生物质成型燃料设备的模块化设计与陶瓷耐磨材料的应用

发布时间：2020-05-07 00:19

【摘要】：在化石能源日渐匮乏、能源形势日益紧张的今天，人类寻找替代或辅助能源并提高能源利用效率的要求显得愈加迫切。我国是一个农业大国，有丰富的农业生物质资源，生物质能源以其数量巨大，可再生、再转换、可运输、可储存的特点，是目前最具有发展前景的可再生新能源之一。生物质成型燃料是以农林剩余物为原料，挤压成型后的形成的一种洁净低碳的生物质可再生能源，由于能量密度高、燃烧特性好、燃烧后对环境危害小等优势而被广泛关注。我国在70年代末引进挤压型生物质成型机，早期技术发展和产品研究较为缓慢。到20世纪未，随着国际油价的高涨以及我国能源需要的急剧攀升，生物质能源得到飞速发展。近年来随着国家不继制订和出台拉动生物质成型燃料发展的政策，生物质成型燃料产业也在不断发展壮大。但生物质成型燃料在发展过程中也遇到一些瓶颈和障碍，由于生物质秸秆内含有较高的Si、Ca、Cl、K、Mg等矿质元素，以及在秸秆收集过程中带入的许多泥沙（SiO2），造成了在生物质挤压成型过程中对生物质成型设备的快速磨损，致使目前生产成型设备平均使用修复周期不超过300h，个别生产厂家采用45号钢不做任何热处理，其使用时间甚至不超过50h。生物质成型设备的快速磨损问题已成为制约其发展的一个瓶颈。围绕上述问题，本文主要做了如下研究和工作： 1.对生物质成型设备的磨损机理进行了理论分析和研究； 2.在理论分析的基础上，对活塞冲压式和平模式生物质成型设备进行了模块化设计； 3.对适用于生物质成型设备上的耐磨材料进行了选择分析与研究； 4.将耐磨材料应用于模块化设计的生物质成型设备，并进行了试验研究。通过上述研究与实验，取得如下研究成果： 1.通过对生物质成型设备的磨损及受力分析可知，生物质成型设备的磨损主要属于磨料磨损，受微观切削机理控制。通过设备运行参数的改变，可以有效减小磨损。对于螺旋挤压式成型设备，减小螺旋杆的旋转速度能有效地减少磨损，对于模压式成型设备，同样也可以有效地减少磨损。 2.对成型设备模块化设计，是解决磨损问题的重要方法之一。将成型机分做若干个功能化模块，对于易损部件模块采用统一标准，，可以极大地提高成型设备的可维护性，延长整体设备的生产使用寿命。 3.非金属材料应用是解决磨损问题的重要选择，陶瓷材料是以离子键、共价键为主的结合键，使得其具有高熔点、高硬度、低摩擦系数等许多有利于防止磨损的性能。 4.通过陶瓷耐磨材料在生物质成型设备上的应用实验，证明氧化铝陶瓷耐磨材料在生物质成型设备上的应用是成功的。尽管氧化铝陶瓷管在生物质成型过程中，出现了裂纹和部分碎裂现象，但并没有破坏其自身完整性以及成型效果，用氧化铝陶瓷作为生物质成型设备的主要磨损部件材料，可以大大延长生物质成型设备的维修使用周期，具有积极的经济价值。
【图文】：

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输水分和养分的中空导管存在，使得生物质的密度显著下降，硬木的密度通常为 0.65m3，软木的密度为 0.45g/cm3，农作物秸秆和水生植物的密度更低[8]。生物质在存放过，由于单个的生物质个体与个体之间存在有大量的空隙，使其堆积密度更低。通过压缩颗粒之间的空隙，并将植物体内的导管等生物结构空间填充就可以改变生物质的密度提高生物质的能量密度，改善生物质的运输性能和燃烧性能，这正是生物质压缩成型的点。密度的改变解决了制约生物质规模化利用的体积能量密度过低的瓶颈，同时，也对质的燃料特性产生了积极的作用。正是由于这些改变，使得生物质成型燃料近年来得到泛的应用[9,10]。.2 国外生物质成型燃料的发展1880 年美国人 William Smith 发明了一项专利[11]，将加热到 66℃的锯末和其它废木用蒸汽锤加工成致密的成型块，这是有记载的最早的“生物质固体成型燃料”。1945本人发明了生物质螺旋挤压成型技术。生物质成型燃料技术发展到今天，已可以将生物工成颗粒状、空心棒状、实心棒状和块状等不同形态的成型燃料，如图 1.1。

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图 1.2 欧洲颗粒燃料地图（左）及瑞典和芬兰颗粒燃料工厂及产能分布（右）Fig. 1.2 The map of pellet fuel of Europe(left) and distribution of pellet fuel Factories and production棒状或块状成型燃料是成型燃料的另一类形态，这类成型燃料可以被加工成实块状、空心棒状等不同的形状。相对于颗粒燃料，棒状或块状成型燃料对原料的适广泛，不仅可以利用木质类原料，而且可利用农作物秸秆，以及城市有机垃圾等生物总体来说，国外生物质成型燃料发展经历了较为漫长的历史，在 20 世纪 80 年的市场销售量一直徘徊在 500 万 t 左右，进入 21 世纪以来，随着石油价格的上涨，
【学位授予单位】：河南农业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TK6

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