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建湖生物质制粒成型机理的 研究现状

来源: 发布时间:2019-03-23 5410 次浏览

  摘要:概述了国内外生物质制粒成型机理的 研究现状,分别从生物质制粒成型力学模型、制粒成型压缩过程和微观成型机理三个方面进行了阐述,指出了我国生物质制粒成型机理的 研究方向。
  生物质原料主要包含农作物秸秆、薪柴,以及林业加工剩余物、城市固体废料、畜禽粪便和能源作物,生物质的 应用(application)涉及能源、饲料、化肥、污水治理、粉末冶金、燃料电池、造纸等多个领域[1]。
  生物质制粒成型技术是将密度(单位:g/cm3或kg/m3)较小的 各类生物质原料通过加压的 方式压缩成密度较大的 成型颗粒[2-4]。目前,国内外将成型工艺( technology)和成型设备作为了生物质制粒成型技术的 主要研究方向,湿压成型、热压成型和炭化成型是主要的 成型工艺;螺旋挤压式成型机、活塞冲压式成型机和压辊式成型机是应用比较广泛的 成型设备,制粒成型设备又分环模、平模成型机和螺旋挤压成型机。现在对成型工艺和成型设备的 研究均取得了重大进展,但对生物质制粒成型机理的 研究还不够深人。生物质制粒成型机理是生物质制粒成型技术研究的 重要组成部分,可为生物质制粒成型工艺的 制定和成型设备的 设计及优化提供理论基础。
  1生物质制粒成型机理研究现状
  目前,生物质制粒成型机理的 研究主要集中在制粒成型力学模型、制粒成型压缩过程和微观成型机理三个方面。
  1.1制粒成型(Forming)力学模型研究现状
  Holm等[5-7]建立了木质粉体在环模孔内挤压的 力学模型,推导出了挤压力力学模型,并对力学模型进行了改进,从而解决了泊松比、摩擦系数和预加作用力相互耦合而难以确定的 问题。Osobov[8]以草颗粒作为原料进行试验与分析,得出物料的 初始密度和压缩程度对压缩力大小的 影响规律。Rolfe等[9]提出了挤压力与环模转速(Rotational Speed)成反比。Adapa等[10]在相同的 调制条件下对干燥(drying)与脱水的 苜蓿草进行了颗粒质量对比试验,并建立了苜蓿草颗粒的 硬度(Hardness)模型。
  曹康等[11]将挤压制粒成型(Forming)过程划分为供料区、变形压紧区、挤压成型区,并对挤压成型区的 受力状况进行了力学分析。吴劲峰等[12]对不同粒度的 苜蓿草粉进行制粒过程模拟(定义:对真实事物或者过程的虚拟)实验,建立了挤出力与粉体粒度、密度的 数学模型。黄晓鹏等[13]利用正交试验设计,建立了制粒密度与挤出力、物料含水率的 数学模型。周晓杰等[14]采用电测技术,得出了苜蓿草径向力的 变化与压缩密度、初始密度和压缩速度密切相关的 结论。杨军太等[15]对物料在压模筒中的 受力进行了分析,得出了物料与压力之间的 关系,并分析了轴向应力与径向应力的 关系。施水娟等[16]建立了挤压力学模型,并应用有限元App对环模进行分析,获得了环模轴向、周向应力与位移的 关系。张炜等[17]应用有限元App对环模孔进行静力分析,得到了环模孔轴向应力与变形的 分布规律,确定了环模孔锥角对轴向应力的 影响。武凯等[18]通过对成型过程与机理进行分析,建立了环模力学模型和扭矩模型,分析了物料特性和结构参数对环模受力的 影响。
  1.2制粒成型压缩过程研究现状
  Rehkuglar等[19]利用流变力学模型分析了成型过程中物料的 变化规律(rhythmical)。Bock等[20]进行了草物料压缩应力试验,得出了草物料压缩过程的 流变方程式。对生物质压缩成型影响较大的 是粒子的 充填特性、流变特性和压缩特性,其中压力、含水率和粒径是主要的 影响因素[21]。Bock等[22]发现在草颗粒制粒过程中,连接草粉粒子之间的 物理力决定了颗粒质量。
  杨明韶等[23]对秸秆类物料的 流变学特性进行了研究。钟启新等[24]通过分析压缩过程中物料粒子之间相互作用力的 关系得出了影响颗粒质量的 因素。白炜等[25]对秸秆颗粒进行了压缩成型模拟实验,为了更有针对性地对压缩过程进行研究,将成型特性曲线分成四个区间,并建立了松散、过渡和压紧阶段的 数学模型。李永奎等[26]应用离散元法对玉米秸秆粉料压制成型过程进行了模拟,建立了玉米秸秆粉料致密成型过程的 离散元分析模型。董玉平等[27]从塑性力学理论的 角度建立了压缩过程的 力学模型,并应用有限元分析App对挤压过程进行模拟,得到物料在挤压过程中的 变化规律,揭示了在成型过程中生物质内部应力应变的 变化过程。高名望[28]对成型过程中的 温度场进行了有限元模拟,得到了成型过程中生物质温度场的 分布规律。申树云[29]应用有限元App对环模进行了多个物理场的 耦合分析,得到了环模整体应力应变及温度场的 分布规律。
  1.3微观成型机理研究现状
  Lindley等[30]将成型物内部的 黏结力类型和黏结方式分为以下五类:
  ①固体颗粒桥接或架桥;
  ②非自由移动黏结剂作用的 黏结力;
  ③自由移动液体的 表面张力和毛细压力;
  ④粒子间的 分子吸引力或静电引力;
  ⑤固体粒子间的 充填或嵌合。生物质能源颗粒若使用添加剂,则应为农林产物,并且应标明使用的种类和数量。欧盟标准对生物质颗粒的热值没有提出具体的数值,但要求销售商应予以标注。他们认为生物质燃烧特性可以用这几种黏结类型来说明内部的 成型机理。Kaliyan等[31]发现颗粒间的 结合方式主要是由天然黏合剂(纤维素,蛋白质)形成的 固体桥接。
  郭康权等[32]测量了不同成型条件下的 粒子二向平均粒径,得出了粒子二向平均粒径与成型条件的 关系,通过显微镜观察粒子间的 结合形式,建立了粒子微观结合模型。生物质锅炉燃料生物质颗粒作为一种新型的颗粒燃料以其特有的优势赢得了广泛的认可;与传统的燃料相比,不仅具有经济优势也具有环保效益,完全符合了可持续发展的要求。徐广印等[33]通过对比三种秸秆压缩前后微观结构的 变化,得出了秸秆成型颗粒的 微观结合方式,提出了更佳压缩条件。田潇瑜等[34]在不同的 成型条件下观察秸秆颗粒的 微观结构,分析(Analyse)了成型条件与微观结构之间的 关系,研究表明,秸秆颗粒粒子之间的 结合形式主要以机械镶嵌、天然黏结剂黏结为主。霍丽丽等[35]通过对比不同物料、不同阶段的 物料微观形态和粒子结合形式,得出了生物质能源颗粒微观成型机理为分层式压缩,可分为中心层、过渡层和表层压缩。邢献军等[36]对生物质颗粒燃料成型过程中的 微观形貌进行观察研究,探究了平模成型机供料区、压紧区、压实区、成型区颗粒粒体间的 结合形式。齐菁等[37]从物理结合形式上分析了稻壳颗粒的 微观成型机理,研究表明, ;片搭 ;是稻壳原料之间物理结合的 主要形式。盛奎川等[38]从宏观与微观的 角度研究了生物质成型机理,从宏观角度分析了成型条件对颗粒物理品质的 影响,从微观角度分析了颗粒品质与粒子特性、生化特性和电势特性之间的 关系。吴云玉等[39]建立了生物质机械接触几何模型,确定了压辊(gǔn)正压力(pressure)与生物质表面斜角之间的 数学关系,分析了分子(Molecule)电化学微观机理及能量微观机理,揭示了压缩温度在压缩成型过程中的 作用及重要性,说明了生物质成型燃料能量和密度提高的 原因。
  2生物质制粒成型机理研究与展望
  从研究现状来看,生物质(material)制粒成型机理的 研究取得了巨大进展。在力学模型的 研究方面,建立了若干个关于环模力学特性的 数学模型和扭矩模型;在压缩(compression)过程的 研究方面,关于物料机械特性(Data Terminal Equipment)及流变特性的 研究均取得了很大的 进展;在微观成型机理的 研究方面,揭示了不同物料微观成型结构和颗粒粒子间的 结合方式,初步建立了从宏观到微观的 过渡成型机理。这些研究成果为生物质制粒成型的 工艺制定及成型设备的 优化提供了理论依据。今后,应对以下几个方面进行深人研究。
  (1)制粒成型(Forming)中所用的 物料大多属于非连续介质的 粉粒体,非连续介质力学适用于生物质颗粒燃料的 力学分析。目前对非连续介质的 理论研究还不够深人,为了更加全面地揭示制粒过程中物料的 力学特性,应完善非连续介质的 力学理论。
  (2)对生物质制粒成型力学模型进行了大量研究,并建立了许多挤压力(pressure)学模型,但这些力学模型都是建立在单一物料和特定的 压缩条件下。由于制粒成型中所用的 物料多种多样,其成型压缩条件也存在着较大差异,因此需要建立适应性更加广泛的 物料挤压力学模型和数学模型。
  (3)目前在生物质制粒成型压缩过程的 研究中,只是对单一的 物理场进行了数值模拟,如压力场、温度场或速度场等。由于制粒成型过程具有复杂性、多变性和系统性,因此仅做单一的 物理场分析还不能全面地反映制粒成型过程中的 物料变化规律,需要对物理场进行多场耦合分析。其次,对生物质压缩过程的 研究主要集中在流变学特性和力学特性等方面,对压缩过程中的 粒子特性、生化特性和电学特性还需要进行深人的 研究。
  (4)生物质制粒微观成型机理的 研究主要集中在对生物质颗粒燃料压缩前后其内部结构的 微观表征方面,对颗粒间的 结合形式只是做了一些定性分析。将定性与定量分析结合在一起才能够更加全面地诠释微观成型机理,将宏观与微观相结合才更有利于探索颗粒微观结构形貌及颗粒间结合形式对制粒质量的 影响。
  (5)对生物质制粒成型(Forming)机理的 研究主要集中在物理层面,对成型过程中物料化学成分的 变化及粒子之间化学结合方式的 研究还处于起步阶段。生物质颗粒燃料生物质颗粒的直径一般为6~8毫米,长度为其直径的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%。为了更加清晰地了解制粒成型机理,需要将物理与化学相结合对制粒成型技术进行深人研究。
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