柠条固体燃料成型机理与物性及燃烧特性研究

发布时间：2020-04-03 07:05

【摘要】：柠条耐旱、耐寒、耐盐碱,是防沙、固沙保护生态环境很好的灌木植物,在山西雁门关生态区及内蒙、陕西、甘肃等地大面积种植,在其生长期需要平茬复壮,收获的3年内青枝秆可加工为营养价值很高的饲料,但多年生的柠条则由于木质化失去营养,不易再进行饲草利用,但由于柠条木质坚硬、纤维强度高、韧性油性好,因此是加工固体成型燃料的很好资源。由于柠条茎秆材料的物性与秸秆、木屑等农业物料有很大不同,因而针对柠条成型加工装备的设计需要研究柠条材料的物理性质和成型工艺参数,另外柠条成型燃料利用装备的研发也缺乏对柠条燃料的燃烧特性及燃烧动力学等方面的基础研究,为此本论文针对性地进行柠条固体成型燃料成型机理与物性及燃烧特性的研究,主要探索柠条固体燃料原料的含水率、颗粒度和成型机挤压力、型腔温度对燃料成型效果的影响,分析柠条固体燃料的物理特性及燃烧特性,探讨成型机理,为相关加工利用装备的设计提供基础。研究得到教育部博士点科研专项基金项目和山西省科技攻关项目的资助,主要内容和结论如下：(1)对柠条茎秆原材料进行了工业分析、化学组分分析、元素分析和热值测定。柠条原料中挥发分及木质素含量较高,硫元素含量仅有0.18%,1 Kg柠条产生的热量相当于0.54 Kg高品质烟煤的发热量,是一种易于成型、燃烧点火容易、燃烧性能稳定、极少有害成分挥发的清洁优质燃料。(2)研究了柠条固体成型燃料的物理性质,分析各因素对燃料成型效果的影响。以燃料密度和耐久性为评价指标进行一系列单因素试验,得出各因素与燃料密度、耐久性的影响曲线及关系式,并确定了合理的成型参数范围。应用回归分析方法对柠条固体成型燃料成型过程进行多因素试验分析,得出燃料物理特性(密度、耐久性、抗压强度、抗剪强度、抗冲击性、抗渗水性)与4个因子变量(含水率、颗粒度、压力、温度)的函数关系,并检验其显著性,找出因子变量对响应变量影响的主次。结果表明：颗粒越细小,燃料的塑性及强度会越差,要保证柠条压块燃料在运输储存过程中具有足够的强度而保持完整,柠条原料颗粒度不宜过小,含水率在8%～14%之间为宜,从节能和低成本角度考虑,成型温度至少为80℃,最高不能超过150℃,压力在60～110MPa之间为宜。(3)应用Taguchi法对柠条固体燃料的密度进行了参数优化分析,找到因子变量的最佳处理(即最佳工艺参数)为颗粒度0.63mm,含水率8%(w.b.),温度130℃,压力120 MPa,此条件下成型的燃料密度为1.152 g·cm-3。应用方差分析法获得各参数对燃料密度影响的贡献率为颗粒度(56.7%)、含水率(12.8%)、压力(11.3%)和温度(10.7%)。(4)运用电子扫描显微镜对柠条固体燃料的微观结构、微观成型机理和失效机理进行了拍片微观分析。对于颗粒度越细小的燃料粘结越紧密,是范德华力和氢键粘结的结果,但粘结力较弱,因此颗粒度越小的燃料密度虽高,抗压强度和抗剪强度却越低。较大颗粒的粘结方式是嵌合或折叠,其重叠微结构提高了抗压缩能力。温度较低成型时氢键和范德华力以及机械互锁是主要的粘结机制,高压和高温对柠条固体燃料的成型起到促进作用,但高含水率对高压和高温有较大影响。木质素的玻璃化转变温度在50℃到100℃之间变化,在接近玻璃化转变温度范围内成型,天然粘结成分从颗粒中被挤出,形成颗粒间的固体桥粘结。柠条原料中含有大量的木质素,因此,在适宜温度和压力下,柠条固体燃料的成型效果良好。在粘结破坏机理方面仅观察到固体桥的粘结破坏,其他破坏机制有可能同时出现。(5)应用热分析法对柠条燃料的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,并对燃烧速率影响因素进行了优化分析。柠条固体燃料点火温度较低,点火容易,燃尽率高,底灰为难熔性灰,不结渣。炉膛温度越高、升温速率越大,燃料越容易点火和燃烧,风量过大会降低炉膛温度,反而不利于燃料的点火和燃烧。为在燃烧过程中释放较多热量,较大颗粒燃料要求较大升温速率和风量的工况,而较细小颗粒的燃料要在较小风量下才能充分燃烧。应用Taguchi法对参数进行优化,确定炉温为900/℃,风量为1.5m3/h,颗粒度为0.63mm是柠条固体燃料燃烧的最佳条件,各因素对燃料平均燃烧速率的贡献率等级次序为,颗粒度(42.1%)、炉温(28.5%)、风量(0.9%),颗粒度和炉温是柠条固体燃料燃烧速率的主要决定因素。研究结论为柠条固体燃料成型工艺优化、成型加工和燃烧利用装备的设计提供了基础依据,也可为其它种类灌木及林木废弃物生物质能转化利用装备的研发提供参考。
【学位授予单位】：山西农业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：S216

【参考文献】