谷秆固体燃料物理性能及燃烧特性研究

发布时间：2020-07-17 22:36

【摘要】：作为“五谷”之首的谷子是山西特色小杂粮中一种重要的农作物,在山西的种植面积稳定在20万hm2左右,占到了我国谷子栽培面积的21%左右,全国排名第二。大规模的种植,其收获后产生的秸杆处理逐渐成了普遍关注的问题,一般传统处理方式为青贮饲料、腐烂制肥等,随着环保和能源意识的增强,热压成型后作为固体燃料成了一种趋势。生物质固体燃料具有高密度、高热值、易于运输和储存等多种优势。关于玉米秸秆、小麦秸秆、杉木、柠条等农林废弃物的热压成型技术国内外已经做了相关研究。然而,对谷子秸秆固体燃料能源化利用的研究还未见报道,为此本论文针对性地进行谷子秸秆固体成型燃料成型机理与物性及燃烧特性的研究,主要探索谷子秸秆固体燃料原料的含水率、颗粒度和成型压力、温度等因素对燃料成型效果的影响,尝试量化成型机理中几种微观粘结力,建立颗粒间作用力模型,分析成型因素对颗粒间作用力的影响,最后研究了谷子秸秆固体燃料的结渣特性及燃烧特性,建立燃烧动力学模型,为相关加工利用装备的设计提供基础。主要内容和结论如下:(1)对谷子秸秆固体成型燃料的物理性质及影响因素进行了单因素分析。得出各因素与燃料密度、耐久性和抗跌碎性的影响曲线及关系式,并确定合理的成型参数范围。结果表明:在试验测试范围内燃料的密度随着颗粒度的减小而增加,随着压力的增加而先速增后缓增的趋势,但是却随着温度和含水率的增加出现先增加后减小的趋势,结合耐久性和抗跌碎性的变化趋势发现成型质量较好的固体成型燃料的含水率在8%～10%之间,成型温度在80～110℃之间,最佳压力在90～11OMPa之间为宜,而颗粒度则应小于 1.25mm。(2)研究了含水率、颗粒度、压力和温度对燃料成型效果(密度)影响的主次顺序。利用正交试验和Taguchi方法分析了谷子秸秆固体燃料的4个影响因子中对响应变量影响的贡献率和主次。试验结果表明:含水率、颗粒度、压力和温度的贡献率分别为19.83%、46.11%、17.52%和 16.55%。(3)应用最小马氏距离法对谷子秸秆固体燃料的密度、耐久性和抗跌碎性进行了多响应优化分析,得到各响应变量最优时的最佳处理方案(即最佳工艺参数),含水率10.7%,温度97℃,压力107 MPa,此条件下密度、耐久性和抗跌碎性分别达到1.18 g/cm3、99.75%和 99.77%。(4)从微观和细观角度对谷子秸秆固体燃料颗粒间的相互作用力进行研究,建立固体燃料颗粒之间的力学模型,同时利用激光粒度仪、接触角分析仪、微电泳仪等分析压缩成型时的温度、压力、颗粒度和含水率对接触角、Zeta电位的影响。结果表明:成型过程中颗粒间的范德华力、机械摩擦力、静电引力、液桥力等对谷子秸秆固体燃料强度的建立起到了关键作用,同时不同压缩条件对影响颗粒间作用力的相关物理量——接触角、Zeta电位也有显著的影响,从而建立起宏观试验条件和粘结机理的关系。(5)应用热分析法对谷子秸秆燃料的熔融特性、燃烧特性及燃烧动力学性质进行了研究,求解了燃烧动力学方程,并对谷子秸秆的结渣特性进行了分析。结果表明,谷子秸秆固体燃料点火温度较低,点火容易,燃尽率高,但是底灰容易结渣。研究结论为谷子秸秆固体燃料形式的能源化利用提供了参考依据,对实际生产具有指导意义。
【学位授予单位】：山西农业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TK16
【图文】：

试验模,万能材料试验机,压缩模

２．１．２压缩试验逡逑本此试验压缩设备采用的是ＷＡＷ－３００型力＇能材料试验机。压缩参数设置为程控，压逡逑缩速率为0．0５ＭＰａ／ｓ，保压时间为１０ｓ。压缩模具采用自制的圆筒压缩模具，如图２－ｌａ逡逑所示。料筒的高度为１２０ｍｍ，内径为４０ｍｍ。为了能够考察温度对成型质量的影响，在料逡逑筒的外围可以加上可以控制温度的陶瓷加热环。温控的测温探头采用Ｅ型热电偶，精度逡逑为邋±０．邋５°Ｃ。逡逑９逡逑

固体燃料,含水率,物理性能,水分

逦含水牛：：１６％逦含水韦：１８％邋＿邋＾邋＾逡逑图２－２逡逑谷子秸秆固体燃料成型质量随含水率变化试验结果逡逑Ｆｉｇ．２－２邋Ｍｉｌｌｅｔ邋ｓｔｒａｗ邋ｓｏｌｉｄ邋ｆｕｅｌ邋ｍｏｌｄｉｎｇ邋ｑｕａｌｉｔｙ邋ｃｈａｎｇｅｓ邋ｗｉｔｈ邋ｍｏｉｓｔｕｒｅ邋ｃｏｎｔｅｎｔ邋ｔｅｓｔ邋ｒｅｓｕｌｔｓ逡逑从表２－１和图２＿２中可以含水率对固体燃料成型质量的影响。当含水率在５邋—１０％，逡逑Ｈ体燃料的成增质量良Yu。／Ｉ：含水率升至１２％时，发现压缩模具的底部开始出现潮湿现逡逑象，并且出投／ｒ；？的闹休燃料的底部松散，容易破碎。这是由于较多的水分会使固休燃料逡逑颗粒之间过度润滑，机械摩擦力减小，而且较多的水分形成多层水分子膜使颗粒之间的逡逑吸附力山扢键变为了长g髯鞔Γ佣档土苏辰嵝Ч５焙始绦逹徧迦剂系腻义辖裘艹潭蓉⑹迹私担＃盏撞磕岬乃指用飨裕琓在以缩过程中模具内部出现了逡逑爆鸣声，这足山ｒ较多的水分超出了防Ｉ休燃料颗粒的吸附能力，在高温高）ｋ邋ｆ形成水蒸逡逑气

温度变化试验,固体燃料,成型质量,谷子

缩试验设置含水率为１０％，压力９０ＭＰａ，颗粒度＜０．邋６３W，温度梯度则设置为：５（ＴＣ、逡逑７（ｒｃ、９0ｒ、ｉｉｏ°ｃ和ｉ３（ｒｃ，然后按照试验设计方案进行压制，每个处理ｒｉ＜：制Ｈ体燃料逡逑６个。试验结果如图２－４和表２－２所示。逡逑表２－２谷子秸秆固体燃料成型质量随温度变化试验结果逡逑Ｔａｂ２－２邋Ｍｉｌｌｅｔ邋ｓｔｒａｗ邋ｓｏｌｉｄ邋ｆｕｅｌ邋ｍｏｌｄｉｎｇ邋ｑｕａｌｉｔｙ邋ｃｈａｎｇｅｓ邋ｗｉｔｈ邋ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ邋ｔｅｓｔ邋ｒｅｓｕｌｔｓ逡逑颗粒度邋含水韦逡逑温度逦乐力逦Ｐａｒｔｉｃｌｅ邋Ｗａｔｅｒ逦密度逦耐久性逦抗跌碎性逡逑＾ｉｉｉｊ＇邋ｊ逦Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ逦Ｐｒｅｓｓｕｒｅ邋Ｓｉｚｅ逦Ｃｏｎｔｅｎｔ逦Ｄｅｎｓｉｔｙ逦Ｄｕｒａｂｉｌｉｔｙ逦Ｒｅｓｉｓｔａｎｃ逡逑Ｃｏｄｅ逦（°Ｃ）逦（ＭＰａ）邋（ｍｍ）逦（％）邋（ｇ邋？邋ｃｎｖ３）逦（％）逦（％）逡逑１逦５０逦９０逦＜０．６３逦１０逦１．邋１２逦９７．１５逦９７．８逡逑２逦７０逦９０逦＜０．６３逦１０逦１．２１逦９９．６８逦９９．４２逡逑３逦９０逦９０逦＜０．６３逦１０逦１．２６逦９８．９２逦９９．１７逡逑４逦１１０逦９０逦＜０．６３逦１０逦１．２４逦９９．邋１逦９８．邋８逡逑８逦１３０逦９０逦＜０．６３逦１０逦１．２１逦９８．邋７６逦９８．５５逡逑１逦ｉ逦，＇丨逡逑温度５０°Ｃ逦温度７0°Ｃ逦温度：９０Ｘ逡逑温度ｉｉｏ°ｃ逦温度：ｉ３0

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