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《南京理工大学》 2016年
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旋转挤压制备稻秸固体成型燃料关键技术研究

夏先飞  
【摘要】:目前,全世界正面临着能源与环境的双重压力,而秸秆类生物质原料具有环保、清洁和可持续利用的特点,其能源化开发利用受到越来越多的重视。在生物质能源化利用的各种途径中,旋转挤压成型因工艺简单,且所制备的成型燃料密度和强度较高,便于运输和使用,已逐渐成为欧美等发达国家的主流技术。但国内该项技术的基础理论研究则较为匮乏和滞后。本文以提高稻秸旋转挤压成型生产效率、提升成型模具寿命和制品品质为目标,采用理论分析与试验相结合的方法,对稻秸旋转挤压成型过程中的原料压制力学特性、成型能耗建模、模具磨损机理以及原料改性预处理一系列关键技术问题进行了深入研究,探索各类因素对成型过程的影响规律,以实现稻秸类生物质资源的高效利用。本文主要完成了以下几方面的研究工作:通过试验获得了稻秸的组成成分以及堆积密度、摩擦系数、燃烧热值和热分解特性等基础理化特性参数,并对稻秸旋转挤压成型的基本原理以及颗粒间的粘结机理进行了分析;对稻秸旋转挤压成型过程进行了详细分区,分析了旋转挤压成型过程中稻秸原料在两个区域内的流变过程。根据旋转挤压成型试验需求,设计了挤压成型试验平台,研究了含水率、原料粒度、成型压力、成型温度、成型速度和模具长径比几类因素对成型密度、比能耗、制品抗张强度和挤出力的作用规律和影响机理。分别建立了粉碎稻秸和切碎稻秸在变形压紧区内的压制力学模型,利用该模型可模拟稻秸变形压紧过程;利用响应面试验,建立了粉碎稻秸在挤压成型区内关键力学参数挤出力以及制品最终成型密度和抗张强度的预测模型,并以制品品质为目标对工艺参数进行了优化和试验验证,结果表明挤出力、制品密度和抗张强度回归模型具有较高的可靠性,预测误差分别为4.66%、1.77%和3.25%。根据物料攫取条件建立了稻秸旋转挤压成型产量计算模型,分析了各因素与产量之间的关系。对变形压紧区和挤压成型区进行了精确分区计算,根据分区情况对压轮的受力进行了分析,分别采用二次多项式模型和指数模型对变形压紧区内的压力进行了求解,建立了驱动扭矩和能耗的理论计算模型。分析得到:为提高成型效率,应尽可能的选择较小的模辊比、较大的摩擦角、较高的初始原料密度以及较大的模具尺寸。试验验证表明指数模型具有较好的计算精度,扭矩的计算误差为3.01%。当物料修正系数为0.67时,产量模型的计算误差为4.52%。通过生产试验对稻秸旋转挤压成型模具的磨损形态和磨损机理进行了研究,总结了环模的磨损规律,确定该类磨损为典型的磨料磨损,分析了压缩力与模具磨损之间的关系。利用分形理论初步建立了磨料磨损分形计算模型,得到了存在最优分形维数使磨损率最小的结论;有限元仿真结果显示模具硬度对磨损的影响较成型速度强,45钢成型模具的较优热处理硬度为47.9 HRC。通过最大磨损深度、表面轮廓曲线、表面粗糙度和分形维数评价了不同材料模具的耐磨性能,结果显示五类试验材料的耐磨性能依次为9SiCr65Mn42CrMoT10A45钢。从耐磨性能和生产成本两方面进行分析得出42CrMo是较为理想的环模材料。提出了一种复合改性制备稻秸固体成型燃料的新方法,研究了复合改性对成型能耗和制品品质的影响规律。结果表明改性后稻秸原料的成型能耗显著降低;改性稻秸固体成型燃料的燃烧热值明显提升;改性稻秸制品密度和抗张强度随菜籽饼添加比例的增加而增加,随石蜡、粗甘油和机油添加比例的增加而降低,通过对原料的预处理会在一定程度上降低制品抗张强度。其中水热处理+石蜡复合改性处理稻秸的成型能耗较未处理稻秸降低了 51.35%、制品密度提高了 5.52%、制品热值提升了 70.85%,且制品抗张强度可满足使用要求。通过能值分析得到烘焙复合改性处理方案的能值收益率为2.848,高于单一改性处理2.480,而水热复合改性处理能值收益率最低,仅为1.475。烘焙复合改性处理的能值转换率为4.566 set/J,与煤炭能值转换率4 set/J非常接近,该类改性处理方式具有较高的性价比,所生产的固体成型燃料可作为煤炭的优良替代品。
【关键词】:稻秸 旋转挤压 固体成型燃料 成型能耗 模具磨损 复合改性
【学位授予单位】:南京理工大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2016
【分类号】:TK6
【目录】:
  • 摘要5-7
  • Abstract7-14
  • 1 绪论14-33
  • 1.1 论文的研究背景和意义14-17
  • 1.2 生物质致密成型技术发展概述17-22
  • 1.2.1 成型燃料国内外发展情况17-18
  • 1.2.2 生物质致密成型工艺与设备18-21
  • 1.2.3 生物质旋转挤压成型存在的问题21-22
  • 1.3 国内外相关技术研究现状22-30
  • 1.3.1 成型制品品质研究现状22-25
  • 1.3.2 致密成型能耗研究现状25-26
  • 1.3.3 成型模具失效研究现状26-29
  • 1.3.4 原料预处理技术研究现状29-30
  • 1.4 论文研究的关键技术与主要内容30-33
  • 1.4.1 论文研究的关键技术30-31
  • 1.4.2 论文研究的主要内容31-33
  • 2 稻秸旋转挤压成型机理及试验平台设计33-47
  • 2.1 引言33
  • 2.2 稻秸的理化特性33-37
  • 2.2.1 稻秸主要组成及物理特性33-34
  • 2.2.2 稻秸热化学特性34-37
  • 2.3 稻秸旋转挤压成型机理37-40
  • 2.3.1 稻秸旋转挤压成型基本原理37-38
  • 2.3.2 稻秸成型燃料粘结机理38-39
  • 2.3.3 稻秸旋转挤压成型力学分区39-40
  • 2.4 挤压成型试验平台设计40-46
  • 2.4.1 试验目的及需求分析40-41
  • 2.4.2 挤压成型试验装置41-42
  • 2.4.3 试验平台设计与建设42-46
  • 2.5 小结46-47
  • 3 稻秸成型力学特性及制品品质模型47-73
  • 3.1 引言47
  • 3.2 稻秸旋转挤压成型影响因素分析47-56
  • 3.2.1 试验变量及评价指标47-48
  • 3.2.2 试验条件及原料准备48-50
  • 3.2.3 试验结果与分析50-56
  • 3.3 稻秸旋转挤压成型力学建模56-64
  • 3.3.1 变形压紧区力学建模56-59
  • 3.3.2 挤压成型区力学建模59-64
  • 3.4 稻秸成型制品品质模型64-71
  • 3.4.1 稻秸致密成型密度模型64-67
  • 3.4.2 稻秸成型制品抗张强度模型67-71
  • 3.5 各回归模型预测精度检验71-72
  • 3.6 小结72-73
  • 4 稻秸旋转挤压成型产量及能耗模型构建73-92
  • 4.1 引言73
  • 4.2 稻秸旋转挤压成型产量模型构建73-78
  • 4.2.1 物料攫取条件分析73-75
  • 4.2.2 旋转挤压产量模型构建75-76
  • 4.2.3 产量模型影响因素分析76-78
  • 4.3 稻秸旋转挤压成型能耗模型构建78-86
  • 4.3.1 旋转挤压成型力学分区计算78-79
  • 4.3.2 成型模具的受力分析79-81
  • 4.3.3 旋转挤压成型能耗计算模型81-82
  • 4.3.4 能耗影响因素分析82-86
  • 4.4 产量及能耗模型试验验证86-91
  • 4.4.1 变形压紧区内压力计算86-87
  • 4.4.2 挤压成型区内压力计算87-88
  • 4.4.3 产量及能耗模型理论计算88-89
  • 4.4.4 产量及扭矩模型试验验证89-91
  • 4.5 小结91-92
  • 5 稻秸旋转挤压成型模具磨损特性分析92-111
  • 5.1 引言92
  • 5.2 旋转挤压成型模具的磨损机理92-97
  • 5.2.1 模具磨损试验92-93
  • 5.2.2 模具磨损形态93-94
  • 5.2.3 磨损机理分析94-97
  • 5.3 磨损模具分形特性研究97-102
  • 5.3.1 轮廓分形函数98
  • 5.3.2 M-B分形接触修正模型98-99
  • 5.3.3 磨粒磨损计算模型99-102
  • 5.4 成型模具的优选分析与试验102-110
  • 5.4.1 模具磨损有限元仿真与优选102-105
  • 5.4.2 不同材料模具磨损试验105-107
  • 5.4.3 磨损试验结果分析107-110
  • 5.5 小结110-111
  • 6 复合改性对稻秸致密成型过程的促进作用研究111-138
  • 6.1 引言111
  • 6.2 试验条件与试验方法111-117
  • 6.2.1 添加剂的选择111-113
  • 6.2.2 稻秸原料预处理113-115
  • 6.2.3 致密成型试验115-116
  • 6.2.4 试验测试指标116-117
  • 6.3 致密成型试验结果分析117-129
  • 6.3.1 试验结果综合分析117-119
  • 6.3.2 添加剂对成型过程的影响119-125
  • 6.3.3 预处理方式对成型过程的影响125-129
  • 6.4 稻秸复合改性方案优选129-133
  • 6.4.1 试验方案的优选129-130
  • 6.4.2 制品热重分析130-132
  • 6.4.3 制品SEM分析132-133
  • 6.5 复合改性稻秸燃料经济性分析133-137
  • 6.5.1 能值理论介绍133
  • 6.5.2 稻秸致密成型系统能值分析133-134
  • 6.5.3 能值分析结果134-137
  • 6.6 小结137-138
  • 7 总结与展望138-141
  • 7.1 研究总结138-140
  • 7.2 创新点140
  • 7.3 研究展望140-141
  • 致谢141-142
  • 参考文献142-153
  • 附录153-154

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