旋轉(zhuǎn)擠壓制備稻秸固體成型燃料關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、目前，全世界正面臨著能源與環(huán)境的雙重壓力，而秸稈類生物質(zhì)原料具有環(huán)保、清潔和可持續(xù)利用的特點(diǎn)，其能源化開發(fā)利用受到越來越多的重視。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)國家的主流技術(shù)。但國內(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，對稻秸旋轉(zhuǎn)擠壓成型過

2、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)問題進(jìn)行了深入研究，探索各類因素對成型過程的影響規(guī)律，以實(shí)現(xiàn)稻秸類生物質(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;對稻秸旋轉(zhuǎn)擠壓成型過程進(jìn)行了詳細(xì)分區(qū)，分析了旋轉(zhuǎn)擠壓成型

3、過程中稻秸原料在兩個(gè)區(qū)域內(nèi)的流變過程。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，研究了含水率、原料粒度、成型壓力、成型溫度、成型速度和模具長徑比幾類因素對成型密度、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)測模型，并以制品品質(zhì)為目標(biāo)對工

4、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)

5、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％。
　　通過生產(chǎn)試驗(yàn)對稻秸旋轉(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

6、損率最小的結(jié)論;有限元仿真結(jié)果顯示模具硬度對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。通過最大磨損深度、表面輪廓曲線、表面粗糙度和分形維數(shù)評價(jià)了不同材料模具的耐磨性能，結(jié)果顯示五類試驗(yàn)材料的耐磨性能依次為9SiCr＞65Mn＞42CrMo＞T10A＞45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)合改性對成

7、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，通過對原料的預(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)度可滿足使用要求。通過能值分析得到烘焙復(fù)