沙柳颗粒致密成型过程宏细观力学模型研究

发布时间：2020-11-18 09:20

　　 在能源使用日益紧张的当代,生物质能的开发逐渐受到重视。本文研究对象沙柳为典型的生物质原料,其是内蒙古地区特有的多年生灌丛植物,具有热值高、平茬复壮等特征,但其物料产地分散、难于收集,自然堆积状态下密度小、储运困难,故研究沙柳的致密成型技术具有现实意义。现阶段致密成型技术的研究多基于一种手段,将生物质物料当作连续体进行有限元分析或基于离散元理论从颗粒角度分析,而实际过程是细观颗粒尺度上内在机理的改变导致宏观现象的发生。除此之外,成型块品质不佳,设备磨损严重等问题也亟待解决。针对上述问题,本文从离散元和有限元两个尺度研究生物质致密成型过程,分析其黏弹塑性力学变化并构建其致密成型过程中力学模型,为生物质致密成型的发展提供理论基础。首先,从多尺度的角度具体分析生物质致密成型过程,宏观基于有限单元法,将生物质成型块等效为实体,基于连续体力学理论采用显式分析求解器使用准静态加载的方式分析了单向模压过程,选取压制初期、中期、中后期、结束这四个时刻分析应力变化,得到应力由零逐渐增大,且应力由开始集中在上表面,到上半部分再到整个物料柱均匀分布的结论。细观基于离散单元法,将生物质归入软物质范畴,基于散体力学理论分析生物质致密成型过程,选取加载初始、弹性变形开始、塑性变形开始、加载结束这四个时刻分析颗粒和接触力以及速度场传递机理和规律,得到颗粒分布由松散到密集,接触力分布由杂乱无章到形成菱形再到大环状最后到小三角形稳定结构的结论,而颗粒速度场经历竖直向下、形成分隔带,分隔带下移直至消失的结论。其次,为了得出更加准确可靠的模具受力及应变云图,充分发挥离散元和有限元的优势,将离散元和有限元进行耦合仿真。用离散元计算出的力和位置信息,作为有限元的输入,分析外部模具受力和变形,解决了传统有限元分析无法预知准确载荷分布的问题,得到模具受力和变形均沿中心轴线自上而下逐渐增大的结论。最后,根据离散元仿真结果,采用压力差值法将沙柳细枝致密成型过程依次分为进料预压、黏弹性、黏塑性、应力松弛这四个阶段,依据各阶段不同特性使用模拟元件分别建立力学模型和力学方程,并拟合数据求出未知参数,分析未知参数变化的内在机理。得到四个阶段的力学方程,且参数变化主要由于随加载进行,颗粒之间空隙减小导致不易被压缩以及温度升高,木质素软化等原因。
【学位单位】：内蒙古科技大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2020
【中图分类】：S216.2
【部分图文】：

内蒙古科技大学硕士学位论文-3-图1.1生物质致密成型内部过程1.2.1生物质致密成型工艺生物质致密成型技术从开始研究到发展至今，已经出现了多种工艺手段，根据其成型方式及工艺的不同，主要分为湿压成型、热压成型、常温成型及炭化成型四类[3]。（1）湿压成型湿压成型工艺适用于含水率较高的纤维类生物质物料，其具体操作是将物料浸泡在水中数日或在其表面喷水后加入粘结剂搅拌，使其湿润皲裂并部分降解，用高压将多余的水挤走后形成成型块燃料。（2）热压成型热压成型工艺适用于绝大多数生物质物料，是目前普遍采用的成型工艺方式，其过程一般为物料粉碎、干燥混合、挤压成型、冷却包装这四个环节。主要工艺参数为温度和压力，关键步骤挤压成型过程中主要利用了生物质物料中木质素受热软化，粘结力增加的性质。由于受物料种类、含水率、粒度、成型温度等因素的影响，具体的工艺流程有一定的差别。（3）常温成型常温成型工艺将粉碎后的生物质物料在常温下压缩成成型块，利用生物质致密成型过程中物料受到外部压力后经历重新排列、机械变形和塑性流变的原理，实现自然状态下的常温压缩成型，较热压成型工艺减少了物料干燥、成型前加热和成型后降温的过程，降低了总体能耗，减少了成本，为生物质燃料新的发展方向。（4）炭化成型炭化成型工艺分为将粉碎后的物料先挤压成一定规格的燃料再炭化和先炭化成粉粒状木炭，后加入粘结剂挤压成型这两种方式，后者由于先炭化使生物质物料内部纤维结构受到破坏，容易粉碎，因此较前者来说降低了粉碎机和成型机的损耗，为炭化成型的主流方式。炭化后的生物质物料在燃烧过程中烟尘和粉尘的排放均会减少，

内蒙古科技大学硕士学位论文-4-满足人们对高品质燃料的需求。1.2.2生物质致密成型设备目前生物质压缩成型的设备按其工作原理可划分为螺旋挤压式、活塞冲压式和模辊式，其中模辊式又分为平模和环模，每种成型方式都有各自的优缺点和适用工况，但环模压缩成型应用范围较广且效率高。生成的颗粒形状有块状、棒状和颗粒状，不同形状的颗粒物燃料如图1.2所示。根据成型物直径尺寸来区分块状、棒状和颗粒状，一般块状和棒状成型物直径大于30mm（瑞典为25mm）。棒状和颗粒状成型物用于生物质燃料或者动物饲料，其中生物质燃料以颗粒状为主，三种形状的生物质成型物中，颗粒状成型物体积最小，流动性最好，适用范围最广泛，目前已成为生物质致密成型技术中的主流目标产物。螺旋挤压式和活塞冲压式成型机多用来生产方块和棒状的成型物，模辊式分为平模成型机和环模成型机，用来生产颗粒状的成型物。（a）棒状（b）块状（c）颗粒状图1.2不同形状的生物质成型物（1）螺旋挤压式成型机螺旋挤压式成型机为最早的生物质致密成型设备，早期用来生产饲料，其工作原

内蒙古科技大学硕士学位论文-5-理是转动螺旋为粉碎的生物质物料提供源源不断的推力，同时挤压物料，使物料进入模孔成型。螺旋挤压式成型机优点为成型物的密度大，一般为1.1-1.4g/cm3；成型燃料品质较高，表面无纹理，不易破碎，主要由于挤压过程中压力沿着螺旋逐步建立，使物料被充分混合和挤压，利于物料成型。但其最大的缺点是螺旋输送器的磨损大，寿命短，维修费用高且该成型机产量较低。图1.3螺旋挤压式成型机（2）活塞冲压式成型机活塞冲压式成型机克服了螺旋挤压式成型机中螺旋磨损大的问题，改变了驱动方式，活塞冲压式成型机的工作原理为通过活塞的往复运动，将粉碎的生物质物料在活塞的推动下在喉管处挤压成生物质燃料，其优点为适应多种物料，成型密度较大，较螺旋挤压式成型机能耗降低，但活塞式内腔也易磨损，且存在成型过程中活塞对物料挤压不连续的现象，导致可能形成纵向的片状自然纹理，如果压力不够大，成型物料会因为没有牢固的结合而破裂导致成型品质不佳，其最大缺点为使用过程中存在较大负荷，机器稳定性差。图1.4活塞冲压式成型机（3）模辊式成型机模辊式成型机也叫制粒机，其工作原理为通过辊子在压模上滚动将粉碎的生物质
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