秸秆压块成型因素与压模腔体的优化研究

发布时间：2016-10-08 07:12

第一章绪论

农作物秸秆,作为产量丰富的农业生产副产品,是一种重要的生物质资源。我国从2008年起秸秆产量已超过7.5亿吨,居世界之首,而且每年还在增长中,然而, 秸秆的实际有效利用率不足我国秸秆综合利用存在的最突出问题是大量的秸秆在田间被露天焚烧,或者农户直接用于生活燃料,造成了秸秆资源的浪费,也导致了严重的环境污染。这是由于我国秸秆资源分布零散、体积庞大、运输收集成本高等原因,造成了秸秆综合利用产业化程度低、经济性差。松散的或者打包压缩后的秸秆的密度大约在40kg/m3到100kg/m3,体密度比较低,因此,如何对秸秆资源进行有效利用,使其减小体积、降低其储运成本的研究具有重大的现实意义。采用物理方式对秸秆进行压缩,是秸秆的致密化成型技术领域的一项重要组成部分。首先将秸秆原料粉碎至一定的粒度,再对草粉进行一定的物理处理,通过机械式压缩方法,把粉料压缩成颗粒、压块或棒料等形态,使其压缩密度増加3-20倍 ,从而解决秸秆原料堆积密度小,储运不便等问题。所以, 秸秆压缩技术降低了储运成本,提高了设备的有效容积燃烧强度和转换利用的热效率,提高了秸秆资源收集利用的经济性和可行性221。压缩后的秸秆，，又可广泛的应用于生活、工业用锅炉及生物质能源发电等,"十二五"期间,我国己明确要兴建200个绿色能源示范县来推动实现"到2020年我国生物质成型燃料年利用量达到5000万吨"的目标。因此, 秸秆压缩技术的研究是农作物资源高效利用和产业化加工的重要途径,将成为一个重大而关键的课题,对促进我国经济发展和环境保护都有着重要意义。

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第二章稳轩压块的压缩特性硏究

2.1试验因素

生物质压缩过程受多种因素的影响,本章主要选取了压缩载荷、粉碎粒度、含水率、秸秆种类为主要因素进行农作秸秆压缩特性的研究,从而探讨和优化这些因素对压缩过程、圧缩模型、比能耗等的影响。原料种类生物质材料中含有蛋白质、纤维素、半纤维素和木质素等,圧缩过程就是使这些含量发生物理化学变化的过程。在不同种类的原料中,其含量具有较大的不同,从而导致压缩特性具有很大的差异,对压缩密度、耐久度、能耗、生产率等都有着重要的影响。木屑、首猜、玉米、稻草等生物质原料的压缩特性己经被国内外学者进行了探讨研究，本章在以前的研究基础上,进一步探讨了大麦、燕麦、油菜及小麦四种农作秸秆的压缩特性,为其加工技术的研究奠定理论基础。

2.2试验材料

进行秸秆压缩前,通常需要对秸秆原料进行粉碎,该步骤有助于喂料,提高生产效率,也对提高秸秆成型品质有着重要的影响。该试验研究所用的方法中的秸秆原料过长,容易堵塞粉碎机,需要对秸秆原料进行两次粉碎。因化首先利用一台小型切段机(型号:CTR,BelfastMiniMills公司,加拿大,2.1)将方捆秸秆切成长度约50mm的草段,然后利用一台小型粉碎机(型号:6M13688,GlenMills公司,图2.1)将该草段进行二次粉碎,制备草粉样品。为了获得较大粒径的草粉粉料,键片式粉碎机选用了三种最大尺寸的筛网网孔,直径分别为:19.05mm、25.40mm、31.75mm。为了获得粉碎后草粉的粒度分布、堆积密度、真密度等物理参数,需要按照相关标准方法对草粉样品进行测量计算。

第三章秸秆压块的应力松弛特性研究...37

3.1试验材料与方法...37
3.2压块松弛特性...38
3.3松弛模型...42
3.4小结...47
第四章秸秆压块的皮模腔体影响试验研究...49
4.1成型原理与材料...49
4.2试验台设计...51
4.3压膜力学分析...54
4.4模孔影响试验分析...56
4.5小结...59
第五章秸秆压块压缩成型有限元数值模拟...61
5.1有限元理论...61
5.2压缩成型过程的有限元分析...62
5.3压缩过程模具有限元分析结果..........64
5.4小结...70

第六章秸秆压块中试试验研究

6.1试验原料

在目前大部分的试验研究中,主要以试验室规模的压缩特性研究为主,从而探讨优化压缩参数。但是,这与中试或商业规模的压块生产有所不同。中试试验主要是基于生物质成型机,进一步探索各种"内因"和"外因"变量在实际生产中对成型品质、生产效率和能耗等的影响。本试验研究的目的旨在根据液压式生物质压块机的特性,从"内因"角度进行不同秸秆物料在固定的压模结构下的中试生产研究。

6.2试验台搭建

该生物质压块机主要由料箱、喂料锅轮、喂料(活塞)液压缸、压缩(活塞)液压缸、成型套简、控制箱等部分组成,设备参数如表6.1所示。将秸秆粉料倒入压块机的圆柱形料箱内后,通过祸轮的转动,周期性的将草粉填入喂料口,由预压活塞将粉料推入成型腔体内进行喂料和预压缩,再由成型活塞进一步对草粉压缩,每进行一次压缩,成型后的草块在成型套筒内不断向外移动,同时可在其内进行保压,最终压块从套筒一端被挤出。其中,成型套筒由上下两半组成,内径约为50mm,总长为500mm,草块被挤出大约需要6-10min。可一通过调节喂料口的大小来调节喂料量,本试验研究中,将喂料口调至最大,保证达到最大的喂料效率。由于液压式压块机可以根据原料特性、含水率、粒径及喂料量的不同自适应压力,所以试验前将压块机可施加压力调至其最大值16,从而可以保证能够提供最够的压缩力。试验过程中,通过手持式红外测温仪(型号TN408LC,RadiantInnovation公司,台湾新竹)测得成型腔体的温度约为60±5°C,因为是常温压缩,没有外加热源,因此该温度主要是由压缩过程和物料间的摩擦产生。
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第七章结论与建议

7.1结论

本文进行了秸秆原料压缩成型过程中的内部与外部影响因素研究,即建立了"单轴闲式"压缩试验台进行了不同秸秆原料在不同含水率、粉碎粒径及施加载荷条件下的压缩和松弛特性;建立"半开式"圧缩试验台进行了压模结构对压缩过程的影响研究;建立中试试验台探讨了不同参数的秸秆原料在实际生产中的特化从而得到了如下主要结论:(1)单轴压缩试验中,高含水率和小草粉粒径可以获得较髙的压缩密度。而中试试验结果表明,高含水率对存放一定时间后的草块密度有着不利的影响,当存放两周后,随着残余应力的衰减和水分的挥发,在较小含水率下压缩得到的草块可以稳定在更髙的密度。(2)应力松弛现象发生在压缩过程结束的瞬间,对原料施加越大的载荷,应力松弛后残留在原料中的应力值越大,不利于保持压块的稳定性,因此压缩载荷过大,不仅消耗过多的能耗,而且不利于压块的稳定性。残余应力在短时间内迅速衰减,超过85%的松弛值发生在松弛开始后的一分钟内,因此压缩后物料的保压时间应尽量在60S上。(3)较高的含水率(15%)和较小的粒 (19.05mm)可有效的提高大麦、燕麦和小麦压块的出料效率,降低生产过程的能耗,然而对于油菜杆原料,含水率的提高反而使得出料效率减小。

7.2主要创新点

(1)研究了"中粉碎"的大麦、燕麦、油菜及小麦秸秆原料在不同参数下的压缩特性与应力松弛特性,完善了较大粒径秸秆原料的压缩特性研究内容,为生物质原料致密成型技术提供了相关参数;(2)提出了一种可较好模拟实际压缩过程的"半开式"压缩试验研究方法,成功设计搭建了试验台,从而获得了压模腔体结构参数的影响作用;(3)从结构力学和ABAQUS有限元分析的角度,优化改进了原料在带有锥角的成型腔体中的力学模型和应力应变特征,从而获得了不同锥角的压模腔体对压缩过程的影响作用,为锥压缩腔体的研究提供了理论支持;(4)设计并搭建了生物质压缩中试试验台,获得了秸秆在实际生产中的压缩特性,从而完成了秸秆自身特性对压块过程影响的研究内容,可为实际生产工艺提供理论支持。

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参考文献（略）

本文编号：133381