沙柳生物质燃料颗粒致密成型粘结机理研究

东北地区主要的农业废弃物玉米秸秆焚烧严重,造成环境污染,其合理消纳是亟需解决的问题。基于此,该文利用微型流化床与过程质谱联用仪研究在床温分别为550、600、650、700及750 ℃添加Na2CO3和NaCl的玉米秸秆热解气相产物（CO、CO2、CH4、H2）的析出特性,并采用等温模型拟合法计算了单组分气体产物生成反应的动力学参数。结果表明：随着温度的升高,4种热解气体产物的释放强度均有所增大,其中CO的变化程度最大。同时,添加钠盐后,各种气体释放起始时间差逐渐减小,说明钠盐促进了热解反应的进行。其中,添加Na2CO3后热解产生的CO、CO2和CH4的速率明显变快,表明其对含炭气相组分的生成具有明显促进作用。而添加NaCl后H2的生成速率明显加快,说明NaCl对H2生成具有选择性催化作用。此外,秸秆热解中不同气相产物生成反应活化能的计算结果也证实了上述结论。该文通过热解制备可燃气的方式以期为玉米秸秆的处理提供参考。     

生物质致密成型过程中原料几何形状的离散元研究

在大量的农林业加工剩余物中,不同种类原料粉碎后的形状不同,其压缩成型特性有很大差异。以锯末、树叶和灌木细小枝条为原料,在同一模具下进行单模孔单向受压的离散元模拟,分析不同种类原料的成型质量和能耗。模拟结果表明:挤压成型后,锯末的接触数量达到8 327,高于其他两种原料。锯末颗粒的最大变形率为55%,灌木细小枝条为52%,树叶为49%。成型后锯末的孔隙率为19.03%,灌木细小枝条为24.72%,树叶为32.19%。根据变形率和孔隙率,得出锯末的成型质量最好,树叶的成型质量最差。这一结论与燃料的成型密度结果相对应。整个致密成型过程锯末、灌木细小枝条和树叶消耗的能量分别为30.84 J、19.76 J、15.12 J。模拟结果可以为生物质致密成型技术的发展提供理论依据。     

环模成型机楔形区域物料运动速度与压力分析

环模成型机是生物质压缩成型主要设备,由于工况复杂性,不易测得其内部物料运动特性。对粉碎后的沙柳细枝颗粒在环模成型机内的运动速度与压力进行了研究。运用流变学理论建立物料在楔形区内的速度方程,并利用有限元软件Fluent对该区域内物料的塑性流动建立模拟仿真,应用动网格技术和UDF在仿真中实现环模和压辊旋转。通过Fluent仿真模拟得出物料在楔形区域内速度矢量图及速度和压力云图。前者用于分析物料在该区域内的运动方向。后者通过改变环模最小模辊间隙、模孔直径、模辊直径比,得出不同的物料速度和压力分布云图,用于分析物料在楔形区域内的运动速度和压力分布状况,及其对物料成型过程的影响。通过对比,环模成型机采用最小间隙为2.0 mm,模孔直径为10 mm,模辊直径比为2.25的参数时,对沙柳细枝颗粒致密成型效果和效率较好。上述结果可为研究其他生物质物料在环模成型机楔形区域内的运动提供理论支持和方法借鉴。     

沙柳细枝颗粒致密成型过程中的压缩方式

为分析匀速、匀减速和叠加振动3种压缩方式下沙柳细枝颗粒燃料的成型质量和能耗,建立沙柳颗粒单向受压的离散元模型,设置初始条件和参数,且在颗粒生成完毕后使加载面向下运动。模拟结果表明:压缩方式对最大压力无明显影响。分析颗粒燃料沿轴向的接触力,得到叠动振动压缩方式下成型燃料品质优于其他2种方式,匀速压缩方式下的成型质量最差。成型后颗粒燃料的密度和空隙率结果也与这一结论相吻合。通过分析压缩力-位移数据,利用数值积分计算出匀速、匀减速和叠加振动3种压缩方式的做功分别为37.52,36.15和40.41 J,得出叠加振动方式消耗的能量最多,匀速方式次之,匀减速方式最小。分析不同压缩方式下颗粒的总能量也表明这一结论的准确性。模拟结果可以为生物质固化成型过程中压缩方式的选取提供理论依据。     

基于流固耦合的环模成型机关键部件疲劳寿命分析

环模成型机是生物质燃料的主要加工设备,由于环模在生产过程中容易发生疲劳破坏,因此对其进行应力及疲劳分析具有重要意义。利用流固耦合分析法对以沙柳细枝颗粒为生产原料的环模成型机进行综合分析,通过简化压辊与环模模型,在保证结果精度的前提下缩短了仿真分析所需要的时间,采用的湍流模型能够更准确地反映出物料在成型过程中的流动特性。将流体域和固体域的结果进行耦合分析,得到了压辊和环模部件的最大变形量分别为0.608和0.600 mm,最大应力分别为30.50和90.05 MPa,均发生在压辊与环模的最小间隙处。分析得出压辊与环模的疲劳寿命云图,结果显示,在生物质成型过程中,环模在靠近模孔位置处由于应力集中更容易发生疲劳破坏,其最小寿命为3.12×10~6次。最后通过与传统应力分析方法得到的环模疲劳寿命结果进行比较,运用流固耦合分析法得到的环模疲劳寿命分析结果更加符合实际的磨损和疲劳情况,验证了运用流固耦合对环模压辊进行应力分析以及疲劳分析方法的可行性,同时为环模的研发提供了理论支持和方法借鉴。     

新型锤片式饲料粉碎机粉碎性能的试验研究与参数优化

为提高锤片式粉碎机筛分效率,弥补现有粉碎机生产率低、能耗高等缺点,基于泛函分析理论,对粉碎机分离装置进行优化。文章选取了以粉碎机的工作小时生产率和吨料电耗为评价指标,以筛网倾角、主轴转速、喂入量为影响因素,用玉米为原料,进行二次回归正交旋转中心组合试验研究及分析,建立各指标与因素间的回归数学模型,确定了各个因素对评价指标的影响规律和主次顺序。综合分析后得出工作小时生产率与吨料电耗的较优水平组合:筛网倾角61.78°、主轴转速2 477.5 r/min、喂入量6.42 kg。在该结构和工艺参数下,与采用原分离装置相比,工作小时生产率提高1.48%,吨料电耗降低3.38%。该研究为锤片式饲料粉碎机粉碎饲料研究和优化提供一定理论依据。     

基于离散元的不同轴截面形状下沙柳颗粒致密成型研究

为研究模具的结构形状对沙柳颗粒致密成型的影响,用离散元软件EDEM建立了沙柳颗粒模型,并将预先用Pro/E创建的3种不同结构的模具先后导入其中,在初始参数、条件设定完成后分别做了匀速压缩模拟。对比研究了3种模具下压缩力的做功,颗粒在竖直和水平方向的形变特征、受力过程,并通过后处理所得数据分析计算了各模具下成型燃料最终获得的密度和能量。结果表明:双弧度、双锥度、单锥度3种模具下压缩过程做功依次为48.86、56.93、66.02 J,燃料总能量分别是40.06、41.54、46.81 J,对应密度为1.23、1.19、1.17 g/cm3;竖直方向双弧度下燃料内部颗粒受到的接触力和发生的形变远大于其他两种模具,水平方向三者颗粒所受的接触力和发生的形变无太大差异;颗粒在3种模具下受到的粘接力均无明显不同,但各自所受的法向粘接力远大于切向粘接力。