해집니다. ② 링 금형의 성형 다이 구멍의 공급 경사면이 마모되어 다이 구멍으로 압출되는 바이오매스 재료의 양이 감소하고 압출 압력이 감소하며 성형 다이 구멍이 쉽게 막혀 링 금형이 고장납니다(그림 2). ③ 내벽 재료가 마모되어 배출량이 급격히 감소합니다(그림 3).
④ 링 금형의 내측 구멍이 마모되면 인접한 금형 부재 사이의 벽 두께 L이 얇아져 링 금형의 구조적 강도가 저하됩니다. 가장 위험한 부분에서 균열이 발생하기 쉽고, 균열이 계속 확장되면 링 금형이 파손되는 현상이 발생합니다. 링 금형의 마모가 심하고 수명이 짧은 주된 이유는 성형 링 금형의 구조가 비합리적이기 때문입니다(링 금형과 성형 금형 구멍이 일체형으로 제작됨). 이러한 일체형 구조는 다음과 같은 결과를 초래하기 쉽습니다. 링 금형의 성형 금형 구멍 중 일부만 마모되어 작동하지 않을 경우에도 전체 링 금형을 교체해야 하는 경우가 발생하는데, 이는 교체 작업의 불편함을 야기할 뿐만 아니라 막대한 경제적 손실을 초래하고 유지 보수 비용을 증가시킵니다.
1.3 성형 금형의 구조적 개선 설계펠릿 제조기의 링 금형의 수명을 연장하고, 마모를 줄이며, 교체를 용이하게 하고, 유지 보수 비용을 절감하기 위해서는 링 금형 구조에 대한 완전히 새로운 개선 설계가 필요하다. 본 설계에서는 매립형 성형 금형을 사용하였으며, 개선된 압축 챔버 구조는 그림 4에 나타내었다. 그림 5는 개선된 성형 금형의 단면도이다.
본 개선된 설계는 주로 능동 압력 롤러와 고정 링 금형의 구동 방식을 사용하는 링 금형 입자 성형기를 대상으로 합니다. 하부 링 금형은 본체에 고정되고, 두 개의 압력 롤러는 연결판을 통해 주축에 연결됩니다. 성형 금형은 하부 링 금형에 끼워 맞춤 방식으로 장착되고, 상부 링 금형은 볼트를 사용하여 하부 링 금형에 고정되고 성형 금형에 단단히 고정됩니다. 동시에, 압력 롤러가 링 금형을 따라 방사형으로 이동한 후 발생하는 반동으로 인해 성형 금형이 반동하는 것을 방지하기 위해, 성형 금형을 상부 및 하부 링 금형에 각각 접시머리 나사로 고정합니다. 재료가 금형 구멍으로 들어가는 저항을 줄이고 재료 투입을 용이하게 하기 위해, 설계된 성형 금형의 공급 구멍의 원추각은 60°~120°입니다.
개선된 성형 금형의 구조 설계는 다중 사이클 및 긴 수명이라는 특징을 갖습니다. 입자 성형기가 일정 기간 작동하면 마찰 손실로 인해 성형 금형의 기공이 커지고 표면이 마모됩니다. 마모된 성형 금형을 제거하고 확장하면 다른 규격의 성형 입자 생산에 재사용할 수 있습니다. 이를 통해 금형을 재사용하여 유지 보수 및 교체 비용을 절감할 수 있습니다.
과립기의 수명을 연장하고 생산 비용을 절감하기 위해 압력 롤러에는 내마모성이 우수한 고탄소 고망간강(예: 65Mn)을 사용합니다. 성형 금형은 합금 침탄강 또는 Cr, Mn, Ti 등을 함유하는 저탄소 니켈 크롬 합금으로 제작해야 합니다. 압축 챔버의 개선으로 인해 작동 중 상하 링 금형이 받는 마찰력이 성형 금형에 비해 상대적으로 작아졌습니다. 따라서 압축 챔버 재질로는 45강과 같은 일반 탄소강을 사용할 수 있습니다. 기존의 일체형 성형 링 금형에 비해 고가의 합금강 사용량을 줄여 생산 비용을 절감할 수 있습니다.
2. 링 몰드 펠릿 제조기의 성형 금형 작동 과정 중 금형의 기계적 분석.
성형 공정 중, 성형 금형 내부에서 발생하는 고압 및 고온 환경으로 인해 재료 내의 리그닌이 완전히 연화됩니다. 압출 압력이 증가하지 않으면 재료는 가소화됩니다. 가소화 후 재료는 유동성이 좋아지므로 길이를 d로 설정할 수 있습니다. 성형 금형은 압력 용기로 간주되며, 성형 금형에 가해지는 응력은 단순화됩니다.
위의 역학적 계산 분석을 통해 성형 금형 내부의 임의 지점에서의 압력을 얻기 위해서는 해당 지점에서의 원주 방향 변형률을 구해야 한다는 결론을 내릴 수 있습니다. 그런 다음 해당 위치에서의 마찰력과 압력을 계산할 수 있습니다.
3. 결론
본 논문에서는 링형 펠릿 제조기의 성형 금형에 대한 새로운 구조 개선 설계 방안을 제안한다. 매립형 성형 금형을 사용함으로써 금형 마모를 효과적으로 줄이고, 금형 수명을 연장하며, 교체 및 유지보수를 용이하게 하고, 생산 비용을 절감할 수 있다. 또한, 작동 과정에서의 성형 금형에 대한 역학적 분석을 수행하여 향후 연구를 위한 이론적 기반을 제공한다.
게시 시간: 2024년 2월 22일