基于生物质碾压成型机理的成型能耗影响因素研究

发布时间：2020-10-11 16:50

　　 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ANSYS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、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。
【学位单位】：山东大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2011
【中图分类】：TK6
【部分图文】：

一洲二二二冬~扮越泛一~卢葬器不:护，翠“黛~花_图2一l秸秆细胞壁结构示意图图2一2细胞壁层结构图(l)胞间层(ML)，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1一3协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

由此可以看到，原料利，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2一3中两种超微结构模型来表示。‘圣乌5图2一3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ML、P、51、52、53组成。51层较厚，呈近横向交叉螺旋形，S:微纤维角度较大，缠绕角30。一400，53为近于横向交叉螺旋形，ML为网状。第二种模型细胞腔很小，细胞壁厚，S:层是细胞壁的最主要部分，其微纤维的缠绕角为300一400。一般稻草和木屑主要由第一种模型纤维构成

(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[25一27]。其中纤维素、半纤维素和木质素，占植物体成分的2/3以上[28]。秸秆化学成分的组成如图2一4所示。主要组分肾维索‘水解单件。·葡萄特’水化合物{半纤维素‘水解单箱一D一萄称D一半乳称!D一甘茸掩、D一木箱、L一阿拉伯糖)质素木碳l!健lt.!、无机物(灰分)有机物(芳香族、拈稀类、脂肪族化合物)lr.七分组t少了.圣住毛..笼万，月!咬毛1!11分成学化秆枯图2一4秸秆化学成分的组成在图2一4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[29，“0]C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，这些纤维构成了坚硬的细胞相互连接的网络。其中纤维素是以分子链聚集成排列有序的微纤丝束状态存在于细胞壁中，起到骨架作用，赋予秸秆抗拉强度，故为细胞壁的骨架物质:半纤维素以无定形状态渗透在骨架物质之中
【引证文献】

相关博士学位论文 前1条

1 高微;生物质颗粒燃料制粒机数字化设计及试验研究[D];沈阳农业大学;2012年

本文编号：2836858