（机械设计及理论专业论文）悬挂式森林细小生物质颗粒燃料成型机的设计与研究.pdf

摘要 摘要 能源是当今人类社会和生产实践的命脉所在，随着经济社会的高速发展，人类对能 源的要求日益加剧以及大量化石能源的使用，导致世界对能源资源的争夺日趋激烈、环 境污染加重和环保压力加大。面对即将到来的能源危机，各国政府和科学家对资源丰 富、可再生性强、有利于改善环境和可持续发展的生物质资源的开发利用给予了极大的 关注。而生物质颗粒燃料成型技术是生物质资源合理利用的关键技术之一。因此，生物 质颗粒燃料成型技术成为近几年研究的热点，显示出广阔的应用前景。 本文来自于多个林业局亟需研制既能够解决在林内压缩成型又能降低运输成本的悬 挂式成型机的要求，并得到东北林业大学研究生论文资助项目( g r a m 0 9 ) 的资助，针 对森林细小生物质( 主要是细小枝条和落叶) ，根据研究任务，在分析不同种类颗粒燃 料成型机优缺点的基础上，结合现有生物质成型机的结构特点，将成熟可靠的模孔为 3 0 m m 的平模成型设备与拖拉机悬挂相结合研究设计悬挂式森林细小生物质颗粒燃料成 型机，以期为林区正在迅速发展的生物质成型燃料产业提供技术支撑。 首先本文借鉴行业中环模力学的研究方法，推导并建立了压辊挤压物料力学模型， 分析得出作用于物料上的轴向压应力盯( 石) 、模孔径向压应力p ( x ) 以及模孔切向摩擦力 g ( 功均按指数规律沿模孔长度变化；减小摩擦系数厂，增大模孔半径，衰减速度减 慢，可以延长物料在模孔内的饱压过程；另外反映物料纵向变形、横向变形的物料泊松 比也是生物质压缩成型的重要参数之一。 由于压辊内外端速度差造成错位磨损。圆柱直辊平模成型机中，总磨损效应与压辊 与平模接触的有效长度以及压辊的转速有关，压辊与平模接触的有效长度越短，转速越 低，总磨损效应越低，对应的错位磨损越小。所以对于圆柱直辊平模成型机，在保证压 辊转速的情况下要适当的减小压辊与平模接触的有效长度。 在以上理论研究的基础上，本文确定了适合森林细小生物质的合理的成型方式、传 动方案及部分主要参数，设计了一台产量适中、成型燃料密度较高并像其它农机具一样 可以方便的悬挂在轮式拖拉机尾部的可移动式森林细小生物质颗粒燃料成型设备；其中 可方便更换的单孔子模具的设计可以有效地降低模具使用成本，延长整机使用寿命。 悬挂支架是悬挂式森林细小生物质颗粒燃料成型机的重要组成部分，其承载能力是 决定整个成型机能否正常运行的关键。本文借助a n s y s 对悬挂支架进行静态分析发现 悬挂支架主要发生向下弯曲以及沿z 轴坐标方向的向外翻转，整个悬挂支架的内部应力 变化以及位移变形都较小，可以支撑成型机正常工作。 关键词生物质；平模；成型；设计研究；仿真 a b s t r a c t a b s t r a c t e n e r g yi st h eh u m a ns o c i e t ya n dt h ep r o d u c t i o np r a c t i c e ，a st h er a p i dd e v e l o p m e n to f s o c i a le c o n o m y , r i s i n go nt h ed e m a n df o re n e r g yo fh u m a nd a yb yd a ya n do v e r u s i n go ff o s s i l e n e r g yr e s u l ti nt h ef i e r c ec o m p e t i t i o nf o re n e r g yf r o mt h ee n t i r ew o r l d ，t h ei n c r e a s i n go ft h e e n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o na n de n v i r o n m e n t a lp r e s s u r e s f a c i n gt h eu p c o m i n ge n e r g yc r i s i s ， g o v e r n m e n t sa n ds c i e n t i s t sp a i dg r e a ta t t e n t i o nt ot h ed e v e l o p m e n ta n du t i l i z a t i o no fb i o m a s s r e s o u r c e sw h i c hi s r i c h , r e p r o d u c i b i l i t ys t r o n g a n dc a ni m p r o v et h ee n v i r o n m e n ta n d s u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n t a n db 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 so n eo ft h ek e yt e c h n i q u e si n r e a s o n a b l yu s i n go fb i o m a s sr e s o u r c e s ob i o m a s sb r i q u e t t i n gt e c h n o l o g yh a sb e c o m et h e r e s e a r c hf o c u s ，w h i c hs h o w i n gb r o a da p p l i c a t i o np r o s p e c t t h i sa r t i c l ei sf r o mm u l t i p l ef o r e s t r ya d m i n i s t r a t i o n sn e e dw h i c hi sa b l et os o l v eb o t h c o m p r e s s i o nm o l d i n ga n dl o w e rt r a n s p o r t a t i o nc o s t ，a n dg e tt h en o r t h e a s tf o r e s t r yu n i v e r s i t y g r a d u a t et h e s i sg r a n t ( g r a m 0 9 ) ，a i ma tt h ef o r e s tt i n yb i o m a s s ( m a i n l ys m a l lb r a n c h e s ，t w i g s a n dl e a v e s ) ，a c c o r d i n gt ot h ed e s i g nt a s k ，o nt h ea n a l y s i so ft h ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e s o fd i f f e r e n tk i n d so fm o l d i n gm a c h i n e , c o m b i n et h ef o r m i n ge q u i p m e n tw h i c ht h eh o l ei s 3 0 m mw i t ht r a c t o r ，a n dd e s i g ns u s p e n d e df o r e s ts m a l l b i o m a s sp e l l e tf u e lf o r m i n gm a c h i n e , i n o r d e rt op r o v i d et e c h n i c a ls u p p o r tf o rt h er a p i d l yd e v e l o p i n gf o r e s ti n d u s t r y l e a r n i n gf o r mt h er e s e a r c h m e t h o do ft h e r i n g - d i e sm e c h a n i c a lm o d e l ，t h ep a p e r d e v e l o p sa n ds e tu pam e c h a n i c a lm o d e la b o u tf l a t - d i e t h ea n a l y s e so ft h em o d e lf i n dt h a tt h e a x i a lc o m p r e s s i v es t r e s sa ( x ) ，t h er a d i a lc o m p r e s s i v es t r e s sp ( 功a n dt h et a n g e n tf r i c t i o n f o r c eg ( 石) a c t i n go nt h em a t e r i a lc h a n g eu n d e re x p o n e n t i a ll a wa l o n gt h el e n g t ho fd i eh o l e d e c a yr a t ed e c r e a s e sa n dt h ep r o c e s so fs a t u r a t i o np r e s s u r ep r o l o n g sw h i l et h ef r i c t i o n c o e f f i c i e n tfd e c r e a s e sa n dt h er a d i u so fd i eh o l e r o i n c r e a s e s a n dp o i s o n sr a t i o i s a n o t h e ri m p o r t a n t p a r a m e t e r w h i c hr e f l e c t s l o n g i t u d i n a l d e f o r m a t i o na n dt h el a t e r a l d e f o r m a t i o no fm a t e r i a l s t h ed i s l o c a t i o na b r a s i o ni sc a u s e db yt h es p e e dd i f f e r e n c eb e t w e e ni n t e m a la n de x t e r n a l r o l l e r 1 1 1 et o t a lw e a re f f e c ti sd i r e c t l yr e l a t e dw i t ht h ed i f f e r e n c ew h i c hi st h ee f f e c t i v ec o n t a c t l e n g t ho fr o l l e ra n dt h ef l a td i ei nc y l i n d r i c a lr o l l e rf l a tf o r m i n gm a c h i n e t h es h o r t e ro ft h e e f f e c t i v el e n g t h ，t h el o w e rt h et o t a lw e a re f f e c t a l w a y st h et o t a lw e a l e f f e c ti sd i r e c t l yr e l a t e d t ot h er o t a r ys p e e do fr o l l e r , t h eh i g h e rt h er o t a r ys p e e d ，t h em o r eo b v i o u sd i s l o c a t i o nw e a r s o t h ee f f e c t i v ec o n t a c tl e n g t hs h o u l db es m a l l e ri nt h ec o n d i t i o nt h a tc a ne n s u r et h er o t a r ys p e e d o f r o l l e ri nc y l i n d r i c a lr o l l e rf l a tf o r m i n gm a c h i n e b a s e do nt h ea b o v ea n a l y s e s ，a c c o r d i n gt ot h ed e s i g nt a s k ，b a s e do nt h ea n a l y s i so ft h e a d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so fd i f f e r e n tk i n d sb r i q u e t t i n gm a c h i n e s ，c o m b i n i n gt h es t r u c t u r e n a b s t r a c t c h a r a c t e r i s t i c so fb r i q u e t t i n gm a c h i n e sn o w , c o n f i r mt h ep r o p e rm o l d i n gm e t h o d ，d r i v i n g s c h e m ea n ds o m em a i np a r a m e t e r s ，a n dd e s i g nam o v a b l eb i o m a s sf u e lb r i q u e t t i n gm a c h i n e w h i c hi si nm o d e r a t ey i e l d ，l o we n e r g yc o n s u m p t i o n ，h i 曲d e n s i t yo fm o l d i n gf u e la n dc a n h a n gi nt h er e a ro fw h e e lt r a c t o r sc o n v e n i e n t l y m o r e o v e r , t h ed e s i g no fm o u l dc a na l s or e d u c e t h ec o s te f f e c t i v e l y h a n g i n gb r a c k e ti s t h ei m p o r t a n t s u p p o r to ft h em o v a b l eb i o m a s sf u e lb r i q u e t t i n g m a c h i n e ，a n di t sc a r r y i n gc a p a c i t yi st h ek e yw h i c hd e c i d et h ew h o l e m a c h i n ei si nt h en o r m a l o p e r a t i o no rn o t t h es t a t i ca n a l y s e sw i t ha n s y st ot h eh a n g i n gb r a c k e tf i n dt h a tt h eh a n g i n g b r a c k e ti nw o r km a i n l yh a p p e n sb e n da n dt u r nf r o mi n s i d et oo u t s i d ea l o n gt h eza x i s t h e i n t e m a ls t r e s sv a r i a t i o na n dd i s p l a c e m e n td e f o r m a t i o no fh a n g i n gb r a c k e ti sm o r eo b v i o u s t h e r e s e a r c hc a np r o v i d er e f e r e n c ef o rt h e o p t i m i z a t i o n d e s i g n o fh a n g i n gb r a c k e ta n d i m p r o v e m e n ti t sl i f e k e y w o r d sb i o m a s s ；f i a t - d i e ；m o l d i n g ；d e s i g nr e s e a r c h ；s i m u l a t i o n u 1 1 绪论 1 绪论 能源是整个人类生产、生活以及社会全面发展的基础性资源，是人类社会赖以生存 的最重要物质基础之一。在某种意义上讲，任何时期的人类社会发展都离不开优质能源 的出现和先进能源技术的使用，能源加快了人类文明前进的步伐【i 】。长期以来世界经济 的高速发展伴随着常规矿产能源( 煤炭、石油、天然气) 的大量消耗，而且经济发展的 越快，意味着矿产能源的消耗越大，同时由于其不可再生性导致存储总量快速减少，造 成能源的稀缺性，再加上常规能源产生的许多破坏环境的问题已经开始制约社会的可持 续发展等一系列问题使得新能源和可再生能源逐渐进入人们的视线，其开发利用已在世 界范围内大规模展开。其中生物质能以其可再生、能源当量巨大以及利于可持续发展而 凸显其不可估量的重要性【z 】。 1 1 课题研究的意义 我国生物质数量巨大，但作为一种多样和复杂的能源存在形式，生物质具有资源分 散、密度低、容重小、储运不方便以及利用过程需增加附加的转换设备等缺点，严重制 约了生物质能的大规模应用。因此，生物质高品位转换技术的研究便成为人们开发利用 生物质能的重点。而近年来对生物质压缩成型技术的不断改进、创新和发展，为高效利 用生物质能开辟了一条新途径【3 】。 生物质颗粒燃料成型技术是将分布零散、形体容重轻、运输不便、使用困难的生物 质，经压缩成型加工成燃料，改善生物质的燃烧性能，使其成为较好的商品能源，这种 技术也称作“压缩致密成型技术”，目前正受到人们的广泛关注。压缩成型后的燃料密 度可达o 8 1 3 t m 3 ，能量密度几乎与中质煤相当【4 】。未来借助成型技术与其它能源转化 技术一起建立独立、完整的生物质综合利用系统将大有可为。 随着生物质能利用研究的升温，为了便于生物质能利用技术的研究和推广，中央政 府和各级地方政府积极配合制定了诸多相关政策。中国新能源和可再生能源发展纲要 ( 1 9 9 6 , - - 2 0 1 0 年) 中提出要将“发展高效的直接燃烧技术、致密固化成型技术、气化液 化技术作为近几年的主要工作来抓【5 】。目前关于生物质压缩成型技术的研究在很多国 家科研课题或子课题中体现【6 】，但是到本论文开题前关于能够适合我国林区细小生物 质成型加工并在林内可移动的颗粒燃料成型机械尚未见到报道。由于适用的技术装备的 缺乏，我国广大林区丰富的生物质资源的开发利用受到严重制约。因此，研究和探讨适 用于森林细小生物质压缩成型加工的可移动式颗粒燃料成型机械具有重要现实意义。 本论文试图根据林区生物质能产业的发展需求，结合森林细小生物质的特点以及林 区许多职工家中拥有中小型轮式拖拉机的实际情况，研究设计一种悬挂式( 移动式) 森 林细小生物质颗粒燃料成型机械，以期为我国广大林区蓬勃发展的生物质能产业提供技 术支持。 东北林业大学硕士学位论文 1 2 生物质能源介绍 1 2 1 生物质能的概念 生物质是太阳能最主要的吸收器和储存器。太阳能照射到地球后一部分转化为热 能，一部分被植物吸收，转化为生物质能。生物质通过光合作用，能够把太阳能富集起 来，储存在有机物中，这些能量是人类发展所需能源的源泉和基础。基于这一独特的形 成过程，生物质能既不同于常规的矿物能源，又有别于其他新能源，兼有两者的特点和 优势，是人类最主要的可再生能源之一。 由于地球上生物数量巨大，由生命物质排泄和代谢出许多有机质，这些物质所蕴藏 的能量是相当惊人的。根据生物学家估算，地球上每年生长的生物能总量约1 4 0 0 - 1 8 0 0 亿吨( 干重) ，相当于目前世界总能耗的1 0 倍【| 7 1 。我国的生物质能也极为丰富，现在每年 农村中的秸秆量约6 5 亿吨到2 0 1 0 年将达7 2 6 亿吨，相当于5 亿吨标煤。柴薪和林 业废弃物数量也很大，林业废弃物( 不包括薪炭林) 每年约达3 7 0 0 万立方米，相当于 2 0 0 0 万吨标煤。如果考虑日益增多的城市垃圾和生活污水，禽畜粪便等其他生物质资 源，我国每年的生物质资源达6 亿吨标煤以上，扣除了一部分做饲料和其他原料，可开 发为能源的生物质资源达3 亿多吨标煤。随着农业和林业的发展，特别是随着速生薪炭 林的开发推广，我国的生物质资源将越来越多，有非常大的开发和利用潜力。 生物质能蕴藏量巨大，而且是可再生的能源。只要有阳光照射，绿色植物的光合作 用就不会停止，生物质能也就永远不会枯竭，特别是在大力提倡保护自然环境的情况 下，植物将会源源不断地供给生物质能源；生物质能源具有普遍性、易取性，几乎不分 国家、地区，它到处存在，而且廉价、易取，生产过程极为简单；可再生能源中，生物 质是唯一可以存储与运输的能源，这为后续的加工、转化以及连续使用带来一定的方 便。生物质能源也有其弱点，作为燃料与矿物能源相比质量密度不具优势：是能量密度 较低的低品位能源；重量轻，体积大，运输不便；风、雪、雨、火等外界因素为它的保 存带来不利条件瞵j 。 1 2 2 生物质能的种类 生物质遍布全世界，包括了所有的动、植物和几乎全部的微生物，以及由这些生命 体排泄和代谢的各类有机物质【9 】。生物质能资源主要包括以下几个方面。 ( 1 ) 农作物秸秆 农作物秸秆是每年收获农作物时残留在农田内的各种不同种类秸秆的总和，其总量 在我国生物质能资源中几乎居于首位。依据我国第十一个五年计划对主要农产品提出的 发展目标测算，我国主要农作物秸秆产量期望到2 0 1 0 年达到7 8 亿吨，去掉其它用处， 其中仍有约4 亿吨可作为农业生物质能的原料。按此速度计算，预计到2 0 1 5 年我国主 要农作物秸秆产量将达到9 亿吨左右，其中一半可作为农业生物质能的原料。在这些生 物质资源中，约6 0 用于燃料或露天燃烧【lo 】。每当麦秸和秋收之后，千里沃野，浓烟滚 滚，大范围焚烧秸秆所产生的烟雾使飞机无法升空，公路事故不断；人们长期处于严重 1 绪论 空气污染中，造成各种新型呼吸道疾病的流行； “温室效应”，危及人类环境。情况如此危急， 视，需大步向前。 ( 2 ) 薪柴 这些烟尘中大量的c 0 2 又会造成大气的 所以秸秆的转化利用的执行速度不容小 薪材是森林生长和林业生产过程提供的生物质资源，包括薪炭林、木材加工后的边 角余料、在森林抚育和间伐作用中的零散木材、残留树枝、树叶等。据国务院批准的 “十一五 森林采伐限额2 4 8 亿立方米可产生采伐剩余物生物量1 0 9 亿吨，以及全国 木材加工企业产出剩余物约0 4 2 亿吨，再加上全国各类木制品抛弃物约0 6 亿吨，我国 薪柴剩余物可达2 1 l 亿吨，折合标准煤约1 0 5 亿吨】。 ( 3 ) 禽畜粪便 禽畜粪便作为一种生物质能资源主要是作为沼气的发酵原料。在禽畜粪便资源中， 大中型养殖场的禽畜粪便更便于集中开发、规模化利用。据统计，目前我国禽畜粪便资 源总量约8 5 亿吨，折合约7 8 4 0 多万吨标煤【i 列。 ( 4 ) 城市有机垃圾 城市有机生活垃圾主要是由城镇居民生活垃圾，商业、服务业垃圾和少量建筑业垃 圾等固体废弃物构成。其组成成分比较复杂，受当地居民的平均生活水平、能源消费结 构、城镇建设、自然条件、传统习惯以及季节变化等因素影响。当前中国垃圾年产量为 1 5 亿吨，预计到2 0 1 5 年中国城市垃圾产量将比现在递增4 0 ，达到2 1 亿吨【1 3 】。 ( 5 ) 能源作物 能源作物是指经专门种植用以提供能源原料的草本和木本植物。我国有大量不适合 粮食生产但可种植高抗逆性能源作物的荒山和盐碱地等边际性土地，选择适合不同生长 条件的品种进行培养和繁殖，可获得高产能源作物，并可大规模转化为液体燃料【l 引。 1 - 2 - 3 森林细小生物质介绍 森林中的细小生物质主要是由植物的落叶、细小枝条等组成。我国枯枝落叶含量丰 富，最近国家林业局组织完成的第七次全国森林资源清查结果显示：全国森林面积1 9 5 亿公顷，森林覆盖率2 0 3 6 ，森林蓄积1 3 7 2 1 亿立方米。人工林保存面积0 6 2 亿公 顷，蓄积1 9 6 1 亿立方米，人工林面积仍然处于世界首位。森林覆盖率较上一次普查的 1 8 2 1 提高到2 0 3 6 ，上升了2 1 5 个百分点。森林蓄积净增1 1 2 3 亿立方米，年均净 增2 2 5 亿立方米，继续呈现长大于消的良好态势f 1 5 】。林地枯枝落叶层累积量为 1 4 7 9 , - - 3 5 2 6 t h m 2 ，照此计算我国枯枝落叶累积量为2 8 8 6 8 8 亿吨，数量巨大【1 6 1 。根据 大兴安岭林木工人生产作业经验，在林区可用于成型加工的落叶及小枯枝如松针等可达 3 0 k g m 2 ，那么全国林区可用于成型加工的森林细小生物质约5 8 5 亿吨。 以往枯枝落叶主要以堆积在林区为主，每年秋冬季节在林区由于大面积枯枝落叶的 存在，使得发生火灾系数增大。虽然目前为了迎合市场已经研发出一些有机肥成套设 备，可以用来处理森林细小生物质。但是森林细小生物质由于其特殊性例如面积大、密 东北林业大学硕，仁学位论文 度小、不集中等特点使得运输和处理的成本对中小单位和企业或个人来说依然显得过 高，而目前正在不断开发研究的颗粒燃料成型技术能够将密度小的森林细小生物质压缩 成成型燃料可供人们日常生活使用，也可用于发电厂等，这种技术为森林细小生物质的 开发利用开辟了一条新途径，如果将成型设备与拖拉机悬挂结合在一起不仅能解决森林 细小生物质的高效利用，而且可以大大降低运输成本，所以本文以此为基础研究悬挂式 森林细小生物质颗粒燃料成型机。 1 3 国内外生物质成型技术发展情况 1 3 1 国外生物质成型技术发展情况 早在2 0 世纪3 0 年代，美国就开始研究生物质燃料成型技术并研制了螺旋式成型机 【1 7 】。1 9 7 8 年美国太阳能公司投资1 2 亿美元建造了一座日产3 0 0 吨的废料压块工厂。目 前，美国已经在2 5 个州兴建了树皮成型燃料加工厂，每天生产生物质燃料超过3 0 0 吨。日本从3 0 年代开始研究机械活塞式成型技术用于处理木材废弃物，1 9 8 3 年前后从 美国引进颗粒成型燃料技术，并发展成了日本压缩成型工业体系，到1 9 8 7 年，有十几 个颗粒燃料成型工厂投入运行，年产生物质颗粒燃料十几万吨【憾】。2 0 世纪7 0 年代后 期，由于受世界能源危机影响，欧洲许多国家如丹麦、瑞典、法国、德国、意大利等也 开始纷纷重视生物质燃料成型技术。目前，欧洲的生物质燃料成型技术已经很成熟，典 型的例如德国r u f 公司的r b l l 0 型成型机可以对一些木屑、秸秆、刨花等材料进行压 缩；意大利的阿基普公司开发出一种类似玉米联合收割机的大型秸秆收获、致密成型机 械，能够在田间将秸秆收割、切碎、榨汁、烘干并成型，生产出瓦棱状成型燃料。其它 国家例如加拿大生产的新型秸秆破碎榨汁成型机集破碎、熟化、榨汁、成型为一体，可 根据市场的不同需要，生产出植物纤维粉、燃料棒、饲料颗粒等不同的产品。 表1 - i 国外部分生物质压块机( 螺旋挤压) 的主要性能参数 生产厂家产品型号 等g 寰g n 率产g 母c 孝m - 牟 压块1 1 1 1 直1 1 径 暨k w 宴t l 孚t 德国b a s t i a nb a s t i m a t 6 05 0 01 186 05 6 0 比利时b m d b i o m a t t 1 1 78 0 0 01 0 79 56 5 6 美困s p o d a n c ep r e s t o 1 0 9 8 0 01 112 86 4 2 奥地利p i n i & k a y f g 6 0 06 0 0 01 2 26 26 4 2 日本o r i o n c o d s p m m 一5 2 6 1 5 01 1 04 01 0 0 日本s h i m a d a s p m m - 8 5 0 5 0 0 01 1 0 5 57 2 2 瑞典b o g m a lo s t8 0 01 1 6 1 3 3 3 表1 - 2 国外部分生物质压块机( 机械挤压) 的主要性能参数 斗盘广由盘口相目 生产率产品密度压块直径耗电量 生产厂家产品型号r 上7 n ? 乎 伍扶且1 工 栉k w 电h 里t k g np _ , c r nm m 瑞典b o g m a m 7 51 0 0 0 01 2 07 54 0 6 丹麦d e s t e r f p l 5 06 7 5 00 9 25 52 1 7 德国d r u p p5 - 2 p i n t o n 2 0 0 0 01 0 75 5 瑞十p a w e r t 1 - 9 0 2 0 09 0 0 01 199 03 3 8 1 绪论 表1 3 国外部分生物质压块机( 液压挤压) 的主要性能参数 生产厂家 产品型号譬鲎腴m m 欹慧w 墨l l 孚t k 倒n倒c m 王【 c o m a f e ri d r a 7 0 1 2 01 0 0 01 0 l7 07 1 4 f b no l d 2 0 1 m6 5 00 9 2 1 16 09 6 6 r s ns p 9 06 7 0 1 0 l6 08 3 5 w e i m at h 3 03 0 00 8 0 8 65 012 8 3 表l _ 4 日本生物质颗粒成犁机产量及能耗 企业貅 膂訾黜妻解勰 枥木县今市木材加工厂2 0 8 1 3 4 1 5 5 0 5 1 8 0 静冈市成型燃料加工厂 1 0 61 3 51 0 9 3 6 0 4 4 仙台市栗驹木质燃料厂0 8 1 1 2 96 1 l7 3 8 0 青森县平野木材加工厂0 7 1 1 2 58 8 39 1 5 5 综上所述，国外生物质成型燃料技术已经趋于成熟，并进入了规模化生产及应用阶 段。目前，国外生物质压缩成型的方式主要有四种即颗粒成型机、机械驱动冲压式成型 机、液压驱动冲压式成型机和螺杆连续挤压成型机，表1 1 ，表1 2 ，表1 3 ，表1 4 是 国外部分生物质燃料成型机的主要性能参数。 1 3 2 国内生物质成型技术发展情况 国内对于生物质成型研究最早开始于2 0 世纪8 0 年代，主要引进韩国、日本、中国 台湾等成套设备。随后，荷兰、比利时等国家的技术和设备也相继引入我国，并以螺杆 成型机为主。9 0 年代，我国部分省市能源部门、乡镇企业及个体生产者积极引进技术， 创办生产企业，全国先后4 0 多个中小型企业开展了成型机的制造工作，包括机械冲压 式成型机、液压驱动活塞式成型机、电加热螺杆成型机等。其中国内比较典型的成型设 备见表1 5 。2 0 0 4 年，清华大学清洁能源研究与教育中心以车战斌为主的研究小组，通 过对具有纤维结构生物质原料的研究和分析，研制出了常温成型颗粒燃料生产设备。原 料在自然干燥含水率状态下被粉碎成细小颗粒或纤维状，然后放入机器中便可制成颗粒 燃料。2 0 0 5 年，河南农业大学农业部可再生能源实验室研制出的第四代h p b i v 型液压 驱动式双缸双活塞式秸秆成型机，基本上解决了螺旋挤压式成型机存在的问题。2 0 0 9 年，北京林业大学在研究生物质常温成型机理的基础上，研制、开发了一种液力双向挤 压的生物质成型燃料常温成型机【哼l 。辽宁省能源研究所则在不久前又研制开发出可移动 环模生物质固化成型燃料设备，目前尚在示范试点阶段。 随着国家对生物质能源的重视，国家科技部、农业部、发改委等部委纷纷设立专项 科研经费，对生物质燃料成型进行研究，技术进一步成熟，国内也涌现出了许多生物质 成型设备厂家，其中包括部分由生产饲料转制生产燃料的企业，年总生产能力约2 0 万 吨。但是这远远不能满足市场对生物质燃料的需求。总体来说，国内生物质成型燃料生 产和应用的特点是：在全国范围内，还处于研究示范试点阶段，规模化和市场化较差； 设备的技术原理还需完善，设备稳定运行能力差，成本高；管理不规范，政策支持落实 不够，推广速度缓慢。 东北林业大学硕士学位论文 表1 5 我国生物质成型设备研究和生产单位 1 4 生物质成型设备类型 目前国内外使用的主要成型技术有三大类，即螺旋挤压成型技术、活塞冲压成型技 术以及压辊式成型技术，在生物质作为能源的应用中，前两类发展较快。 1 4 1 活塞式挤压成型设备 活塞式挤压成型机工作原理示意图如图1 1 所示，原料经过粉碎以后，通过机械或 风力形式送入预压室，当活塞后退时，预压块送入压缩简，活塞前进时把原材料压紧成 型，然后送入保型筒。活塞的往复驱动力国际上有三种形式，即“油压”、”水压”和 “机械”。油压设计比较成熟，运行平稳，油温便于控制，体积小，驱动力大，一般当 产品外径为8 0 1 0 0 m m 时，生产率就可达到l t h ；水压式的特点是：体积大、投资多、 驱功力小，生产能力低，一般在0 2 5 t 1 1 ，有的可达到0 3 5 t h 左右；机械式的特点是： 生产能力大，每分钟可以冲压2 7 0 次，在产品外径为6 0 m m ，输入功率为2 5 k w 时，其 生产率可达o 7 t h 。且生产的产品密度比水压式要大很多，但震动大、噪音大，没有油 压式平稳， ：作人员易疲劳。这三种形式相比，机械式推广而较多，近几年液压式也在 发展。总之各行业中根据产量需要进行选择。 1 原料2 液压或机械驱动3 活塞4 成型模具5 成型棒料 图1 1 活塞式成型机工作原理示意图 与螺旋挤压成型相比，活塞冲压式成型由于改变了成型部件与原料的作用方式，不 但大幅度提高了成型部件的使用寿命，同时降低了单位产品能耗。活塞冲压式成型由于 冲头与生物质之问没有相对滑动运动，所以磨损小，工作寿命较长，一般模子 10 0 , - , 2 0 0 h 需要维修一次，s i 0 2 含量少的生物质材料可达3 0 0 h 。 1 绪论 1 4 2 螺旋式挤压成型设备 螺旋挤压成型技术是目前生产生物质成型燃料最常用的技术。尤其以机制炭为最终 产品的厂家，大都选螺旋挤压成型设备。用于燃料成型的螺旋挤压机分为三种，锥形螺 杆挤压成型机、双螺杆等大型纯压缩型成型机和小型外部加热成型机三种。西欧和美国 一般都采用前两种大型压缩机，而印度、泰国、马来西亚、我国及同本等国家多采用小 型外部加热成型机。 1 原料2 驱动轴3 螺杆4 成型模具5 成型棒料 图1 2 螺旋式成型机工作原理示意图 ! 螺旋式挤压成型机工作原理示意图如图1 2 所示，被粉碎的生物质连续不断地送入 压缩成型简后，转动的螺旋推进器也不断地将原料推向锥形成型筒的前端，挤压成型后 送入保型筒，因此生产过程是连续的，质量比较均匀【2 0 1 。产品的外表面在挤压中被炭 化，这种炭化层容易点燃，且易防止周围空气中水分的侵入；这种形式易于产品打中心 孔，送入炉子后空气可从中心孔中流通，有助于完全燃烧，快速燃烧；相对活塞式成型 机其设计比较简单，质量也较轻，运行平稳，但是动力消耗较大，单位产品能耗较高， 也容易受原材料和灰尘的污染。 1 4 3 压辊式挤压成型设备 压辊式成型不同于前面的螺旋挤压和活塞冲压成型，主要区别在于其成型模具直径 较小( 通常小于5 0 r a m ) ，并且每一个压模盘片上有很多成型孔，主要用于生产颗粒状 成型燃料。压辊式成型机的基本工作部件由压辊和压模组成，其中压辊可以绕自己的轴 转动，压辊的外周一般加工成齿状或槽状，使原料压紧而不致打滑【2 1 1 。根据压模的形 状，压辊式成型机可分为环模式成型机和平模式成型机，成型工作原理示意图分别如图 1 3 和l - 4 所示。 用压辊式成型机生产颗粒燃料依靠物料挤压成型时所产生的摩擦热即可使物料软化 和黏合，一般不需要外部加热。若原料木质素含量低，黏结力小，可添加少量黏合剂。 与活塞冲压成型相比，其压辊压缩速度显著降低，这就使得原料所含的空气和水分在成 型孔内有足够的时间逸出，并可通过改变压模的厚度使成型颗粒在成型孔内的滞留时间 发生变化，因此压辊式成型机对原料的含水率要求较宽，一般在1 0 4 0 之间均能成 型，成型颗粒密度为1 0 0 0 - 1 4 0 0 k g m 3 。 东北林业人学硕士学位论文 成型作业是压缩成型燃料生产的核心作业。由于物料的形态和性状各不相同，所以 一般还需要进行预处理，特殊情况下需要一些相应的专用设备，其目的是使物料达到压 缩成型工艺所需要的条件。实际生产中，压辊式挤压成型过程较为粗糙，对原料各项参 数要求范围较宽，加工成的成型燃料可用于辅助生产和生活实际需要。 1 模孔2 成型颗粒燃料3 环模4 原料5 压辊 图1 3 环模式成型机工作原理示意图 厂f，、 。o m 励吲物吲吲 1 模孔2 成型颗粒燃料3 、f 模4 原料5 压辊 图1 4 平模式成型机。【：作原理示意图 1 5 现有生物质成型设备存在的问题 随着对生物质颗粒燃料成型技术研究的不断深入，虽然已经取得了一定的研究成 果，但是在诸多方面还存在问题，这些问题主要集中在以下几个方面： ( 1 ) 生物质颗粒燃料成型过程是原料在压力、压缩速度等多种因素影响下的内在 变化，由于各方面的局限性，这些因素之间的内在联系尚未建立。 ( 2 ) 原料在压缩过程中的特性研究只进行了一般定性分析，未从理论层面上对原 料成型的形变规律给予相应的研究和数值模拟分析，因此具有一定的局限性。 ( 3 ) 我国生物质资源数量巨大、涉及地域广，实际情况要求成型技术具有很强的 适应资源和环境的能力。而事实上当前的各类颗粒燃料成型设备由于受设计限制很难适 应不同种类的原料，也就不易形成统一的设计规范与标准，使得生物质颗粒燃料成型技 术向市场化和商业化全面推进还很困难【2 2 1 。 ( 4 ) 成型的可靠性也是主要制约因素之一，共同存在于技术与设备中。主要表现 在：一是主要工作部件的工作寿命短；二是设备系统配合协调能力差，运行不稳定。 i 绪论 1 6 课题研究内容 限制成型设备的一个主要因素是原料的收集问题，林区枯枝落叶丰富，且具有面积 大、密度小、不集中的特点，从而导致运输距离远、运输的生产率低、枯枝落叶的收集 成本高；另外虽然现在市面上已经有多种生物质成型机械可供使用，但多是固定式的， 需要安装在指定的场地才能进行生产，很难进行流动式生产作业。本文针对以上两点将 研制一种类似其它农机具一样可方便的悬挂在轮式拖拉机尾部、以拖拉机动力输出轴为 动力源的悬挂式森林细小生物质颗粒燃料成型机并进行相关的研究，具体内容如下： ( 1 ) 首先全面了解森林细小生物质的有机组成以及各成分的性质，对其成型特性 进行分析和研究。 ( 2 ) 分析压辊挤压物料力学模型，总结物料压制过程中所受各力的变化规律以及 各参数对饱压过程的影响。 ( 3 ) 通过错位磨损理论研究圆柱直辊平模成型机中影响总磨损效应的因素，并得 出相关结论。 ( 4 ) 根据现有生物质颗粒燃料成型机的结构特点，结合森林细小生物质的成型特 性，进行悬挂式森林细小生物质颗粒燃料成型机的设计，设计主要包括选择合理的成型 方式、进行整体方案构思、确定成型机的传动方案及部分主要参数并进行拖拉机选型。 ( 5 ) 通过a n s y s 中的静态分析模块对悬挂式森林细小生物质颗粒燃料成型机的 重要组成部分悬挂支架进行分析，寻找变形较为明显的部分，确定其能否支撑成型机正 常工作，为优化设计悬挂支架、提高其寿命奠定理论基础。 东北林业大学硕士学位论文 2 1 原料特性 2 原料特性及成型理论研究 2 1 1 化学成分 生物质作为有机燃料，是多种复杂的高分子有机化合物组成的复合体，其化学组成 主要有纤维素、半纤维素、木质素和提取物等，这些高分子物质在不同的生物质、同一 生物质的不同部位含量分别不同，甚至有很大差异。因此了解生物质的化学组成及各成 分的性质是研究和开发生物质热化学转化技术和工艺的基础理论依据。不同生物质的典 型化学组成见表2 1 。从表中可以看到杂树叶的纤维素和半纤维素含量居多，杂草的半 纤维素含量明显高于其它生物质。 表2 1 不同生物质的典型化学组成 纤维素作为碳水化合物在自然界中含量极其丰富，在植物细胞壁中占据第一位。生 物质中纤维素的纤丝和黏聚体内的黏结剂分别扮演了钢筋和混凝土的角色，撑起了生物 质分子大骨架，所以纤维素的主要作用是提高了成型燃料的强度。纤维素对水有强烈的 吸着作用，这一性质是纤维素最重要的物理性质。水分的多少也与成型有着直接的关 系，因为水分可促使纤维素结合成团状。例如当含水率为3 0 时，成型仅需要较小的压 力即可，而当含水率为1 0 时，成型则需要较大的压力才能结合牢固。 半纤维素是穿插于整个生物质大分子之间、用热水或冷碱可以提取的高聚糖，水解 生成的五碳糖、多聚戊搪和多聚已糖在水中加热具有胶合剂的作用，经水解后转化成的 木质素也可达到黏结剂的作用。半纤维素不以某种特定的方式聚合，没有确定的形状， 吸收水分后易膨胀体积变大，当温度和相对湿度一样时，吸湿率主要取决于半纤维素的 含量，通常含量高，吸湿率就好。 在植物界中，木质素是仅次于纤维素的一种最丰富且重要的大分子有机聚合物，在 木材中的含量最高可达4 0 ，最低也有2 0 ，它一般以三种不同的结构单元组成的大分 子存在于植物细胞壁中，充当黏结剂的角色，与纤维素、半纤维素等成分一起构成植物 的主要