【摘要】：檸條耐旱、耐寒、耐鹽堿,是防沙、固沙保護(hù)生態(tài)環(huán)境很好的灌木植物,在山西雁門關(guān)生態(tài)區(qū)及內(nèi)蒙、陜西、甘肅等地大面積種植,在其生長期需要平茬復(fù)壯,收獲的3年內(nèi)青枝稈可加工為營養(yǎng)價值很高的飼料,但多年生的檸條則由于木質(zhì)化失去營養(yǎng),不易再進(jìn)行飼草利用,但由于檸條木質(zhì)堅(jiān)硬、纖維強(qiáng)度高、韌性油性好,因此是加工固體成型燃料的很好資源。由于檸條莖稈材料的物性與秸稈、木屑等農(nóng)業(yè)物料有很大不同,因而針對檸條成型加工裝備的設(shè)計(jì)需要研究檸條材料的物理性質(zhì)和成型工藝參數(shù),另外檸條成型燃料利用裝備的研發(fā)也缺乏對檸條燃料的燃燒特性及燃燒動力學(xué)等方面的基礎(chǔ)研究,為此本論文針對性地進(jìn)行檸條固體成型燃料成型機(jī)理與物性及燃燒特性的研究,主要探索檸條固體燃料原料的含水率、顆粒度和成型機(jī)擠壓力、型腔溫度對燃料成型效果的影響,分析檸條固體燃料的物理特性及燃燒特性,探討成型機(jī)理,為相關(guān)加工利用裝備的設(shè)計(jì)提供基礎(chǔ)。研究得到教育部博士點(diǎn)科研專項(xiàng)基金項(xiàng)目和山西省科技攻關(guān)項(xiàng)目的資助,主要內(nèi)容和結(jié)論如下：(1)對檸條莖稈原材料進(jìn)行了工業(yè)分析、化學(xué)組分分析、元素分析和熱值測定。檸條原料中揮發(fā)分及木質(zhì)素含量較高,硫元素含量僅有0.18%,1 Kg檸條產(chǎn)生的熱量相當(dāng)于0.54 Kg高品質(zhì)煙煤的發(fā)熱量,是一種易于成型、燃燒點(diǎn)火容易、燃燒性能穩(wěn)定、極少有害成分揮發(fā)的清潔優(yōu)質(zhì)燃料。(2)研究了檸條固體成型燃料的物理性質(zhì),分析各因素對燃料成型效果的影響。以燃料密度和耐久性為評價指標(biāo)進(jìn)行一系列單因素試驗(yàn),得出各因素與燃料密度、耐久性的影響曲線及關(guān)系式,并確定了合理的成型參數(shù)范圍。應(yīng)用回歸分析方法對檸條固體成型燃料成型過程進(jìn)行多因素試驗(yàn)分析,得出燃料物理特性(密度、耐久性、抗壓強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度、抗沖擊性、抗?jié)B水性)與4個因子變量(含水率、顆粒度、壓力、溫度)的函數(shù)關(guān)系,并檢驗(yàn)其顯著性,找出因子變量對響應(yīng)變量影響的主次。結(jié)果表明：顆粒越細(xì)小,燃料的塑性及強(qiáng)度會越差,要保證檸條壓塊燃料在運(yùn)輸儲存過程中具有足夠的強(qiáng)度而保持完整,檸條原料顆粒度不宜過小,含水率在8%～14%之間為宜,從節(jié)能和低成本角度考慮,成型溫度至少為80℃,最高不能超過150℃,壓力在60～110MPa之間為宜。(3)應(yīng)用Taguchi法對檸條固體燃料的密度進(jìn)行了參數(shù)優(yōu)化分析,找到因子變量的最佳處理(即最佳工藝參數(shù))為顆粒度0.63mm,含水率8%(w.b.),溫度130℃,壓力120 MPa,此條件下成型的燃料密度為1.152 g·cm-3。應(yīng)用方差分析法獲得各參數(shù)對燃料密度影響的貢獻(xiàn)率為顆粒度(56.7%)、含水率(12.8%)、壓力(11.3%)和溫度(10.7%)。(4)運(yùn)用電子掃描顯微鏡對檸條固體燃料的微觀結(jié)構(gòu)、微觀成型機(jī)理和失效機(jī)理進(jìn)行了拍片微觀分析。對于顆粒度越細(xì)小的燃料粘結(jié)越緊密,是范德華力和氫鍵粘結(jié)的結(jié)果,但粘結(jié)力較弱,因此顆粒度越小的燃料密度雖高,抗壓強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度卻越低。較大顆粒的粘結(jié)方式是嵌合或折疊,其重疊微結(jié)構(gòu)提高了抗壓縮能力。溫度較低成型時氫鍵和范德華力以及機(jī)械互鎖是主要的粘結(jié)機(jī)制,高壓和高溫對檸條固體燃料的成型起到促進(jìn)作用,但高含水率對高壓和高溫有較大影響。木質(zhì)素的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度在50℃到100℃之間變化,在接近玻璃化轉(zhuǎn)變溫度范圍內(nèi)成型,天然粘結(jié)成分從顆粒中被擠出,形成顆粒間的固體橋粘結(jié)。檸條原料中含有大量的木質(zhì)素,因此,在適宜溫度和壓力下,檸條固體燃料的成型效果良好。在粘結(jié)破壞機(jī)理方面僅觀察到固體橋的粘結(jié)破壞,其他破壞機(jī)制有可能同時出現(xiàn)。(5)應(yīng)用熱分析法對檸條燃料的燃燒特性及燃燒動力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行了研究,求解了燃燒動力學(xué)方程,并對燃燒速率影響因素進(jìn)行了優(yōu)化分析。檸條固體燃料點(diǎn)火溫度較低,點(diǎn)火容易,燃盡率高,底灰為難熔性灰,不結(jié)渣。爐膛溫度越高、升溫速率越大,燃料越容易點(diǎn)火和燃燒,風(fēng)量過大會降低爐膛溫度,反而不利于燃料的點(diǎn)火和燃燒。為在燃燒過程中釋放較多熱量,較大顆粒燃料要求較大升溫速率和風(fēng)量的工況,而較細(xì)小顆粒的燃料要在較小風(fēng)量下才能充分燃燒。應(yīng)用Taguchi法對參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化,確定爐溫為900/℃,風(fēng)量為1.5m3/h,顆粒度為0.63mm是檸條固體燃料燃燒的最佳條件,各因素對燃料平均燃燒速率的貢獻(xiàn)率等級次序?yàn)?顆粒度(42.1%)、爐溫(28.5%)、風(fēng)量(0.9%),顆粒度和爐溫是檸條固體燃料燃燒速率的主要決定因素。研究結(jié)論為檸條固體燃料成型工藝優(yōu)化、成型加工和燃燒利用裝備的設(shè)計(jì)提供了基礎(chǔ)依據(jù),也可為其它種類灌木及林木廢棄物生物質(zhì)能轉(zhuǎn)化利用裝備的研發(fā)提供參考。
【學(xué)位授予單位】：山西農(nóng)業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類號】：S216

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前10條

1 陳建原,孫學(xué)信;煤的揮發(fā)分釋放特性指數(shù)及燃燒特性指數(shù)的確定[J];動力工程;1987年05期

2 黎粵華;王述洋;;生物質(zhì)燃料平模固化成型機(jī)壓輥特性分析[J];機(jī)電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新;2009年06期

3 俞國勝;侯孟;;生物質(zhì)成型燃料加工裝備發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢[J];林業(yè)機(jī)械與木工設(shè)備;2009年02期

4 齊菁;于洪亮;林海;王洋;李永富;;稻殼生物質(zhì)顆粒成型機(jī)理的顯微觀察[J];遼寧農(nóng)業(yè)科學(xué);2009年06期

5 趙東,黃文彬;玉米稈粉粒體塑性壓縮成型過程的有限元分析[J];力學(xué)與實(shí)踐;2001年02期

6 劉圣勇,袁超,張佰珍,任來雙,李蔭,謝海江,李偉莉;秸稈成型燃料鍋爐的研制[J];河南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào);2004年03期

7 劉圣勇;楊國峰;蘇超杰;王曉東;武少菁;張飛;白冰;;玉米秸稈成型燃料的微觀結(jié)構(gòu)觀察與分析[J];熱科學(xué)與技術(shù);2009年03期

8 金保升,董長青,仲兆平;廢物衍生燃料(RDF)加壓熱解特性及其動力學(xué)研究[J];熱能動力工程;2001年04期

9 張靜;郭玉明;，

本文編號：2613100