数值模拟秸秆热解过程影响要素及其应用分析

为进一步明确秸秆热解过程的影响因素及其相互作用,本研究系统分析2000—2018年国内外秸秆热解研究的相关文献,总结秸秆热解研究中存在的问题。从数值模拟分析的角度对影响秸秆热解过程的因素进行归纳分类,分析数值模拟中需要考虑的因素及其应用,如基于非稳态数值模拟可实时监测秸秆热解过程中装置内部瞬时温度分布、挥发分流动路径、秸秆颗粒流动规律及浓度分布等瞬态物理量变化。阐述将CFD数值模拟与试验测试、理论推导相结合来研究秸秆热解的必要性,并分析此种研究方式的可行性。     

立式环模秸秆压块机成型过程建模与参数优化

在对立式环模秸秆压块机核心工作单元结构与工作原理分析的基础上,建立了压辊受力和物料成型能耗模型,绘制了不同技术参数下压辊载荷分布曲线和物料成型能耗曲线,并在此基础上提出了设备技术参数优化设计方法。理论分析结果表明:模孔偏心设计可改善压辊载荷分布,降低设备吨料能耗;模孔最佳偏心角和物料与辊模之间的摩擦因数、辊模直径比有关,物料与辊模摩擦因数、辊模直径比越大,模孔最佳偏心角也越大,现实技术参数条件下,模孔偏心设计可使物料成型能耗降低0.29%~3.58%。通过设备对比试验,证实了以上结论。     

生物质原料持续供应条件下理化特性研究

以北京市大兴某生物质固体成型燃料厂为例,研究了不同季节供应的玉米秸秆、花生壳、木屑3种生物质原料物理和热化学特性的变化规律.结果表明,木屑的全水分质量分数较高,超过40％,花生壳和玉米秸秆为10％左右,不同种类原料的堆积密度、流动特性、发热量、灰分、挥发分等特性有一定差异.木屑的堆积密度较大,挥发分含量较高,灰分含量较低.木屑和花生壳的干燥基发热量较玉米秸秆高,但由于木屑的水分过高导致其收到基发热量较低.不同季节的同类原料理化特性也有差异,特别是水分、发热量、灰分差异显著.全水分含量随当地气候条件而变化,6月份之后,玉米秸秆、花生壳和木屑的干燥基发热量分别降低约7％、3.5％和5％.因此,在生物质原料储藏、运输、压缩成型等设备的设计过程中,应充分考虑不同种类原料堆积密度、流动特性等物理特性的差异,而生物质原料的燃烧过程,不仅涉及不同种类原料的差异,还应考虑不同季节造成的影响.     

2BMX-5型小麦-玉米免耕播种机设计

针对用于一年一熟区免耕播种机的尖角型开沟器易磨损,且磨损后导致土壤扰动大、动力消耗增加、影响播种质量等问题,研究了能够拆卸前刀的楔刀型免耕开沟器以及传动机构,设计了刃口为圆弧形的前刀,并在此基础上设计了2BMX-5型小麦-玉米免耕播种机。样机分别在内蒙古、宁夏等小麦、水稻茬地进行了性能试验。试验结果表明,该机在播种过程中未发生堵塞,楔刀型免耕开沟器提高了通过性,开沟破茬效果良好,播种后土壤扰动小,种肥深度能够满足播种要求,在稻茬地的破茬率超过85％。     

生物质颗粒燃料特性及其对燃烧的影响分析

采用欧盟生物质固体成型燃料标准(CEN/TC 335)试验检测了中国和瑞典典型的10种生物质颗粒燃料,重点对中国的秸秆类颗粒燃料与瑞典的木质颗粒进行了对比,并分析其对燃烧特性的影响.结果表明中瑞两国的生物质颗粒燃料都能满足技术标准要求,瑞典木质颗粒具有较高的性能参数;中国的玉米秸秆颗粒燃料发热量比瑞典木质颗粒低20.9%,挥发分低,燃烧后灰渣中的硅含量高20%,灰熔点低,燃烧后灰分多,易结渣,对燃烧设备有较高的要求.     

我国北方地区规模化奶牛场粪污污染防治模式评价

对我国北方地区规模化奶牛场采用的前分离垫料模式与能源化后分离模式进行技术经济性及种养平衡综合评价,结果表明在能源化后分离模式下投资成本为1 749万元,较前分离垫料模式增加了559.5万元,获得副产品种类更多,年利润比前分离垫料模式提高了104.4万元。前分离垫料模式最终生成的垫料产品中的养分含量为8.74 g/kg,肥水中的养分含量为3.89 g/kg;能源化后分离模式生成的沼渣肥中养分含量为11.36 g/kg,肥水中的养分含量为7.08 g/kg。2种模式相比,能源化后分离模式下养分损失较少。针对4种典型作物,在氮素平衡条件下能源化后分离模式下粪污消纳所需农田面积比前分离垫料模式提高102.7%。通过对2种模式的比较,进一步提出了模式适用性评价指标,旨在为规模化奶牛场粪污污染防治模式的选择提供理论依据。     

抗结渣生物质固体颗粒燃料燃烧器研究

针对我国秸秆类生物质颗粒燃料灰含量高、灰熔点低而导致燃烧过程中易结渣、燃烧器易熄火、燃烧不稳定等问题,采用多级配风原理,设计出高效双层燃烧筒装置,实现三级配风,同时研究了螺旋清灰破渣机构,并在此基础上研制了生物质颗粒燃料燃烧器。采用玉米秸秆颗粒燃料和落叶松木质颗粒燃料进行了燃烧试验,试验结果表明,本燃烧器的多级配风结构和破渣清灰机构设计合理,燃烧效率达到91%,能够有效地将燃烧过程中产生的灰渣排出,结渣率明显下降,实现了连续稳定燃烧。与瑞典PX-20型燃烧器相比,以玉米秸秆颗粒为燃料时,本燃烧器燃烧效率提高了9%、结渣率降低了25.94%,燃料适应性广。     

国内外农作物秸秆供应模型研究进展

农作物秸秆是重要的生物质原料,其收集、存储存在诸多问题,秸秆无法稳定供应。为此,通过文献整理和实地调研,总结归纳了国内外农作物秸秆供应研究进展,对比分析了国外常用的IBSAL、SHAM及Bio Scope3种模型,并对国内外物流及成本相关研究进行归纳总结。针对我国秸秆供应还存在机械化程度低、物流模型不成熟、收集及运输费用高等诸多问题,建议提高机械化作业水平,尽快搭建适用于国内的秸秆供应模型,降低秸秆供应费用,为我国农作物秸秆综合利用提供原料供应保障。     

分体式小麦免耕播种机的设计

针对我国北方一年两熟地区夏玉米秸秆覆盖地,秸秆覆盖量比较大,免耕播种冬小麦容易发生堵塞等问题,设计开发了分体式小麦免耕播种机.该机采用条带旋耕与单圆盘播种镇压单体联合防堵机构.该机一次完成施肥、秸秆粉碎、碎土镇压、开沟播种、镇压等作业.该播种机主要由施肥旋耕系统、连杆连接系统和播种系统组成.田间试验结果表明:在夏玉米秸秆覆盖下小麦免耕播种,对土壤扰动量在25%～30%左右,作业质量符合农艺要求;机具结构设计合理,为中国北方一年两熟地区夏玉米秸秆覆盖地表直播小麦提供了技术支持.     

中国农作物秸秆综合利用潜力研究

针对秸秆分区布局规划不完善,导致地区性、季节性、结构性秸秆过剩,资源浪费与环境污染问题突出,研究秸秆综合利用规划理论,提出"一主多元、农用优先"秸秆综合利用途径。中国秸秆综合利用潜力总量8.76亿t,比2015年增加利用量1.56亿t,其中秸秆肥料化、饲料化和能源化利用量分别增加8 722.4万t、5 122.3万t和1 720.1万t。通过肥料和饲料化利用,可直接和间接替代化肥潜力氮肥(N)1 481.6万t、磷肥(P2O5)419万t、钾肥(K2O)1 885.1万t,节本增效节约化肥成本约685.9亿元(折合98.5元/t秸秆);通过能源化利用,可替代煤炭等化石能源5982.4万t(标准煤),可减排二氧化碳1.5亿t、二氧化硫448.7万t、氮氧化物224.3万t,烟尘4068万t,经碳排放交易经济效益可达20.25亿元(折合16.9元/t秸秆),环境和经济效益显著。