秸秆致密成型过程比能耗分析研究.pdf

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1、250化工自动化及仪表第40卷秸秆致密成型过程比能耗分析研究谷志新徐凯宏赵瑞峰(东北林业大学机电工程学院，哈尔滨150040)摘要从秸秆的化学性质入手，分析秸秆致密成型的机理，得出影响成型的因素，分析各因素在秸秆成型过程中对比能耗的影响，对秸秆含水量、秸秆粒度扣环模孔长径比对成型比能耗的影响进行量化分析。并进行两因素交互作甩对其影响的分析，得出较为合理的结论，以减少秸秆致密成型过程比能耗，从而解决单位成本过高的问题。关键词秸秆比能耗致密成型中图分类号TH89文献标识码A文章编号1000一3932(2013)02旬250．04秸秆作为一种我国农业生产的副产品，产量大、分布广。我国未来

2、的能源短缺问题非常严重，开发和利用秸秆能源可以改变传统的能源生产和消费方式，对建立可持续的能源系统，促进国民经济发展和环境保护具有重大意义⋯。目前，秸秆致密成型理论基础薄弱导致成型设备的成本高、能耗大，使其难以产业化。通过对秸秆致密成型过程能耗的分析，以期加快秸秆致密成型的产业化进程。1秸秆成型机理秸秆致密成型燃料，是指把松散的没有形状的秸秆，经过高温高压，压缩成型为一定形状、密度较大、热值较高的致密成型燃料，并可实现CO：的零排放心J。其能源密度相当于中质烟煤，火力持久，燃烧性能好，可代替煤炭作为家庭生活燃料、工业或服务业小锅炉和秸秆电厂的发电燃料。秸秆致密成型燃料燃烧热值约为3

3、700—4200kcal／kg、密度为800—1100kg／m3、灰分为6％一20％、水分不大于12％、cO：为O、N02为14mg／m3、SO：为46mg／m’、烟尘不大于127mg／m3。秸秆成型工艺流程如图1所示。首先对秸秆进行收集、粉碎、干燥，还要对粉碎后即将加入成型机的秸秆进行除杂、添加水分和粘结剂等辅助工序，最后致密成型阶段主要是喂料、成型和成品收集。从秸秆成型工艺流程各个环节分析得到，秸秆致密过程消耗能量最多。图1秸秆成型工艺流程1．1秸秆的化学性质秸秆主要由纤维素、半纤维素和木质素3部分组成”]。木质素是通过光合作用形成的天然聚合物，具有复杂的三维结构，在秸秆成型过

4、程中充当粘结剂的作用。木质素属于非晶体物质，没有熔点，只有当温度达到70一100℃时开始软化，并具有一定的粘度H1。温度继续升高达到200℃左右则熔融成胶体物质，经一定压力作用，使其与秸秆颗粒粘结，形成体积小、密度大的秸秆成型燃料。半纤维素、纤维素则起到“骨架”的作用，半纤维素也可转化出木质素来充当粘结剂。1。2秸秆成型过程粘结机理给结构比较疏松，密度较小的秸秆原料施加一定的外部压力后，秸秆颗粒经历的阶段为：重新排列位置关系、颗粒机械变形及塑性流变等阶段。由于纤维分子之间的相互缠绕及绞合，残余在秸秆颗粒内部的应力使得秸秆颗粒间结合更牢固，秸秆颗粒密度慢慢增大，体积明显减小”o。预压

5、时，成型压力的方向与预压的受力方向垂直，压力收稿日期：2012一lO—16(修改稿)基金项目：中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(OLl2BB08)；黑龙江省自然科学基金项目(c201030)第2期谷志新等．秸秆致密成型过程比能耗分析研究25l较小，粒子间的相互位置不断改变，相互绞合，使一部分纤维粒子进入它们之间的空隙内，直至粒子间所有较大的空隙都被粒子占据，继续增加压力，粒子通过自己发生变形来充满粒子间的空隙，如图2所示。当温度达到200℃左右时，使被木质素夹盖的纤维素分子团相互错位、变形、产生延展，相邻相嵌、重新组合最后使松散的秸秆成型。甲彳卤占a．改变粒子的排列b．粒子发

6、生变形c．塑性流动图2成型过程粒子改变1．3环模秸秆成型机工作原理笔者引用的环模成型机为立式结构(图3)，工作时环模静止而压辊转动。粉碎的秸秆加人成型机后，压辊架在电机的带动下转动，由于受到摩擦力的作用，安在压辊架上的3个压辊跟着转动，将秸秆颗粒挤压人环模孑L中，在挤压力作用下，新的秸秆颗粒不断被挤入而成型的秸秆被挤出旧。。环模保型D(松散I天压紧区蟹实区型Ⅸ图3环模秸秆成型机环模示意图秸秆致密成型要经过加料、压紧、压实、成型、保型及出料等程序。秸秆颗粒加入成型机时，处于松散区，不受挤压力的作用处于松散状态；压辊转动，在摩擦力的作用下带动秸秆进入压辊与环模组成的楔形区域，挤压力逐渐

7、增大，秸秆体积大大减小；秸秆被压入压实区，体积变化缓慢但内部结构遭到破坏；增大挤压力，压实的秸秆进入保型区，外部秸秆不断挤入，在径向力的作用下形成成型燃料，从环模孑L挤出。2影响秸秆成型比能耗的因素比能耗是秸秆成型的一个重要性能指标，即在秸秆成型过程中，单位时间内生产成型燃料所消耗的能量与该段时间内生产的成型燃料质量的比值¨j，即：E=鲁式中E——比能耗，kJ／kg；E．——单位时间内总能耗，kJ；形广一单位时间内成型总质量，kg。秸秆致密过程中，能量消耗主要为物料与