玉米秸秆粉料致密成型工艺参数优化与模拟分析

发布时间：2020-07-27 22:18

【摘要】：我国玉米秸秆年产量约2.65亿吨,但在秸秆直接利用过程中,其松散的自然形态使得运输与贮藏成本过高,不利于资源的流通与商品化利用。将秸秆资源进行致密成型加工是解决这一瓶颈的有效手段,与之相关的致密成型技术优化研究对于推进秸秆资源的开发利用具有重要意义。本文以玉米秸秆粉料为研究对象,探索成型工艺与物料特性参数对致密成型颗粒品质特性的影响,并对成型过程中物料的力学行为进行试验与模拟研究,取得的主要成果有：(1)采用中心复合设计试验方案,以喂料电机转速、环模与压辊间隙调整角度和物料含水率为试验因素,以成型颗粒燃料的颗粒密度、堆积密度、颗粒含水率、单位质量能耗及压缩力为试验指标,应用典型致密成型设备对粉碎玉米秸秆粉料进行压缩成型试验。对试验数据进行回归分析后显示,3个试验因素对堆积密度及单位质量能耗影响均显著,而对颗粒含水率和压缩力模型的影响均不显著,环模与压辊间隙调整角度和物料含水率对颗粒密度回归模型影响显著。对各试验指标进行多目标优化后显示,在颗粒密度、堆积密度与单位质量能耗指标权重系数分别为2、2、1,喂料电机转速为450r/min、模辊间隙角度为11.25。、秸秆粉料含水率为22.5%时,基于各回归模型的多目标优化值分别为：颗粒密度为0.8110g/cm3,堆积密度为425.505kg/m3,单位质量能耗为78.32(kW·h)/t,验证试验结果与优化值相对误差小于3%。(2)通过单模孔成型试验,研究了成型工艺参数对玉米秸秆颗粒密度、颗粒含水率及单位质量能耗试验指标的影响。首先基于Plackett-Burman析因试验设计筛选出对试验指标有重要影响的6个试验因素：温度、喂入量、孔径、压缩速度、含水率、预载荷；在此基础上,结合单因素试验,应用均匀设计试验方法对所选6个试验因素进行了多因素、多水平试验。通过对试验数据进行回归分析,发现除预载荷试验因素外,其余因素对颗粒密度回归模型有显著影响；而全部试验因素均对颗粒含水率回归模型有显著影响；对于单位质量能耗回归模型,孔径与温度两个试验因素有显著影响。当设置颗粒密度、含水率和单位质量能耗模型试验指标权重相同时,模孔直径为8mm,型腔成型温度为93.81℃,压杆压缩速度为100mm/min,每行程喂入量为0.4g,预载荷为1kPa,含水率为20%时,得到多目标优化后的颗粒密度为1.719g/cm3,颗粒含水率为11.09%,单位质量能耗为1.3797J/g(38.33(kW·h)/t),验证试验结果与优化值相对误差分别为10.5%,1.26%和17.4%。(3)基于单模孔成型试验,对玉米秸秆粉料致密成型过程中的力学行为进行了研究,发现广义麦克斯韦尔模型适于描述物料的流变本构特性。在闭式压缩模式下,每行程最大压缩力与压缩时间呈指数形式增长。(4)基于软球模型接触理论,建立了物料成型过程离散元仿真模型,利用人工神经网络算法,将离散元模拟的压缩力等参数作为网络输入,能够反求出离散元模拟颗粒的接触法向刚度、切向刚度与颗粒间摩擦系数。结合两种计算技术,对实际应力松弛试验进行了模拟,模拟结果与实测结果一致性较好。本研究可为生物质类物料压缩成型机具设计与成型工艺优化提供理论依据和实际指导,离散元模拟方法与人工神经网络相结合,为生物质物料成型提供了新的技术手段与分析方法。
【学位授予单位】：沈阳农业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：S216.2

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