玉米秸稈致密成型試驗(yàn)研究

1、玉米秸稈致密成型試驗(yàn)研究大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 學(xué)號：A07100006玉米秸稈致密成型試驗(yàn)研究學(xué)生姓名：指導(dǎo)教師：所在院系：工程學(xué)院所學(xué)專業(yè)：機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動化研究方向：生物能源XXXXXXX中國·哈爾濱 2014年5月XXXXXXXXXXXXXXX Student ID:A07100006Research On Densification Of CornName：Supervising Teacher:Study College：Engineering collegeStudying Major: Mechanical Design Manufacturing and Automa

2、tion Major：Mechanical EngineeringXXXXXXXChinaHarbinMay,2014摘 要生物質(zhì)能是一種可再生能源，僅次于煤炭、石油和天然氣居于世界能源消費(fèi)總量的第四位，以其無污染、資源豐富等優(yōu)勢越來越受到重視。當(dāng)前，開發(fā)生物質(zhì)能已成為解決能源問題的主要途徑和研究方向。生物質(zhì)成型燃燒成本較低，經(jīng)過致密成型后的生物質(zhì)燃料密度和強(qiáng)度都得到提高，且便于運(yùn)輸和燃燒。致密成型技術(shù)可以有效的使松散的生物質(zhì)致密化，并且可以顯著的提高生物質(zhì)性能，因此開展生物質(zhì)致密成型燃料技術(shù)對開辟新能源利用領(lǐng)域有重要的作用。本研究首先介紹了課題的背景及現(xiàn)狀，然后對玉米秸稈進(jìn)行了致密成型試驗(yàn)研

3、究。分別研究了含水率、壓輥轉(zhuǎn)速、不同沼液pH值、不同預(yù)處理時(shí)間對玉米秸稈致密成型塊松弛比和成型率的影響。綜上，本文通過對玉米秸稈致密成型因素的研究，為玉米秸稈致密成型、開展生物質(zhì)致密成型燃料技術(shù)等提供重要的理論基礎(chǔ)。關(guān)鍵詞：玉米秸稈；致密成型；單因素IAbstractAs a renewable energy, biomass energy,the fourth of the total energy consumption,only afterward coal,oil and natural gas,receives more and more attentions for its rem

4、arkable advantages such as pollution-free and richness in resources.Nowadays,developing biomass energy has been the major approach and study direction of solving energy problem.Biomass molding burning cost low,the density and intensity of the biomass fuel both improve after density molding,and be co

5、nvenient to transit and burn.Density molding technology can make loose biomass densifying availably,and improve biomass performance effectively,thus,it plays an important role for opening up the new energy field to carry out the biomass density molding fuel technology.This study introduces the backg

6、round and the present situation of the topic firstly,and then make an experimental study on the cornstalk density forming.Respectively study the influence of the moisture content,roller speed,different Biogas pH value and culture time to cornstalk density relaxation ratio and the molding rate. In

7、60;conclusion,through the researches on the mechanism of the cornstalk forming, we provided theoretical basis for cornstalk density forming and developing biomass density forming fuel technology and so on.Key words:Cornstalk;Densificat

8、ion Molding;Single FactorII目 錄摘 要IAbstractII1前 言11.1研究背景11.2研究意義21.3研究內(nèi)容32 材料與方法42.1 試驗(yàn)裝置42.2 試驗(yàn)儀器42.3 試驗(yàn)測定項(xiàng)目和方法52.3.1 秸稈含水率的測定52.3.2 pH值的測定62.3.3 纖維素、半纖維素、木質(zhì)素的測定62.3.4 微觀結(jié)構(gòu)觀察72.3.5 豬糞沼液化學(xué)特性82.3.6 松弛比和成型率的測定93試驗(yàn)與結(jié)論103.1 各因素試驗(yàn)結(jié)果與分析103.1.1 含水率對試驗(yàn)指標(biāo)的影響103.1.2 壓輥轉(zhuǎn)速對試驗(yàn)指標(biāo)的影響113.1.3 不同pH沼液培養(yǎng)玉米秸稈對試驗(yàn)指標(biāo)的影響123

9、.1.4 不同沼液預(yù)處理時(shí)間對試驗(yàn)指標(biāo)的影響133.2 本章小結(jié)144 結(jié)論和展望164.1 結(jié)論165.2 展望16參考文獻(xiàn)17致 謝20III玉米秸稈致密成型試驗(yàn)研究1前 言1.1研究背景人類正面臨著巨大的能源與環(huán)境的雙重壓力。經(jīng)濟(jì)社會飛速發(fā)展以能源為主要動力，經(jīng)濟(jì)發(fā)展越快，能源消耗越多，尤其是對化石燃料的需求，現(xiàn)如今我們正面臨著兩個突出的問題：一是礦物能源資源正在日益耗盡，按當(dāng)前消費(fèi)量推算，世界石油資源將在2050年左右消耗殆盡，國際石油的價(jià)格已是二十年前5倍左右1；二是大量使用礦物能源造成日益嚴(yán)重的環(huán)境問題。由于化石燃料的大量使用，導(dǎo)致過多的CO2釋放，破壞了自然界碳與能量的平衡。據(jù)預(yù)

10、測，20132040年全世界能源需求量將擴(kuò)增至一半以上，以每年1.8%的年增長率增加。最新數(shù)據(jù)表明：按當(dāng)前化石能源探明的儲量和平均消耗速度計(jì)算，石油將在 2060年左右枯竭；天然氣約在2050年前后枯竭。中國能源消費(fèi)概況（2012年）2如圖1所示。圖1中國能源消費(fèi)概況（2012年）由圖1可以看出我國目前仍以煤炭作為主要能源供應(yīng)，能源消費(fèi)構(gòu)成中，煤炭占到70%。我國二氧化硫排放總量的90%和煙塵排放的70%都是由燃煤造成的3。近兩年，全國各地出現(xiàn)了不同程度的霧霾天氣，這和我國能源結(jié)構(gòu)的不合理有著密不可分的關(guān)系。可見，化石燃料的日漸枯竭和化石燃料的大量使用所導(dǎo)致的生態(tài)破壞與環(huán)境污染問題已經(jīng)嚴(yán)重制約

11、了人類社會的發(fā)展?，F(xiàn)如今，國家高度重視可再生能源（生物質(zhì)能、風(fēng)能、太陽能等）等新能源的開發(fā)及利用。生物質(zhì)能是可再生能源的重要組成部分，并且是目前唯一一種可以運(yùn)輸和儲存的可再生能源，因此，發(fā)展生物質(zhì)能可謂是迫在眉睫1。生物質(zhì)能，即蘊(yùn)含在生物質(zhì)中的能量4，是通過光合作用把太陽能以化學(xué)能或者其他的形式的能量儲存在有機(jī)體中的一種能源形式。從能源利用角度看，凡是能作為能源利用的生物質(zhì)都可稱為生物質(zhì)能。現(xiàn)如今的中國生物質(zhì)能來源主要為農(nóng)業(yè)生物質(zhì)資源、林業(yè)生物質(zhì)資源、畜禽糞尿、工業(yè)有機(jī)廢水、生活污水、城市固體廢物等。從化學(xué)角度上看，生物質(zhì)組成與常規(guī)礦物質(zhì)燃料屬同類，都為C-H化合物。石油和煤都是生物質(zhì)經(jīng)過長期

12、轉(zhuǎn)換而來的，因此生物質(zhì)可認(rèn)為是礦物燃料的鼻祖，所以，生物質(zhì)燃料也被稱為“綠色煤炭”5。生物質(zhì)的利用方式和屬性與礦物燃料很相似，可以充分利用已發(fā)展起來的常規(guī)能源技術(shù)來開發(fā)和利用生物質(zhì)能。生物質(zhì)致密成型技術(shù)是將生物質(zhì)原料經(jīng)過干燥、粉碎等一系列的預(yù)處理后，在一定溫度、濕度和壓力條件下，生物質(zhì)原料的顆粒位置重新排列并發(fā)生機(jī)械變形和塑性變形，成為密度較大、形狀較規(guī)則、燃燒值較高的固體燃料的過程6。經(jīng)致密成型后的產(chǎn)品用途廣泛，可作為火力發(fā)電、生活燃燒、氣化、液化等的原料，致密成型對整個生物質(zhì)能源的利用起重要支撐作用。生物質(zhì)能是一種可以儲存的可再生能源，生物質(zhì)原料致密成型后，密度可達(dá)0.8-1.4g/cm3

13、7。燃燒特性有明顯改善，具有無黑煙、飛灰少、燃燒完全等優(yōu)點(diǎn)，且生物質(zhì)致密成型燃料經(jīng)深加工可制成機(jī)制木炭，與傳統(tǒng)木炭相比具有形狀規(guī)則、強(qiáng)度高、孔隙多、易燃耐燒、無污染等優(yōu)點(diǎn)。致密成型燃料利于存儲和運(yùn)輸，易于進(jìn)行商品化生產(chǎn)和銷售。當(dāng)前的生物質(zhì)致密成型設(shè)備在生產(chǎn)運(yùn)行的過程中也顯現(xiàn)出比較嚴(yán)重的問題8，阻滯了生物質(zhì)致密成型燃料行業(yè)的規(guī)?；a(chǎn)和快速發(fā)展?，F(xiàn)有的致密成型設(shè)備多采用加熱成型工藝，生產(chǎn)能耗偏高，甚至為生產(chǎn)生物質(zhì)成型燃料而消耗過多常規(guī)能源；此外，當(dāng)前的致密成型工業(yè)化生產(chǎn)需要粘結(jié)劑，所以在致密成型過程中添加化學(xué)添加劑，造成了生產(chǎn)成本過高；關(guān)鍵設(shè)備出現(xiàn)磨損嚴(yán)重的情況，修復(fù)和更換關(guān)鍵部件也需增加成本，

14、耗時(shí)長，使設(shè)備不能連續(xù)的生產(chǎn)9。近年來，生物質(zhì)致密成型技術(shù)受國家重視程度越來越高。2007年，國家發(fā)改委頒布的可再生能源中長期發(fā)展規(guī)劃中，明確規(guī)定將固體成型燃料作為重中之重的領(lǐng)域。要求生物質(zhì)燃料顆粒的利用量在2020年達(dá)到5000萬噸10。2008年，國務(wù)院辦公廳發(fā)布關(guān)于加快推進(jìn)農(nóng)作物秸稈利用意見的通知，要求積極利用秸稈進(jìn)行生物氣化、熱解氣化、固化成型技術(shù)來發(fā)展生物質(zhì)能，逐步實(shí)現(xiàn)農(nóng)村能源環(huán)境的改善。2013年9月國務(wù)院發(fā)布大氣污染防治行動計(jì)劃明確要求要用固體成型燃料、液體生物燃料和生物天然氣等生物質(zhì)能源代替煤炭和化石燃油，降低進(jìn)口壓力11。因此，開展生物質(zhì)致密成型技術(shù)可謂意義重大。1.2研究意

15、義生物質(zhì)致密成型產(chǎn)品不僅方便儲存與運(yùn)輸，其優(yōu)異的燃燒特性也使生物質(zhì)致密成型技術(shù)得以快速發(fā)展。但是通過國內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)，對于致密成型的研究方法與成型機(jī)理上還存在一定問題。 對寒區(qū)玉米秸稈致密成型的微觀機(jī)理研究較少。玉米秸稈成型機(jī)理較為成熟的是“木質(zhì)素塑化成型機(jī)理”，木質(zhì)素在一定的溫度和壓力作用下產(chǎn)生“軟化”和“熔融”，使顆粒之間進(jìn)行粘合，高溫加熱和壓制成型。但寒冷地區(qū)的作物為一年一熟，玉米秸稈具有較高的含水率。因此對寒區(qū)玉米秸稈成型的微觀機(jī)理研究也具有重大意義。玉米秸稈成型技術(shù)的發(fā)展和研究，順應(yīng)國家政策和能源的需求，符合國家的國情，大力發(fā)展生物質(zhì)致密成型技術(shù)，具有極大的現(xiàn)實(shí)意義。1.3研究內(nèi)容

16、本課題首先介紹了課題的背景，對國內(nèi)外生物質(zhì)成型技術(shù)進(jìn)行調(diào)查，并對目前玉米秸稈致密成型技術(shù)存在的問題進(jìn)行了分析。然后分別從以下兩大方面進(jìn)行研究：（1）對玉米秸稈進(jìn)行致密成型試驗(yàn)研究。分別研究了含水率、壓輥轉(zhuǎn)速、不同沼液pH值、不同沼液預(yù)處理時(shí)間對玉米秸稈致密成型塊松弛比和成型率的影響，為玉米秸稈致密成型參數(shù)的調(diào)整提供指導(dǎo)依據(jù)。（2）通過對玉米秸稈的理化特性、粘結(jié)機(jī)制分析，尋求影響玉米秸稈成型過程的因素及規(guī)律，進(jìn)而探索玉米秸稈在致密成型過程中其顆粒的粘結(jié)機(jī)理。采用掃描電子顯微鏡觀察玉米秸稈致密成型前后的微觀結(jié)構(gòu)，探索玉米秸稈致密成型的微觀結(jié)合模式。最后對今后玉米秸稈致密成型技術(shù)的發(fā)展提出意見和展望

17、。- 20 -2 材料與方法2.1 試驗(yàn)裝置試驗(yàn)裝置如圖2所示。致密成型設(shè)備采用自制的平模式壓輥結(jié)構(gòu)。成型機(jī)的基本參數(shù)：主電機(jī)型號為Y-225S-4；額定功率為37KW；成型機(jī)平?？讖綖?5mm；?？咨疃葹?15mm；?？讛?shù)為20個。壓輥轉(zhuǎn)速由變頻器調(diào)節(jié)。本試驗(yàn)使用的玉米秸稈是采自哈爾濱周邊農(nóng)場，用粉碎機(jī)將玉米秸稈粉碎長度控制在15-25mm之間。粉碎機(jī)采用哈爾濱龍牧機(jī)械設(shè)備有限公司生產(chǎn)的9QS20-60秸稈揉切機(jī)。a成型機(jī)b壓輥機(jī)構(gòu)c變頻器d 9QS20-60秸稈揉切機(jī)圖2試驗(yàn)裝置2.2 試驗(yàn)儀器試驗(yàn)中所用到的主要儀器如表1所示。表1 試驗(yàn)儀器設(shè)備名稱生產(chǎn)廠家HITACHI S-3400N掃

18、描電子顯微鏡（SEM）日本Hitachi公司HI253A酸度/ORP/離子測定儀意大利Hanna公司Kjeltec 2300自動定氮系統(tǒng)丹麥Foss公司Fibertec 2010型纖維分析儀丹麥Foss公司6890 N氣相色譜美國Agilent公司W(wǎng)ATERS 600E-2487高效液相色譜測定美國WATERS公司PHSJ-3F型pH計(jì)上海雷磁儀器有限公司W(wǎng)FJ722可見光分光光度計(jì)上海光譜儀器有限公司2.3 試驗(yàn)測定項(xiàng)目和方法試驗(yàn)中主要測定的指標(biāo)有秸稈的含水率、纖維素、半纖維素、木質(zhì)素、以及沼液的COD、PH、ORP、TN。每組數(shù)據(jù)測三次，求取平均值。2.3.1 秸稈含水率的測定（1）使用儀

19、器測定含水率的兩臺儀器分別是，稱重所用的ALC210.4型電子天平的電子天平，如圖3所示，其量程為200g，精度為0.1mg，另一臺儀器為101-1型電熱鼓風(fēng)干燥箱，如圖4所示。圖3 電子天平圖4 鼓風(fēng)干燥箱 （2）測定步驟用電子天平稱出不同樣品的重量，并記錄相應(yīng)的數(shù)據(jù)。將稱好的樣品放在鼓風(fēng)干燥箱的隔板上，關(guān)好烘箱門后，接通電源，打開烘箱的開關(guān)，設(shè)定烘箱的加熱溫度為105°。樣品在烘箱內(nèi)烘干24小時(shí)之后，取出樣品沉重，記錄數(shù)據(jù)。然后把樣品繼續(xù)放入烘箱，在此保持其溫度在105°，持續(xù)6小時(shí)，如果發(fā)現(xiàn)其重量變化范圍很小，幾乎不在變化的時(shí)候，這說明，樣品的含水和空氣中的水蒸氣達(dá)到

20、了一個動態(tài)平衡，無法再繼續(xù)干燥，記錄此時(shí)的數(shù)據(jù)。具體的判斷指標(biāo)是，兩次的數(shù)據(jù)變化范圍不超過±0.1%。2.3.2 pH值的測定試驗(yàn)采用的pH計(jì)是杭州奧利龍公司PHS-3C型便攜式pH計(jì)，如圖5所示。pH計(jì)定期用4.01和6.86的標(biāo)準(zhǔn)緩沖液進(jìn)行校正、標(biāo)定以保證測量的準(zhǔn)確性。圖5 pH計(jì)2.3.3 纖維素、半纖維素、木質(zhì)素的測定玉米秸稈纖維素、半纖維素、木質(zhì)素的測定采用美國ANKOM2000全自動分析儀測定，圖6為試驗(yàn)儀器。1）中性洗滌劑：稱取18.61g EDTA（乙二胺四乙酸二鈉，C10H14N2Na2O8·2H2O)和6.81g十水硼酸鈉（Na2B4O7·10

21、H2O）放入燒杯中，加適量蒸餾水加熱直至溶解。加入30 g SDS（十二烷基磺酸鈉），10 mL三甘醇（C6H14O4)和4.56 g磷酸氫二鈉（Na2HPO4)。加入蒸餾水加熱直至溶解。混勻并定容至1000 mL。調(diào)節(jié)pH在6.97.1范圍內(nèi)。2）酸性洗滌劑：稱取49.04 g H2SO4加入裝有400 mL蒸餾水的1000 mL容量瓶中。用20左右的蒸餾水定容，加入10 g CTAB（十六烷基三甲基溴化胺），充分溶解。圖6 纖維素分析儀3）72%硫酸：量取265 mL水加入1000 mL容量瓶中，再往其中緩慢添加735 mL的濃硫酸。為了添加足夠量的酸，容量瓶必須放在水中冷卻。冷卻至20并

22、檢查容量是否正確。假如量太多，倒出5mL溶液并加入4.55mL硫酸。假如量太少，倒出1.5 mL溶液并加入2.5mL水。（2）樣品的前處理方法：將樣品放置在表面皿上，至于105 烘箱中，烘至恒重，烘干后所有樣品用旋風(fēng)磨研磨成非常細(xì)的顆粒，通過1.0 mm的篩網(wǎng)后，進(jìn)行分析。（4）計(jì)算方法： （1） （2） （3）式中：C空白，W樣品重量2.3.4 微觀結(jié)構(gòu)觀察（1）試驗(yàn)儀器：試驗(yàn)儀器采用QUANTA2000型掃面電子顯微鏡，2000型掃描電子顯微鏡放大倍數(shù)范圍廣，制作樣品簡單，而且對樣品的電子損傷比較少。圖7為試驗(yàn)采用的QUANTA2000型掃描電子顯微鏡。圖7 掃描電子顯微鏡（2）工作原理：

23、掃描電鏡是對樣品表面形態(tài)進(jìn)行測試的一種大型儀器。當(dāng)具有一定能量的入射電子束轟擊樣品表面時(shí)，電子與元素的原子核及外層電子發(fā)生單次或多次彈性與非彈性碰撞，一些電子被反射出樣品表面，而其余的電子則滲入樣品中，逐漸失去其動能，最后停止運(yùn)動，并被樣品吸收。在此過程中有99%以上的入射電子能量轉(zhuǎn)變成樣品熱能，而其余約1%的入射電子能量從樣品中激發(fā)各種信號，掃描電鏡設(shè)備就是通過這些信號得到訊息，從而對樣品進(jìn)行分析的。（3）樣品的制備和測試：測定的秸稈樣品為風(fēng)干樣品，因此直接將樣品切割至合適的大小，設(shè)計(jì)好樣品在樣品臺上的位置，將樣品粘于樣品臺上，鍍膜后可以直接進(jìn)行觀察。2.3.5 豬糞沼液化學(xué)特性厭氧發(fā)酵后的

24、豬糞沼液的性質(zhì)如表2所示，表中的pH值由杭州奧利龍公司pHS-3C型便攜式pH計(jì)測定，氧化還原電位（ORP）由HI253A酸度/ORP/離子測定儀測定。COD由WFJ722可見光分光光度計(jì)測定。表2 豬糞沼液特性指標(biāo)平均值（n=3）pH值7.23氧化還原電位（ORP）/mV-10.6化學(xué)需氧量（COD）/ mg·L-125120.5總氮的濃度（TN）/ mg·L-1566.2硝態(tài)氮的濃度（NH3- -N）/ mg·L- 松弛比和成型率的測定成型塊的松弛比和成型率，是反映成型塊物理特性的兩個重要指標(biāo)。成型塊在出模后，由于彈性變形和應(yīng)力松弛，其壓縮

25、密度逐漸減小，一定時(shí)間后密度趨于穩(wěn)定，我們將剛出模的密度記為，趨于穩(wěn)定后的密度為松弛密度記為。其測定可通過3次結(jié)果后求平均值。成型塊的松弛比按以下公式計(jì)算： （4）其中：為剛出模的密度，Kg/m3； 為松弛密度，Kg/m3； 為無量綱參數(shù)，是成型塊的松弛比。致密成型后的玉米秸稈顆粒中，取兩端徑向平均尺寸大于直徑的三分之二的圓柱形成型塊，占總致密成型玉米秸稈的重量的百分率為玉米秸稈的成型率。其測定可通過3次結(jié)果后求平均值。計(jì)算公式如下所示： (5) (6)其中：為玉米秸稈顆粒平均成型率，%； 為圓柱狀成型顆粒質(zhì)量，g； 為粉末與碎料的質(zhì)量，g； 為三次稱重的質(zhì)量，g。3試驗(yàn)與結(jié)論玉米秸稈成型塊的

26、松弛比和成型率是成型塊品質(zhì)的兩個重要指標(biāo)，松弛比越小，成型塊的松弛密度越大，燃燒性能越好；成型率越高，致密成型過程中的單位能耗會越低，避免重復(fù)擠壓。本章通過單因素試驗(yàn)確定影響玉米秸稈致密成型的主要因素和各因素對試驗(yàn)指標(biāo)影響變化規(guī)律，為玉米秸稈致密成型參數(shù)的調(diào)整提供指導(dǎo)依據(jù)。3.1 各因素試驗(yàn)結(jié)果與分析3.1.1 含水率對試驗(yàn)指標(biāo)的影響將粉碎后的物料加冷水進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理。調(diào)質(zhì)的水均勻噴灑到物料上，同時(shí)連續(xù)攪拌物料使其濕度均勻、質(zhì)地柔軟，增強(qiáng)其粘結(jié)力。調(diào)質(zhì)后的物料用保溫塑料袋兩頭密封，進(jìn)行 24 小時(shí)的暫存，讓水分揮發(fā)滲透到秸稈的各個部分，使試驗(yàn)物料的濕度均勻一致。用此方法配制5.5%，6.3%，8

27、%，14.8%，15.2%，17.1%，20.4%，28.0%8種不同含水率的玉米秸，在室溫的條件下試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表3。表3玉米秸稈在不同含水率條件下成型的試驗(yàn)結(jié)果試驗(yàn)號含水率（%）成型率（%）（%）（g/cm3）（g/cm3）15.5-14.50.830.7126.356.312.630.920.813878.612.211.080.95410.881.711.71.271.13515.282.611.21.271.14617.181.38720.453.815.71.020.86828.0-22.60.930.72 圖8為含水率對成型塊松弛比和成型率的影響曲線圖。從

28、圖8可以看出，合適的含水率可以使生物質(zhì)致密成型的效果更佳，當(dāng)秸稈的含水率在10%-15%之間的區(qū)域時(shí)，成型的品質(zhì)好、成型的密度大。當(dāng)含水率到達(dá)17.1%后，效果逐漸變差，開始在成型燃料的表面出現(xiàn)一些微小裂紋；當(dāng)含水率達(dá)到了20.4%，原料會因?yàn)槠浜侍邔?dǎo)致顆粒粘接困難，在表面有較大的裂紋出現(xiàn)，過幾日會裂開；當(dāng)含水率一直增大到28.0%，不管在何種狀態(tài)下原料都不會成型，“放炮”現(xiàn)象會偶爾發(fā)生，讓原料成型無法繼續(xù)，這種現(xiàn)象會帶來不同程度的危險(xiǎn)性。通過查閱文獻(xiàn)，密度在 1.0-1.6g/cm3范圍內(nèi)的成型燃料，便于貯存和運(yùn)輸，而且其熱性能優(yōu)于木材，熱值為 14-17MJ/kg，相當(dāng)于中質(zhì)煙煤，可

29、直接燃燒，同時(shí)具有黑煙少，火力旺、燃燒充分，不飛灰干凈衛(wèi)生等優(yōu)點(diǎn)，NOX、SO2極微量排放。松弛密度大于或接近 1g/cm3的成型燃料無論對于燃燒、儲存、運(yùn)輸都是比較理想的。所以，含水率在 10-15%時(shí)成型效果較好。圖8試驗(yàn)指標(biāo)與含水率關(guān)系曲線3.1.2 壓輥轉(zhuǎn)速對試驗(yàn)指標(biāo)的影響平模壓輥轉(zhuǎn)速由變頻器控制，試驗(yàn)中，保持平模與壓輥的間隙、物料含水率兩因素水平不變，研究平模轉(zhuǎn)速的變化對試驗(yàn)結(jié)果的影響。試驗(yàn)物料仍為玉米秸稈，試驗(yàn)的平模與壓輥間隙為2.5mm，物料的含水率為 10%-15%，物料的秸稈長度為20mm-25mm。表3不同轉(zhuǎn)速對致密成型影響的試驗(yàn)結(jié)果試驗(yàn)號轉(zhuǎn)速（r/min）成型率（%）（g

30、/cm3）（g/cm3）110-23050.9235080.3647082.8259081.33611079.38713000.958150-壓輥轉(zhuǎn)速對成型塊松弛比和成型率的影響如圖9所示。圖9試驗(yàn)指標(biāo)與轉(zhuǎn)速關(guān)系曲線從圖9可以看出，成型塊的松弛比隨著平模轉(zhuǎn)速的增大先減小后增大，當(dāng)轉(zhuǎn)速增加到150r/min后，玉米秸稈不再成型，成型率隨著壓輥轉(zhuǎn)速的增大先增加后減小。原因分析如下：當(dāng)平模轉(zhuǎn)速較低時(shí)，壓輥和平模之間的摩擦力比較小，此時(shí)，玉米秸稈不易成型，隨著壓輥轉(zhuǎn)速的增

31、加，壓輥和平模之間的摩擦力增大，成型塊的松弛密度增大，松弛比減小。但是當(dāng)壓輥轉(zhuǎn)速過高時(shí)，成型區(qū)的玉米秸稈形成斷層，玉米秸稈不在連續(xù)擠壓，轉(zhuǎn)速達(dá)到150r/min時(shí)，物料開始打滑，成型效果下降。試驗(yàn)中，壓輥的轉(zhuǎn)速控制過高和過低都沒有實(shí)際的意義，壓輥轉(zhuǎn)速過高，會造成平模溫度升高，部分玉米秸稈的表面燒焦，易使壓輥對秸稈造成剪切，不易成型；當(dāng)壓輥轉(zhuǎn)速過低，壓縮的玉米秸稈不易成塊。綜合以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析，壓輥轉(zhuǎn)速的合適取值范圍在50-100r/min之間。3.1.3 不同pH沼液培養(yǎng)玉米秸稈對試驗(yàn)指標(biāo)的影響將豬糞沼液，用NAOH和HCL分別調(diào)制為pH值為5、6、7、8、9。調(diào)制好的沼液噴淋到玉米秸稈中，攪

32、拌均勻后，在室溫下密封放置6小時(shí)。平模壓輥轉(zhuǎn)速由變頻器控制，試驗(yàn)中，保持平模與壓輥的間隙、物料含水率兩因素水平不變，研究平模轉(zhuǎn)速的變化對試驗(yàn)結(jié)果的影響。試驗(yàn)物料仍為玉米秸稈，試驗(yàn)的平模與壓輥間隙為2.5mm，物料的含水率為 10-15，物料的秸稈長度為20-25mm。表4不同pH值沼液培養(yǎng)玉米秸稈對致密成型影響的試驗(yàn)結(jié)果試驗(yàn)號pH成型率（%）（g/cm3）（g/cm3）1581.712.51.090.962682.443751.114883.375920.99不同pH沼液培養(yǎng)玉米秸稈對成型塊松弛比和成型率的

33、影響如圖10所示。圖10試驗(yàn)指標(biāo)與不同pH關(guān)系曲線從圖10可以看出，當(dāng)沼液pH在7-8之間培養(yǎng)的玉米秸稈成型率較高，松弛比較低，分析其原因，維素和半纖維素在玉米秸稈致密成型的過程中發(fā)揮了類似混凝土的“鋼筋”加強(qiáng)作用，成為提高成型燃料強(qiáng)度的“骨架”。寒區(qū)玉米秸稈的纖維素和半纖維的含量較高，其強(qiáng)度相對較大，要發(fā)生內(nèi)部分子變形，所需壓力較大，木質(zhì)素較容易變形，且木質(zhì)素是天然的粘合劑，在玉米秸稈壓縮成型的過程中起到粘合的作用，因此，弱堿性沼液處理玉米秸稈不僅可以降低纖維素和半纖維的含量，并且木質(zhì)素與纖維素半纖維素的比值略有升高，有利于玉米秸稈的致密成型。3.1.4 不同沼液預(yù)處理時(shí)間對試驗(yàn)指標(biāo)的影響從

34、3.1.3節(jié)中得出當(dāng)沼液pH值在7-8的范圍內(nèi)，玉米秸稈成型效果較好，選用pH值為7.4的豬糞沼液。將沼液噴淋到玉米秸稈中，攪拌均勻后，在室溫下密封時(shí)間分別為0、3、6、9、12小時(shí)。平模壓輥轉(zhuǎn)速由變頻器控制，試驗(yàn)中，保持平模與壓輥的間隙、物料含水率兩因素水平不變，研究平模轉(zhuǎn)速的變化對試驗(yàn)結(jié)果的影響。試驗(yàn)物料仍為玉米秸稈，試驗(yàn)的平模與壓輥間隙為2.5mm，物料的含水率為 10-15，物料的秸稈長度為20-25mm。表5不同沼液預(yù)處理時(shí)間對致密成型影響的試驗(yàn)結(jié)果試驗(yàn)號時(shí)間成型率（%）（g/cm3）（g/cm3）1081.711.81.291.142381.911.61.301.153682.11

35、1.61.321.174983.511.21.361.2151241.19不同沼液預(yù)處理時(shí)間對玉米秸稈成型塊松弛比和成型率的影響如圖11所示。圖11試驗(yàn)指標(biāo)與不同時(shí)間關(guān)系曲線從圖11可以看出，隨著沼液預(yù)處理時(shí)間越長，玉米秸稈的松弛比越小，成型塊的成型率越高，當(dāng)沼液預(yù)處理時(shí)間超過9小時(shí)后，玉米秸稈成型塊的松弛比和成型率趨于穩(wěn)定。分析其原因，玉米秸稈在貯存的過程中，纖維素和半纖維素發(fā)生水解，其中一部分轉(zhuǎn)化為木質(zhì)素，寒區(qū)的玉米秸稈纖維素和半纖維含量比較高，隨著沼液預(yù)處理時(shí)間的加長，纖維素、半纖維素和木質(zhì)素的含量達(dá)到動態(tài)平衡。因此，9小時(shí)后，玉米秸稈成型塊的松弛比和成型率趨于穩(wěn)定

36、。3.2 本章小結(jié)本章從含水率、壓輥轉(zhuǎn)速、不同沼液pH值、不同沼液預(yù)處理時(shí)間對秸稈致密成型進(jìn)行了因素試驗(yàn)研究，具體分析了不同因素對秸稈致密成型規(guī)律的影響，得出了最佳成型參數(shù)，其結(jié)論如下： 合適的含水率可以使玉米秸稈致密成型的效果更佳，當(dāng)秸稈的含水率在10-15%之間的區(qū)域時(shí)，成型的品質(zhì)好、成型的密度大。壓輥的轉(zhuǎn)速控制過高和過低都沒有實(shí)際的意義，壓輥轉(zhuǎn)速選的過高，會造成平模溫度升高，部分玉米秸稈的表面燒焦，且不易成型；當(dāng)壓輥轉(zhuǎn)速過低，壓縮的玉米秸稈不易成塊。綜合以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析，壓輥轉(zhuǎn)速的合適取值范圍在50-100r/min之間。沼液pH在7-8之間培養(yǎng)的玉米秸稈成型率較高，松弛比較低。隨著沼液

37、預(yù)處理時(shí)間越長，玉米秸稈的松弛比越小，成型塊的成型率越高，當(dāng)沼液預(yù)處理時(shí)間超過9小時(shí)后，玉米秸稈成型塊的松弛比和成型率趨于穩(wěn)定。4 結(jié)論和展望4.1 結(jié)論本文以玉米秸稈壓塊成型機(jī)為主要研究對象，以降低玉米秸稈成型塊松弛比提高成型率為主線，通過正交試驗(yàn)，找到了玉米秸稈致密成型最佳參數(shù)組合；分析了玉米秸稈理化特性，并用掃描電鏡觀察和分析了玉米秸稈成型前后的微觀組織變化；對玉米秸稈成型過程進(jìn)行了靜力學(xué)模擬，探討成型過程中的應(yīng)力應(yīng)變規(guī)律。研究結(jié)論如下： 各參數(shù)對對玉米秸稈致密成型塊松弛比和成型率的影響： 合適的含水率可以使玉米秸稈致密成型的效果更佳，當(dāng)秸稈的含水率在10%-15%之間的區(qū)域時(shí)，成型的品

38、質(zhì)好、成型的密度大。當(dāng)數(shù)值到達(dá)17.1%后，效果逐漸變差，開始在成型燃料的表面出現(xiàn)一些微小裂紋；當(dāng)數(shù)值達(dá)到了20.4%，原料會因?yàn)槠浜侍邔?dǎo)致顆粒粘接困難，在表面有較大的裂紋出現(xiàn)，過幾日會裂開；當(dāng)數(shù)值一直增大到28.0%，不管在何種狀態(tài)下原料都不會成型，“放炮”現(xiàn)象會偶爾發(fā)生，讓原料成型無法繼續(xù)，這種現(xiàn)象會帶來不同程度的危險(xiǎn)性。 壓輥的轉(zhuǎn)速控制過高和過低都沒有實(shí)際的意義，壓輥轉(zhuǎn)速選的過高，會造成平模溫度升高，部分玉米秸稈的表面燒焦，且不易成型；當(dāng)壓輥轉(zhuǎn)速過低，壓縮的玉米秸稈不易成塊。綜合以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析，壓輥轉(zhuǎn)速的合適取值范圍在50100r/min之間。 弱堿性沼液處理玉米秸稈不僅可以降低

39、纖維素和半纖維的含量，并且木質(zhì)素與纖維素半纖維素的比值略有升高，有利于玉米秸稈的致密成型。 隨著沼液預(yù)處理時(shí)間越長，玉米秸稈的松弛比越小，成型塊的成型率越高，當(dāng)沼液預(yù)處理時(shí)間超過9小時(shí)后，玉米秸稈成型塊的松弛比和成型率趨于穩(wěn)定。5.2 展望本文對玉米秸稈致密成型只是進(jìn)行了初步的探索和研究，分析了玉米秸稈致密成型過程中的最佳參數(shù)范圍、和玉米秸稈微觀結(jié)構(gòu)。但是還存在許多的問題和難題，需要進(jìn)一步的研究與探索：（1） 我們只是對一些參數(shù)（含水率、溫度、壓力等）做單因素試驗(yàn)，但各個因素的交互作用可能對結(jié)果還有一定影響，因此，還需進(jìn)一步的研究與探索。（2） 玉米秸稈致密成型是一個比較復(fù)雜的過程，本文是基于

40、假設(shè)在成型過程中玉米秸稈為連續(xù)介質(zhì)進(jìn)行研究，沒有考慮玉米秸稈內(nèi)部的結(jié)構(gòu)變化和受力特征。如何建立一個更能貼近真實(shí)擠壓的模型是后一階段的重點(diǎn)。（3）本文通過用豬糞沼液調(diào)制玉米秸稈的含水率，但是對于沼液影響玉米秸稈成型機(jī)理的研究沒有探討。（4）由于時(shí)間和條件限制，本試驗(yàn)只是對物料參數(shù)進(jìn)行了分析，沒有進(jìn)行模孔深度、壓輥與平模的間隙等對玉米秸稈致密成型的影響。需要在以后的工作進(jìn)行具體的試驗(yàn)和研究。參考文獻(xiàn)1朱建鋼，顏其德，等南極資源紛爭及我國的相應(yīng)對策J極地研究，2006，18（3）：2152172李大中生物質(zhì)發(fā)電氣化過程建模及優(yōu)化研究D河北：華北電力大學(xué)博士論文，20093韓樹明秸稈固化成型及能源化利

41、用研究J農(nóng)業(yè)與技術(shù)，2012，12：2014劉宇，郭明輝生物質(zhì)固體燃料熱解炭化技術(shù)研究進(jìn)展J西南林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2013，12（6）：89935閆桂換，孫立，等生物質(zhì)熱化學(xué)轉(zhuǎn)化氫技術(shù)J可再生能源，2004，4：33356劉延春，張英楠，等生物質(zhì)固化成型技術(shù)研究進(jìn)展J世界林業(yè)研究，2008，8：41447閆文剛，俞國勝，張海鷹，等生物質(zhì)致密成型技術(shù)研究J黑龍江農(nóng)業(yè)科學(xué)，2010，7(1)：1351388王維振生物質(zhì)壓塊成型影響因素及成型機(jī)動態(tài)分析D山東：山東大學(xué)碩士學(xué)位論文，20129俞國勝，候孟生物質(zhì)成型燃料加工裝備發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢J林業(yè)機(jī)械與木工設(shè)備，2009，2：131410可再生能源中長期發(fā)

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