（机械设计及理论专业论文）生物质固化成型特性及有限元研究.pdf

摘要 摘要 化石燃料作为我国主要的一次能源，具有不可再生性，在开发使用中造成了 严重的环境污染和生态破坏。生物质能是一种重要的可再生能源，资源量大，分 布广，其高效转化技术日益受到重视。生物质固化成型技术使松散生物质致密化， 能显著提高生物质制品的性能，成为规模化利用生物质能源的一种有效途径，开 展生物质固化成型技术研究对开辟能源利用新领域都有重要的意义。 首先介绍了课题研究的背景及现状，阐述生物质存在体积大，能量密度低的 特点，着重对生物质的压缩特性及成型影响因素进行分析，通过进行生物质含水 率的成型试验，得到了最佳含水率范围。 本文首次对生物质液压成型的压缩变形过程进行了有限元分析研究，研究中 将液压成型过程分为三阶段并分别提出了在不同压缩成型阶段的成型机理。生物 质成型属于非连续介质力学的研究范畴，由于其理论的不完善和局限性，将生物 质视为“可压缩的连续体”来研究；分析了可压缩生物质塑性理论，运用生物质 压缩成型的屈服条件，并考虑压缩成型中静水压力影响，建立起生物质成型的弹 塑性本构方程。然后对生物质成型过程进行了有限元分析，采用t a r g e l 6 9 和 c o n t a l 7 2 接触对恰当的处理了模具和成型材料的接触问题；合理确定了边界条件。 通过有限元数值模拟分析得到了生物质的流变规律，结果表明生物质外层的流动 明显滞后于中心。有限元分析结果揭示了成型中的应力应变演变过程和分布规律， 对局部应力过大区域进行了分析，研究发现在成型腔锥角处存在应力集中，等效 应变随相对密度的增大呈现一定的变化趋势；同时也得到了生物质成型过程的载 荷变化规律。成型过程的分析研究对生物质成型工艺的选择优化具有很好的应用 和参考价值。 最后，本文研究了生物质成型进入挤出保型阶段，温度参数对生物质成型的 影响。采用t h e r m a l 模块中两种加热温度，获得了生物质成型温度场的分布情 况，分析后表明在2 5 0 。c 条件下更具有优势，温度场分布较合理，能保证成型的效 果，同时降低了系统能耗。 关键词：生物质；成型；液压；有限元分析 a b s t r a c t a b s t r a c t a st h em o s ti m p o r t a n tp r i m a r ye n e r g ys o u r c e s ，f o s s i lf u e l sa r en o n r e n e w a b l e e n e r g yw h i c hc a u s es e r i o u se n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o na n de c o l o g i c a ld a m a g ei n t h e p r o c e s so fd e v e l o p m e n ta n du s e h o w e v e r ，b i o m a s si sa ni m p o r t a n tr e n e w a b l ee n e r g y w i t hl a r g e ，w i d e l yd i s t r i b u t e df e a t u r e s i t se f f i c i e n tc o n v e r s i o nt e c h n o l o g yh a sr e c e i v e d i n c r e a s e da t t e n t i o nr e c e n t l y 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 nd 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 yi m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo fb i o m a s sp r o d u c t sa sa ne f f e c t i v ew a yt ou s e b i o m a s se n e r g y i t ss t u d yh a sa p r o f o u n ds i g n i f i c a n c et oe s t a b l i s hn e wf i e l do fe n e r g y f i r s to fa l l ，t h eb a c k g r o u n da n dp r e s e n ts t a t eo fs u b je c ts t u d yw e r ed i s c u s s e d t h e n ， t h ec h a r a c t e r i s t i c so fl a r g ev o l u m ea n d l o w e n e r g yd e n s i t y o fb i o m a s sw e r e i n t r o d u c e d a c c o r d i n gt oa n a l y s i so f t h eb i o m a s sc o m p r e s s i o na n df o r m i n gf a c t o r s ，t h e e x p e r i m e n to fb i o m a s sm o i s t u r ew a st a k e nt h a tg o tt h eb e s tm o i s t u r er a t e t h ef i n i t ee l e m e n tm e t h o do fa n s y sw a sf i r s t l ya p p l i e dt oa n a l y s eb i o m a s s h y d r a u l i cb r i q u e t t i n g sd e f o r m a t i o n t h ec o m p r e s s i o nw a sd i v i d e di n t ot h r e ep h a s e s i t p u tf o r w a r df o r m i n gm e c h a n i s m si nd i f f e r e n tc o m p r e s s i o ns t a g e s b i o m a s sb r i q u e t t i n g b e l o n g st ot h es c o p eo fn o n c o n t i n u u mm e c h a n i c sw h i c hh a v eal o to ft h e o r e t i c a l i m p e r f e c t i o n sa n dl i m i t a t i o n s s oi tw a sc o n s i d e r e d2 l sc o m p r e s s i b l ec o n t i n u u mt h a tt h e t h e o r yo fp l a s t i cm e c h a n i c so fc o n t i n u u mw a sa p p l i e dt os t u d yc o m p r e s s i b l em a t e r i a l s u s i n gb i o m a s sb r i q u e t t i n g sc r i t e r i o na n dt a k i n gi n t oa c c o u n to fh y d r o s t a t i cp r e s s u r e ， b i o m a s s e l a s t o p l a s t i c c o n s t i t u t i v e e q u a t i o n w a sb u i l t t h e n ，i t a n a l y z e d b i m a s s s c o m p r e s s i o np r o c e s sw i t hf i n i t ee l e m e n tm e t h o d ，t h r o u g ht h ec o n t a c tu n i to ft a r g e 16 9 a n dc o n t a17 2a p p r o p r i a t e l yd e a l i n gw i t ht h ec o n t a c tp r o b l e mb e t w e e nb r i q u e t t e m a t e r i a la n dd i ew a l l ，a l s or a t i o n a ld i v i s i o no ff i n i t ee l e m e n tm e s h t h ef i n i t ee l e m e n t s i m u l a t i o ng o tr h e o l o g i c a ll a wt h a ti n d i c a t e dt h ef l o wo fb i o m a s so u t e ro b v i o u s l y l a g g i n gb e h i n dt h ec e n t e r a l s ot h r o u g ha n a l y s i so ft h es t r e s s - s t r a i ni nc o m p r e s s i o n p r o c e s s ，i tr e v e a l e dt h e i re v o l u t i o na n dd i s t r i b u t i o nl a w b e s i d e s ，t h el o c a ll a r g es t r e s s w a sa n a l y z e d i ts h o w e dc o n e a n g l eo fc a v i t yd i eb e i n gs t r e s s c o n c e n t r a t i o na n d e q u i v a l e n ts t r a i ni n c r e a s e dw i t hr e l a t i v ed e n s i t yi nac e r t a i nt r e n d t h el a wo ft h el o a d c h a n g e sw a sf o u n di nt h eb i o m a s sc o m p r e s s i o np r o c e s s a c c o r d i n g l y ，t h er e s e a r c ha n d a n a l y s i so fc o m p r e s s i o np r o v i d e dg o o da p p l i c a t i o na n dr e f e r e n c ev a l u ew i t hb i o m a s s c o m p r e s s i o np r o c e s so p t i m i z a t i o n a b s t r a c t i nt h ee n d ，t e m p e r a t u r eo nt h ei m p a c to fb i o m a s sb r i q u e t t i n gw a sc a r r i e do u tw h i c h i tc a m ei n t ot h ee x t r u s i o ns t a g ea n dm a i n t a i n i n gt h es h a p e u s i n gt w o t y p e so fh e a t i n g t e m p e r a t u r ew i t ht h e r m a lm o d u l e ，i tg o tt e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o ni nt h eb i o m a s s b r i q u e t t i n gp r o c e s s r e s u l tt h r o u g ht e m p e r a t u r ef i e l da n a l y s i sa n dc o m p a r i s o ni n d i c a t e d t h a tt h ec o n d i t i o no f2 5 0 h a da na d v a n t a g ew i t hr e a s o n a b l et e m p e r a t u r e d i s t r i b u t i o n ，a tt h es a m et i m er e d u c i n ge n e r g yc o n s u m p t i o n k e y w o r d s ：b i o a m s s ；b r i q u e t t i n g ；h y d r a u l i c ；f m i t ee l e m e n ta n a l y s i s x i 主要符号表 面积 直径 时间 体积 热导率 比热容 应力压强 主要符号表 m 2 p 聊上 s t m 3q w mo cg j 豫g o cg m p am 密度 长度 温度 传热量 重量 加速度 质量 极限强度许用应力m p a包欧甜收到基低位发热量 j g 许用应力m p a 盯工。耐最大平均应力 刚度矩阵 系数列阵 万 常数 摩擦系数 v i i i 聊 ： 厶 水 融 m 矿 咖 磁 么 d ， 矿 无 c p r b k d 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论 文不包含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的科研成果。对本 文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标 明。本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：翌终日期：坌堕：竺! 关于学位论文使用授权的声明 本人同意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的印刷 件和电子版，允许论文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本 学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影 印、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：壁迭导师签名：日期：型竺：竺 第1 章绪论 1 1 课题研究的背景和意义 1 1 1 研究背景 第1 章绪论 能源和环境问题已成为当今世界关注的焦点，随着我国能源消耗的迅速增长， 传统化石燃料的大量使用带来了严重的环境污染和生态破坏。煤、石油、天然气 作为现阶段的主要能源，同时也是宝贵的有机化工原料，随着其资源量的日益枯 竭和造成环境问题的日趋严重，已引起世界各国的广泛关注。据世界能源会议统 计，世界已探明可采煤炭储量预计可使用2 0 0 年，可采石油储量预计可使用3 0 - 4 0 年。可采天然气储量预计可使用6 0 年【l 】，这些能源在使用过程中排放的有害物质 已使全球的生态环境持续恶化。开发洁净的可再生能源成为了解决能源危机和环 境污染的重要途径。与此同时，生物质能作为世界上第四大能源，仅次于煤炭、 石油和天然气，在可再生能源中，是唯一能够储存和可运输的清洁能源，其资源 总量十分丰富，分布广泛，开发潜力巨大【2 】。 从化学的角度上看，生物质的组成是c h 化合物，它与常规的矿物能源如石 油、煤等是同类( 煤和石油都是生物质经过长期转换而来) ，生物质是植物通过光合 作用生成的有机物，包括农林废弃物( 如秸秆、稻草、树枝等) ，薪柴，食品制糖工 业的作物残渣，城市有机垃圾，能源作物等，它的特性和利用方式与矿物燃料有 很大的相似性。我国生物质能极为丰富，仅秸秆等农林生物质废弃物资源量年约7 亿吨，相当于3 1 亿吨标煤，但相当多的生物质被废弃和焚烧，造成大量的资源浪 费和环境污染【3 j 。目前在我国能源消费结构中，煤炭作为最主要的一次能源，占有 近7 0 的比重，年消耗量达到2 4 亿吨，开发利用生物质能源有利于改善我国的能 源结构，缓解能源供应紧张的局面。同时我国对生物质能源利用也极为重视，己 连续在四个国家五年计划中将生物质能利用技术的研究与应用列为重点项目，在 生物质利用方面的研究与开发也取得了积极的进展，并于2 0 0 6 年实施中华人民 共和国可再生能源法，将生物质能等可再生能源的科学技术研究和产业化发展 列为国家科技发展与高技术产业发展的优先领域m 】。 山东大学硕士学何论文 生物质能储量大，燃烧容易，污染小，有害成分低，并且生物质燃料在燃烧 中所释放出的二氧化碳量大体上等于其生长过程中通过光合作用所吸收的二氧化 碳总量，因此可认为二氧化碳为归零排放，与常规能源相比，能有效减少温室气 体的排放，改善生态环境。全世界生物质能源消耗占能源消耗总量约1 4 ，在局部 经济不发达区域和广大农村地区，生物质能仍然是主要的能量来源【5 】。我国是生物 质能源消耗最大的国家，开发利用生物质对我国更具特殊意义。长期以来，我国 大部分农村一直使用薪柴和秸秆等生物质作为主要的生活用能，绝大部分是未经 处理的粗放式燃烧，热利用率仅有1 0 1 5 ，浪费严重【6 】；而在经济发达地区， 秸秆低效不清洁的直接燃烧利用方式已不适应农民生活水平提高的需要，富裕的 农民开始寻求优质、便捷的清洁能源，在农业主产区大量的秸秆资源过剩，于是 出现农民就地焚烧秸秆，造成释放的大量污染物危害农民健康，污染大气环境的 严重后果。 1 1 2 研究意义 目前在生物质能源开发利用过程中，由于生物质原料结构疏松、分布分散、 占用空间大，作为燃料存在能量密度小、直接燃烧的热效率低、运输和储存成本 高等问题，其规模化利用和高效利用都较困难，经济效益较差，这也是制约生物 质能不能较快成为商品能源的的主要因素。利用生物质固化成型技术将低品位的 生物质加工成高效洁净的成型燃料，成为利用生物质能源的一种有效途径，也是 替代常规能源的有效方法。 生物质固化成型技术是将松散细碎的无定型的生物质原料用机械加压( 加热 或不加热) 的方法，压缩成质地致密、形状规则，便于输送、利用的成型燃料。 生物质原材料经挤压成型后，密度可达到0 8 1 3 t m 3 ，能量密度与中质煤相当， 燃烧特性较成型前有明显改善，且储存、运输、使用方便、干净卫生，可代替矿 物能源用于生产和生活领域口8 1 。世界各国，尤其是发达国家都致力于生物质成型 燃料技术来替代煤炭作为区域热电厂的主要燃料的研究，同时在北欧国家成型燃 料也广泛应用在家庭取暖设施中。我国作为一个能源消耗的大国，正面临着能源 需求不断增长和化石能源消耗带来的环境问题的双重压力，开发生物质能源的新 领域，利用生物质成型技术，对于改善以煤炭为主的能源结构，缓解由能源生产 2 第1 苹绪论 和使用造成的环境问题，建立可持续发展的能源系统，促进我国经济社会的可持 续发展都具有十分重要的意义。 与石油及煤等非再生能源相比，生物质能是一种可再生的清洁能源，具有低 灰份、低硫的特点1 。生物质成型技术在保持生物质固有特性的基础上，具有许多 优势n 们：( 1 ) 成型燃料燃烧热效率高。传统的直接燃烧效率低下，只有1 0 3 0 ； 而成型燃料的热效率大于8 0 ，热值为1 6 0 0 0 k j k g 左右，燃烧性能优于普通木材， 相当于中质煤。( 2 ) 成型燃料密度在l g a m 3 左右，体积压缩比大于6 ，克服了生物 质体积大的弊端，便于运输和贮存，易实现产业化和大规模应用，成为商品使用。 ( 3 ) 保持了生物质挥发性高、易燃烧的优点，实现c 0 ：零排放，n 0 。、s 0 。极微量排 放，燃烧充分，不造成环境污染。 目前常规能源的供应已不能满足我国经济快速发展的需要，而作为清洁、可 再生能源的生物质成型燃料具有显著的综合效益，我国“十一五”规划，继续扩大成 型燃料的产量，至l j 2 0 1 0 年达到年利用1 0 0 万吨。成型燃料的使用与长期以来燃用固 体燃料的习惯一致，作为煤的良好替代品，符合可持续发展的要求，实现了低品 位燃料向高品味、低污染燃料的转变，可广泛用于各种小型热水锅炉、热风炉、 家庭取暖炉或壁炉，不仅可解决城乡家庭的炊事取暖，也可用于小型发电供暖设 施，为中小热电厂能源结构的调整提供技术支持；同时解决小型燃煤电站的能耗 和污染问题。生物质成型技术的发展和研究，顺应国家的能源发展政策，符合中 国的国情，发展前景广阔。 1 2 国内外研究现状 生物质成型技术早在2 0 世纪4 0 年代就曾一度引起人们极大的兴趣。进入2 0 世纪7 0 年代以来，随着全球性石油危机的冲击和环保意识的提高，世界各国越来 越认识到开发和高效转换生物质能的重要性，相应地投入一定的资金和技术力量 研究开发生物质成型和炭化技术及设备。 目前国内外农林废弃物成型技术及设备的研究发展主要有三类：以日本为代 表开发的螺旋挤压方式生产的棒状成型技术；欧洲各国开发的活塞式挤压棒状成 型技术；美国研发的内压滚筒颗粒状成型技术【1 1 】。从2 0 世纪8 0 年代我国引进螺 旋推进式秸秆成型机，中国生物质压缩成型技术的研究开发已有二十多年的历史。 山东大学硕士学位论文 南京林业化工所在“七五”期间对生物质压缩成型机及生物质成型理论进行了研究。 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 一1 5 ”型固 体燃料成型机。北京林业大学、浙江大学、农业部南京农业机械化研究所等单位 也对生物质成型燃料及其利用设备进行了不同程度的研究，近年来清华大学开发 出生物质颗粒冷成型技术及设备，已在局部地区推广示范。2 0 世纪9 0 年代期间河 南农业大学农业部可再生能源重点实验室研究出h p b 型液压驱动活塞式成型机， 至今已推出多种h p b 系列型号的成型机1 2 1 4 1 。 对于生物质成型技术的研究，世界各国都开展了许多工作，围绕生物质的物 理特性，压缩特性，机械特性、流变特性和成型工艺等方面进行了试验研究和理 论探讨。m f i n e l l ”】等人利用机械活塞式成型机把芦苇草压制成直径6 5 m m 的棒状 成型燃料，进行了成型块的机械强度、压缩特性的试验分析，同时对不同密度的 成型块的抗水性进行了分析探讨；a d e m i r b a s 【1 6 】采用液压成型方式把纸浆和麦秸 杆挤压成型，分析了压力，密度，耐压强度，温度的关系以及成型块的物理特性； 德国学者s k a l w e i t 首次开始研究在密闭容器内低速压缩农业纤维物料的工作【l7 1 ，另 外，英国、美国、日本、波兰及我国的学者也都对农业纤维物料的压缩过程进行 了研究，从不同角度探讨不同压缩方式下压缩力与密度、压缩力与压缩量及密度 与湿度之间的关系。 英国学者o d o 曲e r t y 等对小麦秸秆的物理机械特性进行了试验研究【1 8 】。通过 一系列试验研究得出：麦秸的拉伸强度为2 1 2 , - 一3 2 2 m p a ，剪切强度为4 9 1 7 2 6 m p a ，杨氏模量为4 7 6 - - 一6 5 8 g p a ，刚性模量为2 6 7 - - 一5 4 7 m p a ；并指出小麦秸秆的 成熟度、含水率、温度等对这些基本参数都有不同程度的影响。f a b o r o d e 等 1 9 1 根据 压缩过程中弹性力和惯性力的变化规律，采用一个无量纲参数一柯西数( 惯性力 和弹性力的比值) 将生物质秸秆物料在闭模内压缩过程分为两个阶段：一个阶段 是疏松阶段，物料在压缩过程排除空气，惯性力占优势；一个阶段是致密阶段， 物料发生弹性变形，弹性力占优势。 近年来，我国一些学者在围绕生物质物料压缩流变特性的研究方面取得了一 定的研究进展。杨明韶等在模拟生产条件下完成了农业物料压缩试验研究，利用 高密度压捆机对揉碎的玉米秸秆及草物料进行压缩试验【2 0 】，探讨了压缩全过程粗 纤维物料的一般流变规律，为压捆机的优化设计提供了依据。在玉米秸秆粉粒体 4 第1 章绪论 模压成型方面，郭康权等对秸秆在模具中模压成型时的流变特性进行了研究1 2 1 1 ， 认为压力与应变服从日本的川北模型。将粉碎的玉米秸秆，经过分级、干燥或加水 调湿后放进锥形模具中进行压缩试验，结果表明，随着压缩力、模具锥度的增大 和原料粒度的减小，成型物高度增高、底厚变薄。并从微观的角度对玉米秸秆粉 粒体的压缩成型过程进行了粒子结构的分析，他根据压缩过程粒子变形的二向平 均径及结合形式，认为植物材料在压缩成型时，先是在垂直于最大主应力的方向， 粒予以相互啮合形式结合；接着在沿着最大主应力方向上，粒子以相互贴合形式 结合。赵东等在研究其粉粒体力学性能的基础上，通过密闭型圆筒准静态压缩试 验【2 2 】，用小变形弹塑性有限元理论进行分析计算，对玉米秆粉粒体塑性压缩成型 过程进行了有限元分析，推导并建立了玉米秆粉粒体压制成型的本构方程，其塑 性有限元进行的模拟计算结果与实验结果基本吻合，利用坐标更新后的计算结果 比全量法精确。 盛奎川等结合国外关于生物质压缩成型的最新研究进展，对生物质成型燃料 的物理品质进行了研究【2 3 1 。在生物质成型燃料物理特性试验研究的基础上，分析 了生物质成型燃料的品质指标与生物质成型过程的粒子特性、生化特性和电势特 性的关系。采用无量纲参数一松弛比( 最大压缩密度与松弛密度的比值) 表明， 在压力和初始密度相同条件下，常温压缩比加温压缩的松弛比大。松弛密度和耐 久性是衡量成型块物理品质特性的两个重要因素，其指标能直接反映成型燃料在 使用性能和贮藏性能方面的差异性，其研究为提高生物质成型燃料的物理品质， 以及为成型工艺的合理选择提供了理论依据。张百良等在液压活塞式成型机下进 行了生物质热压成型物理特性的试验研究【2 4 】，就大粒径秸秆粒度、含水率等对成 型密度、抗水性影响因素进行了分析。结果发现，原料含水率在8 一1 5 ，均很 容易压缩成型，在1 2 左右成型效果最佳，成型密度接近或大于1 c m 3 ，成型压力 一般在1 0 。3 0 m p a 。综上述，在生物质成型方面的研究已取得了一些进展和成果， 但到目前为止还主要是基于各种条件下的试验研究为主，对生物质成型压缩变形 过程的研究还不够深入，因此有必要对生物质成型压缩过程进行深层次的研究。 1 3 有限元分析现状 有限元方法作为一种离散化的数值解法，其基本思想的可以追溯到2 0 世纪4 0 山东大学硕士学佗论文 年代心引。1 9 4 3 年，c o u r a n t 在求解扭转问题时为了表征翘曲函数而将截面分成若干 三角形区域，在各三角形区域设定一个线性的翘曲函数，然后用最小势能原理求 解，这实质上就是有限元方法的基本思想。1 9 6 0 年，r w c l o u g h 教授在一篇题为 “平面应力分析的有限单元法”的论文中首次使用有限单元法一词，并得到了广 泛的认可，此后有限元法这一名称作为一种数值分析方法正式出现于工程技术领 域。有限元法把求解区域看作有许多小的在节点处相互连接的子域( 单元) 构成， 其模型给出基本方程的大单元近似解。由于单元可以被分割成各种形状和大小不 同的尺寸，所以它能很好地适应复杂的几何形状、复杂的材料特性和复杂的边界 条件，再加上有成熟的大型软件系统支持，已成为一种广受欢迎，应有极广的数 值计算方法。 目前，许多工程分析问题，如固体力学中的位移场和应力场分析、振动特性 分析、传热学中的温度场分析、流体力学中的流场分析等，可归结为在给定边界 条件下求解其控制方程( 常微分方程或偏微分方程) 的问题，由于物体的几何形 状较复杂或者问题的某些特征是非线性的，故很少有解析解。通过运用有限元数 值方法可以很好的求解 2 6 , 2 7 ，有限元法已被应用于包括固体力学、流体力学、热 传导、电磁学、声学等各个领域。从上世纪7 0 年代美国第一个有限元结构分析系 统s a p 问世到现在，国际上出现的面向工程的通用化程序多达数百种，较为著名 的有美国的a n s y s 、a b a q u s 、a d i n a 、i - d e a s 、m a r c 、s a p ，德国的a s k a ， 英国的p a f e c ，法国的s y s t u s 等软件。有限元软件发展很快，我国工程实际使 用的大多是引进的国外商品化软件 2 8 。0 1 。 1 4 课题研究内容 随着计算机技术的高速发展，基于个人计算机平台的虚拟技术和软件正成为 工程中分析研究领域的重要应用工具。生物质成型涉及几何变形、摩擦等非线性 问题，其流动和压缩比较复杂，对生物质的应力分布，密度分布以及成型规律还 不十分清楚，往往靠经验设计，影响了生物质成型技术的研究和应用。本文应用 有限元分析软件a n s y s 对生物质成型进行分析模拟研究，为成型机的加工试验和 工艺路线的优化提供依据和手段。主要研究内容如下： ( 1 ) 分析生物质的特性，包括物理特性及压缩特性。对影响生物质成型品质 6 第1 罩绪论 i ii i 的主要因素，原料含水率、成型压力及加热温度等进行分析；研究在间歇式液压 成型条件下的生物质的成型机理和规律，为有限元分析提供依据。 ( 2 ) 应用有限元理论和方法研究物料成型受挤压过程的的塑变、流变规律， 根据液压成型方式和生物质的特点，通过确定合理的边界条件，分析压缩过程中 应力、应变变化的规律以及影响成型过程的关键因素。 ( 3 ) 研究生物质在液压成型条件下，经过挤压成型进入挤出保型阶段，温度 对生物质成型的影响。在不同加热温度作用时热传递过程不同，分析不同阶段的 温度场变化情况以及对成型的影响。 1 5 本章小结 本章首先对作为可再生能源的生物质资源的特点进行了简要的论述，指出了 开发利用生物质废弃物的必要性。针对生物质原料存在体积大，能量密度低的问 题，作为生物质能利用方式之一的生物质固化成型技术，成为了解决这一不利因 素的一种有效途径。介绍了成型技术具有的优势，接着分析比较了国内外进行的 生物质成型技术试验研究和理论探讨情况。对有限元方法进行了简介，指出了用 有限元方法研究生物质成型对成型机的设计和工艺的优化都有很好的应用参考价 值，最后介绍了课题的研究内容。 7 第2 章生物质原料特性和液乐成型过程研究 i 一 一 一 ! 一一一 一 i i 曼曼! 曼曼曼曼! ! ! 曼曼! 曼! ! ! ! 曼 第2 章生物质原料特性和液压成型过程研究 2 1 生物质的组成成分和压缩特性 2 1 1 生物质的组成成分 生物质压缩成型所用的原料主要有：锯末、稻壳、木屑、秸秆等。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 以上阳3 。一般 在阔叶林、针叶林中，木质素是由苯基丙烷结构单体构成的，具有三度空间结构 的天然高分子化合物，赋予植物体高的硬度和刚度。在常温下木质素主要部分不 溶于有机溶剂，它属于非晶体，没有熔点但有软化点。当温度为7 0 - 11o c 时软化 具有黏性。当温度达到2 0 0 - - 3 0 0 。c 时软化程度加剧，黏性增高，此刻施加定压 力，可使其与纤维素紧密黏结，从而使植物质各部分在模具内成型。在热压缩过 程中无需黏结剂，即可得到与挤压模具相同形状的成型棒状或颗粒燃料。 半纤维素是由多聚糖组成，在贮存过程中易水解，转变为木质素，它结合在 纤维素微纤维的表面，并且相互连接，这些纤维构成了坚硬的细胞相互连接的网 络。半纤维素吸水性较强，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，含量高，吸湿率就高。纤维素是由葡萄糖组成的大分子多糖，是植物 细胞壁中的主要成分，赋予植物茎弹性和机械强度。纤维素一般不溶于水及有机 溶剂，对热的传导作用轴向比横向大，并且与纤维的孔隙度有关。不同种类的生 物质植物都含有纤维素、半纤维素及木质素，但其组成、结构不完全一样【3 卜。3 1 。 生物质的挥发分含量较高，一般在6 0 以上，因此生物质比煤易于燃烧，在4 0 09 c 左右的温度大部分挥发分就可释放出，煤则在8 0 0 c 才释放出3 0 左右的挥发组分。 生物质的固定碳和灰分含量少，发热量在1 5 m j k g 左右，比煤小，碳含量越高， 燃点越高，点火越难。生物质中碳含量一般在5 0 以下，以两种形式存在：与氢和 氮组成的化合物，燃烧时以挥发分形式析出燃烧，剩下的固定碳，则在挥发分析 出后，在更高的温度下才能燃烧。因此生物质与煤相比较易点燃和燃尽。表2 - 1 为典型的几种生物质的组成成分。 表2 1 生物质的基本组成及元素分析f 3 4 】 9 山东大学硕十学位论文 注：表中a d 为空干基 从生物质的组成成分看，大部分纤维素生物质都具有被压缩成型的基本条件， 生物质固化成型不改变生物质的内部结构和化学成分，保持了生物质易挥发和能 燃尽的特点。但在压缩成型之前，一般需要进行预处理。 2 1 2 生物质的压缩成型特性 生物质原料的结构通常都比较疏松，密度较小，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、颗粒机械变形和流变等阶段、体积大幅减 小，密度显著增大。由于纤维分子之间的相互缠绕和绞合，一部分残余应力贮存 于生物质成型块内部，使颗粒问结合得更牢固，在去除外部压力后，一般不能再 粒子的排列改变 一图 形国一船 ( a ) 大的空隙被充填：( b ) 小的空隙被充填 恢复原来的结构形状。生物质压缩成型的粒子变形可以用图2 一l 表示。开始施加 压力时，有一部分粒子会进入粒子间较大的空隙中，粒子间发生滑移，相对位置 不断改变，直到粒子间所有较大的空隙都被能进入的粒子占据，这时再增加压力， 1 0 第2 章生物质原料特性和液压成巧! 过程研究 只有靠粒子本身的变形去填充其周围的空隙，粒子在垂直于最大主应力的平面上 被延展，当粒子被延展到相邻的两个粒子相互接触的时候，继续加压力，粒子就 会相互结合，这样松散的生物质就被压缩成型。对于木质素含量较高的原料，在 成型温度达到木质素的软化点时，则木质素会发生塑性变形，从而将原料纤维紧 密地黏结在一起，并维持既定的形状。而生物质内部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也 起到粘合剂的作用，水分还有利于降低木质素的熔融温度，使原料在较低加热温 度下也能成型，因此过于干燥的生物质原料一般很难压缩成型。生物质成型燃料 块经冷却降温后，强度增大，即可得到燃烧性能类似于木材的生物质成型燃料5 1 。 由上分析可以看出，生物质原料的颗粒大小，含水率以及外部压力和温度等因素 都对压缩成型有很大的影响。 2 1 3 两类生物质压缩成型试验研究 生物质成型试验基本分为“开式 和“闭式”两种压缩方式，在进行压力、 密度、粒度、温度等相关因素对成型品质的影响上，积累了丰富的实验数据口6 3 奶。 “闭式”压缩成型试验是指用在一个柱塞推进器推力作用下，对装入一端封 闭的压模内的物料进行压缩的过程。活塞移动施压于物料，使其体积减小，在活 塞到达行程终点时，使物料成型并达到定密度后取出，然后装入新物料再进行 压缩，这种成型过程接近于农业纤维物料粉体的模压成型情况。闭式压缩中，最 大压缩力主要来自密闭压模的支撑反力，因此能获得较大的压缩力，这是目前采 用较多的种压缩试验方式，但与生物质成型实际压缩状况存在一定区别。 而“开式”压缩成型试验是指用一个柱塞对压缩室内的物料进行连续压缩， 克服压缩室与物料间的摩擦力推动物料向压缩室出口方向移动，然后边喂入物料 边压缩，被压缩后的成型物料随压缩过程的进行自动离开压缩室。生物质成型设 备的成型过程基本属于开式压缩，因此这种方式较接近实际成型压缩过程【4 0 4 1 1 ， 但在动态参数测量上还需要做进一步的的研究和改进，以便能观测成型的动态变 化过程。 山东大学硕十学何论文 2 2 生物质成型过程的影响因素 影响生物质压缩成型的因素较多，早期研究主要关心的是压力与密度的关系， 忽视了其他各种因素的影响。因为压缩条件、压缩方式、压缩对象等有较大的差 异【4 2 州】，因此对各因素的最优选择还不能实现统一。对生物质成型过程及产品性 能产生影响的主要因素有：生物质种类、粒度和粒度分布、原料含水率、成型压 力及加热温度。 2 2 1 生物质种类 不同的原料种类，其压缩成型特性具有较大差异。在大量的农林废弃物中， 原料的不同不但影响成型的物理品质，如成型密度、强度、热值等，还影响成型 机的功耗和单位产量。一般木材废料难压缩，而纤维素植物秸秆和树皮等容易压 缩，在不加热条件下或温度较低时，较难压缩的原料就不易成型，秸秆等纤维素 植物则较易成型；但是在加热条件下或当温度较高时，由于木材废料含有较多木 质素，虽然其本身难于压缩成型，但木质素软化能起到黏结作用，在高温条件下 成型反而容易，而植物秸秆和树皮等含木质素较少，黏结能力弱，成型后没有木 质原料成型棒结合得牢固。所以原料的种类对压缩成型的影响与成型方式有密切 的关系。 2 2 2 粒度和粒度分布 原料的粒度大小也影响压缩成型的效果，然而不同的压缩成型方式对粒度的 要求不尽相同。一般粒度小的原料容易压缩，而粒度大的原料较难压缩，在相同 压力下，原料的粒径越小，其变形率就越大。对于确定的成型方式，原料的粒度 大小和粒度分布不应大于某一尺寸。如对于直径为6 m m 的颗粒成型燃料，其要求 原料粒径小于5 m m 。当原料的粒度较大时，成型机能耗大，工作不稳定，但对于机 械冲压成型，要求原料有一定的尺寸或较长的纤维，原料粒度小反而容易产生脱 落。对于螺旋挤压成型，原料粒度分布较大时，颗粒不均匀，容易导致成型物表 面产生裂纹，密度、强度降低。 2 2 3 原料含水率 原料的含水率对成型过程有很大的影响，是生物质成型中需要控制的一个重 1 2 第2 章生物质原料特性和液压成型过程研究 要参数。当原料含水率过高时，加热过程中产生的蒸汽不能顺利地从成型燃料中 心排出，轻者会造成燃料开裂，表面非常粗糙，严重时产生爆鸣，在相同成型温 度下，含水率过高会降低物料的传热速度，一部分热量消耗在蒸发多余水分上， 影响热量的传递并造成能量的不必要损失；当原料含水率太低时，使原料内颗粒 问摩擦和抗压强度增大，造成太多的压缩能消耗，成型也很困难，因为微量水分 作为一种必不可少的自由基，对木质素的软化、塑化有促进作用，有利于降低木 质素的熔融温度，在压力作用下，能与果胶质或糖类混合形成胶体也起到粘合剂 的作用。对于不同的原料以及压缩方式，成型的适宜含水率有所不同，一般范围 在1 2 - - - , 2 0 。 2 2 4 成型压力 成型压力是生物质原料压缩成型最基本的条件。只有施加足够的压力，原料 才能被压缩成型。压力为物料在模具中的成型提供必要的动力，使松散的生物质 变得致密均实，提高成型燃料的强度。试验表明，压力过低将不能使原料压紧压实， 严重时，不足以克服摩擦力，成型将无法进行，但成型压力与模具的形状尺寸有密 切关系，原料从成型腔的一端压入，从另一端挤出( 出料端直径小于进料端直径) ， 这时原料的成型压力与原料所受的摩擦力相平衡。在压力较小时，密度随压力增 加而大幅度增大，当压力增加到一定值以后，成型物密度的增加就变得缓慢。不 同的生物质成型所需压强具有区别，因此模具的尺寸中成型锥角与锥长也会有所 不同，当增加成型套锥长或锥角时，成型后密度将增大，同时也将影响成型过程 生物质喂入前后的体积比及设备能耗。 2 2 5 加热温度 生物质原料压缩成型过程中的加热，一方面可使原料中含有的木质素软化， 起到黏结剂的作用；另一方面还可使原料本身变软，增强物料的塑性和流动性， 使物料粒子更易结合，容易压缩。除此之外，加热温度对成型机的工作效率也产 生影响。对于棒状燃料成型机，当机器的结构尺寸确定后，加热温度就应该调整 到一个合理的范围。加热温度不但影响原料的成型性，而且影响成型机的工作效 率，成型时温度至少不应低于生物质的软化点温度。温度过低，不足以使木质素 塑化，即使有足够压力，也不能将原料成型，而且功耗增加；虽然温度对压缩成 山东大学硕十学位论文 型有利，但成型温度也不宜太高，当温度过高，会造成成型燃料表面严重热分解， 出现裂缝，且使成型压力减小，成型物挤压不实，从而降低了强度，导致容易断 裂破损。加热温度一般调整在1 5 0 - - 3 0 0 。c 之间。颗粒燃料成型虽然没有外热源加 热，但在成型过程中，原料同机器工作部件之间的摩擦作用也可以将原料加热到 1 0 0 。c 左右，同样可使原料所含木质素软化，起到黏结作用。所以温度在生物质热 压成型是一个重要的影响因素。 2 3 生物质的不同压缩方式和成型工艺 目前生物质成型燃料主要有两种形式：即压块( b r i q u e t t e ) 和颗粒( p e l l e t ) ； 在工艺特征上可划分为湿压成型、热压成型和炭化成型三种基本类型。( 1 ) 湿压 成型是将原料水浸数日后，或将原料喷水，加黏结剂搅拌混合均匀，使纤维变软， 皱裂，其压缩成型特性明显改善，利用压力把水分挤出，同样，也可以使用简单 的杠杆和模具，可形成较低密度的压缩成型燃料，在模压颗粒成型和纤维板生产 上较常见。( 2 ) 热压成型是较普遍采用的生物质压缩成型方式，由于原料的种类、 粒度、含水率、成型压力以及成型温度等因素对成型过程和产品性能都有一定的 影响，因此其具体的生产工艺流程和成型机结构和原理也有一定的差别，常用的 热压成型还是在模具外部设置一段外加热源，通过模具使物料受热来提高温度。 ( 3 ) 炭化成型是将生物质原料炭化为粉粒状后添加一定量的黏结剂挤压成一定规 格和形状的成型木炭，由于原料纤维结构在炭化过程中受到破坏，高分子组分受 热裂解转换成炭并释放出挥发分( 木醋液、焦油等) ，同时成型中黏结剂的使用使 成型过程中部件的机械磨损和原料的加工性能都得到较大改善，功率消耗明显降 低。但是炭化成型后也存在维持既定形状能力较差和储存、运输容易开裂和破碎 的问题。 根据压缩方式和成型原理的不同，成型机可分为：螺旋式成型机、活塞成型机、 模压颗粒成型机。 2 3 1 螺旋式成型机 螺旋式成型机是最早研制生产的热压成型机，其原理