バイオマスは鉱物エネルギーに比べて灰分、窒素、硫黄などの有害物質が少ないため、埋蔵量が多く、炭素活性が高く、着火しやすく、揮発性成分が多いという特徴があります。そのため、バイオマスは非常に理想的なエネルギー燃料であり、燃焼変換と利用に非常に適しています。バイオマス燃焼後の残灰には、リン、カルシウム、カリウム、マグネシウムなど、植物に必要な栄養素が豊富に含まれているため、肥料として畑に戻すことができます。バイオマスエネルギーは膨大な資源埋蔵量と独自の再生可能の利点があるため、現在、世界各国で国家新エネルギー開発の重要な選択肢とみなされています。中国国家発展改革委員会は、「第12次五カ年計画における作物残渣の総合利用実施計画」の中で、作物残渣の総合利用率を2013年までに75%に、2015年までに80%以上に引き上げることを目指すと明言しています。
バイオマスエネルギーを高品質でクリーンかつ便利なエネルギーに変換する方法は、解決すべき喫緊の課題となっています。バイオマス圧縮技術は、バイオマスエネルギーの焼却効率を向上させ、輸送を容易にする効果的な方法の一つです。現在、国内外の市場には、スパイラル押出成形機、ピストンプレス成形機、平型成形機、リング型成形機の4種類の一般的な高密度成形装置があります。中でも、リング型ペレット成形機は、運転中に加熱する必要がない、原料の水分含有量に対する要求範囲が広い（10%～30%）、1台の機械の生産量が大きい、圧縮密度が高い、成形効果が良いなどの特徴から広く使用されています。しかし、これらのタイプのペレット成形機は一般的に、金型の摩耗が早い、耐用年数が短い、メンテナンスコストが高い、交換が不便であるなどの欠点があります。リング型ペレット成形機の上記の欠点に対応するため、筆者は成形金型の構造に全く新しい改良設計を施し、耐用年数が長く、メンテナンスコストが低く、メンテナンスが容易なセット型成形金型を設計しました。一方、本稿では、成形金型が作動する過程における機械的解析を行った。
1. リング型造粒機の成形金型構造の改良設計
1.1 押出成形プロセスの概要：リングダイペレットマシンは、リングダイの位置に応じて垂直型と水平型の2種類に分けられます。動作形式に応じて、固定リングモールド付きアクティブプレスローラーと駆動リングモールド付きアクティブプレスローラーの2種類の動作形式に分けられます。この改良設計は、主にアクティブプレスローラーと固定リングモールドを動作形式とするリングモールド粒子マシンを対象としています。主に搬送機構とリングモールド粒子機構の2つの部分で構成されています。リングモールドとプレスローラーは、リングモールドペレットマシンの2つのコアコンポーネントであり、リングモールドの周囲に多数の成形モールド穴が配置され、プレスローラーはリングモールド内に設置されます。プレスローラーは伝動スピンドルに接続され、リングモールドは固定ブラケットに取り付けられます。スピンドルが回転すると、プレスローラーが回転します。動作原理：まず、搬送機構が粉砕されたバイオマス材料を一定の粒子サイズ（3～5mm）にして圧縮室に搬送します。次に、モーターが主軸を駆動して加圧ローラーを回転させ、加圧ローラーが一定速度で移動して、加圧ローラーとリング型の間に材料を均一に分散させ、リング型と材料、加圧ローラーと材料、そして材料同士が圧縮摩擦を起こします。圧縮摩擦の過程で、材料中のセルロースとヘミセルロースが結合します。同時に、圧縮摩擦によって発生する熱がリグニンを軟化させて天然の結合剤に変え、セルロース、ヘミセルロース、その他の成分をより強固に結合させます。バイオマス材料の連続的な充填により、成形型穴内で圧縮摩擦を受ける材料の量が継続的に増加します。同時に、バイオマス間の圧縮力が継続的に増加し、成形型穴内でバイオマスが連続的に緻密化され、成形されます。押出圧力が摩擦力よりも大きい場合、バイオマスはリング型周囲の成形穴から連続的に押し出され、成形密度が約1g/cm3のバイオマス成形燃料が形成される。
1.2 成形金型の摩耗：ペレット製造機の単体生産量は大きく、自動化の度合いが高く、原料への適応性も高い。様々なバイオマス原料の処理に幅広く使用でき、バイオマス高密度成形燃料の大規模生産に適しており、将来のバイオマス高密度成形燃料の工業化の発展要件を満たす。そのため、リングモールド式ペレット製造機が広く使用されている。処理されるバイオマス原料に少量の砂やその他の非バイオマス不純物が混入する可能性があるため、ペレット製造機のリングモールドに大きな摩耗が生じる可能性が高い。リングモールドの耐用年数は生産能力に基づいて計算される。現在、中国におけるリングモールドの耐用年数はわずか100～1000tである。
リングモールドの故障は主に次の4つの現象で発生します。①リングモールドが一定期間稼働した後、成形金型穴の内壁が摩耗して開口部が大きくなり、結果として成形燃料が大きく変形します。②リングモールドの成形ダイ穴の供給傾斜が摩耗し、ダイ穴に押し込まれるバイオマス材料の量が減少し、押出圧力が低下し、成形ダイ穴が詰まりやすくなり、リングモールドの故障につながります（図2）。③内壁材料が摩耗した後、排出量が急激に減少します（図3）。
④ リング金型の内穴が摩耗すると、隣接する金型部品L間の壁厚が薄くなり、リング金型の構造強度が低下します。最も危険な部分で亀裂が発生しやすく、亀裂が拡大し続けると、リング金型の破損現象が発生します。リング金型の摩耗しやすく、耐用年数が短い主な理由は、成形リング金型の構造が不合理であること（リング金型と成形金型穴が一体化していること）です。この一体構造では、次のような結果が生じやすくなります。リング金型の成形金型穴が数個摩耗して機能しなくなった場合でも、リング金型全体を交換する必要が生じ、交換作業が不便になるだけでなく、大きな経済的損失やメンテナンスコストの増加につながります。
1.3 成形金型の構造改良設計ペレット成形機のリング型金型の耐用年数を延ばし、摩耗を低減し、交換を容易にし、メンテナンスコストを削減するためには、リング型金型の構造について全く新しい改良設計を行う必要がある。設計には埋め込み成形金型が用いられ、改良された圧縮室構造を図4に示す。図5は、改良された成形金型の断面図である。
この改良設計は、主にアクティブ加圧ローラーと固定リングモールドの動作形式を備えたリングモールド粒子成形機を対象としています。下部リングモールドは本体に固定され、2つの加圧ローラーは接続プレートを介して主軸に接続されています。成形モールドは下部リングモールドに埋め込まれ（圧入を使用）、上部リングモールドはボルトを介して下部リングモールドに固定され、成形モールドにクランプされます。同時に、加圧ローラーが転がり、リングモールドに沿って半径方向に移動した後の力によって成形モールドが跳ね返るのを防ぐために、皿ネジを使用して成形モールドをそれぞれ上部および下部リングモールドに固定します。材料が穴に入る際の抵抗を減らし、モールド穴に入りやすくするために、設計された成形モールドの供給穴の円錐角は60°～120°です。
改良された成形金型の構造設計は、多サイクル性と長寿命という特徴を備えています。粒子成形機が一定期間稼働すると、摩擦損失によって成形金型の開口部が拡大し、不動態化します。摩耗した成形金型を取り外して拡張することで、他の仕様の成形粒子の製造に再利用できます。これにより、金型の再利用が可能になり、メンテナンスおよび交換コストを削減できます。
造粒機の耐用年数を延ばし、生産コストを削減するために、加圧ローラーには耐摩耗性に優れた高炭素高マンガン鋼（65Mnなど）を採用しています。成形型は、合金浸炭鋼または低炭素ニッケルクロム合金（Cr、Mn、Tiなどを含む）で作る必要があります。圧縮室の改良により、運転中に上下のリング型にかかる摩擦力は、成形型に比べて比較的小さくなっています。そのため、圧縮室の材料には、45鋼などの通常の炭素鋼を使用できます。従来の一体型成形リング型と比較して、高価な合金鋼の使用量を削減できるため、生産コストを削減できます。
2. リング型ペレット成形機の成形金型の動作過程における成形金型の機械的解析。
成形工程中、成形金型内で発生する高圧・高温環境により、材料中のリグニンは完全に軟化する。押出圧力が上昇しなくなると、材料は可塑化する。可塑化後、材料は良好に流動するため、長さをdに設定することができる。成形金型は圧力容器とみなされ、成形金型にかかる応力が簡略化される。
上記の力学的計算解析から、成形金型内部の任意の点における圧力を求めるには、その点における円周方向のひずみを決定する必要があることが結論付けられる。そうすることで、その位置における摩擦力と圧力を計算できる。
3．結論
本稿では、リング型ペレット成形機の成形金型に対する新たな構造改良設計を提案する。埋め込み型成形金型を用いることで、金型摩耗を効果的に低減し、金型寿命を延ばし、交換・メンテナンスを容易にし、生産コストを削減できる。同時に、成形金型の動作過程における力学的解析を実施し、今後の研究のための理論的基礎を提供する。
投稿日時：2024年2月22日