旋轉擠壓制備稻秸固體成型燃料關鍵技術研究.pdf

1、目前，全世界正面臨著能源與環(huán)境的雙重壓力，而秸稈類生物質原料具有環(huán)保、清潔和可持續(xù)利用的特點，其能源化開發(fā)利用受到越來越多的重視。在生物質能源化利用的各種途徑中，旋轉擠壓成型因工藝簡單，且所制備的成型燃料密度和強度較高，便于運輸和使用，已逐漸成為歐美等發(fā)達國家的主流技術。但國內該項技術的基礎理論研究則較為匱乏和滯后。本文以提高稻秸旋轉擠壓成型生產效率、提升成型模具壽命和制品品質為目標，采用理論分析與試驗相結合的方法，對稻秸旋轉擠壓成型過

2、程中的原料壓制力學特性、成型能耗建模、模具磨損機理以及原料改性預處理一系列關鍵技術問題進行了深入研究，探索各類因素對成型過程的影響規(guī)律，以實現(xiàn)稻秸類生物質資源的高效利用。
　　本文主要完成了以下幾方面的研究工作:
　　通過試驗獲得了稻秸的組成成分以及堆積密度、摩擦系數、燃燒熱值和熱分解特性等基礎理化特性參數，并對稻秸旋轉擠壓成型的基本原理以及顆粒間的粘結機理進行了分析;對稻秸旋轉擠壓成型過程進行了詳細分區(qū)，分析了旋轉擠壓成型

3、過程中稻秸原料在兩個區(qū)域內的流變過程。根據旋轉擠壓成型試驗需求，設計了擠壓成型試驗平臺，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、制品抗張強度和擠出力的作用規(guī)律和影響機理。分別建立了粉碎稻秸和切碎稻秸在變形壓緊區(qū)內的壓制力學模型，利用該模型可模擬稻秸變形壓緊過程;利用響應面試驗，建立了粉碎稻秸在擠壓成型區(qū)內關鍵力學參數擠出力以及制品最終成型密度和抗張強度的預測模型，并以制品品質為目標對工

4、藝參數進行了優(yōu)化和試驗驗證，結果表明擠出力、制品密度和抗張強度回歸模型具有較高的可靠性，預測誤差分別為4.66％、1.77％和3.25％。
　　根據物料攫取條件建立了稻秸旋轉擠壓成型產量計算模型，分析了各因素與產量之間的關系。對變形壓緊區(qū)和擠壓成型區(qū)進行了精確分區(qū)計算，根據分區(qū)情況對壓輪的受力進行了分析，分別采用二次多項式模型和指數模型對變形壓緊區(qū)內的壓力進行了求解，建立了驅動扭矩和能耗的理論計算模型。分析得到:為提高成型效率，應

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。試驗驗證表明指數模型具有較好的計算精度，扭矩的計算誤差為3.01％。當物料修正系數為0.67時，產量模型的計算誤差為4.52％。
　　通過生產試驗對稻秸旋轉擠壓成型模具的磨損形態(tài)和磨損機理進行了研究，總結了環(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系。利用分形理論初步建立了磨料磨損分形計算模型，得到了存在最優(yōu)分形維數使磨

6、損率最小的結論;有限元仿真結果顯示模具硬度對磨損的影響較成型速度強，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評價了不同材料模具的耐磨性能，結果顯示五類試驗材料的耐磨性能依次為9SiCr＞65Mn＞42CrMo＞T10A＞45鋼。從耐磨性能和生產成本兩方面進行分析得出42CrMo是較為理想的環(huán)模材料。
　　提出了一種復合改性制備稻秸固體成型燃料的新方法，研究了復合改性對成

7、型能耗和制品品質的影響規(guī)律。結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度隨菜籽餅添加比例的增加而增加，隨石蠟、粗甘油和機油添加比例的增加而降低，通過對原料的預處理會在一定程度上降低制品抗張強度。其中水熱處理+石蠟復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％，且制品抗張強度可滿足使用要求。通過能值分析得到烘焙復