第一章緒論

農(nóng)作物秸稈,作為產(chǎn)量豐富的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)副產(chǎn)品,是一種重要的生物質(zhì)資源。我國從2008年起秸稈產(chǎn)量已超過7.5億噸,居世界之首,而且每年還在增長中,然而, 秸稈的實際有效利用率不足我國秸稈綜合利用存在的最突出問題是大量的秸稈在田間被露天焚燒,或者農(nóng)戶直接用于生活燃料,造成了秸稈資源的浪費,也導(dǎo)致了嚴(yán)重的環(huán)境污染。這是由于我國秸稈資源分布零散、體積龐大、運輸收集成本高等原因,造成了秸稈綜合利用產(chǎn)業(yè)化程度低、經(jīng)濟(jì)性差。松散的或者打包壓縮后的秸稈的密度大約在40kg/m3到100kg/m3,體密度比較低,因此,如何對秸稈資源進(jìn)行有效利用,使其減小體積、降低其儲運成本的研究具有重大的現(xiàn)實意義。采用物理方式對秸稈進(jìn)行壓縮,是秸稈的致密化成型技術(shù)領(lǐng)域的一項重要組成部分。首先將秸稈原料粉碎至一定的粒度,再對草粉進(jìn)行一定的物理處理,通過機械式壓縮方法,把粉料壓縮成顆粒、壓塊或棒料等形態(tài),使其壓縮密度増加3-20倍 ,從而解決秸稈原料堆積密度小,儲運不便等問題。所以, 秸稈壓縮技術(shù)降低了儲運成本,提高了設(shè)備的有效容積燃燒強度和轉(zhuǎn)換利用的熱效率,提高了秸稈資源收集利用的經(jīng)濟(jì)性和可行性221。壓縮后的秸稈，，又可廣泛的應(yīng)用于生活、工業(yè)用鍋爐及生物質(zhì)能源發(fā)電等,"十二五"期間,我國己明確要興建200個綠色能源示范縣來推動實現(xiàn)"到2020年我國生物質(zhì)成型燃料年利用量達(dá)到5000萬噸"的目標(biāo)。因此, 秸稈壓縮技術(shù)的研究是農(nóng)作物資源高效利用和產(chǎn)業(yè)化加工的重要途徑,將成為一個重大而關(guān)鍵的課題,對促進(jìn)我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展和環(huán)境保護(hù)都有著重要意義。

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第二章穩(wěn)軒壓塊的壓縮特性硏究

2.1試驗因素

生物質(zhì)壓縮過程受多種因素的影響,本章主要選取了壓縮載荷、粉碎粒度、含水率、秸稈種類為主要因素進(jìn)行農(nóng)作秸稈壓縮特性的研究,從而探討和優(yōu)化這些因素對壓縮過程、圧縮模型、比能耗等的影響。原料種類生物質(zhì)材料中含有蛋白質(zhì)、纖維素、半纖維素和木質(zhì)素等,圧縮過程就是使這些含量發(fā)生物理化學(xué)變化的過程。在不同種類的原料中,其含量具有較大的不同,從而導(dǎo)致壓縮特性具有很大的差異,對壓縮密度、耐久度、能耗、生產(chǎn)率等都有著重要的影響。木屑、首猜、玉米、稻草等生物質(zhì)原料的壓縮特性己經(jīng)被國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了探討研究，本章在以前的研究基礎(chǔ)上,進(jìn)一步探討了大麥、燕麥、油菜及小麥四種農(nóng)作秸稈的壓縮特性,為其加工技術(shù)的研究奠定理論基礎(chǔ)。

2.2試驗材料

進(jìn)行秸稈壓縮前,通常需要對秸稈原料進(jìn)行粉碎,該步驟有助于喂料,提高生產(chǎn)效率,也對提高秸稈成型品質(zhì)有著重要的影響。該試驗研究所用的方法中的秸稈原料過長,容易堵塞粉碎機,需要對秸稈原料進(jìn)行兩次粉碎。因化首先利用一臺小型切段機(型號:CTR,BelfastMiniMills公司,加拿大,2.1)將方捆秸稈切成長度約50mm的草段,然后利用一臺小型粉碎機(型號:6M13688,GlenMills公司,圖2.1)將該草段進(jìn)行二次粉碎,制備草粉樣品。為了獲得較大粒徑的草粉粉料,鍵片式粉碎機選用了三種最大尺寸的篩網(wǎng)網(wǎng)孔,直徑分別為:19.05mm、25.40mm、31.75mm。為了獲得粉碎后草粉的粒度分布、堆積密度、真密度等物理參數(shù),需要按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)方法對草粉樣品進(jìn)行測量計算。

第三章秸稈壓塊的應(yīng)力松弛特性研究...37

3.1試驗材料與方法...37
3.2壓塊松弛特性...38
3.3松弛模型...42
3.4小結(jié)...47
第四章秸稈壓塊的皮模腔體影響試驗研究...49
4.1成型原理與材料...49
4.2試驗臺設(shè)計...51
4.3壓膜力學(xué)分析...54
4.4�？子绊懺囼灧治�...56
4.5小結(jié)...59
第五章秸稈壓塊壓縮成型有限元數(shù)值模擬...61
5.1有限元理論...61
5.2壓縮成型過程的有限元分析...62
5.3壓縮過程模具有限元分析結(jié)果..........64
5.4小結(jié)...70

第六章秸稈壓塊中試試驗研究

6.1試驗原料

在目前大部分的試驗研究中,主要以試驗室規(guī)模的壓縮特性研究為主,從而探討優(yōu)化壓縮參數(shù)。但是,這與中試或商業(yè)規(guī)模的壓塊生產(chǎn)有所不同。中試試驗主要是基于生物質(zhì)成型機,進(jìn)一步探索各種"內(nèi)因"和"外因"變量在實際生產(chǎn)中對成型品質(zhì)、生產(chǎn)效率和能耗等的影響。本試驗研究的目的旨在根據(jù)液壓式生物質(zhì)壓塊機的特性,從"內(nèi)因"角度進(jìn)行不同秸稈物料在固定的壓模結(jié)構(gòu)下的中試生產(chǎn)研究。

6.2試驗臺搭建

該生物質(zhì)壓塊機主要由料箱、喂料鍋輪、喂料(活塞)液壓缸、壓縮(活塞)液壓缸、成型套簡、控制箱等部分組成,設(shè)備參數(shù)如表6.1所示。將秸稈粉料倒入壓塊機的圓柱形料箱內(nèi)后,通過禍輪的轉(zhuǎn)動,周期性的將草粉填入喂料口,由預(yù)壓活塞將粉料推入成型腔體內(nèi)進(jìn)行喂料和預(yù)壓縮,再由成型活塞進(jìn)一步對草粉壓縮,每進(jìn)行一次壓縮,成型后的草塊在成型套筒內(nèi)不斷向外移動,同時可在其內(nèi)進(jìn)行保壓,最終壓塊從套筒一端被擠出。其中,成型套筒由上下兩半組成,內(nèi)徑約為50mm,總長為500mm,草塊被擠出大約需要6-10min�？梢煌ㄟ^調(diào)節(jié)喂料口的大小來調(diào)節(jié)喂料量,本試驗研究中,將喂料口調(diào)至最大,保證達(dá)到最大的喂料效率。由于液壓式壓塊機可以根據(jù)原料特性、含水率、粒徑及喂料量的不同自適應(yīng)壓力,所以試驗前將壓塊機可施加壓力調(diào)至其最大值16,從而可以保證能夠提供最夠的壓縮力。試驗過程中,通過手持式紅外測溫儀(型號TN408LC,RadiantInnovation公司,臺灣新竹)測得成型腔體的溫度約為60±5°C,因為是常溫壓縮,沒有外加熱源,因此該溫度主要是由壓縮過程和物料間的摩擦產(chǎn)生。
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第七章結(jié)論與建議

7.1結(jié)論

本文進(jìn)行了秸稈原料壓縮成型過程中的內(nèi)部與外部影響因素研究,即建立了"單軸閑式"壓縮試驗臺進(jìn)行了不同秸稈原料在不同含水率、粉碎粒徑及施加載荷條件下的壓縮和松弛特性;建立"半開式"圧縮試驗臺進(jìn)行了壓模結(jié)構(gòu)對壓縮過程的影響研究;建立中試試驗臺探討了不同參數(shù)的秸稈原料在實際生產(chǎn)中的特化從而得到了如下主要結(jié)論:(1)單軸壓縮試驗中,高含水率和小草粉粒徑可以獲得較髙的壓縮密度。而中試試驗結(jié)果表明,高含水率對存放一定時間后的草塊密度有著不利的影響,當(dāng)存放兩周后,隨著殘余應(yīng)力的衰減和水分的揮發(fā),在較小含水率下壓縮得到的草塊可以穩(wěn)定在更髙的密度。(2)應(yīng)力松弛現(xiàn)象發(fā)生在壓縮過程結(jié)束的瞬間,對原料施加越大的載荷,應(yīng)力松弛后殘留在原料中的應(yīng)力值越大,不利于保持壓塊的穩(wěn)定性,因此壓縮載荷過大,不僅消耗過多的能耗,而且不利于壓塊的穩(wěn)定性。殘余應(yīng)力在短時間內(nèi)迅速衰減,超過85%的松弛值發(fā)生在松弛開始后的一分鐘內(nèi),因此壓縮后物料的保壓時間應(yīng)盡量在60S上。(3)較高的含水率(15%)和較小的粒 (19.05mm)可有效的提高大麥、燕麥和小麥壓塊的出料效率,降低生產(chǎn)過程的能耗,然而對于油菜桿原料,含水率的提高反而使得出料效率減小。

7.2主要創(chuàng)新點

(1)研究了"中粉碎"的大麥、燕麥、油菜及小麥秸稈原料在不同參數(shù)下的壓縮特性與應(yīng)力松弛特性,完善了較大粒徑秸稈原料的壓縮特性研究內(nèi)容,為生物質(zhì)原料致密成型技術(shù)提供了相關(guān)參數(shù);(2)提出了一種可較好模擬實際壓縮過程的"半開式"壓縮試驗研究方法,成功設(shè)計搭建了試驗臺,從而獲得了壓模腔體結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響作用;(3)從結(jié)構(gòu)力學(xué)和ABAQUS有限元分析的角度,優(yōu)化改進(jìn)了原料在帶有錐角的成型腔體中的力學(xué)模型和應(yīng)力應(yīng)變特征,從而獲得了不同錐角的壓模腔體對壓縮過程的影響作用,為錐壓縮腔體的研究提供了理論支持;(4)設(shè)計并搭建了生物質(zhì)壓縮中試試驗臺,獲得了秸稈在實際生產(chǎn)中的壓縮特性,從而完成了秸稈自身特性對壓塊過程影響的研究內(nèi)容,可為實際生產(chǎn)工藝提供理論支持。

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參考文獻(xiàn)（略）

本文編號：133381