生物质颗粒燃料成型的黏弹性本构模型

为研究生物质颗粒成型燃料压缩成型机理,该文用玉米秸秆、花生壳、小麦秸秆、大豆秸秆、棉花秸秆、木屑等6种生物质原料,采用生物质颗粒燃料成型机进行压缩成型,研究生物质颗粒燃料压缩成型过程,采用黏弹性理论,建立生物质颗粒成型燃料的本构模型,从力学角度提出生物质颗粒成型燃料的压缩成型机理,并研究对比不同种类生物质原料压缩的最大应力与能耗.结果表明,6种生物质原料中棉杆和木屑的最大应力较高,其余4种原料略低;木屑的压缩能耗最高,其次为棉秆、花生壳和豆秸,小麦秸秆和玉米秸秆较小.该研究结论为解决生物质颗粒成型燃料成型加工能耗高,关键部件受力磨损导致寿命低等问题提供一定参考.     

温度对玉米秸秆成型颗粒烘焙制备生物炭及其特性的影响

采用低温烘焙技术制备玉米秸秆成型生物炭,可解决玉米秸秆带来的环境污染及资源浪费。研究以玉米秸秆成型颗粒为原料,利用固定床反应器,制备了不同烘焙温度(250～400℃)成型生物炭,采用元素分析、工业分析、能量产率、质量产率、机械性能、疏水性、红外光谱(Fourier transform infrared spectroscopy,FTIR)、扫描电镜(Scanning electron microscopy,SEM)、元素K含量等分析生物炭特性。随烘焙温度升高,热值增加,能量产率降低,400℃时,成型生物炭热值为21.86MJ/kg,能量产率为50.17%。成型生物炭颗粒表面裂纹增多,机械性能降低,350℃烘焙成型生物炭(CSP350)机械性能好于400℃烘焙成型生物炭(CSP400),低于成型生物质颗。烘焙生物炭疏水性提升,可贮藏于室外。成型玉米秸秆经烘焙热解发生了脱水、脱羰基、脱甲基反应,纤维素、半纤维素热解剧烈,木质素开始热解。随温度升高,其孔径呈下降趋势,比表面积增大。结果表明,玉米秸秆成型烘焙生物炭可作为优质生物燃料,适宜制备温度为300～350℃。     

生物质颗粒燃料微观成型机理

为研究生物质颗粒燃料的微观成型机理,以玉米秸秆、木屑为原料利用环模式成型机压缩成生物质颗粒燃料,并对原料、粉碎原料及生物质颗粒燃料进行显微形貌观察,对比不同原料、不同阶段物料的微观形态和散粒体压缩过程的结合形式。结果表明：环模式成型机为间断性压缩,生物质颗粒燃料微观成型机理为分层压缩,层与层间距为25～40?μm;从横截面看分3层：中心层散粒体“平铺”,过渡层扭曲变形,表层“直立”。相同挤压力下秸秆颗粒燃料比木屑颗粒燃料的密度小。为生物质颗粒燃料的成型机具提供重要的设计理论依据。     

玉米秸秆粉料单模孔致密成型过程离散元模拟

为模拟粉碎后的玉米秸秆在单向受压状态下的力学行为,参照实际单模孔致密成型实验,建立了基于软球模型的秸秆粉料颗粒体系三维离散元模型,其约束边界条件与成型实验几何边界形态及尺寸一致。进行模拟分析时,颗粒接触模型的力学特性参数,如颗粒间法向刚度系数kn,切向刚度系数ks及摩擦系数μ,利用离散元模拟程序调试得出参数取值范围。将模拟得到的结果与实验测试数据进行比对与假设检验验证,结果显示数据一致性较好。得出离散元模拟时颗粒间力学特性参数最佳取值范围,分别为法向刚度系数(1.2~1.8)×104 N/m,切向刚度系数(0.8~1.3)×104 N/m,摩擦系数0.10~0.12。通过分析不同压缩位移、不同孔径以及不同锥角下的压缩与应力松弛曲线,建议成型模具孔径Φd=8 mm,锥角θ=45°,且应尽量增大压缩位移以防止秸秆成型块发生松散。离散单元法为研究玉米秸秆粉料致密过程力学行为提供了一种有效的分析手段。     

添加剂对玉米秸秆颗粒燃料结渣特性的影响

为了研究添加剂对秸秆类颗粒燃料抗结渣的机理,该文以玉米秸秆颗粒燃料为研究对象,通过添加MgCO3、CaCO3、Al2O3 3种添加剂,对其灰渣进行结渣特性、灰渣形貌、化学组成等试验研究。结果表明,添加添加剂后玉米秸秆颗粒燃料灰渣形貌发生明显变化,灰渣尺寸越小,表面越粗糙,孔洞较多;Si、K元素是玉米秸秆颗粒燃料引起结渣的主要元素,Mg、Ca元素与Si、K元素反应生成新的化合物而具有抗结渣效果;Al元素亦与Si、K等元素发生反应生成了新的硅酸盐类。即添加剂与秸秆中的Si、K等碱金属元素发生反应生成了新的化合物抗结渣。研究结果为解决秸秆类固体成型燃料结渣问题提供了理论依据。     

秸秆类生物质成型热黏塑性本构模型构建

针对生物质颗粒生产能耗高、效率低的现状,该文从生物质组成角度,特别是木质素特性出发探讨其成型机理。秸秆成型过程由于内摩擦力的作用产生大量热量,温度的上升会造成木质素的软化,木质素的这一变化为纤维颗粒的团聚提供了黏结力。温度和木质素特性对生物质塑性成型性能产生巨大影响,是热黏塑变形过程。为研究生物质内部特性对塑性成型过程的影响,运用内时理论,以玉米秸秆、小麦秸秆和水稻秸秆为研究对象,构建了秸秆类生物质压缩成型内时本构方程。借助黏土流动理论,推导定义生物质黏塑性强化函数和核函数,运用数值分析和试验得出本构方程的系数。与试验数据相比较,基于内时理论的热黏塑性本构模型较好的模拟了生物质塑性流变过程。结果显示,向秸秆中添加20%的木质素,可有效提高其塑性流动性能,降低其在相同应变下的应力以及生产能耗;当成型温度在100~115℃之间,应变率在1×102~1×103 s-1之间,对于木质素质量分数分别为29%的玉米秸秆、33.5%的小麦秸秆和34.3%的水稻秸秆的固化成型性能最好。     

玉米秸秆致密成型燃料燃烧动力学分析

为近一步实现秸秆致密成型燃料高效燃烧的合理利用,该文选用玉米秸秆致密成型燃料进行燃烧动力学分析,通过对玉米秸秆在不同粒度（1、0.25 mm）和不同升温速率（10、20、40℃/min）进行热重分析,采用一级反应动力学模型,得出不同实验水平下的热重、热重变化率及差热,利用热重和热重变化率计算出动力学参数——活化能和频率因子, 最后得到玉米秸秆的热解动力学方程。研究表明：玉米秸秆致密成型燃料的燃烧过程大致可以分为燃料吸热失水反应、挥发分析出和燃烧反应及固定碳的燃烧反应3个阶段,升温速率和样品细度的变化对燃料的活化能及最大失重速率有一定影响,玉米秸秆致密成型燃料的活化能在升温速率为20℃/min时最大。该研究为进一步研究生物质成型燃料的实际热解过程分析以及燃烧设备的设计参数选择提供理论依据。     

饲料用秸秆丝化多频快速压缩成型工艺参数优化

为了进一步探明丝化后干玉米秸秆压缩成型的最佳工艺参数,利用WDW-200微机控制电子式万能试验机,以秸秆含水率、最大压缩力(能够压缩成型的最小压缩力)、压缩次数和压缩速度为影响因子,对饲料用玉米秸秆丝化后压缩成型块的松弛比进行了二次回归旋转组合试验研究。建立并分析了4个影响因子对玉米秸秆丝化压缩成型松弛比的回归模型,并进行了验证试验。结果表明:丝化后玉米秸秆压缩成型最佳工艺条件为:含水率为7.8%~18.3%,能够成型的最小压缩力为6.22 MPa,压缩次数为2~6次,压缩速度为128~337 mm/min。在此工艺条件下,干玉米秸秆丝化压缩成型的松弛比在1.2和1.5之间,均能满足实际生产中较低能耗与生产质量的要求。该试验对压缩工艺的优化、压缩设备的研制和了解压缩成型后产品的特性具有参考意义。     

生物质成型颗粒燃料燃烧特性的试验研究

该文利用热重分析仪对玉米秸秆、木屑、混合木屑三种生物质成型颗粒燃料进行了理论分析，分段比较了三种颗粒燃料的燃烧特点及各段表观活化能和频率因子的热化学动力学参数，分析了成型处理工序对生物质燃烧特性的影响。结合颗粒燃料在燃烧炉中的实际燃烧特点，明确了影响颗粒燃料燃烧适应性的主导因素是挥发分的析出和燃烧速率，由此为改良低质颗粒燃料、提高燃烧炉适应性提出了指导性建议。     

柱塞式平模生物质成型机设计与试验

针对传统生物质平模成型机能耗高、磨损严重的问题,该文提出了一种柱塞式平模生物质致密成型方法,并设计了成型机样机。该样机通过斜盘与弹簧配合,驱动柱塞往复运动,柱塞在运动过程中仅对模具内的原料进行挤压。成型模具部分采用组合式设计,主要由平模与成型套筒组成,可在成型套筒外部加热,同时可更换长径比不同的成型套筒以适应不同生物质原料。该文以不同颗粒度玉米秸秆和刺槐为原料,在原料含水率为15%,斜盘转速为50 r/min,原料温度为室温的条件下进行了试验,结果表明柱塞式平模生物质成型方法可行,颗粒成型率均高于98%,成型密度大于1.1 g/cm3,机械耐久性高于97%。该文提出的成型方法为生物质致密成型技术提供参考。     

保压/保型抑制压后切碎玉米秸秆块回弹机理

为揭示保压和保型抑制压后秸秆块回弹机理,优化压缩工艺,提高压后秸秆块的尺寸稳定性,该研究以切碎玉米秸秆为材料,进行了不同压缩条件下保压和保型特性试验及不同压缩工艺下秸秆块尺寸稳定性试验。结果表明,保压和保型150 s可使秸秆块的尺寸稳定系数分别增大1.52～4.26和4.36～6.78个百分点,两者均能抑制压后秸秆块回弹,但机理不同,保压抑制回弹机理为:从增大压缩位移和减小回弹位移2个方面减小相对回弹位移,从而增大秸秆块的尺寸稳定系数,其本质为增大压后秸秆块中的黏性应变;保型抑制回弹机理为:减小秸秆块中的残余应力,保型150 s可使秸秆块的残余应力减小约40%,从而减小压后秸秆块回弹,增大秸秆块的尺寸稳定系数,其本质为减小秸秆块中残余黏弹力。不同压缩条件下保压和保型稳定效果对比分析的结果表明,在同一压缩条件下,保型的稳定效果总是优于保压。该研究结果可为切碎玉米秸秆压捆和冷压成型工艺及装置研发提供依据,也可为其他生物质及小粒径秸秆压制成型提供参考。     

玉米秸秆振动压缩过程的应力松弛试验

中国玉米秸秆资源非常丰富,由于本身松散、密度低的特点,其贮运成本较高,压缩致密是解决这一问题的最有效方法。在压缩过程中,玉米秸秆表现出的流变特性造成能耗高、压缩设备关键部件磨损严重以及生产率较低的问题,是制约其推广应用的主要瓶颈。针对这些问题,该文将振动引入玉米秸秆的压缩过程中,在自行设计的振动压缩试验系统上进行了揉碎后的玉米秸秆叠加振动与不加振动压缩应力松弛的试验研究,利用MATLAB软件的2阶指数方程对试验数据进行拟合,得到玉米秸秆振动压缩过程的2阶Maxwell应力松弛流变模型参数,其拟合度均大于0.9。基于流变模型,对应力松弛速率、应力松弛时间参数进行了分析,其结果为：压缩过程叠加振动,能够提高应力松弛速率、降低应力松弛时间以及成型块内部的残余应力,从而可降低再次压缩的压缩阻力、提高产品质量以及生产率,为解决现有成型设备高能耗低效率等问题提供了新的途径。     

基于纤维形态特征分析的玉米秸秆皮拉伸特性

为研究玉米秸秆皮纤维形态特征对其力学特性影响的基本规律,该文对不同取样高度的玉米秸秆皮的拉伸特性及其纤维形态特征进行了试验研究。通过硝酸法获得不同取样高度的玉米秸秆皮纤维及其形态特征参数,同时测试相应取样高度的径向抗拉强度和轴向抗拉强度,并以径向抗拉强度和轴向抗拉强度为考核指标,利用灰色关联法分析纤维长宽比、壁腔比等纤维形态特征参数与玉米秸秆皮拉伸特性的相关性。结果表明,不同取样高度的玉米秸秆皮的纤维形态特征参数及其拉伸特性的差异显著(p0.01),玉米秸秆皮轴向抗拉强度显著高于径向抗拉强度(p0.01);玉米秸秆皮拉伸特性与其纤维形态特征参数存在相关关系,径向抗拉强度与纤维壁腔比相关(r=0.9972),轴向抗拉强度与纤维长宽比(r=0.8885)和纤维壁腔比(r=0.6648)均相关。研究结果为玉米秸秆皮加工装备设计及其材料化利用提供了参考。     

秸秆育苗钵质量和性能影响因素及成本分析

为进一步研究作物秸秆育苗钵的质量和性能,该研究对5种作物秸秆制备秸秆育苗钵的成型质量、成品强度、育苗效果和加工成本进行了比较分析。结果表明：随粉碎细度的增加,秸秆育苗钵一次模塑成型率增加,破损率降低,吸水率增加,播种出苗率增加而根系生长降低,粉碎秸秆成本增加。育苗钵成型率主要与粉碎细度相关,而破损率、吸水率和育苗质量与秸秆种类和粉碎细度二者均有关。5种秸秆中,紫苏秸秆成型质量和育苗效果最好,玉米秸秆加工成本最低,因此玉米秸秆和紫苏秸秆更适于生产推广。     

添加玉米秸秆对白浆土重组有机碳及团聚体组成的影响

研究添加有机物料后,土壤重组有机碳含量变化及其对土壤团聚体组成的影响,对于科学评价秸秆还田对土壤的培肥作用及其环境效应具有重要意义。采用室内培养试验,培养120 d,研究耕作白浆土耕层土壤和母质层中添加不同比例秸秆对土壤重组有机碳积累量、团聚体组成及各粒级团聚体中有机碳分布的影响。结果表明:随秸秆施用量增加,耕层土壤和母质的重组有机碳含量均呈同步增加趋势,耕层土壤和母质相比,重组有机碳增量差异不大,两者增量差值仅为0.34 g kg-1,但两者的有机碳增率差异很大,耕层土壤仅为85.51%,母质则高达556.23%。说明在成土过程中,耕层土壤中有机质的累积会降低其固碳潜力,而在母质层中,其固碳"位点"处于"空置"状态,因此有很强的固碳潜力。同时,秸秆的添加,促进了土壤中小粒径团聚体(0.25 mm)向大团聚体(0.25mm)的转化,耕层土壤和母质土壤在秸秆添加量为3%和2%时大团聚体中有机碳的贡献率最高,分别为69.90%和65.48%。在白浆土中添加玉米秸秆培养后,其母质的固碳能力大于耕层土壤。     

玉米秸秆整株深埋还田技术研究

介绍在小麦、玉米一年两熟条件下,玉米秸秆直接还田的一种全新方法——玉米秸秆整株深埋还田技术(以下简称玉米整株还田),所需配套机具及操作工艺、技术要点和3年的试验结果。研究结果表明整株还田,秸秆经过一年的腐解,腐解率达90%以上,土壤有机质年均增加0.11%。玉米整株还田耕深20cm,秸秆在土壤8cm深度以下秸秆覆盖率达95%以上,能够保证冬小麦播种质量,小麦播种出苗后基本苗及分蘖测定分别比粉碎还田(对照)增加23株和0.2个。小麦生育期干物质和千粒重分别增加8.95%和1.33%,小麦产量提高3.81%,比秸秆堆沤还田和粉碎还田投入分别减少65.7%和50%。玉米整株还田具有省工、省力、省时、节能、增产增收的良好效果。目前已在河北省栾城县大面积推广应用     

基质中添加适宜玉米秸秆促进马铃薯脱毒苗生长

马铃薯微型薯常用栽培基质中,草炭是不可再生的,可供利用的资源有限。蛭石一般可使用一年,重复利用率低,且生产成本高。在马铃薯微型薯栽培基质中,玉米秸秆基质还未得到有效利用,玉米秸秆资源丰富,价格低廉。该试验对玉米秸秆基质在马铃薯微型薯生产上的应用效果进行了研究,通过比较分析试验结果,以期找到玉米秸秆在马铃薯微型薯栽培基质上较适宜的应用比例。该试验以马铃薯‘春薯四号’脱毒苗为试验材料,将玉米秸秆进行发酵腐熟,草炭过1 cm筛后,用玉米秸秆、草炭、蛭石、沙子、田园土5种基质材料按照不同体积比混配成6种复合基质,分别为M1(草炭:蛭石=1:1)、M2(玉米秸秆:草炭:蛭石=1:1:2)、M3(玉米秸秆:草炭:沙子=1:3:4)、M4(玉米秸秆:草炭:沙子=1:1:2)、M5(玉米秸秆:沙子:田园土=3:4:1)、M6(玉米秸秆:田园土=3:2)。基质材料按比例混配均匀后使用50%的多来宝可湿性粉剂500倍液和50%的多菌灵可湿性粉剂1 000倍液进行杀虫灭菌。将试验棚内土地耙平整,地面上方铺设防虫网,用砖砌9个2.4 m×1 m(长×宽)的试验槽,槽间过道宽40 cm,将每个试验槽分隔成2个面积相等的试验小区,共18个,每个小区面积1.2 m2。采用随机区组试验设计,设3次重复试验。马铃薯脱毒苗定植前在试验棚上方放置透光率为50%的遮阳网,待马铃薯脱毒苗缓苗期过后将其取下。从马铃薯脱毒苗定植开始每隔15 d进行随机采样,测定指标,分析比较6种不同配比基质对马铃薯脱毒苗形态指标株高、茎粗、叶片数、茎节数、地上部分及地下部分鲜质量的影响,及生理指标叶绿素a、叶绿素b、叶绿素总量、根系活力的影响。结果表明:M2(玉米秸秆:草炭:蛭石=1:1:2)的更有利于马铃薯脱毒苗的生长,缓苗时间短,植株较健壮,其中株高、茎粗、地下部鲜质量增长量多于其他基质,叶绿素a、叶绿素总量增长稳定且优于其他基质,可以有效地为微型薯的生长发育积累更多营养物质。     

玉米秸秆皮拉伸和剪切特性试验

为设计玉米秸秆皮穰叶分离机械并优化其参数,本该文对玉米秸秆皮的拉伸和剪切特性进行了二次回归正交旋转试验研究。该文通过试验研究了含水率和取样高度对玉米秸秆皮拉伸强度的影响;含水率、取样高度和剪切速度对玉米秸秆皮的剪切强度的影响。试验结果分析表明:对于抗拉强度,在含水率为30%时玉米秸秆下部秸秆皮的抗拉强度达到最大值,其值为67.2MPa。在研究抗拉强度的2个因素中,取样高度对玉米秸秆皮的拉伸强度影响较显著。对于剪切强度,在研究的3个因素中,剪切速度和含水率对玉米秸秆皮的剪切强度影响较显著,而取样高度对玉米秸秆皮的剪切强度影响不显著。     

瘤胃真菌与酿酒酵母仿生共培养提升秸秆发酵产乙醇量

玉米秸秆中具有较高的纤维素、半纤维素含量,是一种具有稳定产率、可集中处理、可代替木材作制浆原料的生物质材料。为了研究厌氧微生物与酵母共培养预处理玉米秸秆的产物,该研究模拟反刍动物消化玉米秸秆的过程,从羊瘤胃液中分离出厌氧真菌（Pecoramyces sp.）。以玉米秸秆茎皮碎为底物,与厌氧真菌、酿酒酵母菌S1145在39℃进行共培养72 h,分析发酵对秸秆茎皮降解及其代谢产物的影响。结果表明,在瘤胃真菌作用下,添加不同量的酿酒酵母可对代谢产物中乙醇含量产生影响,其中添加5 mL酿酒酵母时产生的乙醇含量最高,占总代谢产物比例为32.09%,相对于未添加酿酒酵母的对照组,乙醇含量提高了23.04百分点。研究表明,在厌氧真菌与酿酒酵母共培养预处理玉米秸秆茎皮的过程中,添加酿酒酵母可提高乙醇产量,为玉米秸秆高效资源化处理和生物质燃料生产提供了一种可靠的方法。