（农业生物环境与能源工程专业论文）新型螺杆挤压式生物质成型机的优化与设计.pdf

摘要 随着能源消耗的增加，世界能源消耗日益紧张，全球主要能源价格达到了前所未有的高度， 经济的可持续发展收到严重挑战。为了缓解能源危机，可再生能源越来越受到了各国政府的 重视，我国对于可再生能源也相当的重视。在可再生能源中，生物质能源有着非常重要的位 置。中国是农业大国，丰富的秸秆资源的合理利用尤为重要。生物质能源中秸秆有固化、液 化和气化等利用方式。利用生物质成型机对秸秆进行固化成型发展的相当迅速。 通过对现有生物质成型燃料生产及消费市场的调查，我们认为虽然螺杆式成型机应用的最 早，缺点也是显而易见的，但是其造价低的优势非常明显，在市场上的占有率是最高的。如 果能够对其进行改善，提高其螺杆和成型套筒的使用寿命，同时提高生产效率，进一步降低 其生产成本，将更加适合在原有生物质成型燃料生产厂家的推广应用，促进其改进设备，扩 大生产，提高生物质成型燃料的生产量。 我们通过生产实际发现：螺杆头部和成型套筒的收缩区是受力集中区，往往是螺杆头部已 经完全磨损了，而螺杆后部( 2 倍“导程”之后的部分) 仍然完好如初，于是，我们提出通过将 整体螺杆分拆为可更换螺杆头和螺杆主体两部分、同时将成型套筒拆分为成型活套和保型套 筒两部分的方法，来提高两部分主体寿命的方法。虽然螺杆头和成型活套的寿命并没有显著 增长，但由于螺杆主体和保型套筒两部分应力不集中，这两者的寿命都显著的增长了。可以 通过更换螺杆头和成型活套来达到降低生产磨损的目的，从而降低生物质成型燃料的生产成 本。 在此设计思路的指导下，我们通过对成型生物质的受力及运动分析，得出了在一定的转速 下，螺距j 在某一范围内物料可以得到较好的轴向输送速度；在此基础上，对成型机主要零 件的设计参数进行优化，得出了使螺杆挤压式生物质成型机获得最佳的工作效率的螺距s 的 取值范围，以及在螺杆质量最小的目标条件下的螺杆的标称直径、螺杆轴直径、螺距s 的最 佳配合值。根据优化结果和新的设计思路，设计出包括螺杆挤压式生物质成型机的螺距、齿 高、螺杆长度、活头长度、成型活套长度和保型套筒长度等一系列工艺参数。 在河南杲龙能源应用设备工程有限公司的协助下，生产了改进后的试验机型，并对该机型 和原有机型进行了对比实验，我们可以得出如下结论： 1 ) 新型螺杆挤压式生物质成型机的生产效率基本达到设计要求，远远高于原有成型机的 生产效率，提高幅度达到3 5 9 ； 2 ) 新型螺杆挤压式生物质成型机的成型密度相比原有机型有所下降，从1 1 埏d m 弓左 右下降到1 0k g d m 弓左右，但仍能达到生物质成型燃料保型的要求； 3 ) 新型螺杆挤压式生物质成型机的工作噪声明显低于原有机型，但工作稳定性不如原有 机型，机身有明显的晃动情况，有位移。机身底座仍需配重以加强稳定性。 、 最后，根据该成型机的生产能力和生物质炭的市场需求，对新型秸秆液压成型技术进行经 济效益分析，得出只要该机型的可靠运行，使用该机型生产生物质成型燃料就是经济可行的， 可以使投资方迅速收回成本，并具有良好的经济效益。相信在改善了机身底座稳定性和加热 供电的安全性之后，该机型能够满足提高生物质成型燃料生产的各种要求。 关键词：螺杆，可更换，螺头，生物质，成型机械。 t h eo p t i m i z a t i o nd e s i g nf o rn e w t y p eb r i q u e t t i n gb i o m a s sf u e lm a c h i n e s u p e r v i s o r ：p r o l i us h e n g y o n g m a s t e rc a n d i d a t e ：w a n gs e n a b s t r a c t ：w i t ht h ef a s ti n c r e a s eo ft h ee n e r g yc o n s u m p t i o n ，t h ee n e r g y1 e s o u r e s u s e dmt h ew o r l da r ei n c r e a s i n g a tt h es a m et i m e ，t h ep r i c e so f m a i nk i n do fe n e r g ya r e a r c h i v e dah i g h e rl e v e lw h i c hi sn e v e ra c h i e v e d i no r d e rt or e l i e v et h ee n e r g vc r i s i s e v e r yc o 眦仃yp a y sm o r ea n dm o r ea t t e n t i o nt ot h er e n e w a b l ee n e r g y o u rc o u n t r ya l s o e m p h a s i z e si tv e r ym u c h f o rt h er e n e w a b l ee n e r g y , t h eb i o m a s se n e r g yi sb e c o m i n g i m p o r t a n t t h eb i o m a s se n e r g yc a nb eu s e di nm a n yd i f f e r e n tw a y s b e c a u s ec h i n ai sa i a r g ea g r i c u l t u r a ln a t i o na tp r e s e n t ，i ti sb e c o m i n gm o r ea n dm o r ei m p o r t a n tt ou s et h e m a s s l v es 昀wr e s o u r c e s t h em e t h o du s i n gt h es t r a wh a sm a n yw a y ss u c h a st h e s o l i d i f i c a t i o n ，l i q u e f a c t i o na n dg a s i f i c a t i o n t h ed e v e l o p m e n to fb i o m a s ss o l i d i f i c a t i o n u s i n gt h eb i o m a s sb r i q u e t t i n gm a c h i n et od e n s i f ya n ds h a p et h es t r a wi sq u i t e r a p i d f r o mt h ei n v e s t i g a t i o no ft h ep r o d u c t i o na n dc o n s u m p t i o n m a r k e t ，i ti sc o n c l u d e d t h a tt h es c r e wb r i q u e t t i n gm e c h a n i ch a v et h eh i g h e s tm a r k e ts h a r e ，a l t h o u g l li t i s 廿1 e o l d e s tb r i q u e t t i n gm e c h a n i ca n dh a v em a n y d i s a d v a n t a g e s ，w ec o u l do n l ys a vt h a tt h e p r l c el s e v e r y t h i n g i fw ec a ni m p r o v et h e d i s a d v a n t a g e da s p e c t s ，m a k el o n g e r w o r k a b l el i f e t i m eo ft h es c r e wa n dt h ef o r m i n gs l e e v e ，a n d i m p r o v et h ep r o d h e t i v i t yf o r e x a r n p l e ，w ew i l le n h a n c et h ep r o d u c t i v i t y , a n dl e tt h ep r o d u c tc o s td o w n a n d 丘删1 v w ew i l lm a k et h eb i o m a s sb r i q u e t t i n g p r o d u c t i o np r o c e s sal a r g es c a l ef o 删a r d 1b o u g ha c t u a lp r o d u c t i o n ，w ec a nc o n c l u d et h a tt h e s c r e wh e a da n dt h ec o i l e s h a p eo ff o r m i n gs l e e v ei st h es t r e s sc o n c e n t r a t i o na r e a s s om a n y t i m e sw ef o u r l dt l l a t t h el a s tp a r to fs c r e wa n dt h ef l a tp a r to f f o r m i n gs l e e v ei so k ，h o w e v e r , t h es c r e wh e a d a n dt h ec o n es h a p eo ff o r m i n gs l e e v eh a sw e a ra n dt e a r ( t h es c r e w h e a dm e a n s2t i m e s l e a dl e n g t hf r o mt h et h i ne n do fs c r e w ) t h e r e f o r e ，w e c a l li m p r o v et h el i f eo ft h em a i n h a r d w a r eb yt w ow a y s ：f i r s t ，t h es c r e wc a nb es p l i ti n t ot h e r e p l a c e m e n ts c r e wh e a d 锄d t h em a i n 。s c r e w , a tt h es a m et i m e ，s p l i tf o r m i n gs l e e v ei n t o r e p l a c e m e n ts l e e v ea n d s h a p em a i n t a i n i n g - s l e e v e a l t h o u g ht h ew o r k a b l el i f e t i m eo ft h er e p l a c e m e n ts c r e w h e a da n d r e p l a c e m e n tf o r m i n gs l e e v eh a v en o ts i g n i f i c a n t l y 抽【c r e a s e d ，b u tb e c a u s et h e m a i ns 讹s sd o e sn o tf o c u so nt h eo t h e rt w o p a r t s ，t h el i f eo fw h i c ht h e s ep a r t sw o r k sa s o n ei ss i g n i f i c a n t l yi n c r e a s e d ，b e c a u s ew ec a nr e p l a c e t h er e p l a c e a b l es c r e wh e a da l l d f o r m i n gs l e e v e s o ，t h ep r o d u c t i o nc o s ti sr e d u c e d w i t ht h eg u i d a n c eo ft h e s ed e s i g ni d e a s ，w em a d et h ef o r c e a n dm o t i o na l 瑚y s i so f t h eb i o m a s sa n di ts h o w st h a ta tc e r t a i nr o t a t i o ns p e e d ，b i o m a s sm a t e r i a l s c a l lg e tb e t t e r 河南农业大学硕士研究生论文 a b s t r a c t a x i a lt r a n s m i s s i o ns p e e d 、衍t hs c r e wp i t c hv a r i n gi nac e r t a i nr a n g e b a s e do nt h a t ，w e o p t i m i z e dt h ed e s i g np a r a m e t e r so ft h em a j o rp a r t so ft h em a c h i n e ，a n dg e t ：1 ) t h e v a r y i n gr a n g eo fs c r e wp i t c hw i t hw h i c ht h eo p t i m a lp r o d u c t i v i t yr a t i oc a nr e a c h ；2 ) t h e o p t i m a lv a l u em a k e st h en o m i n a ld i a m e t e ra c t i n gi nc o n c e r tw i t hd i a m e t e ro fs c r e wa n d s c r e wp i t c ht oa c h i e v et h em i n i m u mm a s so ft h es c r e w a c c o r d i n gt ot h a tr e s u l ta n dt h e n e wd e s i g ni d e a s ，w ed e s i g n e dt h em o s ti m p o r t a n tp a r a m e t e r s ，i n c l u d i n gs c r e wp i t c h ， t e e t hs i z e ，m a i n - s c r e wl e n g t h , r e p l a c e m e n ts c r e wh e a dl e n g t h ，r e p l a c e m e n ts l e e v e l e n g t ha n ds h a p em a i n t a i n i n g - s l e e v el e n g t h ，e t c w i t ht h eh e l po fac o m p a n y , w ep r o p o s e dt h ed e s i g na n dp r o d u c e dap r o t o t y p e a f t e rt h ec o m p u r a t i v ee x p e r i m e n tb e t w e e nt h en e wm a c h i n ea n dt h eo l do l l e ，w ec a n c o n c l u d et h a t ： 1 ) t h ep r o d u c t i v i 哆e n h a n c e d3 5 9 f r o mt h eo r i g i n a lm a c h i n e i ta l m o s tr e a c h e s t h ed e s i g nd e m a n d ，b u ti t ss i g n i f i c a n ti m p r o v e m e n t ； 2 ) t h ed e n s i t yo fb r i q u e t t i n gb i o m a s sf u e lw h i c hn e w m a c h i n ep r o d u c t e si sr e d u c a l al i t t l ec o m p a r e d 晰t ht h eo r i g i n a lo n e ，f r o m1 1k g d m 。t o1 0 蚝d m 一i tc a l la l s o f i tt h ed e m a n do fs h a p ek e e p i n go fb r i q u e t t i n gb i o m a s sf u e l ； 3 ) t h ew o r kn o i s eo fn e wm a c h i n ei so b v i o u s l yl o w e rt h a nt h a tt h eo r i g i n a lo n e h o w e v e r , t h em a c h i n eh a do b v i o u sv i b r a t i o nd u r i n go p e r a t i o n s o ，w eh a v et oi m p r o v e t h e s ea s p e c t sw i t l ls e v e r a lm e t h o d s ：f i r s t ，m a k i n gt h eb a s eo fm a c h i n eh e a v i e r ；s e c o n d ， f i x i n gt ot h eg r o u n dw i t hs c r e w s f i n a l l y , a c c o r d i n gt ot h en e wb r i q u e t t i n gm a c h i n e sp r o d u c t i v i t ya n dt h ed e m a n do f c h a r c o a la n db i o m a s sc h a r c o a lm a r k e t ，w em a d ee c o n o m i cf e a s i b i l i t ya n a l y s i sf o rt h i s t e c h n o l o g y a n dw er e a c h e dt h ec o n c l u s i o nt h a ti ft h em a c h i n ec a nw o r kr e l i a b l e ，t h i s t e c h n o l o g yw i l lb er e l i a b l e ，s ot h a ti n v e s t o r sc a nq u i c k l yr e c o v e rt h ec o s t ，w i t i lg o o d e c o n o m i cr e t u r n s i ti sb e l i e v e dt h a ta f t e ri m p r o v i n gt h ev i b r a t i o na n dh e a t i n gs u p p l y s e c u r i t yp r o b l e m s ，t h em a c h i n ew i l lm e e ta l lt h er e q u i r e m e n t so fb r i q u e t t i n gb i o m a s s f u e lp r o d u c t i o n k e yw o r d s ：s c r e w , r e p l a c e m e n t ，s c r e wh e a d ，b i o m a s s ，b r i q u e t t i n gm a c h i n e l l - 河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 学位论新型螺杆挤压式生物质成型机学位 文题目的优化与设计级别 硕士 学生 王森 学科 农业生物环境与能 导师 刘圣勇 姓名专业源工程姓名 学位论文 如需保密，解密时间年月日 是否保密 独创性声明 本人呈交论文是在导师指导下进行的研究工作及取得研究成果，除了文中 特别加以标注和致谢的地方外，文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果，也不包括为获得河南农业大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材 料，指导教师对此进行了审定。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献 均已在论文中做了明确的说明，并表示了谢意。 研究生签名：絮朱锡 导师签名：劢f 参易 日期：) 矿嵋年月f 日 日期：加口多年6 叼e t 学位论文使用授权及知识产权归属承诺 本人完全了解河南农业大学关于保存、使用学位论文的规定，即学生必须 按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本；学校有权保存提交论文的印 刷本和电子版本，并提供目录检索和阅览服务，可以采用影印、缩印或扫描等 复制手段保存、汇编学位论文。本人同意河南农业大学可以用不同方式在不同 媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 本人完全了解河南农业大学知识产权保护办法的有关规定，在毕业离 开河南农业大学后，就在校期间从事的科研工作发表的所有论文，第一署名单 位为河南农业大学，试验材料、原始数据、申报的专利等知识产权均归河南农 业大学所有，否则，承担相应的法律责任。 研究生签名：步彳耙导师签名：形携学院领导签名：露兮彰k 劲 ， 日期：硼年；月卅日日期妇解占剧日 日期：f ：，穷年莎月沙日 致谢 该论文是在导师刘圣勇教授的悉心指导下顺利完成的。对于论文题目的选 定，刘老师给我分析了这个课题的重要性和重大的实际意义，因此我选定了这个 课题。在课题的进行中也遇到的技术、经济上的困难，也都是在导师的耐心指导 下，顺利的解决的。 在论文的撰写过程中，导师时刻关注着论文的进展情况，并在关键问题上给 予细心指导。导师深厚的学术造诣、敏锐的思维、宽阔的科学视野和踏实的工作 作风，将使我终生受益。在此，衷心祝愿恩师身体健康、工作顺利、合家欢乐、 一生平安! 同时，在课题中遇到困难时，也得到了其他老师的指导和帮助。特对能源系 的张百良教授、张全国教授、赵廷林副教授、杨群发高级实验师、杨世关副教授、 徐桂转副教授、岳建芝老师、李刚老师、尤希风老师、王艳锦老师和郭前辉老师 表示感谢。 另外，论文写作过程中，同窗刘小二、曹冬辉、荆艳艳、周磊和舒伟给予了 不少的合理建议，实验中还得到了师弟王晓东，师妹武少菁的帮助，对此也表示 感谢。 还要特别感谢河南杲龙能源设备工程有限公司的李师傅在实验中给予的支 持和帮助。 最后，我想感谢我的父母，以及所有关心和支持我的朋友，他们为我的成长 倾注了许多心血，感谢他们为我所做的一切。祝愿他们幸福安康! 王森 2 0 0 8 6 河南农业大学硕士研究生论文l 前言 l 刖吾 1 1 研究背景 据l e a ( 国际能源署) 发布的i e a 世界能源展望2 0 0 7 预测，全球2 0 0 5 年到2 0 3 0 年间的一次能源需求将增加5 5 ，年均增长率为1 8 。能源需求将达到1 7 7 亿吨油当量( o i l e q u i v a l e n t ) ，而2 0 0 5 年仅为1 1 4 亿吨油当量。化石燃料仍将是一次能源的主要来源，在2 0 0 5 年到2 0 3 0 年的能源需求增长总量中占到8 4 。相对我国而言，能源安全同样是国家战略安全 保障基础之一，1 9 9 8 年至2 0 0 6 年，我国原油产量增长幅度基本为零，而石油消耗量则从1 7 8 亿吨增长到3 4 8 亿吨，增加幅度约为两倍，能源短缺日趋明显，能源问题日益严峻【l 】；而以 石油为原料的液体燃料燃烧生成大量的空气污染物，造成温室效应、酸雨等。因此，有限储 量的化石燃料的减少、能源需求的不断增长以及化石燃料燃烧造成的环境污染和温室效应， 使2 l 世纪的能源战略面临巨大挑战，寻求可再生的清洁能源已成为2 1 世纪的研究热点。专 家预测，2 0 2 0 年我国石油进口量将达3 亿吨，我国己从石油输出国转变为石油进口国，对进 口石油的依赖度已大于5 5 ，能源安全日益严划2 1 。 1 2 世界能源状况 世界能源状况主要从储量( 产出) 和消费两方面来看【3 】： 1 2 1 储量( 产出) 状况 到2 0 0 1 年末，世界石油的剩余可开采储量为1 4 3 0 x1 0 9t ，其中中东地区为9 3 4 x1 09 t ，约占世界总量的2 3 。中国石油的剩余可采储量为3 3 1 0 9t ，占世界的2 3 ，排世界的 1 1 位。而天然气剩余可采储量1 5 5 0 8 1 0 1 2m 3 主要分布在前苏联和中东地区，剩余可开 采量分别为5 6 1 4 1 0 1 2m 3 和5 5 9 1 1 0 1 2m 3 这两个地区的储量占世界总量的7 0 以 上。中国天然气的剩余可采储量为1 3 7 x1 0 1 2m3 ，仅占世界的0 9 ，排在世界的第2 0 位。 世界煤炭的剩余可采储量9 8 4 4 5 3 1 06 t ，主要分布在亚太、北美和前苏联地区，分别为 2 9 7 1 2 4 、2 5 7 7 8 3 、2 2 9 9 7 5 1 06 t ，这三个地区的可采储量约占世界总量的1 2 7 ，中国煤 炭剩余可采储量为1 1 4 5 0 0 x1 0 6t ，占世界的1 1 6 ，排在世界第3 位。表1 1 以世界石油 产量为例说明能源的生产情况【l 】o 河南农业大学硕士研究生论文i 前言 表1 1 世界石油产量 t a b l e l 1o i lp r o d u c t i o no f a l lw o r l d 单位：百万桶日 1 9 8 0 q 2 0 0 0 年2 0 0 6 年2 0 l o 年2 0 1 5 年2 0 3 0 年2 0 0 6 - 2 0 3 0 年 年均增长翠 包括于2 0 0 7 年初加入欧佩克( o p e c ) 的安哥拉。 常规原油和天然气凝析液c n g l ) 。 超重油、天然沥青、气转液和煤制油。不包括生物燃料。 1 2 2 消费状况 2 0 0 1 末，世界石油消费总量为3 5 1 0 6 x1 06 t ，北美、亚太和欧洲是主要的消费区，他们 的消费量约占世界总量的8 0 ，中国的石油消费量为2 3 1 9 x1 06 t ，占世界的6 6 ，排在世 界第三位。世界天然气的消费量为2 4 0 4 9 x1 0 9m 3 ，其中北美、前苏联和欧洲是主要的消费 区。这三个地区的天然气消耗量占世界总量的7 0 ，中国的天然气消费量为2 7 7 x1 09 m3 ， - 2 一 河南农业大学硕士研究生论文1 前言 仅占世界的1 2 ，排在世界的第1 9 位。世界煤炭消费量为2 2 5 5 1x1 0 6 t ，亚太地区煤炭消 费量名列世界第一，占世界总量的4 5 3 ，中国的煤炭消费量为5 2 0 6 x1 06 t ，占世界的2 3 1 ， 排在世界第二位。表1 2 以世界石油需求为例说明能源的消费状况【1 1 。 表1 2 世界原油需求 单位：百万桶日 t a b l e l 2o i lc o n s u m ed e m a n do f a l lw o r l d + 年均增长率 1 3 国内的能源状况 1 3 1 国内能源消费构成 从2 0 世纪8 0 年代初到9 0 年代末，我国能源需求的增长速度慢于国内生产总值( g d p ) 。 在1 9 8 0 2 0 0 0 年期间，一次能源需求增加了一倍，而国内生产总值( g d p ) 增加了五倍。因此， 以单位国内生产总值( g d p ) 所需要的一次能源衡量，这一期间内能耗强度年均降低近6 。这 与其他在发展早期经历过能耗强度增长的大多数发展中国家形成了鲜明对比。但是，在 2 0 0 2 - 2 0 0 4 年期间，能源需求的增长速度远远超过国内生产总值( g d p ) ，能耗强度也随之增长。 能源发展趋势之所以发生这样的逆转，主要有以下几点原因： 1 对电力的需求不断高涨，这部分需求主要依靠增加煤炭消费来满足； 2 基础设施建设对金属、建筑材料和化工产品等制成品的需求激增； 3 国内和出口市场对生活消费品的需求十分旺盛。 在2 0 0 0 2 0 0 5 年期间，一次能源需求出人意料地飙升了5 5 ，而国内生产总值( g d p ) 增长 了5 7 。实际上，能源需求仅在2 0 0 2 2 0 0 5 这三年内就增长了4 4 。这样的大幅飙升几乎要 - 3 一 河南农业大学硕士研究生论文1 前言 完全归结于燃煤发电和伴生的热量损耗。增加的5 3 亿吨标准油相当于日本2 0 0 5 年的一次 能源消费总量。从2 0 0 5 年起，能耗强度再一次开始下降。政府为控制能源需求增长而采取有 力举措是其中的一部分原因。图1 1 和表1 3 显示了中国2 0 0 5 年的一次能源需求总量【1 1 。 煤炭 6 2 、8 1 7 2 亿隧标准油 图1 1 中国2 0 0 5 年的一次能源需求总量 f i g 1 1c h m ao f i g i n f le n e r g yd e m a n di n2 0 0 5 表1 3 ：中国的主要能源指标 t a b l e l 3c h i n am a i ne n e r g yi n d e x 木负号表不出口。 料根据中国国家统计局( n b s ) ( 2 0 0 7 a ) 数据得出的初步估计。 为满足我国社会发展和人民群众日益提高的生活水平的需求，国家不得不从国外大量进口 石油，而现在国际油价一直居高不下，由此而带来的国家能源安全问题也越来越严重了，从 图1 2 可以看出2 0 0 6 年我国从世界各产地进口原油的量。我们必须在节能的同时，寻找化石 能源的替代能源。 繁麓 薰 河南农业大学硕士研究生论文1 前言 麓燮 豫龋 鞫蔑囤鹾寰薹云蕊 沙锈阿黪僚 c 蠢 2 2 艿獯j 4 矗 箍丁妻 1 3 万确日 5 图1 22 0 0 6 年中国从各产地进口的原油量 f i 舀1 2c h i n ai m p o r to i lf r o me v e r yp l a c eo f o i lp r o d u c t i o ni n2 0 0 6 1 3 2 能源开发趋势分析 从更长的时期看，我国要考虑新能源的开发和利用。因为化石能源毕竟会有耗竭的一天( 见 表1 4 ) ，为了社会经济发展的可持续性，开发新能源也是势在必行【5 】。目前，新能源的利用还 存在很多技术问题，大规模的开发缺乏经济性，因此，要及早下手，尽快解决技术上的问题， 为能源的进一步战略替代做准备，也为我国能在能源领域能够先人一步打下基础，从而在世 界竞争中占据有利地位，造福子孙【6 】。 表1 4 中国常规能源概况( 2 0 0 0 年) t a b l e ! 4c h i n a sc o n v e n t i o n a le n e r g yo v e r v i e w ( 2 0 0 0 ) 从世界能源储量和消费状况，我们可以清楚的认识到能源特别是不可再生能源会越来越 少。但是随着世界经济的飞速发展，尤其是工业的迅猛发展，对于能源的需求就变的更加的 迫切【6 】。那么如何来解决由此带来的矛盾呢? 可再生能源的发展，将能缓解这一矛盾。下面看 一下可再生能源中生物质能的利用方式。 1 4 生物质能的利用方式 1 ) 生物化学转化 生物化学转4 l 包括t 7 1 ： ( 1 ) 发酵( 产生乙醇) ； ( 2 ) 厌氧性消化( 产生沼气) 。 2 ) 热化学转化 热化学转化的技术路线很多，与其他技术相比，具有功耗少、转化率高、转化强度高、较易 实现工业化等优点生物质热化学转化包括直接燃烧、气化、热解、液化气化和液化技术是 ，；一噩琢祧 辣 凸目 琵 i = ；= = 臻昆 安 嚣 隧曩搿一一 瞄 一 舞疆 一 粉勰绺 一 河南农业大学硕士研究生论文l 前言 生物质热化学利用的主要形式8 】：( 1 ) 直接燃烧；( 2 ) 气化；( 3 ) 热解；( 4 ) 液化。 3 ) 生物质成型燃料( 固化) 生物质成型燃料是指把能源密度低的作物秸秆、农林废弃物压缩制成能源密度高、比重大、 质地坚硬的棒状或颗粒状燃料。这种成型燃料具有热值高、着火容易、含灰分低、热效率高、 燃烧时清洁卫生等特点，广泛应用于工业、生活锅炉及民用燃料。成型燃料经进一步深加工 炭化后，可得到高品位的机制木炭( 生物炭) ，在冶金、化工、建筑等领域都有广泛的用 途【9 1 。 表1 5 中国2 0 0 0 年可再生能源开发利用 t a b l e l 5c h i n au t i l i z a t i o no f r e n e w a b l ee n e r g yi n2 0 0 0 从上表可以看出，我国的可再生能源方面，特别是生物质燃料有很大的潜力可以发掘。 1 5 本课题的提出、目的及意义 随着国民经济的迅速发展和乡镇企业的日益发达，广大农村地区的用能问题变得十分突 出。因此，对广大农村地区的生物质资源综合地利用和开发具有重要的意义【l o 1 1 , 1 2 1 。在农林 产品采集加工过程中，会产生大量的剩余物，如木屑、稻壳、花生壳及蔗渣等，由于各种原 因，这些剩余物部分被直接燃烧，有的则由于碎杂、松散、水分大、透气性差，储存、运输、 使用均不方便而没有充分利用，长年堆积，腐烂流失，造成环境污染【”】。生物质成型燃料不 同人争粮，这在粮食安全问题日益突出的今天，进一步显示出其巨大的优势。 而生物质压块燃料技术则利用这些农林废弃物生产一种形状规则，质地均匀、发热量大、 经久耐用的新型固体燃料，可以部分代替生活和工业用煤，变废为宝，减少环境污染【1 4 1 5 , 1 6 1 。 在生物质成型过程中，除生物质本身的组成结构外，影响成型的主要因素有：原料的种类， 含水率，粒度，加热温度，成型压力等【1 7 1 。 河南农业大学硕士研究生论文l 前言 1 5 1 生物质块状燃料可应用的范围 ( 1 ) 农村炊用目前我国农村农户的炉灶燃用薪柴和农作物秸杆时的热效率约为1 5 左右； 如使用生物质压块燃料，炉灶的热效率可提高到2 0 左右。如果改进现有农户的炉灶以适应 使用生物质压块燃料、则热效率可达3 0 以上【1 8 】。 ( 2 ) 生物质成型块状燃料压制成型后，放入炭化炉中，经过一定的工艺流程脱烟碳化，可 获得优质的人工炭，作为工业用剃1 9 , 2 0 , 2 1 。 ( 3 ) 代替木柴制炭。一般在用木柴生产木炭的过程中，大约要损失5 0 左右的能量，浪费 较严重。生物质压块燃料由于其外形尺寸可以由压缩成型机模具调节，压块的质地很密实， 在燃烧过程中和型煤一样，不易散裂，能造成与木炭相似的燃烧效果，在一定场合可取代木 炭【2 2 1 。 1 5 2 国内外生物质热压成型机的现状 为解决秸秆合理利用问题，欧美工业化国家如丹麦、瑞典、荷兰、美国等，还有亚洲的印 度、日本等国都在秸秆成型方面做了大量的研究，我国在这方面的研究起步较晚【2 3 l 。 热压成型是国内外普遍研究和应用的成型工艺，其工艺流程为： 匾逦计一匾 一匝亘重至卜一圈 热压成型的主要工艺参数是温度、压力和物料在成型模具内的滞留时间。该工艺的主要特 点是物科在模具内被挤压的同时，需对模具进行外部加热，将热量传递给物料，使物料受热 而提高温度f 2 4 2 5 1 。 目前，国内对成型机研究的也很多，但是存在的问题还是比较多的，主要集中在温度，压 力的控制，以及能量消耗的降低。 1 5 3 现在各类生物质成型机存在的不足 1 、螺杆式成型机： 虽然这种成型机造价低，成型时的力度要求小，但是它对粉碎程度要求比较高。另外它的 生产率比较低为1 3 0k h 。它最大的不足在于其螺杆容易磨损，即使是耐热材料使用时间也不 过8 0 小时，而更换新的造价又非常高为1 0 0 0 元产个。同时其成型套筒也是受力集中区，易于 磨损。 2 、冲压式成型机： 优点是连续工作时间长，但是其造价高为l o 万台，还有就是生产率比螺杆式高。但还是 偏低，仅为3 0 0k g h 。如果压力过大，危险性大且易出现傲炮”现象。还有这种成型机对物料 含水率要求比较高要求在1 6 以下。 综上所述，我们将着重从改善现有成型机使用寿命和生产效率得方面来对生物质成型机进 河南农业大学硕士研究生论文1 前言 行优化与改进。 1 5 4 课题提出 通过对现有生物质成型燃料生产及消费市场的调查，我们认为虽然螺杆式成型机应用的最 早，缺点也是显而易见的，但是其造价低的优势非常明显，在市场上的占有率是最高的，如 果能够对其进行改善，提高其螺杆和成型套筒的使用寿命，同时提高生产效率，+ 进一步降低 其生产成本，将更加适合在原有生物质成型燃料生产厂家的推广应用，促进其改进设备，扩 大生产，提高生物质成型燃料的生产量。 通过改变成型机螺杆的材质来提高其寿命的研究已经很多了，但效果都不理想，我们通过 生产实际发现：螺杆头部和成型套筒的收缩区是受力集中区，见图1 3 ，白色显示了受力强度 情况。因此，往往是螺杆头部已经完全磨损了，而螺杆后部( 2 倍“导程”之后的部分) 仍然完 好如初，于是，我们提出通过将整体螺杆分拆为螺杆头和螺杆主体两部分、将成型套筒拆分 为成型活套和保型套筒两部分的方法，来提高两部分主体寿命的方法。虽然螺杆头和成型活 套的寿命并没有显著增长，但由于螺杆主体和保型套筒两部分应力不集中，这两者的寿命都 显著的增长了。可以通过更换螺杆头和成型活套来达到降低生产磨损的目的，从而降低生物 质成型燃料的生产成本。 图1 3 螺杆受力示意图 f i g 1 3s k e t c ho f t h ef o r c eo nt h es c r e w 1 5 5 目的和意义 螺杆生物质成型机造价低，生产效率相对较高，预计可达2 0 0 k g h 以上。能够达到农村采 暖和制炭需要生物质压块的密度要求，大大提高生产效率，尽可能的降低能量的消耗。以便 生物质压块在一定程度和一定范围内作为煤的替代能源得到推广和应用。 在部分缓解能源危机的同时，不同人争粮，且避免生态环境受到秸秆焚烧等不合理用能的 一8 一 河南农业大学硕士研究生论文 1 前言 破坏。本论文根据通过对物料的受力分析进行对螺杆的优化设计和工业设计，旨在通过改变 机型设计，达到螺杆成型机生产成本低、零部件易更换、坚固耐用、生产效率高、工作可靠 的目的，促进其产业化进程，为生物质能的利用提供更可靠的生产力支持。 河南农业大学硕士研究生论文2 螺杆挤压式生物质成型机优化 2 螺杆挤压式生物质成型机优化 2 1 指导思想 现有的螺杆挤压式生物质成型机生产成本偏高，零部件易磨损，我们应针对现有成型机的 缺点，依据对成型生物质的受力及运动分析，对成型机主要零件的设计参数进行优化计算， 并以该优化为依据，设计出生产成本低、零部件易更换、坚固耐用、生产效率高、工作可靠 的螺杆成型机，以满足生物质成型燃料产业不断发展的需要。 以锯末、稻壳、花生壳、玉米秸秆、烟杆等农业废弃物为原料，以城市利用清洁能源的大 趋势为市场。 。 除关键专用部件外，尽可能多用标准件和通用件，降低成本，使生物质成型块的价格接近 于煤炭。 螺杆挤压式生物质成型机生产出来的压缩棒经过碳化之后能满足生物质燃烧炉的要求，释 放出的热值接近中质煤。 物料块易于运输、存放和取用。 2 2 主要指标和材料选择 2 2 1 主要指标 根据螺旋挤出式生物质成型机的工作过程和主要工作部件工作原理1 2 7 1 、依据市场对螺杆 挤压式生物质成型机的要求、参考目前市场上存在的螺杆挤压式生物质成型机的各项指标， 制定螺杆成型机的工作指标，如下： 生产率( k g h ) 2 0 0 成型棒直径( r n m ) 5 6 成型棒中孔直径( n u n ) 1 5 成型棒密度( g c m3 ) 1 0 保型时间( s ) 1 8 根据生产实践和实验数据，要把锯末压缩成密度为1 0g c m3 的成型棒，需要约2 6 5m p a 压强。在工程实际中，梯形螺纹的螺杆，由于有较大的倾角，螺纹根部强度大，有利于物料 的流动、混合与均化，这种螺纹常用于高强度的传动挤压机械中，所以选取梯形螺纹为工作 螺纹。 2 2 2 选择材料 根据使用的场合和承载能力，选取螺杆材料为选定耐磨硬质合金钢，查手册可得它的屈服 极限为盯。= 3 5 5m p a ，螺旋传动时螺纹在低速旋转时的许用压强为 p 】= 7 5m p a ；取单头右 旋梯形螺纹。 一1i ) - - - 河南农业大学硕士研究生论文2 螺杆挤压式生物质成型机优化 2 3 成型生物质的受力及运动分析 物料在螺杆成型机中的运动，不计随螺旋体转动，而只计在旋转的螺旋叶片推动下沿螺旋 向前移动。物料颗粒在输送过程中，物料的运动由于受旋转螺旋的影响，物料的运动并非是 单纯