0、引言
生物質(zhì)是指通過(guò)光合作用而形成的各種有機(jī)體,包括農(nóng)作物秸稈、木材及林業(yè)廢棄物、城市及工業(yè)有機(jī)廢棄物和動(dòng)物糞便等.其內(nèi)部?jī)?chǔ)存的生物質(zhì)能是一種清潔、可持續(xù)發(fā)展、且資源豐富的可再生能源。聯(lián)合國(guó)開(kāi)發(fā)計(jì)劃署、世界能源委員會(huì)都將其列為可再生能源的首選。我國(guó)是一個(gè)農(nóng)業(yè)大國(guó),豐富的農(nóng)作物秸稈是生物質(zhì)資源的重要組成部分,《可再生能源發(fā)展十二五規(guī)劃》中提出,到2015年生物質(zhì)燃料年利用規(guī)模要達(dá)1500萬(wàn)噸.因此秸稈等生物質(zhì)的能源化利用已成為一項(xiàng)重要研究課題。生物質(zhì)致密成型技術(shù)具有生產(chǎn)成本低、產(chǎn)品能量密度較高和便于貯運(yùn)等優(yōu)點(diǎn),是能源化利用最具潛力的發(fā)展方向之一,富通新能源生產(chǎn)銷售的秸稈顆粒機(jī)、木屑顆粒機(jī)專業(yè)壓制生物質(zhì)成型顆粒燃料。


國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)生物質(zhì)致密成型技術(shù)進(jìn)行了較多研究.但該過(guò)程受原料種類、含水率、顆粒尺寸、壓力、加熱溫度、模具以及添加劑等因素影響,較為復(fù)雜。目前該項(xiàng)技術(shù)仍存在生產(chǎn)率較低、成型能耗高、主要部件壽命短和原料適應(yīng)性差等問(wèn)題。綜合利用國(guó)內(nèi)外生物質(zhì)成型技術(shù)的研究成果,對(duì)提高我國(guó)生物質(zhì)成型設(shè)備的設(shè)計(jì)與制造水平具有重要意義。下文介紹了秸稈等生物質(zhì)原料致密成型過(guò)程中的原料特性測(cè)試、成型機(jī)理、成型能耗、產(chǎn)品品質(zhì)和模具失效等方面的研究現(xiàn)狀。
1.1原料物理特性測(cè)試
測(cè)試原料特性是各項(xiàng)研究工作的基礎(chǔ)。秸稈等生物質(zhì)原料的物理特性主要包括粒度、含水率、堆積密度、外摩擦系數(shù)、內(nèi)摩擦系數(shù)、流動(dòng)特性和力學(xué)特性等。目前粉碎秸稈類原料特性暫無(wú)統(tǒng)一的測(cè)試方法.但有類似的標(biāo)準(zhǔn)供參照。
宋孝周等測(cè)得棉稈、煙稈、大豆秸稈及辣椒稈4種秸稈均由韌皮部、木質(zhì)部和髓芯組成,主要化學(xué)成分與木材相似。霍麗麗等試驗(yàn)得出不同種類和地區(qū)秸稈的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)堆積角分別在44~51°和17~31°之間,與金屬、橡膠材料的最大靜摩擦系數(shù)分別為0.45~0.55和0.51~0.62.內(nèi)摩擦系數(shù)在0.53~0.73之間,粉碎秸稈的堆積密度范圍為37.43~140kg/m3。
分形理論可用于研究生物質(zhì)顆粒的形狀特征,郭強(qiáng)等對(duì)稻稈等4種秸稈顆粒的形狀特征研究后發(fā)現(xiàn)隨著粒徑減小,顆粒長(zhǎng)寬比及不同生物質(zhì)顆粒長(zhǎng)寬比之間的差異均變小。Carr指數(shù)法能分析顆粒狀秸稈物料的流動(dòng)特性,姚宗路等采用該方法將秸稈分為易于流動(dòng)(如玉米芯)、一般流動(dòng)(如玉米秸)、不易流動(dòng)(如豆秸)3類。
秸稈等生物質(zhì)原料為各向異性材料.其拉伸強(qiáng)度、彈性模量和剪切強(qiáng)度等力學(xué)參數(shù)是進(jìn)行各項(xiàng)分析計(jì)算的基礎(chǔ)。郭維俊、杜現(xiàn)軍等對(duì)秸稈的力學(xué)參數(shù)進(jìn)行了測(cè)試。小麥莖稈最大拉力為182.38~242.74 N.拉伸強(qiáng)度為30. 36~52. 65MPa.彈性模量為
1、143.44~1 985.86MPa.
需指出的是,不同生物質(zhì)原料的物理特性差距很大。對(duì)于同類秸稈原料,因地區(qū)不同其物理特性也存在差異,計(jì)算時(shí)要實(shí)測(cè)各類參數(shù)。
1.2成型機(jī)理研究
生物質(zhì)燃料內(nèi)部顆粒間的結(jié)合形式以及成型過(guò)程中物料的流變規(guī)律是研究成型機(jī)理的基礎(chǔ)。國(guó)內(nèi)外學(xué)者多利用掃描電鏡和有限元分析等手段從微觀和宏觀角度對(duì)致密成型過(guò)程進(jìn)行研究。
1962年Rumpf將成型物內(nèi)部的粘結(jié)力類型和粘結(jié)方式分成5類:固體顆粒橋接或架橋:非自由移動(dòng)粘結(jié)劑作用的粘結(jié)力:自由移動(dòng)液體的表面張力和毛細(xì)壓力;粒子間的分子吸引力或靜電引力:固體粒子間的充填或嵌合。生物質(zhì)燃料特性可以用上述的一種或幾種粘結(jié)類型來(lái)解釋其內(nèi)部的成型機(jī)制,秸稈燃料的內(nèi)部結(jié)合形式主要為機(jī)械鑲嵌和天然粘結(jié)劑粘結(jié)。
玉米秸稈等生物質(zhì)燃料(環(huán)模成型)的微觀成型機(jī)理為分層間斷性壓縮,分為中心層、過(guò)渡層和表層,層與層間距為25~40um;微觀接觸幾何模型為:壓輥對(duì)原料的正壓力F與生物質(zhì)顆粒表面斜角a的余弦成正比。陳正宇等指出生物質(zhì)原料微觀形態(tài)最佳時(shí),成型效果也好。
生物質(zhì)成型過(guò)程包括松散、壓緊和固化3個(gè)階段,固化過(guò)程是塑性變形和粘性變形的結(jié)合。對(duì)于成型過(guò)程中物料的變化規(guī)律,Rehkuglar等利用流變力學(xué)模型對(duì)此進(jìn)行了分析,有限元軟件可以用于模擬該過(guò)程中的應(yīng)力應(yīng)變和溫度場(chǎng),存在適宜的溫度使原料流動(dòng)性增強(qiáng),成型容易。
1.3致密成型能耗研究
對(duì)于致密成型技術(shù)來(lái)說(shuō).能耗是一個(gè)非常重要的指標(biāo)。在整個(gè)成型顆粒燃料加工系統(tǒng)中,壓縮成型部分的能耗最高,主要用于壓縮物料和克服摩擦力做功兩方面。成型壓力、原料種類、模孔長(zhǎng)度、含水率、顆粒尺寸和壓縮速度等都會(huì)影響成型能耗。
成型壓力是研究能耗的關(guān)鍵參數(shù).成型壓力越大,對(duì)應(yīng)的能耗越高,研究發(fā)現(xiàn)壓縮力會(huì)隨模孔變長(zhǎng)和隨初始密度增大而增大,隨壓縮速度的增大而減小,與壓縮量之間呈現(xiàn)指數(shù)關(guān)系變化閉。Jens K率先采用單孔裝置進(jìn)行生物質(zhì)壓制試驗(yàn),得到模孔內(nèi)部不同位置壓力的計(jì)算方法。對(duì)于壓制數(shù)學(xué)模型.P.K.Adapa指出Cooper-Eaton和Panelli-Filho模型適用于生物質(zhì)致密成型。
含水率對(duì)壓縮能耗有較大影響,且在一定范圍內(nèi)作用明顯,Kamel得到含水率為15%~20%時(shí),生物質(zhì)壓縮能耗隨含水率增加而增加,含水率為20%~25%時(shí),含水率增加,能耗降低。同時(shí),玉米秸稈存在適宜的初始?jí)嚎s始密度使能耗降至最低,壓縮速度降低,成型能耗減少。對(duì)于環(huán)模成型,攫取角取45°,模輥直徑比取0.585時(shí)成型效果好,噸電耗最低。
對(duì)于各因素對(duì)能耗的作用強(qiáng)弱.胡建軍指出秸稈壓制成型時(shí)壓縮速度對(duì)能耗的影響比含水率大,卞兆娟等人利用環(huán)模式秸稈成型機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)后得到對(duì)噸電耗影響的強(qiáng)弱依次為轉(zhuǎn)速、間隙和含水率。
對(duì)于成型能耗的分析計(jì)算.段宇等建立了鋸末壓縮成型的最小二乘支持向量機(jī)模型.優(yōu)化得到了能耗最低的成型條件。武凱等推導(dǎo)了環(huán)模成型機(jī)能耗計(jì)算公式,并指出在減小模孔長(zhǎng)徑比和壓輥直徑,采用大尺寸的環(huán)模有利于降低能耗。Pharu Adapa利用多元回歸分析得出了單孔裝置壓制苜蓿的能耗模型。
1.4成型顆粒燃料品質(zhì)研究
成型顆粒燃料的品質(zhì)包括燃燒特性、成型率、松弛密度和耐久性等。松弛密度指成型顆粒燃料在出模一定時(shí)間后的密度。耐久性是固體燃料在裝卸、輸送和運(yùn)輸過(guò)程中保持完整個(gè)體的能力.可細(xì)化為抗變形性、抗跌碎性、抗?jié)B水性和抗吸濕性等幾項(xiàng)指標(biāo)。松弛密度和耐久性為衡量成型顆粒燃料品質(zhì)的兩個(gè)重要特性。相關(guān)測(cè)試方法可參照《生物質(zhì)固體成型顆粒燃料試驗(yàn)方法》。
對(duì)于影響成型顆粒燃料品質(zhì)的因素,Kaliyan等指出原料特性、預(yù)處理過(guò)程和成型設(shè)備都會(huì)影響成型產(chǎn)品的強(qiáng)度和耐久性。Sudhagar等人研究得出成型壓力、顆粒尺寸和含水率對(duì)小麥和玉米秸稈的成型密度均有影響。壓力是決定生物質(zhì)燃料品質(zhì)的主要參數(shù),增加成型壓力和保壓時(shí)間以及加入添加劑會(huì)提高燃料品質(zhì),成型溫度越高,燃料的抗跌碎和抗?jié)B水能力越差。玉米秸稈等生物質(zhì)燃料的松弛特性還與原料的木質(zhì)素含量相關(guān)。黃曉鵬等試驗(yàn)得到:對(duì)苜蓿制粒密度影響的強(qiáng)弱依次為擠出力、含水率、草粉粒度。含水率和進(jìn)料速度還對(duì)玉米秸稈成型顆粒燃料裂紋的形成有較大影響。
學(xué)者們對(duì)生物質(zhì)原料獲得最佳品質(zhì)的成型條件進(jìn)行了較多的試驗(yàn)研究,高微等試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)玉米秸稈原料含水率為20%、發(fā)酵時(shí)間4h、粒徑1.66mm時(shí),成型品質(zhì)最好。Yumak Hc45]等經(jīng)試驗(yàn)得到生物質(zhì)原料最佳壓制條件為:含水率7%~10%,壓力31.4MPa,溫度85~105℃。李大中等指出當(dāng)含水率為6.6%,成型溫度為140.90C時(shí),稻殼成型顆粒燃料的松弛密度達(dá)最大值1.28g/cm3。孫清等試驗(yàn)后認(rèn)為水稻稈在壓力為32MPa、粘結(jié)劑添加比4:1、含水率10%、原料粒徑4mm時(shí),松弛密度可達(dá)1.18g/cm3。為優(yōu)化成型條件,Granada等對(duì)橡樹(shù)末進(jìn)行壓縮實(shí)驗(yàn).得到了生物質(zhì)成型顆粒燃料的密度和耐久性數(shù)學(xué)模型。
1.5成型模具失效研究
成型模具工作時(shí)長(zhǎng)期承受壓力和物料摩擦,工作條件惡劣,容易失效,是目前生物質(zhì)成型設(shè)備存在的主要問(wèn)題。失效形式以結(jié)構(gòu)破壞和過(guò)度磨損為主,與模具材料、模具結(jié)構(gòu)、熱處理方式、物料特性和生產(chǎn)條件有關(guān)。目前對(duì)于成型模具失效的研究主要從失效機(jī)理,結(jié)構(gòu)受力分析,改變模具材料、結(jié)構(gòu)、熱處理工藝和物料特性進(jìn)行磨損試驗(yàn)等方面進(jìn)行。
模具磨損失效為在疲勞剝落和顯微切削兩種磨損機(jī)制作用下材料的過(guò)度流失,植物纖維與金屬間相互作用的摩擦力是造成該類磨損的主要原因。生物質(zhì)成型模具以磨料磨損為主,苜蓿等生物質(zhì)原料對(duì)金屬表面的磨損為硬、軟磨粒共同作用的結(jié)果,磨料磨損時(shí)材料微觀局部會(huì)發(fā)生塑性變形,如圖2所示,這實(shí)際上是一種微觀應(yīng)變疲勞導(dǎo)致的材料損傷。克拉蓋爾斯基提出磨損的疲勞理論時(shí)指出:疲勞磨損機(jī)理在磨料磨損中起主導(dǎo)作用。
磨損試驗(yàn)研究方面,吳勁鋒等利用苜蓿草粉進(jìn)行試驗(yàn)后得到影響磨損各因素的強(qiáng)弱依次為轉(zhuǎn)速、物料顆粒尺寸和載荷。黃曉鵬等指出轉(zhuǎn)速、負(fù)載和粒度是影響模具磨損的重要因素,并建立了苜蓿草粉對(duì)45鋼磨損的RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型,對(duì)不同試驗(yàn)參數(shù)下的磨損量進(jìn)行了預(yù)測(cè)。孔雪輝對(duì)生物質(zhì)環(huán)模的磨損問(wèn)題進(jìn)行了研究,建立了模孔的等磨損優(yōu)化數(shù)學(xué)模型。
模具結(jié)構(gòu)破壞是其另一種失效形式.包括疲勞斷裂和沖擊破壞等。結(jié)構(gòu)分析主要包括受力分析.疲勞失效分析以及模孔分析(模孔排布、開(kāi)孔率、孔口倒角)等方面。施水娟等指出環(huán)模沿軸向受到的是非均勻載荷,疲勞斷裂是環(huán)模的一種失效形式。申樹(shù)云等指出生物質(zhì)成型機(jī)模孔的最佳長(zhǎng)徑比為5:1。劉超等研究了生物質(zhì)模具錐角與應(yīng)力的關(guān)系,得到了最佳錐角度取值為5.5°~6.0°。
模具材料和熱處理工藝也是關(guān)乎其性能的重要方面,楊毅等指出為提高模具壽命.需確保材料的Cr含量在12.5%以上。孫晶鋒等對(duì)45鋼、9SiCr和60SiMn試樣進(jìn)行磨料(紫花苜蓿)磨損試驗(yàn),結(jié)果表明9SiCr鋼韌性和磨損性能最好。陳志光等通過(guò)試驗(yàn)表明4Cr13鋼環(huán)模經(jīng)低溫碳氮共滲、真空高壓氣淬后,其使用壽命顯著提高。增加模具硬度可提高其耐磨性能,但太硬容易發(fā)生脆性斷裂,設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)同時(shí)考慮材料的硬度和韌性.
2、致密成型技術(shù)研究存在的問(wèn)題
綜上所述,國(guó)外內(nèi)對(duì)致密成型技術(shù)的研究主要集中在能耗、產(chǎn)品品質(zhì)和模具失效三個(gè)方面.對(duì)原料特性以及成型過(guò)程的微觀機(jī)理和流變特性等方面也展開(kāi)了試驗(yàn)研究和探討,涵蓋了生物質(zhì)燃料從原料搜集到生產(chǎn)為產(chǎn)品的整個(gè)生命周期。但目前的研究工作仍存在一些不足之處。
2.1影響因素方面
對(duì)于秸稈等生物質(zhì)原料成型能耗的研究手段大都采用單孔制粒裝置模擬擠壓過(guò)程,但對(duì)能耗的評(píng)價(jià)應(yīng)涵蓋燃料生產(chǎn)的整個(gè)過(guò)程,包括粉碎(切斷)和加熱等工藝對(duì)能量的消耗,例如部分學(xué)者指出粒徑較小時(shí)成型能耗較低,但減小粒徑會(huì)增加粉碎能耗:模具壽命受多種因素影響,改變部分因素進(jìn)行試驗(yàn)難以得出全面的結(jié)論,并且成型原料多樣,不同物料對(duì)金屬模具的抗磨損性能影響具有差異,采用特定原料的得出的試驗(yàn)結(jié)論通用性較差:燃料品質(zhì)這方面的定性研究多,定量研究較少。在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中,模輥間隙、喂料頻率以及物料尺寸均勻性對(duì)產(chǎn)品品質(zhì)都有著不同程度的作用。各因素對(duì)能耗、磨損和品質(zhì)的作用并非獨(dú)立,應(yīng)綜合考慮。
2.2粘結(jié)劑的作用
秸稈等原料成型為燃料以后,具有一定的使用優(yōu)勢(shì),但在燃燒過(guò)程中會(huì)有比較嚴(yán)重的結(jié)渣現(xiàn)象.對(duì)燃燒爐具提出了更高的要求,目前的解決手段為改進(jìn)爐具結(jié)構(gòu),或在成型物料內(nèi)加入粘結(jié)劑(應(yīng)用于生物質(zhì)成型的粘結(jié)劑有50余種,有木質(zhì)素磺酸鈣、膨潤(rùn)土和石灰等)。需要指出的是粘結(jié)劑的加入會(huì)改變成型原料的成分,同時(shí)也會(huì)影響成型能耗、顆粒質(zhì)量和模具磨損。粘結(jié)劑對(duì)于抗結(jié)渣性能影響的研究較多,對(duì)能耗等方面的研究還少見(jiàn)報(bào)道。可以通過(guò)加粘結(jié)劑,得到其對(duì)抗結(jié)渣性能、能耗和質(zhì)量等方面的綜合影響規(guī)律。例如將石蠟或者碳粉加入到成型物料中,提高其燃燒性能的同時(shí)也會(huì)降低磨損,此類設(shè)想還需要在后續(xù)的試驗(yàn)中驗(yàn)證。
2.3有限元模擬
對(duì)生物質(zhì)致密過(guò)程進(jìn)行有限元模擬能為成型設(shè)備設(shè)計(jì)提供參考,縮短設(shè)計(jì)周期,降低設(shè)計(jì)成本。當(dāng)前研究手段為將原料視為可壓縮的連續(xù)體進(jìn)行單孔模擬,而秸稈等生物質(zhì)原料為碎粒狀,壓縮初期是離散的,并非連續(xù),這會(huì)帶來(lái)較大的誤差。離散有限元法(DEM)能進(jìn)行顆粒行為模擬和分析,可用于生物質(zhì)致密成型過(guò)程的仿真。對(duì)于成型模具的磨損問(wèn)題,有限元分析也是有效快速的研究手段。生物質(zhì)致密成型和粉末冶金壓制過(guò)程比較類似,可將粉末冶金的相關(guān)研究方法用于該領(lǐng)域。
2.4其它方面
秸稈等生物質(zhì)原料致密成型過(guò)程中,溫度是一個(gè)重要的影響因素。(秸稈)成型初期需要對(duì)模具進(jìn)行預(yù)熱,此后依靠摩擦產(chǎn)生的熱量軟化物料。預(yù)熱溫度易于控制,而摩擦熱大小與模具尺寸、成型速度、物料含水率、摩擦系數(shù)和模輥間隙等有關(guān),不便于控制。摩擦溫度過(guò)低,成型困難,太高會(huì)加劇模具磨損,降低產(chǎn)品品質(zhì),目前這方面的研究還不多。在實(shí)際調(diào)研過(guò)程中發(fā)現(xiàn),部分秸稈成型機(jī)工作時(shí)摩擦產(chǎn)生的熱量太大(主要在夏季環(huán)境溫度較高時(shí)),無(wú)法進(jìn)行正常生產(chǎn)。
再者,對(duì)于秸稈類原料,最為理想的是在作物收獲以后即轉(zhuǎn)化為成型顆粒燃料,能節(jié)約存儲(chǔ)和運(yùn)輸成本。但剛收獲的秸稈具有較高的水分(50%左右),當(dāng)前的成型技術(shù)在水分含量超過(guò)40%時(shí)便成型困難或者不能成型。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)于高水分物料成型這方面的研究較少。不同地域、不同種類的秸稈等生物質(zhì)原料的物理特性差異較大,使得對(duì)成型設(shè)備具有不同的要求,需統(tǒng)一原料的物性測(cè)試方法。建立合理的收集、貯藏和運(yùn)輸機(jī)制,保證原料的持續(xù)供應(yīng)也是急需解決的問(wèn)題。
綜上,秸稈等生物質(zhì)致密成型技術(shù)各方面的研究還有待進(jìn)一步深入。
3、致密成型技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)
秸稈等生物質(zhì)致密成型顆粒燃料作為可再生能源的重要組成部分,具有良好的應(yīng)用前景。發(fā)展生物質(zhì)致密成型技術(shù),對(duì)緩解能源緊張局面具有重要意義,相應(yīng)的對(duì)成型技術(shù)及設(shè)備也提出了更多的要求。需解決研究工作中存在的不足,采用更為合理有效的研究手段,開(kāi)發(fā)出高效技能的成型技術(shù),以適應(yīng)生產(chǎn)需求。該項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)是:
1)原料適應(yīng)性不斷增強(qiáng)。秸稈等生物質(zhì)原料具有多樣性.致密成型技術(shù)的開(kāi)發(fā)要與原料來(lái)源相結(jié)合,使成型設(shè)備具有更廣的原料適應(yīng)性。
2)高效、節(jié)能和高可靠性。當(dāng)前成型技術(shù)存在著能耗高、設(shè)備關(guān)鍵部件磨損快的問(wèn)題,通過(guò)對(duì)該項(xiàng)技術(shù)的深入研究,提高設(shè)備產(chǎn)量和可靠性,降低成型能耗,節(jié)約生產(chǎn)成本。
3)成型設(shè)備成套化、自動(dòng)化。建立結(jié)構(gòu)合理的成型顆粒燃料自動(dòng)化生產(chǎn)線.使秸稈等生物質(zhì)燃料從單機(jī)生產(chǎn)走向成套化生產(chǎn)、規(guī)模化運(yùn)作的模式,從示范階段走向市場(chǎng)。
4)成型設(shè)備和成型顆粒燃料標(biāo)準(zhǔn)化。成型顆粒燃料及加工設(shè)備將沿著標(biāo)準(zhǔn)化、系列化的趨勢(shì)發(fā)展,可規(guī)范設(shè)備、燃料和爐具市場(chǎng),便于該項(xiàng)技術(shù)的推廣應(yīng)用。
4、結(jié)論
隨著能源問(wèn)題日益突出,生物質(zhì)能的開(kāi)發(fā)受到越來(lái)越多的重視。通過(guò)致密成型技術(shù)對(duì)秸稈等生物質(zhì)原料進(jìn)行能源化利用,可豐富我國(guó)的可再生能資源。利用國(guó)內(nèi)外致密成型技術(shù)的研究成果,解決當(dāng)前生物質(zhì)致密成型設(shè)備存在的生產(chǎn)率低、成型能耗高、主要部件壽命短和原料適應(yīng)性差等問(wèn)題,將推動(dòng)該項(xiàng)技術(shù)沿著低能耗、高可靠性、更廣的原料適應(yīng)性、標(biāo)準(zhǔn)化和成套化方向發(fā)展。
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