甘蔗叶发酵预处理碎解机关键技术研究

本文以热带农业废弃物能源化利用为背景,研究甘蔗叶机械力学性能、力学模型和碎解机关键部件,为甘蔗叶干法厌氧发酵提供技术支持。本文研究工作属于农业部948计划：“甘蔗叶干法厌氧发酵高效转化的分子动力学技术与应用(2011-Z14)”的部分内容,主要的研究内容及成果如下： (1)甘蔗叶主要由叶片和叶鞘部分组成。叶片薄、扁平,中央纵贯一条主脉(又称中脉或中肋),沿中脉方向的各部分具有不同的物理特性和力学特性。本文以甘蔗叶为研究对象,将其简化为叶鞘、叶脉和叶薄片,且各部分均由横观各向同性材料组成,通过工程材料试验方法,对甘蔗叶在不同水分状态下的叶鞘、叶脉及叶薄片的不同部位,进行了拉伸、剪切等力学性能试验,得出了一系列的载荷—位移、载荷—时间曲线。利用数据处理软件处理所得数据,得出了甘蔗叶叶鞘、叶脉及叶薄片的抗拉弹性模量、剪切弹性模量、最大抗拉强度、最大剪切强度、等力学参数的平均值和标准差。根据试验设备条件和试样自身的特性,假设甘蔗叶各部分结构为各向同性材料,由此分别确定了甘蔗叶叶鞘、叶脉及叶薄片及不同部位的弹性常数。 (2)以甘蔗叶叶脉中部截面的平均几何尺寸建立几何模型,对甘蔗叶叶脉中部在横向均布剪切力载荷作用下进行有限元模拟,得出了叶脉中部的等效应力云图。通过模拟结果分析,得出结论如下：叶脉在横向均布载荷作用下,叶脉的等效应力沿外边缘由外向内依次减小,最大等效应力的区域出现在叶脉的下边缘。叶脉外部的应力值比内部的值要大,说明了在剪切试验中,叶脉外部先被破坏。综上所述：设计碎解机时,设置定刀,能增加破碎率并提高生产率。 (3)根据导师目前承担的课题所进行的初步试验,结果表明：将碎解机的碎解形式设定为粉碎形式更有利于蔗叶的厌氧发酵。在当前小型户用沼气发酵技术的研究成为我国农村新能源开发的主流方向时,我们采用了人工喂料的方式及动力配置小型化为前提,确定甘蔗叶碎解机的技术指标,并进行关键部件和总体结构的设计。其中重点对刀的排列结构,刀的动平衡进行了设计和计算。 本课题的开展解决了热区废弃物甘蔗叶的处理问题,同时产生的沼气又缓解了热区农民对天然煤气的需求,极大地减少了热区农民对纯天然能源的消耗,为国家节能减排工程做出了重要贡献。因此本课题研究的内容具有重要的理论和现实意义。