射阳生物质能源颗粒成型的 黏弹性本构模型

发表时间:2019-04-21


  摘要:为研究生物质(Biomass)颗粒燃料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,采用生物质能源颗粒成型机进行压缩成型,研究生物质能源颗粒压缩成型过程,采用黏弹性理论,建立生物质颗粒燃料成型燃料的 本构模型,从力学角度提出生物质颗粒燃料成型燃料的 压缩成型机理,并研究对比不同种类生物质原料压缩的 更大应力与能耗。结果表明,6种生物质原料中棉杆和木屑的 更大应力较高,其余4种原料略低;木屑的 压缩能耗更高,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燃料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。
  0引言
  中国生物质资源十分丰富[1],但因其松散、堆积密度较,导致收集、运输、储藏难度大、成本高,制约了规模化开发利用,利用压缩成型将其制成生物质能源颗粒,可提高其运输和贮存能力,降低成本,而且改善燃烧性能,提高利用效率[2]。与煤相比,生物质能源颗粒的 温室气体排放量不到煤的 1/9,环境效益非常可观[3],不仅可以用于家庭炊事、取暖,也可作为工业锅炉(Boilers)和电厂燃料,替代煤炭等化石能源。一般地,生物质能源颗粒的 压缩过程是在较高的 外力作用下,利用生物质原料自身所含的 ;天然(natural)黏结剂 ;——木质素被激活[4],原料颗粒与颗粒之间重新排列组和在一起[5],通过一定形状的 颗粒成型模具,形成颗粒成型燃料。
  目前,针对生物质能源颗粒成型过程的 相关模型研究可分为两类,一类为黏弹塑性模型,表征压力与变形关系,另一类为压力与压缩密度的 数学模型。Nalladurai Kaliyan等[6]利用弹性(Elasticity)模量,强度系数,应变硬化指数,黏性系数,摩擦损耗因子5个参数构建秸秆和柳枝稷的 一维线性黏弹塑性模型,并得出弹性模量和黏性系数影响颗粒燃料的 抗压强度和耐久性。郑晓等[7-8]采用线性与非线性黏塑性模型相结合的 方法(method),研究芝麻、花生、菜籽与菜籽仁散粒体介质的 压榨过程。
  线性黏塑性本构模型采用Maxwell的 理论方法建立,而非线性黏塑性本构模型的 建立采用经验模型方法建立。生物质锅炉燃料生物质颗粒燃料纯度高,不含其他不产生热量的杂物,其含炭量75—85%,灰份3—6%,含水量1—3%,不含煤矸石,石头等不发热反而耗热的杂质,将直接为企业降低成本。张旭[9]在柠条压缩过程中的 松散和压紧阶段,分别建立了描述柠条压缩的 一般力学模型和非线性流变力学模型,获得了柠条在压紧阶段弹性模量和黏性系数随压缩量变化的 规律。王春光等[10-11]建立了牧草压缩及应力松弛模型,研究压捆过程中轴向压缩力、变形和变形恢复规律。孙启新等[12]基于ANSYS分析App,针对柱塞式成型设备,对秸秆类生物质原料挤压模拟出压力与变形关系曲线。赵东等[13]研究密闭容器中用Doraivelu屈服准则来描述粉碎玉米秸秆的 本构方程。Panell
  I、Faborode等[14-16]研究了压力与压缩密度(单位:g/cm3或kg/m3)关系。
  吕江南等[17]用红麻料片在闭式容器内的 压缩过程可分为松散、过渡和压紧3个阶段,压力与压缩密度关系的 数学模型分别可用线性和指数关系来描述。各类原料压缩的 力学试验中得出棉秆、小麦、可燃废纸、大麦适宜的 更大压缩力分别为34、160、70、63.2MPa[18-21]。以上研究均提出了各自的 流变学理论,黏弹塑性理论大多侧重于物料压缩后的 松弛与蠕变过程的 研究,而压力与密度的 模型参数过于单一,理论适应性不广,对多个种类生物质原料的 压缩成型过程的 力与变形及时间之间的 关系,目前没有通用的 理论模型支撑。
  生物质能源颗粒生产设备可分为螺旋挤压式、活塞冲头式、模辊式,其中模辊式成型机具有生产率高、成型好等优点,是生产生物质固体燃料企业优选设备。生物质原料挤压过程中,颗粒在机械力作用下的 致密过程受力复杂多变,首先颗粒可能发生弹性变形,随着颗粒越来越靠近,颗粒可能发生黏塑性变形,依靠原料自身的 ;天然黏结剂 ;互相连接成型。本文以玉米秸秆、花生壳、小麦秸秆、大豆秸秆、棉花秸秆、木屑等6大类生物质原料为研究对象,研究模辊式生物质能源颗粒成型机成型机理,通过自制的 力学测试装置,模拟生物质颗粒燃料成型燃料的 成型过程,建立适于生物质原料压缩的 黏弹性模型,并对比不同种类原料压缩的 难易程度及能耗,为生物质能源颗粒成型机具的 设计开发提供基础理论依据。
  1材料与方法
  1.1仪器设备
  试验仪器485型模辊式生物质能源颗粒成型机(农业部规划设计研究院设计设计,北京盛昌绿能科技有限企业生产。主机功率:90kW;设备生产率(productivity)为1t/h;模孔直径8mm;燃料成型率>95%;颗粒密度>1.0g/cm3)、OlympusBX41型电子显微镜、Canon550D型显微成像系统、93QS-16.0型铡草机、HLP型粉碎机(筛孔径8mm)、PL2002/01型电子天平(精度0.01g)、BSA223S-CW型分析天平(精度0.1mg)、GZS-1型自动标准振筛机、标准样品分析筛(方孔,筛孔尺寸分别为0.2,0.3,0.45,0.6,1.0,3.3,6.0mm)、MH-200E型电子比重计(精度1kg/m3)、101-1A型电热鼓风(blast)干燥箱、CMT6104型试验机、自制压缩试验夹具(如1所示,上下支撑座分别安装在试验机上下夹具孔内,将定量的 原料人工喂入成型模具孔内,试验机控制压缩头对喂入原料进行压缩并实时记录压缩力、时间、位移等参数;该夹具未考虑原料的 喂入过程,主要研究原料在模孔内压缩的 受力过程,通过试验机控制自制压缩试验夹具的 运动,模拟压缩成型过程,可实现压缩过程中力、位移和时间变化的 控制和数据存储,为压缩模型的 建立提供基础数据)、干燥器、砂纸(粒度600~5000目)、切片刀、载玻片、盖玻片、刷子、镊子、洗耳球、游标卡尺等。
  1.2试验材料
  本试验选择河北地区的 玉米秸秆、花生壳、小麦秸秆、大豆秸秆、棉花秸秆、木屑等6大类生物质原料作为研究对象。将采集的 各类秸秆自然晾晒达到水分平衡后,首先用铡草机粗粉(>2kg),接着用细粉机细粉(粉碎后粒度分布见2),然后加入适量水,混匀,使原料的 全水分达到15%~20%,密封,在5℃下放置24h以上,以便压缩成型,实际测得的 全水分数值见表1。
  1.3试验设计
  为模拟模辊式生物质颗粒燃料成型燃料成型过程,试验选择6种原料,粉碎后在485型模辊式生物质能源颗粒成型机进行压缩成型,分析压缩过程中应力的 变化规律(rhythmical),通过显微镜观察到层与层间距[5],进而测量颗粒燃料的 单次进料量。
  显微镜观察可测得,生物质能源颗粒内部存在裂纹,裂纹宽度约为3mm,如3,这也恰好证明了压缩的 间断性,即颗粒燃料的 单次压缩间距约3mm,不同种类原料压缩间距略有差别,可通过测量压缩间距与模孔尺寸来计算单次压缩致密后的 原料体积,再通过测量颗粒密度,计算出每种原料的 单次进料量,见表2,压缩长30mm的 生物质能源颗粒,需要压缩10次左右,平均每次的 进料量在155.6~158.8mg之间,不同种类原料的 进料量相差不超过3.2mg。
  然后利用自制压缩试验夹具,对6种生物质原料依照实际原料的 进料量进行压缩成型试验模拟,基于试验压缩过程的 应力与应变的 变化曲线,建立生物质原料压缩的 数学模型,研究生物质颗粒燃料成型燃料的 成型机理,得出不同种类原料压缩模型参数,对比6种原料压缩能耗,为生物质颗粒燃料成型燃料成型机具的 优化提供力学参考依据,本研究不考虑原料的 喂入过程,仅研究原料在成型模具(称号:工业之母)内压缩的 应力与应变关系。
  2结果与分析
  2.1建立模型
  2.1.1力学模型
  根据模辊式生物质能源颗粒的 成型机理,研究(research)生物质原料压缩过程应力与时间关系,如4a所示,成型过程为间断性压缩,压缩为长30mm的 生物质能源颗粒,需要压缩10次左右,其每次压缩过程可分为进料预压、致密成型、保压松弛、颗粒挤出4个阶段,如4b所示。
  阶段为进料预压,原料进料时为松散状态,随着应变的 不断增加,原料不断被挤压,所受压力(pressure)缓慢增大,但增加幅度不大,主要原因是生物质原料极松散,原料粒子与粒子间空隙较大。进入模孔时,储料室中的 原料被挤入模孔瞬间,原料所受压力有突增现象,而后下降到正常压缩状态。该阶段原料松散,原料粒子做无规则运动,应力变化较小,且无明显规律,这里不做建模讨论。
  第二阶段为致密成型。压紧致密过程,应力逐渐增加到更大值,应变也逐渐增加到更大值。此时,被挤入模孔的 原料开始挤压致密,原料颗粒严重变形,颗粒与颗粒互相紧贴或镶嵌,黏在一起成为生物(Organism)质能源颗粒的 一部分,此阶段原料压缩应力与应变关系可用黏弹性本构模型表述[22],参见式(1)。
  第三阶段为保压松弛,应力从更大值略微减小,应变基本保持不变,颗粒燃料逐渐保持稳定状态。该阶段原料颗粒产生应力松弛现象,应力在致密成型过程(process)中达到更大值,而后发生应力突降现象,应力下降速度缓慢。该阶段应力的 变化与存留模具内的 时间直接相关,参照伯格斯(四元件模型:弹簧、开尔文模型和阻尼器串联)模型[22]中的 应力松弛关系,可用模型(2)描述。
  第四阶段为颗粒挤出,致密成型后的 颗粒被挤出孔外,所受压力迅速减小,最后降为0。
  2.1.2能耗模型
  生物质(Biomass)压缩能耗可通过外力做功得出,压缩力与位移的 变化曲线如5。能耗模型参见式(3),其中压缩力可通过致密成型过程的 应力与应变函数式(1)推导得出,位移与应变呈线性函数关系,推导后可得式(4)。
  2.2不同种类原料力学模型(model)参数确定
  2.2.1阶段进料预压
  6种原料压缩致密应力变化如6,可以看出,应力在进料预压阶段,此时所受应力较小,应变由0增大到50%左右。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。瑞典标准要求生物质颗粒的热值一般应在16.9 兆焦上。大部分原料压缩时应力会有波动,主要由于挤压空间(Space)突然缩小,刚进入模孔的 瞬间,应力突然增加而后降为正常致密压缩阶段,除木屑外,应力突增的 峰值均在5MPa以内,花生壳的 应力波动现象最明显。而木屑挤压进入模孔瞬间,没有应力突增现象,原因可能是木屑的 粒度较小,较为均匀(jūn yún),流动性好,容易进入模孔,同时由于木屑粒度小,原料粒子与粒子间空隙小,排列较为致密,木屑在进料预压阶段的 应力较其他原料大。
  2.2.2第二阶段致密成型
  研究主要考虑应变大于50%之后的 应力与应变关系,对致密压缩过程采用式(1)建模后,采用Matlab曲线拟合工具进行拟合,得出各个模型参数(parameter)见表3,可见采用式(1)建模曲线拟合较好,R2均大于0.99。
  6种原料的 更大应力比较,如7,在压缩成型过程中,棉秆所需更大应力更大,为(76.07±5.28)MPa,其次为木屑(67.85±5.26)MPa。豆秸所需更大应力最小,为(45.23±1.71)MPa。若将6种原料按应力的 算数平均误差值小于5MPa进行归类,棉秆和木屑为一类,压缩成型的 更大应力要求较高,在67~77MPa之间;玉米秸秆、小麦秸秆、花生壳和豆秸为另一类,压缩成型的 更大应力要求较低,在45~55MPa之间。
  2.2.3第三阶段保压松弛
  保压松弛阶段,应力随时间缓慢下降,应变已达更大值且基本不变,如8,6种原料压缩后均出现应力松弛现象,参照模型(2)模拟计算模型参数见表4,模型曲线模拟较优,R2均大于0.989。
  2.4不同种类原料能耗对比
  单次压缩过程,能耗模型参数见表3,能耗变化曲线如9所示,不同原料随着压缩应变的 增加,能耗也在不断增加,致密成型阶段为主要能量消耗阶段,不同种类原料其能耗有一定差异,能耗由高到低依次为木屑、棉秆、花生壳、豆秸、玉米秸秆和小麦秸秆,将能耗换算为压缩单位质量的 原料所需平均能耗见表5。
  可见,木屑的 压缩能耗分别是棉杆、花生壳、豆秸、玉米秸秆、小麦秸秆的 1.7、1.8、2.4、2.8和3.5倍。而成型后的 颗粒燃料密度(单位:g/cm3或kg/m3),木屑颗粒燃料分别是棉杆、花生壳、豆秸、玉米秸秆、小麦秸秆的 1.05、1.06、1.17、1.20、1.23倍,试验得出在一次压缩进料量相同的 情况下,木屑原料在模孔内的 滞留时间长,单次压缩间距为2.5mm,颗粒密度1240kg/m³;玉米秸秆原料在模孔内的 滞留时间最短,单次压缩间距为3.0mm,颗粒密度1030kg/m³。
  可见颗粒燃料的 压缩密度高,压缩能耗高。生物质颗粒原料的密度一般为 0.1—0.13t/m3,成型后的颗粒密度 1.1—1.3t/m3,方便储存、运输,且大大改善了生物质的燃烧性能。若要降低压缩能耗,可采用降低进料量等方法,降低压缩应力,压缩后的 颗粒燃料的 颗粒密度也随之减小,从而降低能耗。
  3结论
  生物质能源颗粒的 压缩过程可用黏弹性本构模型描述。致密成型阶段采用应力与应变本构模型描述,模型曲线拟合较好,决定系数大于0.99。保压松弛阶段采用应力与时间本构模型描述,模型曲线拟合较好,决定系数均大于0.989。
  不同种类原料,进料量相同情况下,棉杆和木屑的 更大压缩应力较高,约为67~77MPa,其他玉米秸秆、花生壳、豆秸和小麦秸的 更大应力在45~55MPa之间。生物质能源颗粒的 颗粒密度越高,能耗越高,且能耗增加越快。
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