（机械设计及理论专业论文）基于生物质碾压成型机理的成型能耗影响因素研究.pdf

摘要 摘要 生物质固体成型技术可使松散的生物质致密化，变低品位能源为中上等 品味能源，已成为规模化利用生物质能源的一种有效途径。但是目前该技术 发展存在一些瓶颈，如微观机理研究的欠缺、产品设备能耗过高、设备寿命 短等问题，因此，开展相关生物质固体成型技术的研究对于生物质能源的广 泛利用具有重要意义。 本文以生物质压块成型机为研究对象，以降低生物质压块机能耗为总线， 从生物质物料的成型微观机理、环模的静态力学特性及结构参数着手，探求 了物料的生物构造、理化性质以及微观力学特性对成型过程的影响规律，提 出了碾压成型机理，从微观机理方面降低了生物质成型机能耗：通过成型区 受力分析，以求获得最佳环模结构参数；之后基于大变形弹塑性理论，分析 生物质成型过程的弹塑性特性，借助于a n s y s 有限元分析软件对成型过程 进行非线性接触静力学模拟，揭示了物料在成型过程的流变特性及环模与物 料的应力应变规律，不仅验证了之前微观机理的正确性，同时为设备结构的 优化提供理论依据；最后搭建物料压缩成型试验台，获得了物料成型时最佳 的成型条件与工艺参数并验证了有限元模拟结果的正确性。 课题以生物质成型的微观机理与大变形弹塑性理论为基础，采用静力学 分析、有限元模拟以及现场实验多种研究手段，从物料特性、环模设备结构 参数、成型工艺条件多角度探讨如何降低生物质成型能耗。最终，基于应力 偏张量理论，提出了碾压成型机理，即增大物料所受的偏张量，促使物料更 好地滑移、摩擦、交织，从而减少成型能耗；采用静力学分析方法，获得成 型区可实现制块的最佳攫入角与物料高度，得到环模与压辊的直径比及间隙 调整准则，并且详尽分析了基于碾压成型机理的物料受力情况，通过对比分 析碾压成型与传统方法下物料变形后的微观结构，验证碾压成型机理的正确 性；通过有限元模拟计算，揭示了环模成型过程中物料的流变规律，得到物 料轴向应力分布规律以及物料所受摩擦力随时间变化图，为生物质成型设备 的优化奠定了理论基础；最后采用电子万能实验机，对影响成型的环模转速、 v 山东大学硕+ 学何论文 环模长径比与环模开口角度以及物料含水率等成型条件与工艺参数进行试验 分析，获得了降低生物质成型机能耗的最佳参数。 关键词：生物质；成型；环模；碾压：有限元 v i a b s t r a c t a b s t r a c t b i o m a s sb r i q u e t t i n gt e c h n o l o g yc a l ld e n s i f yl o o s eb i o m a s s ，s i g n i f i c a n t l y i m p r o v et h ee n e r g yg r a d eo f t h es o u r c e ，m a k i n gi ta ne f f e c t i v ea p p r o a c ht ow i d e l y u t i l i z eb i o m a s sr e s o u r c e s h o w e v e r , t h e r ea r es t i l ls o m ed e v e l o p m e n tb o t t l e n e c k s ， s u c ha st h el a c ko fm i c r o s c o p i cm e c h a n i s mr e s e a r c h ，h i 曲e n e r g yc o n s u m p t i o n , s h o r tl i f e t i m eo fk e ye q u i p m e n tc o m p o n e n t s ，e t c t h u s ，f u r t h e rr e s e a r c ht os o l v e t h eb o t t l e n e c k so nt h eb i o m a s sb r i q u e t t i n gt e c h n o l o g yi si m p e r a t i v e t h i sp a p e rp r e s e n t sat h o r o u g hs t u d yo fb r i q u e t t i n gm i c r o s c o p i cm e c h a n i s m a n df a c t o r so fe n e r g yc o n s u m p t i o n , w i t ht h ep r i m a r yp u r p o s et or e d u c et h e p r o d u c t i o ne n e r g yc o n s u m p t i o n f i r s t l y , t a k i n gt h et w oa s p e c t so fb r i q u e t t i n g m i c r o s c o p i cm e c h a n i s ma n dc i r c u l a rm o u l ds t a t i cm e c h a n i c a la st h ei n s t r u c t i o n , b i o l o g i c a ls t r u c t u r e s ，p h y s i c a l a n dc h e m i c a lp r o p e r t i e sa n dm i c r o m e c h a n i c a l p r o p e r t i e so fb i o m a s sr a wa r er e s e a r c h e dt op r e s e n tt h eb i o m a s sb r i q u e t t i n gl a w a n dr e d u c et h ee n e r g yc o n s u m p t i o na tt h es o u r c e a l s os t r e s so nb r i q u e t t i n gz o n e i sa n a l y z e dt og e tt h eo p t i m a ls t r u c t u r ep a r a m e t e r so fc i r c u l a rm o u l d t h e n ，b a s i c o n t h e o r y o f e l a s t i c p l a s t i cl a r g ed e f o r m a t i o n , c o n t a c t m e c h a n i c sa n d v i s c o e l a s t i c i t y , t h ef i n i t ee l e m e n tm o d e lo ft h eb i o m a s sb r i q u e t t i n gp r o c e s s ，a s t r o n g l yn o n l i n e a rp r o b l e m ，i sa n a l y z e db yt h ef i n i t ee l e m e n tp a c k a g ea n s y s t h er h e o l o g i ca n ds t r e s s s t r a i nl a w sa r er e v e a l e dd u r i n gt h ep r o c e s sb yt h e s i m u l a t i n g t h es i m u l a t i n g r e s u l t sa r ea l s oe x a m i n e da n dc e n i f i e db yt h e s e l f - d e s i g n e db r i q u e t t i n ge x p e r i m e n tp l a t f o r m ，w h i c h n o to n l yi l l u s t r a t et h e v a l i d i t yo ft h em i c r o s c o p i cm e c h a n i s mb u ta l s op r o v i d et h et h e o r yb a s i s o n s t r u c t u r a lo p t i m i z a t i o n t h eo p t i m a lb r i q u e t t i n gc o n d i t i o n so ft h er a wa r ea l s o o b t a i n e db yt h es i m u l a t i n ga n de x p e r i m e n t a lr e s u l t s o nt h eb a s i so fb i o m a s sb r i q u e t t i n gm i c r o s c o p i cm e c h a n i s ma n d e l a s t i c p l a s t i cl a r g ed e f o r m a t i o nt h e o r y , f a c t o r ss u c h a sm a t e r i a lp r o p e r t i e s ， e q u i p m e n ts t r u c t u r ep a r a m e t e r sa n db r i q u e t t i n gt e c h n o l o g i c a l c o n d i t i o n sa r e c o m p o s i t e l yr e s e a r c h e dt or e d u c ee n e r g yc o n s u m p t i o n ，b yu s i n gs e v e r a lr e s e a r c h m e t h o d s ，i n c l u d i n gs t a t i c sa n a l y s i s ，t h ef i n i t ee l e m e n tn u m e r i c a ls i m u l a t i o na n d e x p e r i m e n t f i n a l l y , r o l l i n gf o r m i n gm e c h a n i s m i sp r o p o s e do r i g i n a l l yb a s e do nt h es t r e s s v l i i j j 东大学硕十学位论文 t e n s o rt h e o r y , n a m e l ye n h a n c i n gt h eg l o b a lt e n s o ro ft h em a t e r i a l sw h i c hm a k e s m a t e r i a l ss l i p ，r u ba n di n t e r l e a v ee a s i e r , t h u st h ee n e r g yc o n s u m p t i o ni sd e c r e a s e d ； b a s e do nt h es t a t i ca n a l y s i s ，t h eb r i q u e t t i n gz o n e ，t h es w o o pa n g l ea n dt h eh e i g h t o ft h em a t e r i a l sa n dt h ed i a m e t e rr a t i ob e t w e e nt h ec i r c u l a rm o u l da n dp r e s sr o l l a leo b t a i n e d a n dt h ef o r c ec o n d i t i o no ft h em a t e r i a l sw a s a n a l y z e de x h a u s t i v e l y t h r o u g ht h ec o m p a r a t i v ea n a l y s i so ft h em i c r o s t r u c t u r eo ft h em a t e r i a l sf o r m e d u n d e rt h et r a d i t i o n a lm e t h o da n dr o l l i n gf o r m i n gm e t h o d ，t h er o l l i n gf o r m i n g m e c h a n i s mi sv a l i d a t e d ；b a s e do nt h ef e ms i m u l m i o n ，t h er h e o l o g i cl a wo ft h e m a t e r i a l si nt h er o l l i n gf o r m i n gp r o c e s s e s ，t h es t r e s sd i s t r i b u t i o nl a w a l o n gy a x i s a n dt h ec h a n g i n gt e n d e n c yb e t w e e nt h ef r i c t i o n a lf o r c ea n dt h et i m ei sr e v e a l e d ， w h i c hp r o v i d et h ei m p o r t a n tt h e o r e t i c a l s u p p o r ti nt h eo p t i m i z a t i o no ft h e s t r u c t u r ed e s i g n ；t h e nt h eu n i v e r s a ls t u f fe x p e d m e n t a le q u i p m e n ti su s e dt o c o n d u c tt h e e x p e r i m e n t a la n a l y s i sa b o u tt h eb r i q u e t t i n gc o n d i t i o n s ，s u c ha s r o t a t i o n a ls p e e d ，l e n g t hd i a m e t e rr a t i oo ft h em o u l d ，s p l i tt a p e ra n dm o i s t u r er a t i o a n ds oo n , a n dt h et e c h n o l o g i c a lp a r a m e t e r , a n dt h eo p t i m a l p a r a m e t e r sf o r r e d u c i n gt h ee n e r g yc o n s u m p t i o na r eo b t a i n e d k e y w o r d s ：b i o m a s s ；b r i q u e t t i n g ；r i n g ；r o l l i n gf o r m i n g ；a n s y s v l l l 第一章绪论 1 1 课题研究背景 第一章绪论 随着经济的快速发展和单位g d p 能耗的居高不下，我国能源需求急剧增 长，面临严峻的能源和环境压力。然而煤、石油、天然气等传统化石能源资 源日益枯竭，迫切需要开发可再生的能源资源以补充和替代现有的化石能源。 生物质能仅次于煤炭、石油和天然气，居于世界能源消费总量的第四位，是 唯一可以固态形式存在的可再生能源，因其具有清洁环保、c 0 2 排放为零、 来源广、可再生等特点，受到了世界各国的普遍关注。因此，生物质能必将 成为未来可持续能源系统的重要组成部分。 我国十分重视生物质能的开发，把开发生物质能、实现可持续发展作为 工作的重中之重。在中国国家中长期科学和技术发展规划纲要( 2 0 0 6 2 0 2 0 年) 中，将开发生物质能作为能源领域前沿技术之一。国家能源中长期发 展规划纲要中将生物质能列入“能源规划与节能规划”的优先发展内容。山 东省和济南市各级政府也一直把可再生能源与节能技术的开发作为山东省能 源战略的主旋律，以科技为先导，进行生物质能源化和资源化的高效开发利 用。 我国是农业大国，各类生物质储量丰富，开发利用潜力巨大【l 】。全国农 作物年产生物质约7 亿吨，可作为燃料的生物质占5 0 以上。农产品加工废 弃物如稻壳、甘蔗渣、发酵残渣等在2 亿吨以上，也是重要的生物质资源。 据推测，到2 0 2 0 年，中国可开发生物质资源量至少可相当于1 5 亿吨标准煤。 山东省作为农业大省粮食作物种植面积大约在6 9 0 万公顷左右，每年收获的 生物质秸秆大约在8 0 0 0 万吨左右，济南市每年种植小麦3 0 0 余万亩，玉米近 3 0 0 万亩，年产干秸秆4 0 0 余万吨。 由于生物质原料质地疏松、堆积密度小，作为燃料存在能量密度小、收 集、储运成本高等问题，其规模化利用和高效利用都比较困难，经济效益较 差，这是制约生物质不能较快成为商品能源的主要因素。在开发利用生物质 能的各项技术中，生物质固化成型技术可将低品位的生物质原料加工成高效 山东大学硕十学何论文 洁净的成型燃料，大大提高了生物质资源的利用效率，同时解决了生物质储 运成本较高的问题，是替代常规能源的有效方法。 生物质固体成型技术【2 ，3 】是指将生物质原料经干燥、粉碎到一定粒度，在 一定的温度、湿度和压力条件下，使生物质原料颗粒位置重新排列并发生机 械变形和塑性变形，成为形状规则、密度较大、燃烧值较高的固体燃料的过 程。固体成型后的产品用途广泛，可以作为生活燃烧、火力发电、气化、液 化等的原料，对整个生物质能源行业的发展起着重要的支撑作用。 生物质作为唯一可储存的可再生资源，其原料经压缩成型后，密度可达 0 8 1 3 k g m 3 ，能量密度与中质煤相当，燃烧特性较成型前明显改善，具有无 黑烟、飞灰少，燃烧完全等特点，且生物质成型燃料可经深加工制成机制木 炭，与传统木炭相比具有形状规则、强度高、孔隙多、易燃耐烧、无污染等 优点。成型燃料储运方便且损失少，是易于进行商品化生产和销售的可再生 能源。 现存的生物质成型设备在运行生产过程中也暴露出严重的问题，制约了 生物质成型燃料行业的规模化发展：现有设备多采用加热成型的工艺，生产 能耗较高，甚至出现为了生产生物质成型燃料而消耗过多常规能源的现象， 入不敷出；现有生产设备中很多是从国外直接引进，木屑原料成型效果较好， 但不能很好的适应我国丰富的秸秆资源；多数设备关键部件极易磨损，有的 甚至只能生产十多个小时，并且修复更换关键部件成本高，时间长，设备长 期处于停机状态。 因此，优化现有生物质成型设备，提高设备生产率、降低吨能耗、延长 使用寿命，是生物质成型行业亟待解决的关键问题，也是我国建立资源节约 型、环境友好型社会和建设社会主义新农村的迫切要求。 1 2 课题研究意义 本课题来源于2 0 0 7 年山东省自主创新成果转化重大专项济南机场 周边烟尘污染防治综合技术治理( 2 0 0 7 z h z x l l 0 0 1 ) ，具有现实的工程应用 价值和理论意义。为解决秸秆焚烧对环境污染问题，支持秸秆能源化增值利 用技术的研究与开发而设立的重大专项，“低能耗生物质压块成型设备研制” 2 第一章绪论 为其中一个子课题。 本课题将以生物质压块成型机为研究对象，通过研究生物质物料生物构 造、理化性质以及微观力学结构，获得其对成型过程的影响规律，从微观机 理方面对降低环模成型机能耗寻找突破，在成型区进行力学分析，获得能耗 最低时的最佳环模结构参数；之后基于大变形弹塑性理论，分析生物质成型 过程的弹塑性特性，借助a n s y s 有限元分析软件对成型过程进行非线性接 触静力学模拟，揭示环模在成型过程的应力应变分布规律，不仅用来验证之 前微观机理的正确性，同时为设备结构的优化提供理论依据，最后搭建物料 压缩成型试验台，寻求物料成型能耗最低时的最佳的成型条件与工艺参数并 验证有限元模拟得正确性。 综上所述，本课题旨在围绕降低生物质压块成型机的能耗进行研究，不 仅对影响成型过程的工艺参数进行优化，而且通过对环模的有限元分析进行 结构参数优化，实现多角度优化的目的，以得到有价值的研究结果：研究能 耗较低时的最佳环模结构参数、成型条件与工艺参数，以及生物质成型过程j 。 的应力应变规律，以便为生物质环模压块机的使用厂家和设计者提供应用和 参考数据；尝试综合的研究方法：试验、仿真以及静力学分析等多种方法相 结合，对于环模压块机的研究方法是一次有意义的尝试；推动产品产业化： 通过对生物质压块机环模进行优化，解决环模易磨损的问题，实现压块成型 机低能耗高生产率的目标，有利于生物质成型产业的发展；取得较大社会经 济效益：新型压块机的使用可有效减少秸秆无序燃烧引起的污染问题，提高 生物质资源的利用效率，具有显著的社会经济效益。 1 3 成型技术国内外研究现状 目前，国内外对生物质成型的研究主要集中在以下几个方面：压缩成型 压力与压缩密度研究、压缩成型过程中的流变学研究、影响压缩成型的主要 因素及成型模具比能耗的研究。 1 3 1 压缩成型压力与压缩密度关系研究 压力与压缩密度关系的研究分为“闭式”和“开式”两个方面，其中国外主 3 山东大学硕+ 学位论文 要集中于“闭式”研究，国内“开式”研究较多些，它们就秸秆压缩成型过程中 的压力与压缩密度关系，建立了各种数学模型。 2 0 世纪5 0 - - 6 0 年代，o s o b o v l 4 通过研究认为，秸秆在压缩过程中压力仅 取决于被压缩物料的初始密度和压缩过程中的压缩程度。前苏联学者 p u s t e k y l 5 】分别在窄板条和密闭容器内对未脱粒的小麦秸秆进行压缩，得出了 压缩力与压缩时间之间的关系。 到了2 0 世纪后期，世界各国学者分别进行了不同压缩形式的秸秆成型实 验，使压缩成型理论得到了迅猛发展。 1 9 8 6 年，另两位英国学者f a b o r o d e 和k a l l a g h a n t 6 】得出了与物料初始密 度和压缩活塞位移有关的不同数学模型： p = 等 e h ( r - x ) _ t 】 p = 缸e 当一l 】 式中，p 为压缩力，k g c m 2 ； a 、b 为试验系数；y 为物料压缩过程中的密度，k g m 3 ； 期为物料的初始密度，k g m 3 ； 锄为物料的初始体积模量，m p a ； j 为压缩活塞的位移，m r l l ； ，为压缩室长度，l 砌。 1 9 9 8 年，国内学者吕江南【7 】进行了红麻的压缩成型实验，提出压缩过程 分为松散、过渡和压紧三个阶段，并建立了不同阶段的数学模型。 2 0 0 3 年，国内钱湘群8 1 硕士采用棉秆进行了高压成型试验，得出了压力 与压缩密度关式： p = 警妒柚一l 】 7 丫= 一 - ，o 式中，尸为压缩力，k g e m 2 ； 口、b 均为试验系数； 4 ) ，r 为压缩密度比； ) ，为物料压缩过程中的密度，k g m 3 ； 物为物料的初始密度，k g m 3 。 2 0 0 4 年，国内马彦华9 】矛0 用g k g 3 5 0 型液压高密度压捆机，对新鲜首稽 草、苏丹草和玉米秸秆进行了“开式”压缩试验研究，分别用指数和多项式两 种形式来表示压缩力与压缩密度关系的一般数学表达式： p = 口e 口( 1 书 l a = a 1 吐3 拍( 2a 4 罟+ c 式中，尸为压缩力，k g c m 2 ； a 、b 、a 卜a 2 、a 3 、a 4 、c 均为试验系数； ，为物料压缩过程中的密度，k g m 3 ； y o 为物料的初始密度，k g m 3 。 1 3 2 压缩成型过程中的流变学研究 1 9 8 3 年，p e l e g 1 0 1 采用非线性粘塑性固体材料流变模型来描述物料在压 缩过程中的松弛特性，得出了p e l e g 模型，其松弛模量e 表达式为： k + r z 2 一生 一t e ( 0 = k d t - t x 2 i 再杰( 1 - - e e r ) 上t k + 3 r x 2 式中，k 为线性弹簧的弹性模t ，k g m m 2 ； r 为硬弹簧系数，k g m m 2 ； x 为使物料在瞬间达到的恒应变，m m ； e 为库伦摩擦力，k g ； 物为硬弹簧的最大变形，m l n 2 ； 乃为压缩过程中的应力松弛时间，s 。 1 9 9 7 年，国内王春光【1 1 博士利用液压高密度压捆机进行了干牧草等压缩 应力松弛试验，采用波尔兹曼叠加原理推导出应力和应变关系式，并运用积 分理论进一步得出应力松弛本构方程如下： lj 1 东大学硕十学何论文 - ( r - 4 ) - ( r - 4 ) 口( ) = a x e 瓦+ t r z e 毛+ g o 式中，仃俐为在时间t 下牧草所受到的压应力，n l m m 2 ； 口，为第一个m a x w e n 模型所对应的最大应力，n m m 2 ； ，为压缩时间，s ； 乃为第一个m a o e n 模型所对应的应力松弛时间，s ； 为第二个m a x w e n 模型所对应的最大应力，n m m 2 ； 乃为第二个m a x w e n 模型所对应的应力松弛时间，s ； t r o 为平衡弹簧所具有的应力，n m m 2 。 2 0 0 5 年，国内杜建民【l l 】进行了“开式”新鲜草物料压缩过程的流变学研 究，发现物料压缩时存在着三种应力松弛，并对高密度压捆机的三维应力进 行了试验研究，提出压缩过程中在z 、y 方向同样产生流变学变化的观点， 得出了在密度平稳区域z 、y 方向草片最大变形恢复应力区域和产生主要摩 擦力区域的结论。 所有这些研究对农业纤维物料压缩过程的理论分析和压缩设备的设计提 供了一定的理论依据，对农业纤维物料的压缩生产起到了一定的指导作用， 但仍然存在一些问题。 综上所述，国外的压缩流变学研究是在“闭式”实验室设备上采用阶跃历 程的应力或应变进行的，而国内的压缩流变学研究是以生产样机为试验装置， 对任意历程的应力应变进行分析并提出流变学模型及本构方程。虽然它们采 取的压缩方式不同，所建的流变学模型差别较大，但这些流变学模型的提出 为压缩成型理论发展提供了思路和方法，使秸秆压缩流变学的研究向前迈进 一大步。 1 3 3 影响压缩成型的主要因素及成型模具研究 1 9 9 2 年，西北农业大学郭康权以玉米秸秆为原料，用自ne e d , 型平模 颗粒成型机进行了压缩成型试验，得出：随着原料含水率的增加，成型颗粒密 度减小，当原料含水率为2 5 3 5 、粒度1 0 m m 2 以下时，成型机的生产能 力为1 1 0 k g h ，耗电量为1 0 k w ，最佳含水率为3 0 左右，可得到成型颗粒密 度为1 1 9 c m 3 。 6 第一章绪论 1 9 9 9 年，河南农业大学张百良【6 】在h p b i 液压活塞式生物质成型机进行 了成型参数及物料含水率对热压成型影响的试验研究，得出结论：合适的成型 温度为6 0 - 2 0 0 c ；生物质的含水率在7 1 4 之间，成型套的锥角为4 0 - 2 0 0 ， 锥长取1 7 - 7 4 m m 2 ，成型周期为7 s 时，均有良好的成型效果。 同年，中国林业科学研究院林产化学工业研究所蒋剑春f 1 3 1 采用了 k y w 3 2 型饲料颗粒成型机进行了林业剩余物制造颗粒成型燃料的技术研究， 得出成型温度在1 0 0 左右，成型压力为4 9 9 8 m p a ，原料含水率控制在1 6 、 2 2 时，成型效果较好。 2 0 0 3 年，浙江大学盛奎川【1 4 1 在内径为5 0 m m 圆筒内，进行了切碎棉秆( 粒 度0 - 3 m m ) 常温压缩条件下压力对松弛密度的影响实验，得出随着压力增大， 成型块的松弛密度增大，松弛比相应减小等结论。 2 0 0 5 年，河南农业大学樊峰鸣【1 5 】进行了含水率对松弛密度的影响实验， 认为当含水约为1 2 时，成型密度最大，密度变化率最小，原料含水率在 8 - 15 范围时均可得较理想的成型密度。 同年，北京林业大学程佩芝1 6 】在“闭式”装置里进行了玉米秆碎料热压成 型研究，得出结论是：当温度和压力不变时，含水率降低，径向密度减小， 轴向密度基本不变；当温度和含水率不变时，压力存在一临界值，大于或小 于该临界时，径向密度才发生较大的差异，轴向密度基本不变；温度和含水 率的交互作用对平密度影响最大，其次是压力，再次是压力和含水率的交互 作用。 1 3 4 比能耗的研究 对于秸秆成型装置的设计来说，比能耗是一个重要性能指标，即在单位 时间内生产成型燃料所消耗的能量与该段时间内生产的成型燃料质量的比 值。压缩成型所需的能耗主要由两部分组成：物料与成型部件内壁摩擦所消 耗的能量和克服物料变形所消耗的能量。由于压缩成型机械、成型方式和成 型原料均有较大差别，因此秸秆成型所消耗的比能耗也不尽相同。 2 0 世纪5 0 年代以来，国内外学者就开展了各种压缩条件下的比能耗研 究，例如m a r c h a n t 和m i l l a r d 1 7 1 利用机械往复冲压式成型机得出的比能耗为 7 l i j 东大学硕十学1 _ 7 ：论文 2 2 7 m j t ；d a g h e r t y 和w h e e l e r 【1 8 】得出大麦秸秆的比能耗在5 2 5 m j t 之间，建 立了比能耗与松弛密度的线性关系式，并认为当压缩频率增加1 0 倍时，所消 耗的比能耗增加2 3 ；f a b o r o d e 1 9 j 实验研究认为，当秸秆圆筒模压成型时， 比能耗与松弛密度、加载速度呈线性递增关系，而与模具直径呈指数减小关 系，并得出压块密度为7 0 0 k g m m 3 时的方模压块机的比能耗为4 0 m j t ； d o g h e r t y 和w h e e l e r l l 8 】认为，在松弛密度不变时，模子直径和含水t 对比能耗 无明显影响，但随着模子横截面积减小，所需的比能耗也减小；o r t h 和p e t e r s 2 0 】 等进行压缩试验表明，在生产率为0 1 t h 时所需的比能耗为4 1 s m j t ，而在生 产率为0 2 5 t h 以上时所需的比能耗在2 3 5 3 0 5 m j t 之间；m e w e s 2 l 】进行了含 水率为8 - 2 3 的秸秆和干草压缩成型实验，得出用于压缩的能量占 3 7 - 4 0 ，其余的能耗主要用于克服摩擦力等结论。杨波【2 2 】等对活塞冲压式生 物质成型机的能量消耗进行了测试及分析，从提高加热套的功率利用率，进 料系统顺畅运行，增加进料量以及防止型腔阻塞等方面提出节能降耗的措施。 农业部南京农业机械化研究所的陈永生、朱德文等【2 3 】以降低物料与对辊 式模腔内的过量摩擦能耗为切入点，研制了一种新型空心对辊式生物质制粒 成型机；北京中汇信联技术发展有限公司开发出一种新型生物质螺杆挤压成 型设备；江苏牧羊集团有限公司研制的冲压式生物质成型机是以动力结构优 化为主要特点。这些是将理论转化为现实知识产权的典型案例。 1 4 存在问题 生物质成型方面的研究己经取得一些进展和成果，但是在研究手段、研 究方法和生物质成型机理方面还存在一些问题。 ( 1 ) 低能耗生物质环模压块机的微观机理研究较少 生物质成型机理方面比较成熟的是“木质素塑化成型”机理，即木质素在 一定的温度和压力下产生“软化”和“熔融”，然后使颗粒之间进行粘合，高温 加热与压制成型。该机理下的成型技术为加热成型，能耗较高且不适合木质 素含量较少的原料，而我国拥有十分丰富的秸秆原料，因此，亟待加深适合 秸秆的低能耗的常温成型机理，特别是微观机理方面的研究。 ( 2 ) 未综合研究影响生物质环模压块机能耗的因素 8 第一章绪论 大部分的研究是针对其中一个要素，比如环模的某一个结构参数、或者 含水率等，仅仅是研究一个影响因素对成型能耗的影响，未从机理、环模成 型区结构参数以及成型条件、工艺参数等多方面综合对成型能耗影响因素进 行研究。 ( 3 ) 对生物质环模压块机环模开口角度研究较少 大部分的研究是针对颗粒环模、冲压成型方式的成型机的成型区的开口 角度问题，针对环模压块机环模口开口角的研究较少，因为生物质环模压块 机所得到的制品直径达3 2 m m ，与之前的颗粒环模与冲压成型方式的环模角 度差别较大。 1 5 课题研究内容 本章对国内外生物质成型技术与设备的发展现状进行了综述，并分析了 现阶段成型工艺与设备存在的问题，以适合秸秆原料的新型环模压块机为研 究对象，以生物质成型的微观机理与大变形弹塑性理论为基础，采用静力学 分析、有限元模拟以及实验多种研究手段，围绕降低成型能耗，延长关键设 备使用寿命进行研究。本文主要研究内容如下： ( 1 ) 研究物料生物特性、理化性质以及微观粒子力学特性对生物质成型 的影响，分析不同物料的生物特性、化学性质，探求其在生物质成型过程中 的对外表现形式；分析原料内部粒子在成型过程中的物理行为，建立微观粒 子力学模型，为研究物料成型的微观机理提供理论依据。 ( 2 ) 从微观成型机理方面寻求降低生物质环模压块机能耗的方法一提 出碾压成型机理，分析此机理下物料微观粒子在成型过程中的特性，基于此 机理，对环模进行优化，对优化后的环模成型区及物料进行力学分析，验证 碾压成型机理的正确性。 ( 3 ) 建立力学分析模型，对环模成型区进行受力分析，获得最佳环模结 构参数：获得成型区可实现制块的最佳攫入角与物料高度；得到环模与压辊 的直径比及间隙调整准则；分析整个成型过程的物料受力情况，展示物料成 型过程中轴向应力与径向应力的相互关系。 ( 4 ) 通过有限元模拟，揭示环模成型过程中物料的流变规律及环模与物 9 山东大学硕十学何论文 料的应力应变规律，研究生物质弹塑性有限元理论以及非线性接触理论，分 析生物质物料的弹塑性特性，对生物质成型过程进行非线性接触静力学模拟， 进而得出环模成型过程中物料的流变规律，及环模、物料的应力应变规律， 最后对比分析物料在不同的环模开口角度下的流变特性，确定最佳开口角。 ( 5 ) 搭建生物质压缩成型实验平台，针对成型条件与工艺参数进行实验 研究。采用电子万能实验机，对影响成型的环模转速、环模长径比与环模开 口角度以及物料含水率等成型条件与工艺参数进行试验分析，获得了降低生 物质成型机能耗的最佳成型条件与参数。 1 0 第二章生物质同体成呷j 微观机理 第二章生物质固体成型微观机理 生物质物料的成型机理决定了成型过程中生物质的流变特性及环模的受 力规律，而生物质的成型过程即为环模的一个循环工作过程，因此，对成型 能耗的研究，首先要研究生物质固体成型机理，从最基础的原理处寻求减少 能耗的方法。本章将分析原料的生物构造、物理性质、化学性质以及力学性 质在压缩成型过程中所起的作用；建立微观粒子力学模型；探索出秸秆压缩 成型时内部粒子的粘接机制；提出碾压成型机理，即从生物质微观机理角度 改善物料的出力状况，减少成型过程能耗；最后介绍本文所研究的玉米秸秆 原料特性。 2 1 生物质固体成型微观机理 2 1 1 生物质的基本构造 细胞作为秸秆最基本形态单位，其细胞壁壁层机构对成型过程以及成型 产品质量影响很大，这是因为秸秆的各种物理力学性质在宏观表现中的各向 异性都与其有关。 秸秆细胞壁的生长过程如下：许多吡喃型d 葡萄糖基以1 _ 4 p 昔键联结 形成纤维素分子链；纤维素分子链然后聚集成束，构成基本纤丝；基本纤丝 再组成丝状，随后组成粗纤丝，粗纤丝组成薄层，薄层又形成了细胞壁的初 生壁、次生壁，进而形成了秸秆的管胞、导管和木纤维等重要组成分子。秸 秆管胞细胞壁的微细结构如图2 1 所示【2 4 1 。 细胞壁是由原生质体生命活动中所形成的多种壁物质加在质膜的外方所 构成的。在细胞发育过程中，由于原生质体尤其是它的表面的生理活动易发 生变化，所形成的壁物质在种类、数量、比例以及物理组成上具有差异，使 细胞壁产生成层现象( i a m e l l a t i o n ) ，可逐级地分为胞间层( m i d d l el a m e l l a ， 简称m l ) ，初生壁( p r i m a r yw a l l ，简称p ) 和次生壁( s e c o n d a r yw a l l ，简称 s ) ，如图2 2 所示。 山东大学硕十学何论文 黪萨拿 以t譬 z 瓣，j 7 毒 辫。i 乙 图2 1 秸秆细胞壁结构示意图图2 2 细胞壁层结构图 ( 1 ) 胞间层( m l ) ，位于细胞壁的最外层，在细胞分裂后最早形成的分 隔部分，是由相邻的两个细胞的原生质体向外分泌的无定形、胶体状的果胶 物质构成的，于是将相邻的细胞粘连在一起，呈各向同性。 ( 2 ) 初生壁( p ) ，在细胞生长过程中、细胞停止生长之前所形成的壁层， 是由相邻细胞原生质体分泌的壁物质在胞间层内面沉积而成的零乱的网状结 构。初生壁一般都很薄，厚度约1 - 3 i t m 。 构成初生壁的主要物质有纤维素、半纤维素、果胶物质以及糖蛋白等， 初期主要是由纤维素构成，后期木质素的浓度较高。初生壁具有一定的可塑 性。初生壁的厚度往往是不均匀的，常有一些凹陷区域，其内有许多胞间连 丝通过。但是初生壁在不同秸秆纤维中其排列状态没有明显差异。 ( 3 ) 次生壁( s ) ，次生壁是细胞体积停止增大后，细胞原生质体所分泌 的壁物质附加在初生壁内表面的壁层。在植物体中，常常是那些在生理上分 化成熟后原生质体消失的细胞，才在分化过程中产生次生壁。例如各种纤维 细胞、导管、管胞等。次生壁中纤维素含量较高，半纤维素较少，不含有糖 蛋白，故比初生壁坚韧，但延展性差。此外，次生壁中还常添加有木质素， 大大增强了次生壁的硬度。 次生壁s 在整个细胞壁中厚度最大，由图2 - 2 可以看到，在次生壁中， s 2 层最厚，秸秆的管胞、导管和木纤维等重要组成分子大部分都分布于s 2 层，s l 和s 3 层均较薄。次生壁s 的微细纤维排列状态有较大差异，各层的微 纤丝螺旋取向与纤维轴的夹角不同。次生壁外层( s 1 ) 微纤丝的排列平行度 较差，夹角为5 0 0 7 0 0 ，不易帚化，纤维度一般；次生壁中层( s 2 ) 的微纤丝 1 2 第二章生物质同体成犁微观机理 排列的平行度最好，夹角为1 0 0 - 3 0 0 ，易帚化，且纤维度最大；次生壁内层 ( s 3 ) 的微纤丝排列的平行度最差，夹角为6 0 0 9 0 0 ，呈不规则的环状排列。 由此可以看到，原料种类不同，其细胞壁壁层结构也不尽相同，因此各原料 的压缩特性也各有区别。日常生产中常用的六种秸秆原料( 玉米秸秆、小麦 秸秆、棉花秸秆、玉米芯、稻草和木屑) 的不同壁层结构特点，可以用图2 3 中两种超微结构模型来表示。 图2 3 秸秆纤维的超微结构模型 第一种模型中胞腔较大，微纤维排列状态各异，由m l 、p 、s l 、s 2 、s 3 组成。s l 层较厚，呈近横向交叉螺旋形，s 2 微纤维角度较大，缠绕角3 0 0 4 0 0 ， s 3 为近于横向交叉螺旋形，m l 为网状。第二种模型细胞腔很小，细胞壁厚， s 2 层是细胞壁的最主要部分，其微纤维的缠绕角为3 0 0 4 0 0 。一般稻草和木 屑主要由第一种模型纤维构成，玉米秸秆、小麦秸秆、棉花秸秆和玉米芯主 要是由第二种模型纤维构成。 通过上述分析，我们可以得到秸秆压缩成型过程中细胞组织结构的变化 情况。当对秸秆物料施加压力时，胞间层首先受压缩变小，空隙也将逐渐减 少；随着压力的逐渐增大，初生壁慢慢变薄，由于初生壁含大量木质素，而 且厚度很小，因此压溃程度较大；当压力继续增大时，次生壁开始受压，次 生壁主要成分为纤维素和半纤维素的混合物且厚度最大，所以抗拉压强度较 大。同时，次生壁内层中空的细胞腔，也为微纤丝变形提供了较大的空间， 故压溃程度较小，当压力再继续增大时，细胞腔逐渐被压小。对于第一种模 型结构的原料，胞腔较大，如果外界压力不是很大，虽然胞腔会变小但不至 于压溃合拢；对于第二种模型结构的原料，胞腔很小，施加较大的压力，细 山东大学硕十学何论文 胞壁易被压溃合拢。由此可见，在相同的压力条件下，稻草和木屑颗粒成型 燃料的致密性要比玉米秸秆、小麦秸秆、棉花秸秆和玉米芯的致密性要好， 因此，要降低能耗，需要选择第二种胞腔的材料。 2 1 2 生物质的化学性质 秸秆之所以能够冷态压缩成型，其化学性质是一个极其重要的方面。研 究秸秆的化学成分和各自在压缩成型过程中所起的作用，对于探索压缩成型 机理至关重要。 秸秆细胞壁具有强大的纤丝网状结构，可为细胞、组织甚至整个植物体 提供机械支持作用9 1 ，生物质原料的分子组成成分主要是纤维素、半纤维素 ( 多缩戊糖) 、木质素等，另外还含有少量的单宁、果胶质、萃取物、色素和 灰分等【2 5 之7 1 。其中纤维素、半纤维素和木质素，占植物体成分的2 3 以上【2 引。 秸秆化学成分的组成如图2 - 4 所示。 秸秆化学成 分 f 纤雏鬃( 水解单糖d 葡萄糖) 碳水化台豹 半纤雏鬃( 水解擎糖d 葡萄糖、d 半乳糖， l d 甘露糖、d 木糖、l 阿拉伯糖) 本质素 无机钧( 灰分) 有机钧( 芳香族、萜稀类、脂肪簇化食物) 图2 4 秸秆化学成分的组成 在图2 4 中，三种主要化学成分对细胞壁所起的物理作用有所不同。纤 维素和半纤维素( 多缩戊糖) 是多聚糖类无定形结构的非晶态物质，占植物 细胞组成的比例最大 2 9 , 3 0 1 。在贮存过程中纤维素和半纤维素易水解，部分转 变为木质素，它附着在纤维素微纤维的表面，并且相互连接，这些纤维构成 了坚