（农业机械化工程专业论文）hpb—Ⅲ型液压生物质成型机的试验与改进.pdf

i ；矿 一 ；- 7 南农业大学学位论文独创性声明、使用授权及知识产权归属承诺书 学位论 学位 文题目 ) b i i i 型液压生物质成型机的试验与改进 硕士学位 级别 学生 狄恩仓 学科 农业机械化工程 导师 李保谦 姓名专业 姓名 学位论文 如需保密，解密时间年月日 是否保密 独创性声明 研究生签名：狱总仓l 导师签名：l 昂荔毳1 日期渤6 年占月f fe 1 日期：年月日 学位论文使用授权及知识产权归属承诺 贼豁轹猢、仑聊鹕。鼯蔑睁册铭懒 期：年占月脬日日期：。军年6 月 日 日期：2 0 0 年6 月停日 2 0 0 6 x2 0 0 6 年占月肟日 r 河南农业大学致谢 致谢 本论文的撰写、试验和改进设计工作是在导师李保谦教授的悉心指导下 完成的。求学期间，李老师在学习和生活上都给了我无微不至的关怀，为我 创造了良好的学习研究条件，并多次安排我进行社会实践。恩师那渊博的学 识、丰富的科研经验、严谨求实的治学态度，孜孜以求的敬业精神、正直而 富有感染力的人格、宽厚待人的长者风范深深地留在我的记忆中，将使我终 生受益。在此，谨向恩师致以最崇高的敬意和衷心的感谢。 感谢导师组的余泳昌教授、李照美教授、徐国强教授，刘存祥副教授、 刘军副教授、史景钊副教授和李云东副教授等老师对我论文工作的悉心指导 以及对我学习过程中的严格要求和无私帮助，我的每一步成长都离不开他们 辛勤的汗水。 感谢研究生处和机电学院的所有领导与老师，感谢他们给予我的帮助和 支持。感谢师姐田辉、师弟赵伟利、师妹张义俊和同窗好友范利红、王丰产、 侯瑞娟、赵大旭，王五全，郭树满、侯军兴、赵东辉、周玉乾、李春杰，感 谢他们给予我一个团结融洽的学习环境。与各位老师、同学、朋友共同度过 的三年时光是令人难以忘怀的，这是一个值得留恋的集体。 离家求学给家庭带来的困难是不言而喻的，对家人的愧疚之情是难以用 语言表达的，感谢我的家人，是他们给我了无穷的力量和百倍的信心，在此 我要向我的家人致以最崇高的敬意。再次向所有关心、支持和帮助我的家人、 朋友、老师和同学表示深深的谢意。 狄恩仓 2 0 0 6 年6 月于河南农业大学 、； 河南农业大学摘要 摘要 本课题主要将h p b i i i 型液压生物质成型机的单位功耗和生产率作为研究对象，以降低 能耗，提高生产率为目的，对不同加热温度相同含水率条件下秸秆成型和相同加热温度不同 含水率条件下秸秆成型进行了试验。并在试验研究的基础上提出了改进设计方案，然后对 h p b 一i 型液压生物质成型机组进行了经济效益和社会环保效益分析。在大量试验数据的基 础上，结合国内外参考文献，针对h p b i i i 型液压生物质成型机本文得出如下结论：( i ) h p b - - i i i 型液压生物质成型机在原料自然晒干情况下，成型温度稳定在2 4 0 2 5 0 c 之间时， 成型棒表面光滑，密度较大，出模顺利，成型效果比较好，且成型机组生产稳定性比较好。 ( 2 ) 原料含水率在1 4 9 6 左右时，h p b - - i i i 型液压生物质成型机的生产率最高，单位产品能 耗比较低。所以原料含水率应控制在1 0 2 0 之间，最好在1 4 左右。秸秆原料自然晒干后 含水率一般在8 9 6 1 7 5 之间，所以实际生产中才用自然晒干秸秆最好( 3 ) 生物质成型棒 冷却后的直径随着原料含水率的增加逐渐增加，也就是说生物质成型棒的密度时可以调节 的。所以当由于燃烧设备的不同和其他原因，而需要不同密度生物质成型棒时，可以用改变 原料含水率的方法来达到目的。( 4 ) 在整个试验过程中，i i p b - - i i i 型液压生物质成型机正 常工作时的最高噪音稳定在9 0 d b 左右，在人体承受范围之内。( 5 ) 根据粉碎后秸秆的物 料特性，对一级螺旋搅龙预压装置进行了改进设计，避免了原设计中螺旋搅龙的堵塞和架空 现象，提高了生产效率对进料漏斗进行了改进设计，提出了设计方案，改进后的进料漏斗 无螺旋预压死角，生产效率得到提高。针对h p 8 - - 1 i 型液压生物质成型机工作时液压油压力 较高，容易造成液压油泄露和密封元件寿命降低的现象，提出液压系统改进方案。( 6 ) h 睁 i i i 型液压生物质成型机组的内部收益率为5 7 6 8 9 6 ，大于社会收益率1 2 5 , 生产运行的益本比 为i 3 7 6 i ；净现值为3 9 8 2 5 1 万元 0 ；投资回收期为2 0 4 年。各项评价指标均表明h p b - i 型液压生物质成型机具有显著的经济效益，具备了产业化生产的经济条件。 h p b 一i 型液压生物质成型机能投比低，效率高，工作平稳，设计合理，结构新颖，可 有效降低单位产品能耗，延长易损件的使用寿命。它为开发和利用以秸秆为主的生物质能提 供了有效途径，减轻直接燃烧作物秸秆造成的环境污染，具有显著的经济效益和环保效益。 同时，有利于增加农民收入，改善农村自然环境，美化农村面貌。 关键词：生物质； 液压成型机；试验；改进；经济效益 -1j， ， ； 河南农业大学硕士学位论文 1 文献综述 1 1 研究背景 1 1 1 传统能源问题突出 据世界能源委员会( w e c ) 和国际应用系统分析研究所( h a s a ) 分析，虽然全球化石 能源最终可采储量至少还可供人类使用1 0 0 年，但开采成本较低的储量将在2 l 世纪后期耗 尽。我国石油资源的保证前景十分严峻。据专家分析，国内石油产量估计2 0 2 0 年前后达到 峰值，产量每年约1 8 亿t ，此后逐渐下降，到2 0 5 0 年降到不足l 亿t ，而届时石油需求将 达5 亿t 以上。我国现有重点煤矿区一级经济储量( 交通、煤质、地质和开采条件优良) 仅 5 0 0 亿川。因此，化石能源资源紧张将成为能源供应的一个重要问题。另一方面，矿物能 源的无节制使用，引起了日益严重的环境问题，如全球气温变暖、臭氧层破坏、酸雨产生等 自然灾害。人类正面临能源与环境问题的严峻挑战，开发和利用新的能源来取代化石常规能 源是事关经济持续发展、社会进步的重大课题。而生物质能源则不仅是最安全、最稳定的能 源，而且通过一系列转换技术，可以生产出不同品种的能源。目前，世界各国，尤其是发达 国家，都在致力于开发商效、无污染的生物质能利用技术，保护本国的矿物能源资源，为实 现国家经济的可持续发展提供根本保障。 1 1 2 生物质能可利用潜力巨大 生物质能来源于生物质生物质是有机物中除矿物燃料外的所有来源于动植物而能够 再生的物质。动物食用植物，而绿色植物通过光合作用将太阳能转化为生物质能，因此，生 物质能都是来源于太阳能，是太阳能的有机贮存。地球上的生物质资源十分丰富，根据美国 康奈尔大学估算，全世界陆地和海洋所有生态系统中，每年有机质的净产量约为1 4 0 0 1 8 0 0 亿t ，其中陆地产量约为1 1 0 0 亿t ，占7 0 。全球陆地面积约为1 4 9 5 亿k m 2 ，海洋面积约为 3 6 l 亿l a n 2 在陆地上，沙漠约占1 3 ，森林、草地和耕地实际上约为1 0 2 亿k m 2 。根据测 算，在这1 0 2 亿k m 2 土地上，由植物经光合作用而产生的有机碳量平均每平方公里是1 5 8 t ， 即全球每年能产生有机碳可达1 6 1 亿t 之多口l 。按i t 有机碳燃烧可放出4 0 1 7 万k j 的热量计 算，则地球上的植物，每年生产的能量约为目前世界年消耗能量的2 7 倍，而且海洋中的 生物量还未计算在内l 这表明利用植物质生产物质能的潜力是巨大的。 我国农作物秸秆年总产量达7 亿多t ，其中稻草2 3 亿t ，玉米秸秆2 2 亿t ，小麦秸 秆1 2 亿t ，豆类及杂粮秸秆1 亿t ，另外花生和薯类藤蔓、甜菜叶、甜菜糖渣及蔗渣约1 亿t ，其中作燃料的秸秆占秸秆生成总量的5 0 左右，占我国农村生活用能的4 0 左右p l 。河 南省每年产出5 7 0 0 多万t 各种生物质，除4 0 用于饲料，肥料和秸秆还田外，其余都被直 接燃烧或荒烧，热利用率很低( 只有1 0 左右) ，而且在收获季节，因大面积荒烧秸秆，造 成了空气的严重污染和资源的浪费。目前我国部分大中城市开始禁烧6 t 以下各种燃煤锅炉 和生活炉灶，改用清洁燃料( 天然气、电等) ，但对各县、乡镇普遍感到价格高，负担重。 爹# 一i，f，f， 。 ， j 。 河南农业大学硕士学位论文 若能利用身边的可再生秸秆作为锅炉的燃料，不仅能为广大农民增加收入，还有利于保护大 气环境，市场潜力巨大1 4 1 。 1 1 3 我国目前国家政策 2 0 0 5 年2 月2 8 日，中华人民共和国可再生能源法被全国人大常委会审议通过，并 于2 0 0 6 年1 月1 日正式施行该法中界定的。可再生能源”是指水能、风能、太阳能、地 热能、海洋能、生物质能等非化石能源，该法出台的意义就是为了推进可再生能源的开发利 用，也为生物质能源的开发利用提供了法力依据和政策支持。我国己将新能源、可再生能源 的开发利用列入。十一五”规划和农业发展纲要，国务院批准在农业部设立农业跨越计划项 目，加速农业科技成果的转化，引导和推动农业科技成果尽快转变为现实生产力。生物质成 型是生物质有效利用方面非常有前途的技术，且符合国际生物质能利用发展总趋势和中国的 国情，与“气化”等技术相比成本低、易于实施。所以，组装、配套和示范实施秸秆生物质 压块成型生产线设备，在全国范围推广应用，符合国家的相关政策，这样不仅可以使秸秆生 物质废弃物作为高品位的能源产品得以资源化利用和工厂化生产，缓解我国部分地区生活用 能紧张局势，而且可以减少秸秆荒烧带来的环境问题，有效调整产业结构，提高农民收入， 因此在我国开发和研制秸秆压块成型生产线及配套设备已势在必行。 1 2 课题的目的和意义 1 2 1 可缓解目前的能源短缺问题 能源是经济发展的血液，它的供应能力和供应状况直接影响经济的发展。但是基于能 源资源的条件，在我国以煤炭为主的能源供应格局将在相当长的时期内不会发生根本性的改 变，而且以煤的直接燃烧为主，为此带来了沉重的环境压力。这对以煤炭为主的能源消费、 能源发展及能源结构优化提出了严峻的挑战p 】为了保证能源安全供应，改善环境，促进经 济社会的可持续发展，根据我国的能源资源情况而从长期的能源发展战略角度来审视，在我 国开发利用新能源和可再生能源具有其必然性。从长期的能源发展战略角度来审视，新能源 和可再生能源的开发与利用，是“零”排放或。低”排放的技术，这是未来可持续发展型能 源结构的基础。因此开发新能源和可再生能源，特别是把它们转化为高品位能源，因地制宜， 多能互补，对我国社会、经济和生态环境协调发展具有重要意义。 能源的开发和利用给科技、经济、环境和人类文明的发展均带来了巨大潜力。除了已 列为主要商品能的煤、石油、天然气和电能以外，可以认为生物质是人类利用历史最长，覆 盖面最广的太阳能转换物质。化石能资源的开发利用对环境造成的影响，和能源资源匮乏对 社会经济发展带来的潜在危机是当今世界面临的严峻问题。近1 0 0 年来，全球能源消耗平均 每年以3 的速度递增1 6 1 。针对化石能源资源越来越少的前景，农村可再生能源资源开发利用 却有着挖掘不尽的巨大潜力。生物质能的广泛利用在多次世界性石油危机中被重新认识和发 展。欧盟1 9 9 8 年公布的能源战略白皮书宣布：到2 0 5 0 年可再生能源在欧盟成员国能源结构 供应中将达到5 0 5 ：美国和日本也宣布，二十一世纪的能源增长主要考虑可再生能源；部分 2 i i 。 “ 河南农业大学硕士学位论文 发展中国家如印度、印度尼西亚和巴西等也把可再生能源发展作为能源发展的一个重要方 面，纳入了国家能源发展的基本政策之中”j 。 中国是一个发展中国家，也是一个农业大国，有7 0 9 6 的人口居住在农村，人口众多，能 源消费水平低，能源供求矛盾一直十分突出。中国的国情不允许农村社会发展沿用西方国家 高投入、高耗能、高产出的路子，只有走节能型的社会发展模式，这是世界公认的发展趋势。 在农村，生产用能源需要供应商品能源，而相当大的一部分生活用能要依靠当地的自然能源 来解决。大多数农村可供利用的自然资源主要是生物质能，太阳能、水能和风能。其中以生 物质能表现为资源量大，覆盖面较广，而又适合农村分数用能的要求，而且就地转换方便， 利用方式方便。生物质能传统的利用方式简单，传统的利用方式具有投资少、见效快等优点， 特别在发展中国家的广阔农业区，它在可再生能源中占有极重要的位置。 1 2 2 有利于环境保护 随着经济的快速发展，对矿物燃料的过分依赖，能源尤其矿物能源消耗逐年增加，我国 环境污染问题日趋严重。2 0 0 1 年我国c 0 2 排放量达到3 0 亿t ，占全球排放量的1 3 ，居世界第 二位中国不仅需要调整能源结构，还必须开发新的能源利用途径，加速我国新型工业化道 路和全面实现小康社会的进程。国家十五计划提出“推行生物质能高效利用技术，加快生物 质成型和高效直接燃烧设备的开发利用”。因此，充分开发利用生物质能源势在必行，是对 我国能源短缺的补充，是改善农村居民生活环境的有效途径，是关系到国家能源安全的紧迫 课题。我国农村，秸秆资源十分丰富，但由于缺乏有效的利用方式，利用率很低，绝大部分 农作物秸秆因得不到有效利用而就地焚烧于农田，浪费资源、污染环境、威胁交通安全、破 坏土壤结构”，给社会生活和经济发展造成了一定程度的负面影响。利用生物质成型设备与 技术将废弃能源转化为优质商品燃料，不仅减轻了化石能源消耗对环境的污染，并且能够有 效避免秸秆随地焚烧所带来的土壤板结，空气质量恶化等问题我国每年可开发的生物资 源达7 亿吨，如果能充分开发，这对保护我国能源资源，减少对石化燃料的依赖，改善能源 结构，最终缓解能源消耗给环境造成的压力具有重要的意义 1 2 3 有利于社会主义新农村的建设 中华人民共和国国民经济和社会发展第十一个五年规划纲要中第二篇为建设社会 主义新农村，提出要发展现代农业，增加农民收入，改善农村面貌。这充分说明了国家对 “三农”问题的重视。 生物质液压成型技术的广泛应用能使随意丢弃或焚烧的秸秆转化为清洁、环保、高品位 的生物质商品能源，首先改变了农村原来直接燃用秸秆、薪柴所带来的烟熏火燎的炊事、取 暖局面。直接燃烧利用方式比较落后，不仅热效率低下，而且劳动强度大，污染严重，不能 满足生产和生活对商品位能源的需要【”。压缩成型之后提高了能源品位，缓解了农村能源紧 张问题，改善了农村卫生环境，提高了农民生活质量；另一方面可直接使农民增加收入。以 每户农民耕种5 亩地，每亩耕地产秸秆i t ，每t 秸秆销售6 0 元计算，每户每年即可以增加收 耋 ，f 河南农业大学硕士学位论文 入3 0 0 元。所以说生物质液压成型技术是符合目前国家农村政策的一项重要技术，应该大力 发展。 1 3 国内外研究和发展现状 生物质的压缩成型( 或称固化成型) 是指将各类生物质废弃物，如秸秆、稻壳、锯末、木 屑等，用机械加压( 加热或不加热) 的方法，使原来分散的、没有一定形状的原料，压缩成具 有一定形状的、密度较大的成型燃料。生物质压块成型燃料技术应运发展起来，是因为一般 农作物秸秆都具有疏松、密度小、单位体积热值低等缺点，作为燃料使用很不方便。这是造 成人们不愿用秸秆作为燃料的主要原因之一。秸秆生物质成型技术不仅能有效地解决这一问 题，而且能有效地改变秸秆的燃烧特性。生物质压缩成型技术，是将各种生物质资源包括锯 末、秸秆、稻壳等农林废弃物通过加压、加热由原来的松散的原料压缩成具有一定形状和密 度的成型燃料棒的技术l l o l 。原料挤压成型后，密度可达o 8 1 3 t m 3 ，能量密度与中质煤相 当，燃烧特性明显改善，火力持久，黑烟少，炉膛温度高，且储存、运输和使用方便，干净 卫生，可代替矿物能源用于生产和生活领域。因此，作为生物质转化的重要手段和方法， 压缩成型技术越来越受到人们的重视。 1 3 1 国内生物成型机的研究现状 中国从2 0 世纪8 0 年代引进螺旋推进式秸秆成型机，生物质压缩成型技术的研究开发已 有二十多年的历史。南京林业化工研究所在。七五”期间设立了关于生物质压缩成型机及生 物质成型理论研究的课题。湖南省衡阳市粮食机械厂为处理大量加工粮食剩余谷壳，于1 9 8 5 年根据国外样机试制了第一台z t 6 3 型生物质压缩成型机。江苏省连云港市东海粮食机械 厂于1 9 8 6 年引进了一台o b m - - 8 8 棒状燃料成型机。1 9 9 8 年初，东南大学、江苏省科技情 报所和国营9 3 0 5 厂研制出了m d - - 1 5 型固体燃料成型机。1 9 9 0 年以后，陕西武功轻工机械 厂、河南巩义包装设备厂、湖南农村能源办公室以及河北正定县常宏木炭公司等单位先后研 制和生产了几种不同规格的生物质成型机和碳化机组。2 0 世纪9 0 年代期间河南农业大学和 中国农机能源动力研究所分别研究出p b - i 型机械冲压式成型机、h p b 系列液压驱动活塞 式成型机、c y 卜_ 3 5 型机械冲压式成型机”“。 经过多年的研究与试验，国内部分成型设备及其配套产品发展成熟。1 9 9 8 年开始，河南 农业大学针对其它成型设备存在生产率低、工作部件易磨损等关键技术，研制了液压驱动双 头活塞式h p b 一珊秸秆成型机，尤其对我国每年产生的秸秆具有极好的消化能力，克服了其 它成型设备难以处理秸秆的问题。经鉴定后，2 0 0 2 年向企业转让了技术，正式投入了工厂化 生产，并于2 0 0 3 年开始成型设备以及配套燃烧炉具在省内外的示范推广。 但国产成型加工设备在引进及设计制造过程中，都不同程度地存在着技术及工艺方面的 问题，这就有待于去深入研究探索、试验、开发。而且我国对生物质成型燃料燃烧所进行的 理论研究很少，关于生物质成型燃料燃烧设备的设计与研究更少。为了使生物质成型燃料能 稳定、充分、直接地燃烧，根据生物质成型燃料燃烧理论重新进行系统设计与研究生物质成 4 河南农业大学硕士学位论文 型燃料专用燃烧设备是非常重要的。河南农业大学机电工程学院在这方面做了大量研究，研 制出针对生物质成型块的专用燃炉，能更好地加快发展生物质压块成型生产线的步伐。 总之在我国未来的能源消耗中，生物质成型燃料将占有越来越大的份额。生物质成型燃 料在我国一些地区已进行批量生产，并形成研究、生产和开发的良好势头，生物质压块成型 生产线的组建也会逐步完善 1 3 2 国外生物质压块成型机的研究现状 国外生物质成型的主要方式有四种即颗粒成型机、螺杆连续挤压成型机、机械驱动活塞 式成型机和液压驱动活塞式成型机【1 3 】螺旋挤压式成型机是最早研制生产的生物质热压成 型机。这类成型机以其运行平稳、生产连续、所产成型棒易燃( 由于其空心结构以及表面的 炭化层) 等特性，在成型机市场中尤其是在印度、泰国、马来西亚等东南亚国家和我国一直 占据着主导地位。但制约螺旋式成型机商业化利用的主要技术问题一个是成型部件，尤其是 螺杆磨损严重，使用寿命短；另一个问题是单位产品能耗高”“。 日本从2 0 世纪3 0 年代就开始研究应用机械驱动活塞式成型技术处理木材废弃物，并于 1 9 5 4 年研制出棒状燃料成型机及相关的燃烧设备，1 9 8 3 年又从美国引进颗粒成型燃料生产技 术。美国在1 9 7 6 年开发了生物质颗粒及成型燃烧设备；亚洲一些国家( 泰国，印度、韩国、 菲律宾等) 在2 0 世纪8 0 年代己建了不少生物质固化、碳化专业生产厂，并研制出相关的燃烧 设备。日本、美国及欧洲一些国家生物质成型燃料燃烧设备已经定型，并且形成了产业化， 在加热、供暖、干燥、发电等领域己普遍推广应用l “】；西欧一些国家( 荷兰、瑞典、比利时、 芬兰、丹麦等) 在2 0 世纪7 0 年代已有了活塞式成型机、颗粒成型机及配套的燃烧设备。活塞 冲压式成型机改变了成型部件与原料的作用方式，很好地解决了螺旋挤压式成型机的问题。 该种成型机在大幅度提高成型部件使用寿命的同时，也显著降低了单位产品能耗。根据驱动 力来源的不同，该类成型机可分为机械驱动式和液压驱动式。 1 3 3 不同类型成型机的比较 螺旋挤压式成型机是最早研制开发的生物质热压成型机。这类成型机以其运行平稳、生 产连续、所产成型棒易燃( 由于其空心结构以及表面的炭化层) 等特性在我国成型机市场上一 直占据着主导地位。但制约螺旋式成型机商业化利用的主要技术问题有：一是单位产品能耗 高，目前国内现有的螺旋式成型机主要是靠螺旋杆的转动推进生物质逐层成型的，螺旋杆的 前段和头部在整个推挤过程中与生物质之间作高速相对运动，增加了单位产品的能耗，一般 为1 0 0 t 1 2 5 k w h t ；另一个是成型部件寿命短，螺旋杆的端部摩擦使温度升高，磨损速度加 快，其平均寿命仅有6 0 - 8 0 h 。因此导致许多工程常处于维修或故障的状态，从而降低其运行 效率。另外，原料含水率难以控制、设备配套性能差和管理自动化程度较低等问题的存在， 导致其难以形成规模效益，不能满足商业化利用的需要【1 7 l 。活塞冲压式成型机改变了成型 部件与原料的作用方式，很好地解决了上述问题。在大幅度提高成型部件使用寿命的同时， 也显著降低了单位产品能耗。根据驱动力来源的不同，该类成型机可分为机械驱动活塞式成 5 河南农业大学硕士学位论文 型机和液压驱动活塞式成型机。液压活塞式秸秆成型设备，突出特点是增加了预压挤料，物 料先经垂直和水平两次预压，再挤进成型套筒挤压成型。液压泵站输出液力由液压阀控制， 使双出杆油缸带动左右活塞杆作往复运动。喂料斗中的生物质原料先进入冲杆套筒中，在合 适的成型温度下，由双出杆油缸两端的冲杆挤压成型套筒中的生物质，外力的作用使生物质 颗粒重新排列位置关系，并发生机械变形和塑性变形。在垂直于最大应力的方向上，粒子主 要以相互靠近结合的形式结合。随外力的增大，生物质体积大幅度减小，容积密度显著增大， 生物质内部胶化和外部焦化，并具有一定的形状和强度。冲杆不断推挤，生物质从两端成型 套简中交替挤出，成为棒状。河南农业大学先后设计研制出h p b i 、h p b i i 、h p b i i i 型 液压生物质成型机。尤其是第三代液压式成型机效率高，工作平稳，设计合理，结构新颖， 可有效降低单位产品能耗，延长易损件的使用寿命，与所需的配套技术与设备组装生产线运 行情况良好，易于实施。 由表l 我们更能看出，液压活塞式与螺旋式、机械活塞式相比较，具有效率高、寿命长， 能耗低的特点。h p 卜i 型液压生物质成型机是在h p b i 型的基础上，对主要成型部件进行 改进后的第三代液压成型机，其工作原理与h p b i 型液压生物质成型机相似。本课题主要 针对h p 卜i 型液压生物质成型机进行试验和改进研究。 表1不同类型成型机主要技术指标比较 t a b l e lm a i ni n d e x e lc o m p a r i s o no f d i f f e r e n t 咖b r i q u e t t i n g 2h p b 一型液压生物质成型机成型机理分析 2 1 工作原理 该系统是在不加任何粘结剂的条件下对生物质进行热压成型的，成型主要是由于生物质 6 河南农业大学 硕士学位论文 中木质素的存在。木材中木质素的含量为2 7 3 2 ( 绝干原料) ，禾草类植物木质索含量为 1 4 2 5 。由x 射线衍射知道，木质素属非晶体，没有熔点，但有软化点，经试验当温度在 7 0 1 0 0 时其粘合力开始增加，温度在2 0 0 3 0 0 时可以熔融【l s 】，热压成型的合适温度为 1 4 0 2 0 0 。该成型机是采用液压驱动往复活塞双向挤压成型机构，在该温度下，通过双出 杆油缸两端的冲杆挤压成型套简中的生物质，在外力作用下，生物质颗粒开始重新排列位置 关系，并发生机械变形和塑性流变在垂直于最大应力方向上，粒子主要以相互啮合的形式 结合，而在垂直于最小应力方向上，粒子主要以相互靠紧结合的形式结合【。随外力的增 大，生物质体积大幅度减少，密度显著增大，生物质内部胶合外部焦化，并具有一定的形状 和强度。在冲杆的推挤作用下，生物质呈棒状从两端成型套筒中交替挤出，成为既定形状i 。 由于采用液压驱动，所以机器的运行稳定性得到极大的改善，而且产生的噪音也比较小，明 显改善了操作环境。 5 1 上料系统2 成型筒a 进料斗4 进料螺旋5 搅龙电机e 主电机7 液压泵8 液压系统 田1h p b - i i i 生物质成型机简图 f 培l s c h e m 砒i cm 驾憎mo f i 口& i b i o m a s sb n q u e h i l - gm a c h i n e 2 2 成型过程中的主要影响因素分析 影响生物质压缩成型的主要因素有：原料的种类、含水率，粒度、成型压力、压缩成型模 具的形状尺寸、加热温度及成型周期等。 2 ，2 1 原料的种类 不同种类的原料，其压缩成型特性有很大差异。原料的种类不但影响成型的质量，如成 型块的密度、强度、热值等，而且影响成型机的产量及动力消耗。在大量的农林废弃物中， 有的植物体粉碎以后容易压块成型，有的就比较困难。例如木材废料一般难压缩( 在压力作 用下变形较小) ：而纤维状植物秸秆和树皮等容易压缩( 在压力作用下变形较大) 。在不加热条 件下，进行压缩成型时，较难压缩的原料就不易成型，容易压缩的原料则成型也较为容易。 7 河南农业大学硕士学位论文 但是在加热的条件下进行压缩成型时，如棒状燃料成型机，木材废料虽然难于压缩，但木材 本身的木质素含量高，在高温下能起粘结作用。因此，其成型反而容易。而植物秸秆和树皮 等，原料的粘结能力弱，因此不易成型。所以原科种类对压缩成型的影响与成型方式有密切 关系【2 l 】。 2 2 2 原料的粒度 原料粒度的大小也是影响压缩成型的重要因素对于某一确定的成型方式，原料的粒度大 小应不大于某一尺寸。例如：对于直径为6 的颗粒成型燃料，通常要求原料的粒度不大于5 m 。 一般来说，粒度小的原料容易压缩，粒度大的原料较难于压缩。原料的粒径越小，在相同的压 力及其条件下，其粒子的延伸率或变形较大。即粒径越小越容易成型。这种倾向在要求原料粒 度较小的成型方式条件下较为明显。原料的粒度同样影响成型机的效率及成型物的质量。例如 原料粒度较大时，成型机将不能有效地工作，能耗大，产量小原料粒度不均匀，特别是形态 差异较大时，成型棒表面将产生裂纹，而且其密度、强度降低。但对有些成型方式，如冲压成 型时，要求原料有一定的尺寸或纤维，原料粒度小反而容易产生脱落口”。 2 2 3 原料的含水率 原料的含水率是生物质压块成型过程中需要控制的一个重要参数。原料的含水率过高或过 低都不能很好地成型。含水率过高，如大于1 7 ，相同成型温度下，会降低生物质的传热速度。 一部分热量消耗在蒸发多余水分上，影响热量的传递。蒸发出的水分在成型套简内汽化后易形 成高压蒸汽。1 。当蒸汽产生的压强大于成型套筒壁与生物质问的摩擦力时，就会使成型套筒内 已连续挤压成型的生物质棒爆为数段，从成型套筒中崩出，即发生“放炮”现象，不能正常成 型。含水率过低，如小于8 ，不仅需要较高的成型压强，也增加了生物质烘干过程中的能量消 耗。1 。对于颗粒成型燃料，一般要求原料的含水率在1 5 2 5 左右；对于棒状成型燃料，要求 原料的含水率不大于1 7 左右该生产线的秸秆含水率在7 1 7 之间均有良好的成型效果，自 然干燥后的秸秆即可进行成型，所需压力也较小。对于含木质素较高的生物质，如锯末类，成 型套锥角或锥长可适当小一些；对含木质素较低的生物质，如玉米秸、麦秸等，成型套锥角或 锥长可适当大一些。该成型机是通过更换不同锥角和锥长的成型套筒与调整夹紧套的夹紧度来 实现使各类生物质成型的。 2 2 4 成型压力与模具尺寸 成型压力是材料压缩成型最基本的条件。只有施加足够的压力，原材料才能被压缩成型 但成型压力与模具( 成型套筒) 的形状尺寸有密切关系。这是因为大多数成型机都采取挤压成型 方式，即原料从成型模具的一端连续压入，又从另一端连续挤出，出料端直径小于进料端直径。 这时原料挤压所需要的成型压力与容器内壁面的摩接力相平衡，即机器只能产生和摩擦力相同 大小的成型压力。而摩擦力的大小与模具的形状尺寸有直接关系。而模具的关键的尺寸是成型 套筒的锥角与锥长。由于生物质中木质素的含量差异较大( 为1 4 3 2 ) ，不同种类的生物质 所需的成型压强也不相同，必然要求有与之配套的成型锥角与锥长成型锥角与锥长的大小又 8 # 一 河南农业大学 硕士学位论文 影响每次喂入生物质前后的体积之比、成型压强及成型棒的密度。当成型套锥角一定增加成型 套的锥长，或成型套锥长一定增加成型套的锥角时，成型后所得成型棒的密度都较大，所需的 成型压强高、能量消耗大口4 l 。 2 2 5 加热温度 加热温度是影响压块成型的一个显著因素。根据生物质的成型机理，生物质中的木质素能 够联结在一起的基本条件是要有合适的成型温度。通过加热，一方面可使原料中含有的木质素 软化，起到粘结剂的作用；另一方面还可以使原料本身变软，变得容易压缩。在自然水率条件 下，木质素的软化点温度为8 0 1 3 0 】，当加热到7 0 1 0 0 c 时，木质素的粘合力开始增加， 温度达到2 0 0 一3 0 0 时可以熔融。因此成型时生物质的加热温度不得低于其软化点温度加热 温度不但影响原料成型性，而且影响成型机的工作效率，加热温度应调整到一个合理的范围。 温度过低，不但原料不能成型，而且功耗增加；温度增高，电机功耗减小，但是成型压力减小， 成型物挤压不实，密度变小，容易断裂破损，且棒料表面过热烧焦，烟气较大。有些成型方式， 如颗粒燃料成型机，虽然没有外热源加热，但在成型过程中，原料和机器部件之间的摩擦作用 也可将原料加热到1 0 0 ( 2 ，同样可使原料所含木质素软化，起到粘结剂作用。另外成型温度过高， 不仅不能有效地提高生产效率，而且还会出现以下问题： ( i ) 由于加热圈设在成型套筒外表面，会使成型套简产生退火现象，使其耐磨性降低，使 用寿命缩短； ( 2 ) 温度过高会使紧贴成型套筒内壁的生物质形成的碳化层太厚，表面变软滑，摩擦阻力 减少，不能成型； ( 3 ) 由于生物质原料中水分的存在，温度过高，生物质在干馏过程中易产生高压蒸汽，会 发生“放气”或“放炮”现象，中断成型。 2 2 6 成型周期 该系统成型机右端活塞冲杆在套筒中移动一个行程完成预压紧一塑性变形一保型一停 歇换向这样一个成型周期。停歇换向后，左端活塞冲杆进入下一个成型周期。正常运行时， 预压紧段所需压强最小，基本为空行程油压，活塞冲杆停止移动时，生物质进入保型段。保 型段所需压强最大，基本达到了液压系统额定压强。若停歇换向段( 时间) 一定，则增加成型 周期，保型段( 时间) 增加，保型耗能增高，生产率降低；减少成型周期，则保型段( 时间) 减少，生物质有可能不能成型。该系统成型机在保证成型、保型和换向所需时间的前提下， 成型周期为7 s 。 2 2 7 摩擦力 秸秆压缩过程中，由于在成型锥套和保型筒内的成型块承受着锥套和保型筒对其施加的 径向力，这将产生摩擦力并消耗一定的能量。m e w e s 用含水率范围在8 9 6 2 3 的秸秆和干草 试验得出的结果是：用于压缩的能量占3 7 4 0 ，其余的能量主要用于克服摩擦力【“。 2 ，2 8 喂入量 9 河南农业大学硕士学位论文 0 d o g h e r t y 和w h e e l e r 在同一个压模内作了试验，结果是：在一定的压力下，将喂入 量从l 4k c s 变化，成型块的在模密度与原料的喂入量无关【2 7 l 。f a b o r o d e 和0 c a l l a g h a n 变化其喂入量从l 3k g s 的试验也表明，原料喂入量的变化对成型块在模密度基本没有影 响有关压力模型也表明在模密度与原料的喂入量无关l “。因此在试验的范围内，喂入量 对成型压力没有明显的影响。 成型块被挤压出成型筒后，由于弹性变形、吸湿水分和应力松弛等因素影响，成型块体 积膨胀，成型密度逐渐减小，一定时间后其密度基本趋于稳定，此时成型块的密度称为松弛 密度。0 d o g h e r t y 和w h e e l e r 研究发现：松弛密度受秸秆喂入量的影响，并随着喂入量的 增加呈指数规律增加吲。其表达式为： r r = h e o m 式中：q 一喂入量，k g ；h 、j 试验常数。 其中当压模直径从2 5 7 5 m m 变化时，h = o 4 6 0 3 3 ；j = o 0 2 0 0 0 1 4 。 松弛量与成型块的长度和直径的比值存在着明显的相关关系，0 d o g h e r t y 和w h e e l e r 通过研究小麦秸秆所得到的密度系数( 松弛密度与最大压缩密度的比值) 表达式如下l 冽： d = 0 6 4 8 ( l d ) o ” 式中：d - - 密度系数，l 一压块长度，d 一压块直径 因此对于不同压模直径内成型块l d 的比值对成型密度的影响为：当压块的长度和表面 积相对它的直径有所增加时，压块的松弛量将相对减少。 我国中国农科院杨太军f 嚣】等的试验结果为：在成型块直径一定的情况下，增加喂入量可 减小成型块出模后的松弛比。 2 2 9 喂入频率 关于压缩( 喂入) 频率对秸秆成型的影响方面的研究很少。s c h e f f t e r 研究了在l 3 m s 之间的压缩速度对成型的影响1 。研究表明：随着压缩速度的增加，达到同一密度所需的 压力增高。因此，所消耗的比能耗也相应的增大。0 d o g h e r t y 和w h e e l e r i ”l 的研究表明， 当压缩频率增加l o 倍时，所消耗的比能耗增加2 3 。 2 3 成型燃料生产线技术路线 秸秆压块成型燃料的生产线是将收集的秸秆生物质先通过太阳能干燥系统进行自然干 燥，然后通过输送带进入粉碎机，粉碎后的秸秆由输送带装置送入原料库，再由输送带送入 秸秆成型机中即可得到成型燃料产品。 太阳能干燥或直接晒干- 输送带_ 秸秆粉碎机寸主原料库一输送带一搅龙预压喂入斗 秸秆压块成型机_ 包装j 成品贮存 2 4 成型燃料生产线的配套设施 生产线设备包括太阳能干燥设备、秸秆粉碎机，液压成型机、生物质燃烧炉，供热系统 等。生产线采用的原料是秸秆类生物质如：玉米秸秆、稻草、木屑、树枝、豆秸、棉秆等； 河南农业大学硕士学位论文 生产线的关键设备是液压生物质成型机。 3 试验设计与结果分析 3 1 本试验所解决的问题 虽然和其他类型的生物质成型机相比较，h p b - - i i i 型液压生物质成型机的能耗较低，生 产率较高，但是通过优化生产方案和进行局部改进还具有进一步降低能耗、提高生产效率的 潜力。影响生物质成型机能耗和生产率的变量很多，总的来说可分为两大类：工艺变量和物 料特性变量。工艺变量包括：成型锥套的锥长和锥角、成型温度、成型周期、对物料施加的 最高压力和压缩速度等。物料特性变量包括：原料的含水率、原料的粒度、原料的生物化学 特性和机械特性等。本课题主要将h p b 一l 型液压生物质成型机的单位产品能耗和生产率作 为研究对象，以降低能耗，提高生产率为目的，探讨生产方案和物料特性对单位产品能耗和 生产率影响的规律，从而确定h p b - - i i i 型液压生物质成型机的优化生产状态，并为其改进提 供参考。 3 2 不同加热温度相同含水率条件下秸秆成型试验 3 2 1 试验目的 在原料的种类、粒度、含水率、成型压力，成型锥套的锥长和锥角、成型周期、摩擦力 及喂入频率不变化的情况下，测出h p b - - i i 型液压生物质成型机在成型温度变化的条件下的 生产率和单位产品能耗，以及各个成型温度条件下生物质成型棒的成型效果。然后分析试验 结果，得出在以上生产条件下h p b - - l l l 型液压生物质成型机正常作业时的最佳成型温度，以 及生物质秸秆成型的最低温度。 3 2 2 原料及试样制备 玉米秸秆资源十分丰富。世界年产量超过7 9 亿t ，我国在1 2 亿t 以上，仅次于美国 而位居世界第二口”。为合理利用这一丰富的农业资源，人们研究开发出多种利用方法，但 目前真正得到应用的却不多，秸秆中的很大一部分仍被作为燃料烧掉。随着农村能源结构的 变化，每年都有大量的玉米秸秆在田头、路边被焚烧，这样既浪费了宝贵的资源又污染环境， 因此亟待开发其有效的利用途径。为此，本试验用玉米秸秆作为原料。试验原料取自新郑市 周围的玉米秸秆，经自然晒干后，用粉碎机将其粉碎，粉碎后的原料粒度为o 3 0 = m ，含水 率为9 5 。 3 2 ，3 试验地点 河南省新郑市，结合当地实际情况进行h p b - - i i 型液压生物质成型机的各项生产试验。 3 ，2 4 试验装置与方法 试验采用h p b - - i i 型液压生物质成型机、粉碎机、电热干燥箱、分析天平、台秤、磅秤、 干湿温度计、声级计、游标卡尺、3 0 l o o a 三相交流电度表、秒表、玉米秸秆等，其中h p b - - 型液压生物质成型机和秸秆粉碎机为配套机组。 河南农业大学硕士学位论文 本试验条件为；在原料的种类、粒度、含水率、成型压力、成型套的锥长和锥角、成型 周期、摩擦力及喂入频率不变化的情况下进行试验。检测方法为：将测试设备与成型机连接 好后，使成型机处于稳定运行状态，从测试仪器设备中记录出相应的参数。在每一个成型温 度条件下即在同一种生产条件使成型机平稳运行3 0 m i n ，测试3 次，然后取其平均值。试验 数据的测试、采集和整理采用以下方法： ( 1 ) 生产率w 在机器正常运转的情况下，测出单位时间t ，内生产的成型棒质量w t ，计算其生产率w 。 _ ：堕( t h ) 7 i 式中：w 1 _ 单位时间t 1 内生产的成型棒质量，t ；t 。一测试单位时间，h 。 ( 2 ) 单位产品能耗e 单位产品能耗定义生产每t 成型棒所消耗的各种能量的总和。 f e = 兰l ( k w h t ) 式中：e 1 一单位时间t l 内各种能量的总和，k w h ： w 。一单位时间t 。内生产的成型棒质量，t 。 ( 3 ) 生物质成型棒密度p p ：堕( t m 3 ) t p 2 _ 二 v 式中：w r 一成型棒试样的质量，t ；v 一成型棒试样的体积，1 3 。 ( 4 ) 机械性能参数 从控制台相应仪表上读出h p b 一i 型液压生物质成型机工作时的电压v 、电流i 、油压 p 、油温t 以及成型加热温度t ，直接测出成型锥套的锥长和锥角。 ( 5 ) 原料含水率、粒度和密度的测定采用常规分析方法 3 2 5 试验结果与分析 该试验进行时环境温度为1 8 x 2 ，环境湿度为2 5 。 在上述基本试验条件下，h p b - - h i 型液压生物质成型机在不同成型温度下生产出的成型 棒冷却后直径列于表2 。成型棒冷却后由于内部的水蒸汽膨胀和吸收空气中的水分，当成型 温度高时，成型棒成型后内部会产生较多的水蒸汽，这可以看作是使成型棒膨胀的内在动力； 在成型棒冷却过程中，其干燥的表面会吸收空气中的水分，从而使成型棒膨胀，这是造成成 表2 不同成型温度下成型棒冷却后直径 ：坠坠! ! z ! 垒! 墅哇9 竺壁垒! g ! ! 堡空! ! 磐竺三：坚2 1 璺i ! 堡壁翌! 竺巴p ! 翌坐堡 成型温度 3 0 02 0 02 8 02 7 02 6 02 5 02 4 02 3 0 2 2 02 1 0 成型捧直径m e 1 4 01 3 81 3 6 1 3 5 1 3 41 3 31 3 1 1 3 21 3 11 3 0 河南农业大学硕士学位论文 型棒膨胀的外部动力。从试验结果了以看出，在其它生产条件相同的条件下，成型棒冷却后 直径随着成型温度的增加而增加。 不同成型温度下的成型棒膨胀率折线图如图2 ，可以看出，冷却后成型棒膨胀率随着成 型温度的上升逐渐增加，其曲线接近线性关系，这说明冷却后成型棒的密度随着成型温度的 升高而减小，在3 0 0 c 时的成型棒的直径最大，则其密度最低；而在2 1 0 0 c 时成型棒的直径 最小，则其密度达到最大值。所以在保证成型棒顺利成型的前提下，成型加热温度应该尽量 降低。这样既可以减少加热能耗，降低生产成本，又可以保证成型棒的成型效果。 芝 哥 邕 避 巨至亘三量耍圃 2 0 02 t 02 2 02 3 02 4 02 5 02 6 02 7 02 8 02 9 0 3 0 03 1 0 成型温度 c 田2 不同成型温度对成型棒膨胀率的影响 f i g p 2t h e e x p a m i o nc o e f f i c i e n t o f b r i q u e t t i n gs t a f f o nd i f f e r e n t t e m p e r a t u r e 根据实际情况，我们进行了大量的试验，从表3 可以看出，在h p b - - i i i 型液压生物质成 型机生产过程中，成型温度在2 3 0 c 以上时，加工出来的成型棒表面光滑程度较好，在2 2 0 和2 1 0 c 时，其表面光滑程度降低，在2 0 0 几乎不能成型。这说明成型温度对成型棒的 成型效果有很大的影响，是影响成型效果的一个比较关键的因素，所以成型温度的确定是成 型机生产参数的确定的关键环节。 成型温度在2 3 0 c 以上时，成型棒出模比较顺利；成型温度为2 2 0 c 成型棒出模开始出 现困难；在2 1 0 c 时，可以看到成型棒出模明显困难；而在2 0 0 ( 2 时，成型棒几乎不能出模。 成型棒的成型温度在2 1 0 2 3 0 c 之间时，其表面颜色为灰褐色，成型棒出模不太顺利；在 2 4 0 2 6 0 c 之间时，成型棒颜色为灰黑色，且出模相对顺利；在2 7 0 c 及其以上时，成型棒 表面呈焦黑色，出模比较顺利。这说明成型加热温度对成型棒出模顺利程度影响很大，加热 温度的高低直接决定了成型棒是否出模。根据试验情况可以得出，要想保证成型棒出模顺利， 成