（机械设计及理论专业论文）生物质固化成型环模磨损实验研究及数值模拟.pdf

摘要 摘要 我囤经济持续多年的快速发展，对能源需求的增长必然造成能源短缺和环境污染的 双重巨大压力。因此，开发和利用既能保证经济发展又不破坏环境的新型能源已经成为 一个重大的热点课题。 本文以黑龙江省攻关项目“年产2 0 0 0 吨生物燃油生产装置为依托，以发展生物 质能资源化利用技术为背景，针对目日 f 国内还没有进行有关纤维含量高的生物质原料对 环模金属材料的磨损性能的影响方面的研究工作，首次以提高金属材料抗植物材料磨损 能力，减少环模磨损，优化坏模结构，提高生物质环模压辊式成型机关键部件环模的使 用寿命为目的，对环模的磨损失效机理、生物质原料对环模金属材料的磨损机理进行了 分析和深入的实验研究；并针对环模模孔模具形状的优化问题，对环模模孔形状进行了 优化设计，得到了最优的环模模孔形状。具体研究工作如下： ( 1 ) 通过对坏模抗弯强度和接触强度分析，表明环模的主要失效形式来自不均匀 磨损。 ( 2 ) 通过软磨料磨损实验验证生物质对金属材料的磨损机理是微切削和塑变疲劳 剥落机理。 ( 3 ) 根据生物质秸秆压缩成型特点，用非线性有限元理论对生物质固化成型过程 进行分析。 ( 4 ) 在用a n s y s 软件对两种环模模孔进行挤压成形过程有限元模拟中，我们得 到环模模孔的正应力和温度分布情况，可以看出弧形模孔的正应力比不带弧度的锥形模 孔的小近5 ，并且温度要偏低。通过计算得出弧形模孔的磨损量要比锥形模孔小2 0 左右。 ( 5 ) 针对环模模孔的等磨损优化问题，在国内首次结合热力耦合有限元析、b p 神 经网络和优化算法，采用遗传算法以模孔磨损的均方差最小为目标，建立等磨损优化数 学模型，对环模模孔形状进行了优化设计。研究表明采用本方法优化得到的环模模孔形 状，与传统的锥形模相比，沿其表面的最大磨损深度降低了6 0 ，且磨损深度分布均 匀，说明了这种设计方法是可行的，同时也为其它的非线性优化设计问题提供了方法。 本文在国内首次开展了生物质原料对环模金属材料磨损机理的实验研究，所作的研 究不仅可为生物质固化成型关键参数的选择提供理论依据，而且可为环模压辊式成型机 的设计和制造提供理论与参考依据。在环模模孔等磨损优化设计中所采用的研究方法也 是一次突破和有意义的尝试。 关键词生物质；软磨损；有限元；b p 神经网络；遗传算法 摘要 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fe c o n o m yf o rm a n yy e a r si n0 1 1 1 c o u n t r y , g r o w t hi nd e m a n d f o re n e r g yw i l l i n e v i t a b l yl e a dt oe n e r g ys h o r t a g e sa n de n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o n - - t h e d u a l e n o r m o u sp r e s s u r e s t h e r e f o r e ，d e v e l o p i n ga n du t i l i z i n gan e wt y p eo fe n e r g yw h i c h e n s u r i n gt h er a p i dd e v e l o p m e n to fe c o n o m y w i t h o u td a m a g i n gt h ee n v i r o n m e n th a sb e c o m ea m a j o rh o tt o p i c b i o m a s se n e r g yr e s o u r c e sa r ev e r yr i c hi nc h i n a , r e s e a r c h i n ga n dd e v e l o p i n g h i g hu t i l i z a t i o nt e c h n o l o g yo fb i o m a s se n e r g y c a np r o m o t et h ei m p r o v e m e n to fe n e r g y s t r u c t u r e ，e n s u r ef u t u r ee n e r g y s u p p l ya n dr a i s et h e l e v e lo fe c o n o m i cd e v e l o p m e n ta n d e n v i r o n m e n t a lq u a l i t y i ti ss i g n i f i c a n c ef o rb u i l d i n gah a r m o n i o u ss o c i e t y b i o m a s sb r i q u e t t i n gi sa ni m p o r t a n tb r a n c ho fb i o m a s se n e r g yc o n v e r s i o nt e c h n o l o g y i ti s s i g n i f i c a n c ef o rt h ed e v e l o p m e n ta n du t i l i z a t i o no fs t r a wb i o m a s sr e s o u r c e so fh e i l o n g j i a n g p r o v i n c ei nc h i n a i nt h i sp a p e r , b a s e do n ”8 6 3 ”p r o j e c t “t h en e wt e c h n o l o g i e so fi n c l i n e d p l a t e - t y p eh e a tt r o u g hl o w p o w e rp r e c i s i o nc o n t r o lo fb i o m a s sf a s tp y r o l y s i ss y s t e mf o rb i o - f u e la n dh y b r i de m u l s i o nf u e l ”，a n dr e s e a r c hp r o j e c ti nh e i l o n g i i a n gp r o v i n c e “t h eb i o - f u e l p r o d u c t i o np l a n to fa n n u a lo u t p u to f2 , 0 0 0t o n s ，a n dk e yp r o j e c t si nh e i l o n g i i a n gp r o v i n c e “t h e k e yt e c h n o l o g yo fb i o m a s sb r i q u e t t em a n u f a c t u r i n g ”，u n d e r t h e b a c k g r o u n do f d e v e l o p i n gb i o m a s su t i l i z a t i o nt e c h n o l o g ya sak i n do fe n e r g yr e s o u r c e ，a i m e da tn od o m a i ni n a b r a s i o nm e c h a n i s mr e s e a r c ho nb i o m a s sm a t e r i a lt ot h em e t a l l i cm a t e r i a li nc h i n a i no r d e rt o i m p r o v et h ew e a rr e s i s t a n c eo f m e t a l l i cm a t e r i a lt ob i o m a s sm a t e r i a l ，i no r d e rt or e d u c et h e c i r c u l a rm o u l dw e a r , i no r d e rt oo p t i m i z et h ec i r c u l a rm o u l ds t r u c t u r e ，i no r d e rt oi n c r e a s e s e r v i c el i f eo fr o l l e r f o r m i n gm a c h i n e ，t h ep a p e rd o e st h er e s e a r c h o nt h ew e a l f a i l u r e m e c h a n i s mo fc i r c u l a rm o u l da n dt h ea b r a s i o nm e c h a n i s mo fb i o m a s sm a t e r i a lt om e t a l l i c m a t e r i a l ；f i n i t e - e l e m e n tm e t h o d ，b pn e u r a ln e t w o r ka n dg e n e t i ca l g o r i t h m sw e r ec o m b i n e d t o g e t h e rt oo p t i m i z et h ec i r c u l a rm o u l d ；t h em e t h o do fb - s p l i n ef u n c t i o ni n t e r p o l a t i o nh a d b e e nu s e dt od e s c r i b ec i r c u l a rm o u l dp r o f i l e ，t h ep a p e re s t a b l i s h e do p t i m a lm a t h e m a t i c a lm o d e l a n dg e tt h eo p t i m a ls h a p eo ft h ec i r c u l a rm o u l di nt h ee n d t h i sp a p e rc r e a t e dan e wd o m a i ni na b r a s i o nm e c h a n i s mr e s e a r c ho nb i o m a s sm a t e r i a l st o m e t a l l i cm a t e r i a l s t h er e s e a r c hn o to n l yp r o v i d e dat h e o r e t i c a lb a s i sf o r t h ec h o i c eo fk e y p a r a m e t e r so fb i o m a s sb r i q u e t t i n g ，b u ta l s op r o v i d e dt h e o r e t i c a la n dr e f e r e n c eb a s i s f o r d e s i g n i n ga n dm a n u f a c t u r i n gc i r c u l a rm o u l d t h em e t h o du s e di nt h eo p t i m a ld e s i g no ft h e c i r c u l a rm o u l dw a sa l s oab r e a k t h r o u g ha n dm e a n i n g f u la t t e m p t k e y w o r d sb i o m a s s ；s o f ta b r a s i o n ；f i n i t ee l e m e n t ；b pn e u r a ln e t w o r k ；g e n e t i ca l g o r i t h m 绪论 1 绪论 1 1 论文选题的背景、目的和意义 ：f 。世纪人类所i l l i 峪i 的最醺人的挑战足实现经济和社会的i j 持续发展，f i j 保汪优 质l ，j 靠的7 i i f 。1 消邑源供应足i l c 界并【 4 实现r ，j 持续发腱的必要条件之。我经济持续多年 的快速发腱，对能源n 勺需求增k 必然造成埘资源短缺和环境污染的l ! 人压力。1 人j 此，j f ： 发和利川既能保证经济发展又4 i 破坏所：境的新型能源l 经成为个蕊大的热点课题。 1 1 1 我国能源现状 随着我固经济的伙速发展，对能源的需求不断增长，资源短缺现象逐渐显露出来。 我是一个以煤为 i 的一次能源的罔家，煤占能源消费的7 0 以卜【1 1 。石油、天然 ，e 资源j ：要分布= ， ：晒针5 地区，l n 丁东部沿海经济发达地区足负荷地区却义缺乏能源资源。 我 j 日的石油储采t l d , j 二1 5 ，远远低于l f f 界、t - 均水，f 4 0 。我幽能源人均石油【叮采储量2 6 吨、人然7e10 7 4 府米、煤炭9 0 吨，分刖为界甲均值的1 1 1 、4 3 和5 5 4 【2 i 。 2 0 0 3 1 - 令n 乍产原煤1 6 6 亿l l , 乜t 3 1 ， - j 叫巧i 油1 6 9 亿吨，乍，批人然7e3 4 1 2 8 亿市方 米。2 0 0 3f i i 令【q 能源消赞总f 责1 6 7 8 亿1 1 - 扛卡，j ：准煤，比i - t - 增长1 0 1 ，位肼 上界第：。 j t 1 ，原 1 l i 消耗时i2 5 2 亿吨，增长l2 ：个幽原油进i1 镰9 1 l2 6 3 j 。吨，川比增长 3 】2 9 。肠i 油进【_ 1 依仃度从1 9 9 5 年的7 6 ，提商剑2 0 0 3 年的3 6 。中【目已成为仅次 十炎【目的第：人, f i i t i 消费【1 4 。而t tj 于经济的快速增长，【闷内f i 油需求仍征1 i 断增i j ：= ，预 汁至l2 0 2 0 年， 1 h 彳i 油i 焉求剥4j 为4 5 6 亿吨，年均递增1 2 ，彳i 油进门依行度将达 到6 0 以f ：。而【 i 吲l t 探i j 的石油毋：减七 6 2 亿吨，按【 l ，j 经济发展对彳瀚1 1 的需求，一 ， n 的行油资源仪够丌采1 7 年一i f i 。中圈已探明的煤炭资源为1 0 0 0 亿吨也j j 够 采 8 0 - 1 0 0 ，1 i ，表1 1 给剑2 0 2 0 年我n 的煤炭：精求预测| 5 1 。 表1 1 煤炭需求预测( 单位：亿吨) t a b i - lr e q u i r e m e n tf o r e c a s to f c o a l 扒i t l ；i i iz , l 二 帅, l l i 蚕必一, ( w e c ) , f l l i t l 际j 够川系统分析f j j f 究所( t a s a ) 5 tj 0 7 1 “i ，且l 然个= 球化r i 东北林业人学博f ：学化论文 能源最终可采储量至少还可供人类使用1 0 0 年，但占全球能源消耗总量近5 0 的石油和 天然气将在2 l 世纪中叶耗尽。我国石油资源的保证前景十分严峻。据有关专家分析， 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 亿吨，此后逐渐下降，到 2 0 5 0 年降到不足l 亿吨，而届时石油需求将达5 亿吨以上。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 亿吨 7 1 。因此，我国化石能源资源紧 张将成为能源供应的一个重要问题。表1 2 给出了不可再生能源占全球能源消耗的比例 和可使用年限的统计预测值。 表l - 2 不可再生能源占全球消耗比例及可使用年限 t a b 1 - 2t h ec o n s u m e dr a d i oa n du s a b l ef i x e dn u m b e ro fy e a ro fi r r e p r o d u c i b l ee n e r ys o u r c ei ng l o b a l 根据党的十六大提出的全面建设小康社会的发展目标，到2 0 2 0 年，国内生产总值 将比2 0 0 0 年翻两番，要实现这个目标将对能源的需求提出更高的要求。我国能源需求 的大幅度增加，对我国资源和新能源利用技术提出更大的挑战，同时也是新能源生产和 利用的极大机遇，因此清洁能源和新能源等技术必将得到大力的发展。 1 1 2 我国环境现状 我国小康社会的建设目标对环境的要求提出了巨大的挑战。我国目前并没有摆脱先 污染后治理的老路。仅以大气污染为例，据全国环境统计公报( 2 0 0 3 年) 数据显示瞵j ： 2 0 0 3 年，全国废气中二氧化硫排放量2 1 5 8 7 万吨，比上年增加1 2 ，烟尘排放量 1 0 4 8 7 万吨，比上年增加3 6 。我国的二氧化硫和二氧化碳排放量分别居世界第一位 和第二位。虽然单位g d p 的碳排放量从1 9 9 0 年到2 0 0 3 年下降了5 2 ，但二氧化碳排 放总量却从1 9 8 0 年的3 9 4 亿吨增加到2 0 0 3 年的8 3 2 亿吨p j 。燃煤排放的二氧化硫是 造成酸雨的主要原因，九十年代酸雨区域面积比八十年代扩大了1 0 多万平方公里，年 均降水p h 值低于5 6 的区域面积已经占全国面积的3 0 左右。由于较严重的环境污 染，造成高昂的经济成本和环境成本，并对公众的身体健康产生较明显的损害。据国外 专业研究机构的调查结果显示，大气污染造成的经济损失占g d p 的7 左右。造成大气 质量严重污染的主要原因是中国以燃煤为主的能源结构，并且没有对煤炭利用采取有效 的环保措施，烟尘和二氧化碳排放量的7 0 ，二氧化硫的9 0 、氮氧化物的6 7 来自于 燃煤。 随着我国经济的快速增长，钢铁、电解铝、水泥等9 种重要工业原料生产量大幅增 加，电力、煤炭等能源供不应求。高能耗、高污染行业的快速发展，对环境造成巨大压 力。从环境容量看，要使二氧化硫排放量处在生态系统能承受的降解能力之内，全国最 绪论 多能容纳1 6 2 0 万吨；氮氧化物的环境容量也不会高于1 8 8 0 万吨【l o j 。相关数据表明目前 我国环境已经严重透支。 针对r 愈严重的环境问题，我国及世界其他国家采取各种措施进行控制，在1 9 9 7 年1 2 月1 同签署的京都议定书l l l j 中，到2 0 1 0 年发达国家的六种温室气体排放总量 要比1 9 9 0 年的减少5 2 。在2 0 0 9 年哥本哈根全球气候年会上，我国温家宝总理郑重 承诺到2 0 2 0 年，中国的将在目前碳排放量的基础上再减少4 0 ，并和世界各国共同签 署了哥本哈根协议1 1 2 】。我们不得不承认以现有的技术、现有的用能结构、现有的政 策来实现这个目标，是十分困难的，将面临着十分严峻的挑战。与此同时，我们也看到 在我国大力发展无污染的新能源生物质能利用技术是实现上述目标的唯一可行之路。 1 1 3 生物质能的基本特征 生物质主要是指可以作为能源用途的动物、植物和微生物及其代谢产物，是地球上 存在最广泛的物质。生物质能【i3 j 是以化学能的形式储存在生物质中的能量，它来源于太 阳能，是太阳能的有机能量库。植物或光合生物通过光合作用吸收二氧化碳，固定太阳 能，生产碳水化合物( 生物质) 和氧，可以为自然界的各种生命体作为能源和碳源加以利 用，最终生成二氧化碳和热能，释放到大气中，构成了自然界的碳循环。在各种可再生 能源中，生物质能是是唯一一种可再生的碳源。它具有其他能源不具备的独特的基本特 征。 ( 1 ) 蕴藏量巨大 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 亿吨，其中陆地产量约为1 1 0 0 亿吨，占7 0 。全球陆地面积约为 1 4 9 5 亿平方公里，海洋面积约为3 6 1 亿平方公里。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 亿平方公里。根据测算，在这1 0 2 亿平方公里土地上，由 植物经光合作用而产生的有机碳量平均每平方公旱是1 5 8 吨，即全球每年能产生有机碳 可达1 6 1 亿吨之纠1 4 1 。按1 吨有机碳燃烧可放出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，这表明利用植物生产生物质能的潜力是巨大的。而且光合作用和利用生物质这两 个过程相互匹配，形成完整循环，生物质能源将取之不尽，用之不竭，它是地球上一个 巨大的能源库。 ( 2 ) 清洁能源 生物质能是唯一一种可以直接转换生产含碳燃料的可再生能源。从化学的角度上 看，生物质的组成是c h 化合物，它与常规的矿物燃料，如石油、煤等是同类。由于煤 和石油都是生物质经过长期转换而来的，所以生物质是矿物燃料的始祖，被喻为即时利 用的“绿色煤炭 。植物的光合作用是燃烧反应的逆过程，而燃烧反应是人类获取和使 用能源的主要方式，燃烧生物质产生的二氧化碳可被等量生长的植物光合作用所吸收， 实现二氧化碳的“零排放”。并且生物质中有害物质( 硫和灰分等) 的含量仅为中质烟煤的 东北林业人学博i j 学位沦义 1 1 0 左右，因此生物质能是种清洁能源。 度清洁的能源技术，是减少温室气体排放， 1 1 4 我国生物质能源状况 综上所述，生物质能源的丌发利用足一种高 防止全球环境恶化的一种科学选择。 我国具有丰富的牛物质资源。主要分为农作物秸秆、农产品加工剩余物、林业牛物 质资源等f 1 5 】。如图1 1 所示。 图1 - 1 我国可利用的五种主要生物质资源比例 f i g 1 1b i o m a s sr e s o u r c ep r o p o r t i o n so ff i v em a i nk i n d sa v a i l a b l ei nc h i n a ( 1 ) 农作物秸秆 农作物秸秆足指在农业生产过程中，收获了稻谷、小麦、玉米等农作物以后，残留 的不能食用的茎、l i 等副产品。初步估算，2 0 0 6 年全国稻谷、小麦、玉米、豆类、薯 类、棉花和油菜等七类t 要农作物秸秆理论资源量为5 4 3 亿吨1 1 6 j ( 按风1 二计，含水量 约1 5 ) ，在扣除用作肥料、饲料、以及造纸、建材、编织和养殖食用菌等工副业的生 产原料外，可能源化利用资源量约为2 2 1 亿吨。根据伞围农业和农村经济十一在规 划，颅计到2 0 1 0 年，我国七种卞要农作物秸秆理论资源量约6 0 亿吨，2 0 2 0 年约6 5 亿吨。在扣除各种用途，并舀：保障十壤肥力的自仃提下，预计剑2 0 1 0 年我国七种主要农 作物秸秆可能源化利用的资源量为1 6 5 亿吨，2 0 2 0 年为1 6 5 亿吨。可以看出，可用r 能源化利用的七种主要农作物秸秆资源将长期保持在1 6 亿吨左右【1 7 l 。 ( 2 ) 农产品加工剩余物 农产品在初加i ：过程中产生的副产品主要包括稻壳、玉米：苍、花生壳、甘蔗渣等。 稻壳占稻谷重量的2 0 ，玉米芯约占穗重的2 0 ，花生壳约占仡乍重量的3 5 ，甘蔗渣 足蔗糖加工业的主要废弃物，蔗糖j 蔗渣各占5 0 。目前，上述副户：品的年产量约1 3 亿吨。 ( 3 ) 林业“三剩物” 林业“三剩物”事要包括采伐剩余物、造材剩余物、术材加工剩余物。根据对各大 绪论 林区采伐地的抽样调查，采伐、造材剩余物( 包括树干梢头、枝桠和树叶) 约占林木生 物量的4 0 。根据国务院批准的“十一五 期间森林采伐限额，全国每年限额采伐指标 为2 5 亿立方米【1 8 】，可产生采伐、造材剩余物约1 1 亿吨( 含水量约5 0 ) ，折合干重约 5 5 0 0 万吨。根据对木材加工厂的抽样调查，综合考虑各地的实际情况，估计木材加工剩 余物数量约占原木的3 4 4 ，因此可推算出全国木材加工剩余物约为3 2 0 7 9 万立方米， 换算重量为2 8 8 7 1 万吨( 含水量约4 0 ) ，折合干重约1 7 0 0 万吨。 1 1 5 开发利用我国生物质资源的必要性和意义 综上所述，我国经济快速持续发展，既面临着能源短缺的问题，又面临着保护我们 赖以生存的环境问题。由于生物质本身具有的清洁，无污染，蕴藏量巨大，可再生等特 点，决定了它是唯一可以储存和运输的可再生能源，是首选的石化能源替代能源之一， 并且我国是农业大国，具有丰富的生物质资源，因此充分利用已经发展起来的能源转换 技术开发利用生物质能，将生物质原料经过能能转换制造成高品位的固体、气体和液体 燃料，可以弥补化石燃料的不足，缓解石油紧张局面，实现能源安全战略，调整能源结 构，并且可以减少温室气体排放，保护环境，是防止全球环境恶化的一种科学选择。开 发利用生物质能，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，发展生物质能势在必行。 1 2 生物质能转化利用方式 国外的生物质能利用方式主要分两大类，一是把生物质转化为电能；二是把林木生 物质转化为优质燃料，如油、氢、固体燃料等。两大类技术处于不同的发展阶段，而且技 术水平相差很远。美国、瑞典、奥地利和同本生物质能转化为高品位能源已具有相当可 观的规模，分别占该国一次能源消耗量的1 4 、1 6 、1 0 和1 2 1 1 9 j 。美国在生物质利 用方面处于世界领先地位。美国有3 5 0 多座生物质为原料的发电站，主要分布在纸浆、纸 产品a n - r _ 厂和其他林产品加工厂附近，发电装机总容量达7 0 0 兆瓦【2 叫。奥地利成功地推 行建立燃烧木质能源的区域供电计划。瑞典和丹麦正在实行利用生物质进行热电联产的 计划【2 i 】，使林木生物质能在提供高品位电能的同时，满足供热的要求。 我国的生物质能源转换方式【2 2 】可分为生物质汽化、生物质液化和生物质固化，如图 l 一2 所示。 在生物质能转化利用技术中，前两种方法1 2 3 l 主要是通过生物降解、化学反应方式， 产生氢、沼气、乙醇、合成汽油等。由于生产成本相对较高，并没有大量应用于生产和 日常生活。而第3 种方式即固化成型，其产品成型燃料具有加工简单、成本较低、便于 储存和运输、易着火、燃烧性能好、热效率高等优点，近年来越来越受到人们的广泛重 视，已经成为我国目前生物质能利用的主要方式。 东北林业人学博l ! 学位论文 生物质 图1 - 2 生物质能源转换方式 f i g 1 - 2b i o m a s se n e r g yc o n v e r s i o nm o d e 无论哪一种转化利用方式都需要对生物质进行前期的预处理。生物质前期的预处理 问题成为生物质能规模化利用的关键所在。在生物质预处理技术中，压缩成型技术是最 重要的技术之一，从我国生物质资源中占据重要位置的农作物秸秆入手，进行秸秆压缩 成型技术研究，将会为其它技术的开发和应用莫定良好的基础。 此外，不加处理的秸秆原料存在结构疏松、分布分散、不便运输及储存、密度低等 缺点，限制了其大规模利用的经济性与可行性。例如玉米秸秆的堆积密度l z 4 j 相当于木材 的1 4 ，小麦秸秆的堆积密度不足木材的1 1 0 ，它们的堆积密度远小于木材。 对秸秆原料进行压缩成型，可大幅度提高原料密度，达l x l 0 3 k g m 3 以上1 2 引。秸秆 固化成型燃料与普通薪材燃料相比，具有以下特点：一是形状和性质均一，密度高，强 度大，便于装卸，方便运输与储存：二是改变了其燃烧特性，使其燃烧性能好、热值 高，能量密度与中热值的煤相当，火力持久，黑烟少，炉膛温度高；三是二氧化碳和二 氧化硫排放低，干净卫生，可代替矿物能源用于生产和生活领域；四是适应性强、燃料 操作控制方便。因此，秸秆固化成型燃料在农业上可完全代替煤、液化气和不经处理的 秸秆等常规能源，成为农村炊事用能源；在工业上可代替煤在生物质发电厂、工业锅 炉、窑炉中应用。秸秆压缩成型己成为了农作物秸秆资源化利用的关键。 近年来，秸秆压缩成型技术越来越受到国家的重视。我国从“七五一计划开始到 “八五”计划，主要进行了生物质相关应用技术的产业化研究和液化技术的前期研究， “八五 计划后，重点开始了生物质固化技术的研究开发豳j 。在国家“十五 、 “8 6 3 计划及中国可再生能源规模化发展项目( c r e s p ) 中，专门将秸秆压缩成型技术作 为生物质发电项目的子课题。在国家“十一五”规划纲要中明确提出“扩大生物质固化 成型燃料生产能力”。在2 0 0 7 年9 月国家发展和改革委员会颁布的可再生能源中长期 发展规划中，把生物质固体成型燃料作为重点发展领域，使生物质颗粒燃料成为普遍 使用的一种优质燃料，明确要求到2 0 1 0 年，生物质颗粒燃料年利用量达到1 0 0 万吨， 慌 一一一 一一籼 一继 一 一一 一一一 一一 一一一 一一 绪论 2 0 2 0 年要达到5 0 0 0 万吨，代替3 0 0 0 万吨煤2 7 1 。因此，开展秸秆压缩成型技术研究， 加快制造生物质成型燃料生产设备，对推进秸秆资源综合利用，实现秸秆商品化和资源 化，对于节约资源、减轻污染、增加农民收入，加快建设资源节约型和环境友好型社 会，将具有重大的现实意义。 1 3 国内外生物质固化成型研究现状 1 3 1 生物质固化成型机理 1 3 1 1 生物质的组成成分和化学特性 生物质固化成型所用的原料主要有：秸秆、稻壳、锯末等【2 8 i 。这些纤维素生物质细 胞中含有纤维素、半纤维素和木质素，占植物体成分2 3 以上【2 9 1 。表1 3 为典型的几种 生物质的纤维素、半纤维素和木质素成分比例。 表1 3 几种生物质中纤维素、半纤维素、木质素的比例 t a b 1 - 3r a t i oo fc e l l u l o s e h e m i c e l l u l o s ea n dl i g n i ni nb i o m a s s 各种生物质之所以能够在不加粘结剂的情况下压缩成型，主要是由于生物质细胞中 含有木质素，其本身就已具备了压缩成型所必需的基本条件。木质素属于非晶体【3 叭，在 常温下其主要部分不溶于任何溶剂，没有熔点但有软化点。当温度为7 0 1 1 0 时软化具 有黏性，达到1 4 0 1 8 0 时就会塑化且粘结力增加，当温度达到2 0 0 3 0 0 时软化程度 加剧，黏性增高，此刻施加一定压力，可使其与纤维素紧密粘结，并维持既定的形状， 从而使生物质原料在模具成型孔内成型，冷却后即可形成具有固定形状的压缩成型燃 料。另外，生物质体内的水分作为一种必不可少的自由基，流动于生物质团粒间，在压力 作用下，与果胶质或糖类混合形成胶体，起粘结剂的作用。p a i v il e h t i k a n g a s 3 l j 研究认为，生 物质体内的水分还有降低木质素的玻变( 熔融) 温度的作用，使生物质在较低加热温度下成 型。生物质中的半纤维素由多聚糖组成，在一定时间的贮藏和水解作用下可以转化木质素， 也可达到粘结剂的作用。生物质中的纤维素是由大量葡萄糖基构成的链状高分子化合物 构成，是不溶于水的单糖，因此纤维素分子连接形成的纤丝，在以粘结剂为主要结合作用的 粘聚体内发挥了类似于混凝土中“钢筋的加强作用，成为提高成型块强度的“骨架 。 此外生物质所含的腐殖质、树脂、蜡质等萃取物也是固有的天然粘结剂，它们对压力和温 度比较敏感，当采用适宜的温度和压力时，也有助于在压缩成型过程中发挥有效的粘结作 用。 1 3 1 2 压缩成型的粘结机制 德国的r u m p f l 3 2 j 针对不同材料的压缩成型，将生物质成型块内部的粘结方式分成5 东北林业人学博i j 学位论文 类： ( 1 ) 固体颗粒桥接或架桥： ( 2 ) 非自由移动粘结剂作用的粘结力； ( 3 ) 自由移动液体的表面张力和毛细压力： ( 4 ) 粒子间的分子吸引力( 范德华力) 或静电引力； ( 5 ) 固体粒子间的充填或嵌合。 对于r u m p f 的分类，经各国学者多年的实验和研究证明，各种类型生物质内部的 成型机理，都可以用r u m p f 所述的一种或一种以上的粘结类型和粘结力来解释。 1 3 1 3 压缩成型的粒子特性 构成生物质成型块的主要物质形态为不同粒径的粒子，粒子在压缩过程中表现出的充 填特性、流动特性和压缩特性【3 3 】。通常生物质压缩成型分为两个阶段。第一阶段，在压 缩初期，较低的压力传递至生物质颗粒中，使原先松散堆积的固体颗粒排列结构开始改变， 生物质内部空隙率减少。第二阶段，当压力逐渐增大时，生物质大颗粒在压力作用下破裂， 变成更加细小的粒子，并发生变形或塑性流动，粒子开始充填空隙，粒子间更加紧密地接触 而互相啮合，一部分残余应力贮存于成型块内部，使粒子间结合更牢固。 正是由于生物质原料本身具有的化学特性、粘结机制和粒子特性等方面的原因，在 受到一定的外部压力后，原料颗粒先后经历重新排列位置关系、颗粒机械变形和塑性流 变等阶段。在垂直于最大应力方向上，物料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，物料粒子主要以相互靠紧的形式结合，从而使生物质体积大幅度减 小，密度显著增大。在水分存在时，用较小的作用力即可使纤维素形成一定的形状。由 于非弹性或黏弹性的纤维素之间相互缠绕和绞合，在去除外部压力后，一般不能再恢复 原来的结构形状【2 9 j 。 1 3 2 生物质固化成型工艺 生物质固化成型工艺从广义上，可划分为常温压缩成型、热压成型和碳化成型【3 4 j 三 种主要形式。如图1 3 所示。 图1 3 生物质固化成型工艺 f i g 1 - 3 t e c h n o l o g yo fb i o m a s sb r i q u e t t i n g 8 绪论 ( 1 ) 常温压缩成型 纤维类原料经过一定程度的腐化后，会损失一定的能量，但与一般风干类原料比 较，其挤压、加压性能会有非常明显的改善。比较普通的做法是，在常温下，纤维类原 料浸泡数同水解处理后，其压缩成型特性明显改善，纤维变得柔软、湿润皱裂并部分降 解，易于压缩成型。因此，该成型技术被广泛用于纤维板的生产。同样，利用简单的杠杆 和木模，将部分降解后的农林废弃物中的水分挤出，即可形成低密度的压缩成型燃料 块。这一技术在泰国、菲律宾等国得到一定程度的发展，所生产的成型燃料块平均热值 约2 3 k j k g ，被称为“绿色碳”，在生物质燃料市场上具有一定的竞争能力。 ( 2 ) 热压成型 热压成型是目前世界各国普遍采用的生物质压缩成型工艺。其工艺过程一般可分为 原料粉碎、干燥混合、挤压成型和冷却包装等几个环节。 热压成型的主要工艺参数是温度、压力及成型过程的滞留时间。据研究，对木屑、 秸秆和果壳等生物质的加温和加压情况是：加热温度为靠模具边界处为2 3 0 - - 4 7 0 ，成 型燃料内部为1 4 0 - - 1 7 0 。c ；成型燃料所承受的压力是一个由低到高的过程，一般压力为 5 0 - - 4 0 0 m p a 。成型物料在模具内所受的压应力随时间的增加而逐渐减小，因此，必须 有一定的滞留时间，以保证成型物料中的应力充分松弛，防止挤压出模后产生过大的膨 胀。另外，也使物料有较长时间进行热交换。一般，滞留时间应不少于5 0 秒。 此外，物料的含水率和粒度对成型也有较大影响。含水率应低于1 5 ( 干基) 。如果 含水率过高，挤压过程中物料的水分要受热蒸发，大量的水蒸汽通过成型筒迅速排放， 导致成型失败。如果含水率过低则不利于木质素的塑化和热量的传递。物料的粒度的直 径和长度应该在5 m m 和2 0 m m 之间。过大则木质素塑化不充分，影响结合强度。由于 不同种类的生物质其木质素和纤维素含量及物料的形状等都不相同，因此成型时的温度 和压力也不一样。实践证明，温度和压力选得过高和过低都会导致成型失败。温度选得 过低则生物质中的木质素未能塑化变粘，物料不能粘结成型。反之，如温度选得过高， 则成型燃料的表面出现裂纹，严重时就变成了“散花”。此外，如果施加压力过小，则 会使成型燃料无法粘结，而且也无法克服摩擦阻力，因而无法成型。如果施加压力过 大，则会使成型燃料在模具内滞留时间缩短使生物质物料加温不足而无法成型。 总之，成型物料在模内的温度场、压力场、滞留时间及物料的含水率和粒度等参数 的值应进行实际试验优化选择。由于物料在模具中的摩擦挤压也将产生大量的热量，这 些波动变化都会影响模具内温度场和压力场的变化，从而改变其实际工况。 ( 3 ) 碳化成型 碳化成型按碳化先后顺序可分为：先碳化后成型工艺和先成型后碳化。 先碳化后成型工艺 先碳化后成型工艺的基本特征是，首先将生物质原料碳化或部分碳化，然后再加入 一定量的粘结剂挤压成型。由于原料的纤维结构在碳化过程中受到破坏，高分子组份受 热裂解转换成炭并释放出挥发份( 包括可燃体、木醋液和焦油等) ，因而其挤压加工性 东北林业火学博i ：学位论文 能得到改善，成型部件的机械磨损和挤压加工过程中的功率消耗明显降低。但是，碳化 后的原料在挤压成型后维持既定形状的能力较差，贮存、运输和使用时容易破碎，所以 采用碳化成型工艺时，一般都要加入一定量的的粘结剂。如果在成型过程中不使用粘结 剂，要保证成型块的贮存和使用性能，需要有较高的成型压力，这将明显提高成型机的 造价。其工艺流程如下图1 4 所示【3 5 1 。 图l - 4 生物质先碳化后成型工艺流程 f i g 1 4b i o m a s sf o r m i n gp r o c e s sa f t e rc a r b o n i z a t i o n 先成型后碳化工艺 先成型后碳化工艺先用压缩成型机将松散碎细的植物废料压缩成具有一定密度和形 状的燃料棒，然后，用炭化炉将燃料棒炭化成机制木炭。其工艺流程如下图1 5 所示 【3 6 1 。 图1 - 5 生物质先成型后碳化工艺流程 f i g 1 5b i o m a s sc a r b o n i z a t i o np r o c e s sa f t e rm o l d i n g 1 3 3 生物质固化成型设备类型 现己研制开发的生物质成型设备按成型原理主要有三大类【3 7 1 ：螺旋挤压成型设备； 机械和活塞式挤压成型设备；压辊辗压成型设备( 包括环模式和平模式) 。 1 3 3 1 螺旋挤压热挤成型设备 螺旋挤压式成型机利用螺杆挤压生物质，靠外部加热，维持1 5 0 3 0 0 成型温度使 木质素、纤维素等软化，挤压成生物质压块。为避免成型过程中原料水分的快速汽化造 成成型块的开裂和“放炮”现象发生，一般将原料的含水率控制在8 , - - - 1 2 之间。成 型压力的大小随原料和所要求成型块密度的不同而异，可以通过调整螺杆的进套尺寸进 行调节，成型燃料形状通常为直径5 0 - - 6 0 m m 的空心棒。图1 6 为螺旋挤压成型部件结 构示意图i 珀j 。 绪论 成 法兰 预热器挤出螺旋 驱动轴 图1 - 6 螺旋挤压成型部件结构示意图 f i g 1 - 6s t r u c t u r eo fs c r e we x t r u d e r ( 1 ) 螺旋挤压成型工艺流程如下图1 7 所示。 图l - 7 螺旋挤压成型工艺流程图 f i g 1 7 t h ef l o wd i a g r a mo fs c r e we x t r u s i o np r o c e s s ( 2 ) 螺旋挤压成型优缺点及适用范围 优点：初期投资小、操作简单、运行平稳，其产品易于燃燃，并可进一步加工成 机制木炭，提高其价值品位。目前，螺旋挤压成型机在我国成型机市场占据主要地位。 缺点：一是单位产品能耗高，一般为1 0 0 - - 一1 2 5 k w h t ：二是成型机部件寿命短， 平均寿命仅有6 0 - - 一8 0 h ，连续化生产水平低。为解决螺杆首端承磨面磨损问题，现在大 多采用喷焊钨钴合金、焊条堆焊6 1 8 或炭化钨，或是采用局部渗硼处理和振动堆焊等方 法对螺杆成型部位进行强化处理，但成本高，用户难以接受。三是原料含水率难以控 制，配套设备性能差，自动化管理程度较低，难以形成规模效益，限制了它在大规模商 业化中的应用。 使用范围：适于加工木屑、稻壳、棉杆等木质生物质原料。可进一步炭化，制成 机制木炭，用于民用烧烤。 1 3 3 2 活塞冲压式成型设备 活塞冲压式成型机靠液压驱动活塞的往复运动实现成型。一般不用电加热。产品为 实心燃料棒或燃料块，密度稍低，介于0 8 1 1 9 c m 3 之间，容易松散。图1 8 为活塞 冲压成型部件结构示意刚3 6 】。 东北林业人学博l ：学位论文 图1 8 活塞冲压成型部件结构示意图 f i g 1 - 8 t h es t r u c t u r eo fp i s t o ne x t r u d e r ( 1 ) 活塞冲压成型工艺流程 粉碎后较松散的生物质( 秸秆) 原料经过垂直液压油缸和水平液压油缸两次预压 后，由双出杆油缸上的冲杆推入成型套筒内，在合适的成型温度下，套筒中的秸秆生物 质在外力的作用下颗粒重新排列位置关系，并发生弹性变形和塑性变形。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，生物质内部胶合、外部焦化，并具有一定的形状和强度。 冲杆不