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公司新聞

生物質制粒成型機理的研究現狀

  摘要:概述了國內外生物質制粒成型機理的 研究現狀,分別從生物質制粒成型力學模型、制粒成型壓縮過程和微觀成型機理三個方面進行了闡述,指出了我國生物質制粒成型機理的 研究方向。
  生物質原料主要包含農作物秸稈、薪柴,以及林業加工剩余物、城市固體廢料、畜禽糞便和能源作物,生物質的 應用(application)涉及能源、飼料、化肥、污水治理、粉末冶金、燃料電池、造紙等多個領域[1]。
  生物質制粒成型技術是將密度(單位:g/cm3或kg/m3)較小的 各類生物質原料通過加壓的 方式壓縮成密度較大的 成型顆粒[2-4]。目前,國內外將成型工藝( technology)和成型設備作為了生物質制粒成型技術的 主要研究方向,濕壓成型、熱壓成型和炭化成型是主要的 成型工藝;螺旋擠壓式成型機、活塞沖壓式成型機和壓輥式成型機是應用比較廣泛的 成型設備,制粒成型設備又分環模、平模成型機和螺旋擠壓成型機?,F在對成型工藝和成型設備的 研究均取得了重大進展,但對生物質制粒成型機理的 研究還不夠深人。生物質制粒成型機理是生物質制粒成型技術研究的 重要組成部分,可為生物質制粒成型工藝的 制定和成型設備的 設計及優化提供理論基礎。
  1生物質制粒成型機理研究現狀
  目前,生物質制粒成型機理的 研究主要集中在制粒成型力學模型、制粒成型壓縮過程和微觀成型機理三個方面。
  1.1制粒成型(Forming)力學模型研究現狀
  Holm等[5-7]建立了木質粉體在環??變葦D壓的 力學模型,推導出了擠壓力力學模型,并對力學模型進行了改進,從而解決了泊松比、摩擦系數和預加作用力相互耦合而難以確定的 問題。Osobov[8]以草顆粒作為原料進行試驗與分析,得出物料的 初始密度和壓縮程度對壓縮力大小的 影響規律。Rolfe等[9]提出了擠壓力與環模轉速(Rotational Speed)成反比。Adapa等[10]在相同的 調制條件下對干燥(drying)與脫水的 苜蓿草進行了顆粒質量對比試驗,并建立了苜蓿草顆粒的 硬度(Hardness)模型。
  曹康等[11]將擠壓制粒成型(Forming)過程劃分為供料區、變形壓緊區、擠壓成型區,并對擠壓成型區的 受力狀況進行了力學分析。吳勁峰等[12]對不同粒度的 苜蓿草粉進行制粒過程模擬(定義:對真實事物或者過程的虛擬)實驗,建立了擠出力與粉體粒度、密度的 數學模型。黃曉鵬等[13]利用正交試驗設計,建立了制粒密度與擠出力、物料含水率的 數學模型。周曉杰等[14]采用電測技術,得出了苜蓿草徑向力的 變化與壓縮密度、初始密度和壓縮速度密切相關的 結論。楊軍太等[15]對物料在壓模筒中的 受力進行了分析,得出了物料與壓力之間的 關系,并分析了軸向應力與徑向應力的 關系。施水娟等[16]建立了擠壓力學模型,并應用有限元軟件對環模進行分析,獲得了環模軸向、周向應力與位移的 關系。張煒等[17]應用有限元軟件對環??走M行靜力分析,得到了環??纵S向應力與變形的 分布規律,確定了環??族F角對軸向應力的 影響。武凱等[18]通過對成型過程與機理進行分析,建立了環模力學模型和扭矩模型,分析了物料特性和結構參數對環模受力的 影響。
  1.2制粒成型壓縮過程研究現狀
  Rehkuglar等[19]利用流變力學模型分析了成型過程中物料的 變化規律(rhythmical)。Bock等[20]進行了草物料壓縮應力試驗,得出了草物料壓縮過程的 流變方程式。對生物質壓縮成型影響較大的 是粒子的 充填特性、流變特性和壓縮特性,其中壓力、含水率和粒徑是主要的 影響因素[21]。Bock等[22]發現在草顆粒制粒過程中,連接草粉粒子之間的 物理力決定了顆粒質量。
  楊明韶等[23]對秸稈類物料的 流變學特性進行了研究。鐘啟新等[24]通過分析壓縮過程中物料粒子之間相互作用力的 關系得出了影響顆粒質量的 因素。白煒等[25]對秸稈顆粒進行了壓縮成型模擬實驗,為了更有針對性地對壓縮過程進行研究,將成型特性曲線分成四個區間,并建立了松散、過渡和壓緊階段的 數學模型。李永奎等[26]應用離散元法對玉米秸稈粉料壓制成型過程進行了模擬,建立了玉米秸稈粉料致密成型過程的 離散元分析模型。董玉平等[27]從塑性力學理論的 角度建立了壓縮過程的 力學模型,并應用有限元分析軟件對擠壓過程進行模擬,得到物料在擠壓過程中的 變化規律,揭示了在成型過程中生物質內部應力應變的 變化過程。高名望[28]對成型過程中的 溫度場進行了有限元模擬,得到了成型過程中生物質溫度場的 分布規律。申樹云[29]應用有限元軟件對環模進行了多個物理場的 耦合分析,得到了環模整體應力應變及溫度場的 分布規律。
  1.3微觀成型機理研究現狀
  Lindley等[30]將成型物內部的 黏結力類型和黏結方式分為以下五類:
 ?、俟腆w顆粒橋接或架橋;
 ?、诜亲杂梢苿羽そY劑作用的 黏結力;
 ?、圩杂梢苿右后w的 表面張力和毛細壓力;
 ?、芰W娱g的 分子吸引力或靜電引力;
 ?、莨腆w粒子間的 充填或嵌合。生物質能源顆粒若使用添加劑,則應為農林產物,并且應標明使用的種類和數量。歐盟標準對生物質顆粒的熱值沒有提出具體的數值,但要求銷售商應予以標注。他們認為生物質燃燒特性可以用這幾種黏結類型來解釋內部的 成型機理。Kaliyan等[31]發現顆粒間的 結合方式主要是由天然黏合劑(纖維素,蛋白質)形成的 固體橋接。
  郭康權等[32]測量了不同成型條件下的 粒子二向平均粒徑,得出了粒子二向平均粒徑與成型條件的 關系,通過顯微鏡觀察粒子間的 結合形式,建立了粒子微觀結合模型。生物質鍋爐燃料生物質顆粒作為一種新型的顆粒燃料以其特有的優勢贏得了廣泛的認可;與傳統的燃料相比,不僅具有經濟優勢也具有環保效益,完全符合了可持續發展的要求。徐廣印等[33]通過對比三種秸稈壓縮前后微觀結構的 變化,得出了秸稈成型顆粒的 微觀結合方式,提出了更佳壓縮條件。田瀟瑜等[34]在不同的 成型條件下觀察秸稈顆粒的 微觀結構,分析(Analyse)了成型條件與微觀結構之間的 關系,研究表明,秸稈顆粒粒子之間的 結合形式主要以機械鑲嵌、天然黏結劑黏結為主?;酐慃惖萚35]通過對比不同物料、不同階段的 物料微觀形態和粒子結合形式,得出了生物質能源顆粒微觀成型機理為分層式壓縮,可分為中心層、過渡層和表層壓縮。邢獻軍等[36]對生物質顆粒燃料成型過程中的 微觀形貌進行觀察研究,探究了平模成型機供料區、壓緊區、壓實區、成型區顆粒粒體間的 結合形式。齊菁等[37]從物理結合形式上分析了稻殼顆粒的 微觀成型機理,研究表明, ;片搭 ;是稻殼原料之間物理結合的 主要形式。盛奎川等[38]從宏觀與微觀的 角度研究了生物質成型機理,從宏觀角度分析了成型條件對顆粒物理品質的 影響,從微觀角度分析了顆粒品質與粒子特性、生化特性和電勢特性之間的 關系。吳云玉等[39]建立了生物質機械接觸幾何模型,確定了壓輥(gǔn)正壓力(pressure)與生物質表面斜角之間的 數學關系,分析了分子(Molecule)電化學微觀機理及能量微觀機理,揭示了壓縮溫度在壓縮成型過程中的 作用及重要性,說明了生物質成型燃料能量和密度提高的 原因。
  2生物質制粒成型機理研究與展望
  從研究現狀來看,生物質(material)制粒成型機理的 研究取得了巨大進展。在力學模型的 研究方面,建立了若干個關于環模力學特性的 數學模型和扭矩模型;在壓縮(compression)過程的 研究方面,關于物料機械特性(Data Terminal Equipment)及流變特性的 研究均取得了很大的 進展;在微觀成型機理的 研究方面,揭示了不同物料微觀成型結構和顆粒粒子間的 結合方式,初步建立了從宏觀到微觀的 過渡成型機理。這些研究成果為生物質制粒成型的 工藝制定及成型設備的 優化提供了理論依據。今后,應對以下幾個方面進行深人研究。
  (1)制粒成型(Forming)中所用的 物料大多屬于非連續介質的 粉粒體,非連續介質力學適用于生物質顆粒燃料的 力學分析。目前對非連續介質的 理論研究還不夠深人,為了更加全面地揭示制粒過程中物料的 力學特性,應完善非連續介質的 力學理論。
  (2)對生物質制粒成型力學模型進行了大量研究,并建立了許多擠壓力(pressure)學模型,但這些力學模型都是建立在單一物料和特定的 壓縮條件下。由于制粒成型中所用的 物料多種多樣,其成型壓縮條件也存在著較大差異,因此需要建立適應性更加廣泛的 物料擠壓力學模型和數學模型。
  (3)目前在生物質制粒成型壓縮過程的 研究中,只是對單一的 物理場進行了數值模擬,如壓力場、溫度場或速度場等。由于制粒成型過程具有復雜性、多變性和系統性,因此僅做單一的 物理場分析還不能全面地反映制粒成型過程中的 物料變化規律,需要對物理場進行多場耦合分析。其次,對生物質壓縮過程的 研究主要集中在流變學特性和力學特性等方面,對壓縮過程中的 粒子特性、生化特性和電學特性還需要進行深人的 研究。
  (4)生物質制粒微觀成型機理的 研究主要集中在對生物質顆粒燃料壓縮前后其內部結構的 微觀表征方面,對顆粒間的 結合形式只是做了一些定性分析。將定性與定量分析結合在一起才能夠更加全面地詮釋微觀成型機理,將宏觀與微觀相結合才更有利于探索顆粒微觀結構形貌及顆粒間結合形式對制粒質量的 影響。
  (5)對生物質制粒成型(Forming)機理的 研究主要集中在物理層面,對成型過程中物料化學成分的 變化及粒子之間化學結合方式的 研究還處于起步階段。生物質顆粒燃料生物質顆粒的直徑一般為6~8毫米,長度為其直徑的4~5倍,破碎率小于1.5%~2.0%,干基含水量小于10%~15%,灰分含量小于1.5%,硫含量和氯含量均小于0.07%,氮含量小于0.5%。為了更加清晰地了解制粒成型機理,需要將物理與化學相結合對制粒成型技術進行深人研究。

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