【摘要】：目前,全世界正面臨著能源與環(huán)境的雙重壓力,而秸稈類(lèi)生物質(zhì)原料具有環(huán)保、清潔和可持續(xù)利用的特點(diǎn),其能源化開(kāi)發(fā)利用受到越來(lái)越多的重視。在生物質(zhì)能源化利用的各種途徑中,旋轉(zhuǎn)擠壓成型因工藝簡(jiǎn)單,且所制備的成型燃料密度和強(qiáng)度較高,便于運(yùn)輸和使用,已逐漸成為歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家的主流技術(shù)。但國(guó)內(nèi)該項(xiàng)技術(shù)的基礎(chǔ)理論研究則較為匱乏和滯后。本文以提高稻秸旋轉(zhuǎn)擠壓成型生產(chǎn)效率、提升成型模具壽命和制品品質(zhì)為目標(biāo),采用理論分析與試驗(yàn)相結(jié)合的方法,對(duì)稻秸旋轉(zhuǎn)擠壓成型過(guò)程中的原料壓制力學(xué)特性、成型能耗建模、模具磨損機(jī)理以及原料改性預(yù)處理一系列關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題進(jìn)行了深入研究,探索各類(lèi)因素對(duì)成型過(guò)程的影響規(guī)律,以實(shí)現(xiàn)稻秸類(lèi)生物質(zhì)資源的高效利用。本文主要完成了以下幾方面的研究工作:通過(guò)試驗(yàn)獲得了稻秸的組成成分以及堆積密度、摩擦系數(shù)、燃燒熱值和熱分解特性等基礎(chǔ)理化特性參數(shù),并對(duì)稻秸旋轉(zhuǎn)擠壓成型的基本原理以及顆粒間的粘結(jié)機(jī)理進(jìn)行了分析;對(duì)稻秸旋轉(zhuǎn)擠壓成型過(guò)程進(jìn)行了詳細(xì)分區(qū),分析了旋轉(zhuǎn)擠壓成型過(guò)程中稻秸原料在兩個(gè)區(qū)域內(nèi)的流變過(guò)程。根據(jù)旋轉(zhuǎn)擠壓成型試驗(yàn)需求,設(shè)計(jì)了擠壓成型試驗(yàn)平臺(tái),研究了含水率、原料粒度、成型壓力、成型溫度、成型速度和模具長(zhǎng)徑比幾類(lèi)因素對(duì)成型密度、比能耗、制品抗張強(qiáng)度和擠出力的作用規(guī)律和影響機(jī)理。分別建立了粉碎稻秸和切碎稻秸在變形壓緊區(qū)內(nèi)的壓制力學(xué)模型,利用該模型可模擬稻秸變形壓緊過(guò)程;利用響應(yīng)面試驗(yàn),建立了粉碎稻秸在擠壓成型區(qū)內(nèi)關(guān)鍵力學(xué)參數(shù)擠出力以及制品最終成型密度和抗張強(qiáng)度的預(yù)測(cè)模型,并以制品品質(zhì)為目標(biāo)對(duì)工藝參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化和試驗(yàn)驗(yàn)證,結(jié)果表明擠出力、制品密度和抗張強(qiáng)度回歸模型具有較高的可靠性,預(yù)測(cè)誤差分別為4.66%、1.77%和3.25%。根據(jù)物料攫取條件建立了稻秸旋轉(zhuǎn)擠壓成型產(chǎn)量計(jì)算模型,分析了各因素與產(chǎn)量之間的關(guān)系。對(duì)變形壓緊區(qū)和擠壓成型區(qū)進(jìn)行了精確分區(qū)計(jì)算,根據(jù)分區(qū)情況對(duì)壓輪的受力進(jìn)行了分析,分別采用二次多項(xiàng)式模型和指數(shù)模型對(duì)變形壓緊區(qū)內(nèi)的壓力進(jìn)行了求解,建立了驅(qū)動(dòng)扭矩和能耗的理論計(jì)算模型。分析得到:為提高成型效率,應(yīng)盡可能的選擇較小的模輥比、較大的摩擦角、較高的初始原料密度以及較大的模具尺寸。試驗(yàn)驗(yàn)證表明指數(shù)模型具有較好的計(jì)算精度,扭矩的計(jì)算誤差為3.01%。當(dāng)物料修正系數(shù)為0.67時(shí),產(chǎn)量模型的計(jì)算誤差為4.52%。通過(guò)生產(chǎn)試驗(yàn)對(duì)稻秸旋轉(zhuǎn)擠壓成型模具的磨損形態(tài)和磨損機(jī)理進(jìn)行了研究,總結(jié)了環(huán)模的磨損規(guī)律,確定該類(lèi)磨損為典型的磨料磨損,分析了壓縮力與模具磨損之間的關(guān)系。利用分形理論初步建立了磨料磨損分形計(jì)算模型,得到了存在最優(yōu)分形維數(shù)使磨損率最小的結(jié)論;有限元仿真結(jié)果顯示模具硬度對(duì)磨損的影響較成型速度強(qiáng),45鋼成型模具的較優(yōu)熱處理硬度為47.9 HRC。通過(guò)最大磨損深度、表面輪廓曲線(xiàn)、表面粗糙度和分形維數(shù)評(píng)價(jià)了不同材料模具的耐磨性能,結(jié)果顯示五類(lèi)試驗(yàn)材料的耐磨性能依次為9SiCr65Mn42CrMoT10A45鋼。從耐磨性能和生產(chǎn)成本兩方面進(jìn)行分析得出42CrMo是較為理想的環(huán)模材料。提出了一種復(fù)合改性制備稻秸固體成型燃料的新方法,研究了復(fù)合改性對(duì)成型能耗和制品品質(zhì)的影響規(guī)律。結(jié)果表明改性后稻秸原料的成型能耗顯著降低;改性稻秸固體成型燃料的燃燒熱值明顯提升;改性稻秸制品密度和抗張強(qiáng)度隨菜籽餅添加比例的增加而增加,隨石蠟、粗甘油和機(jī)油添加比例的增加而降低,通過(guò)對(duì)原料的預(yù)處理會(huì)在一定程度上降低制品抗張強(qiáng)度。其中水熱處理+石蠟復(fù)合改性處理稻秸的成型能耗較未處理稻秸降低了 51.35%、制品密度提高了 5.52%、制品熱值提升了 70.85%,且制品抗張強(qiáng)度可滿(mǎn)足使用要求。通過(guò)能值分析得到烘焙復(fù)合改性處理方案的能值收益率為2.848,高于單一改性處理2.480,而水熱復(fù)合改性處理能值收益率最低,僅為1.475。烘焙復(fù)合改性處理的能值轉(zhuǎn)換率為4.566 set/J,與煤炭能值轉(zhuǎn)換率4 set/J非常接近,該類(lèi)改性處理方式具有較高的性?xún)r(jià)比,所生產(chǎn)的固體成型燃料可作為煤炭的優(yōu)良替代品。
【圖文】：

ＢＤＦ）密度在０．８？１．４邋ｇ／ｃｍ３范圍內(nèi)，存在形式為顆粒狀、棒狀或塊狀，密度和強(qiáng)度較逡逑高，，便于運(yùn)輸和燃燒Ｗ，可作為發(fā)電、工業(yè)鍋爐、供熱和戶(hù)用炊事等用途，是化石燃逡逑料的重要替代品Ｗ’ｌｅ’Ｗ。各類(lèi)典型的生物質(zhì)固體成型燃料如圖１．邋１所示。逡逑灥媂逡逑圖１．１各類(lèi)生物質(zhì)固體成型燃料逡逑生物質(zhì)固體成型燃料相對(duì)煤炭等化石燃料具有清潔和可再生的優(yōu)勢(shì)，大氣中的二逡逑氧化碳通過(guò)光合作用固定在農(nóng)作物內(nèi)部，收獲后的農(nóng)作物稻巧成型為固體燃料后進(jìn)行逡逑燃燒利用，整個(gè)過(guò)程可Ｗ理解為二氧化碳零排放（如圖１．２所示）。表１．３為鍋爐燃煤逡逑和燃用稻桿固體成型燃料的排放物濃度值ｔｉｓｉ，可見(jiàn)使用生物質(zhì)固體成型燃料時(shí)二氧化逡逑硫、氮氧化物和顆粒物的排放濃度均大幅低于燃煤時(shí)的排放濃度，固體成型燃料的排逡逑２逡逑

２００５邋２邋抓６邋２附邋７邋２００Ｓ邋２郵９邋２０１０邋２０１１邋２０１２邋２０１３逡逑年份逡逑圖１．邋３邋２００５￣２０１３年中國(guó)生物燃料利用量逡逑為推動(dòng)程軒類(lèi)生物質(zhì)資源的綜合有效利用，國(guó)務(wù)院辦公廳發(fā)布的《關(guān)于加快推進(jìn)逡逑農(nóng)作物枯巧綜合利用意見(jiàn)的通知》中指出＂結(jié)合鄉(xiāng)村環(huán)境整治，積極利用稻桿生物氣逡逑化（沼氣）、熱解氣化、固化成型及炭化等發(fā)展生物質(zhì)能，逐步改善農(nóng)村能源結(jié)構(gòu)。＂逡逑財(cái)政部也出臺(tái)了《程巧能源化利用補(bǔ)助資金管理暫行辦法》，采取綜合性補(bǔ)助方式，支逡逑持從事稻軒成型燃料、括巧氣化、精桿千飽等稻桿能源化生產(chǎn)的企業(yè)收集稻桿、生產(chǎn)逡逑稻桿能源產(chǎn)品并向市場(chǎng)推廣。利用致密成型技術(shù)將稻桿類(lèi)生物質(zhì)原料成型為固體燃料逡逑將是其能源化利用最具潛力的發(fā)展方向之一。在各種利好政策的作用下，將生物質(zhì)資逡逑３逡逑
【學(xué)位授予單位】：南京理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類(lèi)號(hào)】：TK6

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2697851