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1、 毕业设计（论文）哈尔滨工业大学学士学位论文 学号：1069350116 秸秆成型压块部分分析与设计Analysis and Design of Flat Die Pellet Mill for Straw Shaping学生姓名：指导教师：所在院系：所学专业：研究方向：哈 尔 滨 工 业 大 学中国哈尔滨2013 年 12 月摘要生物质能源是唯一可再生、可替代化石能源转化成气态、液态和固态燃料以及其它化工原料或者产品的碳资源。随着化石能源的枯竭和人类对全球性环境问题的关注，生物质能源替代化石能源利用的研究和开发，已成为国内外众多学者研究和关注的热点。生物质固体成型燃料技术是生物质能开发利用技
2、术的主要发展方向之一，本文论述了生物质压缩成型技术在国内外的发展历史及研究现状，并比较了各生物质压缩成型设备的优缺点。在对平模制粒机的模辊受力情况分析基础之上，利用简化力学模型计算了平模制粒机设计的主要技术参数，如挤压力、主轴扭矩和功率、生产能力等，从而为平模制粒机的设计提供了科学的参考依据。在此基础之上，设计了用于生产秸秆成型压块的平模制粒机。关键词： 生物质压缩成型 力学模型 平模制粒机 Analysis and Design of Flat Die Pellet Mill for Straw ShapingAbstractBiomass is the only renewable car
3、bon resource, which can substitute fossil energy and be transformed into gaseous, liquid and solid fuel and other chemical materials or products. With the decreasing of fossil resource and more attention paid to global environmental problems, research and development of biomass energy have become th
4、e focus of research by scholars from home and abroad.Shaped biomass-derived solid fuel technology is the main developing direction of biomass developing technology. The developing history and current research status of biomass compressive shaping technology was described in this thesis and all kinds
5、 of equipment for biomass formation were also compared. On the basis of analysis on forces exerted on flat die and rollers, main technical parameters of flat die pellet mill were calculated by applying simplified force model, such as extruding force, torque and power of main shaft, producing capacit
6、y, which can provide reference reasons for the design of flat die pellet mill.On such basis, a flat die pellet mill for producing flaw formation fuel was designed.Key words：Biomass compressive formation force model flat die pellet mill 目录摘要I1 前言11.1 本研究的目的与意义11.2 国内外研究文献综述12.1 螺旋挤压式成型机52.2 活塞冲压式成型机5
7、2.3 压辊式颗粒成型机62.4生物质压缩成型设备性能比较73平模制粒机工作过程及原理83.1 平模制粒机的工作过程83.2 模辊制粒作用的运动学分析83.3 模辊制粒作用的力学分析94制粒作用的简化力学模型114.1 简化力学分析114.2 辊轮作用力计算115平模制粒机设计145.1 平模制粒机主要技术参数计算145.2 传动装置设计155.3碾压装置的设计206结论及后续研究展望22参考文献24致谢25- III -1 前言1.1 本研究的目的与意义在农业和林业生产过程中，会产生大量的剩余物。例如，残留在农田内的农作物秸秆，农副产品加工后剩余的稻壳、 玉米芯和花生壳等， 林业生产过程中残
8、留的树枝、 树叶、木屑和木材加工的边角料等。上述农林业生物质资源通常松散地分布在大面积范围内，堆积密度比较低，给收集、运输、储藏和应用带来了一定的困难。由此，人们提出了生物质固体成型燃料技术，即在一定温度和压力作用下，利用木质素充当粘合剂，将松散的秸秆、树枝和木屑等农林生物质压缩成棒状、块状或颗粒状的成型燃料。压缩后的成型燃料能源密度相当于中质烟煤，提高了运输和贮存能力；燃烧特性明显得到改善，提高了利用效率。生物质固体成型燃料技术是生物质能开发利用技术的主要发展方向之一，不仅可以为家庭提供炊事、取暖用能，也可以作为工业锅炉和电厂的燃料，替代煤、天然气、燃料油等化石能源，近年来日益受到人们的广泛
9、关注。我国生物质能资源非常丰富，但是，作为一种散抛型低容重的能源存在形式，生物质能源具有资源分散、能量密度低、容重小、储运不方便等缺点，严重制约了生物质能的大规模应用。所以生物质高品位转换技术的研究便成为人们开发利用生物质能的重点。 而近年来对生物质压缩成型技术的改进创新发展，为高效利用农林废弃物、农作物秸秆等重新提供了一条途径。1.2 国内外研究文献综述1.2.1生物质压缩成型技术的发展历史及研究现状生物质压缩成型技术的研究始于20 世纪初，到目前为止，世界上各个国家研究的重点还是集中在生物质压缩成型燃料的制造技术和相应燃烧设备的开发上。1.2.1.1 国外发展历史及研究现状早在20世纪30
10、 年代，美国就开始研究压缩成型燃料技术并研制了螺旋式成型机。在 1976 年，开发出了生物质颗粒燃烧设备。日本于20世纪50年代引进成型技术后进行了改进，发展成了日本压缩成型燃料的工业体系，研制出了棒状燃料成型机及相关的燃烧设备。20 世纪70 年代后期，由于出现世界能源危机，石油价格上涨，西欧许多国家如芬兰、比利时、法国、德国、意大利等也开始重视压缩成型燃料技术的研究。当前，日本、美国及欧洲一些国家生物质成型燃料燃烧设备已经定型，形成了产业化，在加热、供暖、干燥、发电等领域已经普遍推广应用。亚洲除日本外，泰国、印度、菲律宾等从 20世纪80年代开始也都先后研制成了加粘结剂和不加粘结剂的生物质
11、压缩成型机。1.2.1.2 国内发展历史及研究现状我国从20世纪80年代引进并开始致力于生物质压缩成型技术的研究。南京林化所在“七五”期间开展了对生物质压缩成型机的研制及对生物质成型理论的研究；湖南省衡阳市粮食机械厂于1985年研制了第一台ZT-63型生物质压缩成型机；江苏省连云港东海粮食机械厂于1986年引进了一台OBM-88棒状燃料成型机；1990年前后，陕西省武功县轻工机械厂， 河南工艺包装设备厂等单位先后研制和生产了几种不同规模的生物质成型机和碳化机组；1994 年湖南农大、中国农机能源动力所分别研究出PB-1 型、CYJ -35 型机械冲压式成型机；1997 年河南农业大学又研制出H
12、PB-1型液压驱动活塞式成型机；2002年中南林学院也研制了相应设备。目前我国成型机的生产和应用已形成了一定的规模，热点主要集中在螺旋挤压成型机上，但是，仍然存在着诸如成型筒及螺旋轴磨损严重、寿命较短电耗大等问题，因此有待于进一步深入研究。1.2.2生物质压缩成型原理植物质原料中含有纤维素、半纤维素、木素、树脂和蜡等物质。一般在阔叶木、针叶木中，木素含量为2732%(绝干原料)、禾草类中含量为1425%。现在知道木质素是具有芳香族特性的结构，单体为苯基丙烷型的立体结构高分子化合物，不同种类的植物质都含有木质素，而其组成、结构不完全一样。在常温下木质素主要部分不溶于有机溶剂，它属于非晶体，没有熔
13、点但有软化点，当温度为70110时软化具有粘性。当温度到达200300时成熔融状，粘性高，此时加以一定的压力使植物质各部分粘结在模具内成型。对植物质原料加热软化，也利于减少成型的挤压力。燃料可按用户要求，使用不同规格的模具，制成多种规格尺寸的成型燃料品。因此现代的压缩成型设备，尤其是生物质成型块较大的机械，多在成型模的末端，用电阻丝加热，达到既成型又减少阻力的目的。由于植物生理方面的原因，生物质原料的结构通常都比较疏松，密度较小。这些质地松散的生物质原料在受到一定的外部压力后，原料颗粒先后经历重新排列位置关系、颗粒机械变形和塑性流变等阶段。体积大幅度减小，密度显著增大。由于非弹性或粘弹性的纤维
14、分子之间的相互缠绕和绞合，在去除外部压力后，一般不能再恢复原来的结构形状。对于木质素等粘弹性组分含量较高的原料，如果在成型温度达到木质素的软化点，则木质素就会发生塑性变形，从而将原料纤维紧密地粘结在一起，并维持既定的形状，成型燃料块经冷却降温后，强度增大，即可得到燃烧性能类似于木材的生物质成型燃烧块；对于木质素含量较低的原料，在压缩成型过程中，加入少量的诸如粘土、淀粉、废纸浆等无机、有机和纤维类粘结剂，也可以使压缩后的成型块维持致密的结构和既定的形状。因为这些粘结剂加入后，生物质粒子表面会形成一种吸附层，使颗粒之间产生一种引力(即范德瓦尔斯力)，同时在较小外力作用下粒子之间也可产生静电引力(E
15、lectrostatic forces)致使生物质粒子间形成连锁(Interlocking)结构。被粉碎了生物质粒子在外压力和粘结剂作用下，重新组合成具有一定形状的生物质成型块，这种成型方法需要的压力比较小。对于某些容易成型的材料则不必加热，也不必加粘结剂，但在粉碎颗粒需要细小，结构成型压力需要大，滚筒挤压式小颗粒成型实际就是这种类型。1.2.3 生物质压缩成型工艺生物质压缩成型在加工方式上可分为冷压成型与热压成型，干态成型与湿压成型， 以及加粘结剂或不加粘结剂。根据主要工艺特征的差别，可将这些工艺从广义上分为常温湿压成型、热压成型和碳化成型和冷压态成型。（1） 常温湿压成型工艺常温湿压成型工艺常用于含水量较高的原料。纤维类原料经一定程度的腐化后，会损失一定能量，但是其挤压、加压性能会有明显改善。纤维类原料在常温下，浸泡数日水解处理后，其压缩成型特性明显改善，纤维变得柔软、湿润皱裂并部分降解，易于压缩成型。利用简单的模具，将部分降解后的农林废弃物中的水分挤出，即可形成低密度的压缩成型燃料块。这一技术在泰国、菲律宾等国得到一定程度的发展，所生产的成型燃料块平均热值约23KJ/kg，被当地称为“绿色碳”，在燃料市场上具有一定的竞争能力。常温湿压成型一般设备比
