秸秆切碎及压缩成型特性与设备研究

我国各类农作物秸秆资源十分丰富，每年产出量多达6.4亿t。随着经济和社会的发展，农业主产区秸秆资源大量过剩问题日趋突出，农民就地焚烧秸秆，造成严重的环境污染和资源浪费。因此，研究生物质能转换技术，将丰富的农林废弃物资源变废为宝，转换为优质燃料，是保护生态环境，促进农业可持续发展的重要课题。将农林废弃物用机械加压的方法压缩成具有一定形状、密度较大的固体成型燃料，已越来越受到人们的重视。 本文以棉秆等硬茎秆为研究对象，研究秸秆原料特性和压缩特性，成型块的松弛特性与粘接成型机理；研制秸秆切碎样机并进行性能试验；对柱塞式压缩成型设备进行方案设计。 1．试验分析秸秆原料的力学特性和物理化学性能。棉秆、桑枝的灰分含量小，含硫量低，作为生物质燃料具有明显的优点。木质素含量较高，热压成型有利于提高成型的粘接力。剪切强度大于麦秆等软茎秆，与高级木材的剪切强度相当，切碎时必须充分考虑其具有较大剪切强度的特点。 2．设计了适合于农作物硬茎杆切碎的直刃刀切碎机，其喂入机构能适应硬茎杆的物料特性而自动调节喂入高度，样机的性能试验结果表明：实际切碎生产率与理论切碎生产率基本接近，切碎机技术参数设计合理。该机具有细小颗粒产量高的特点，切碎物料粒度为0～10.0mm的约占71％。同时，该机具有产率高、能耗低、使用方便等特点。 3．试验研究了棉秆高密度压缩成型的规律，切碎棉秆压缩成型可分为3个阶段：松散阶段(压力0-8MPa)、过渡阶段(压力8-40MPa)和压紧阶段(压力＞40MPa)。建立了压缩过程中压缩密度与压力的数学模型方程，其表达式为：研究了压缩比能受压力、粒度和含水率变化的影响。在初始密度相同的条件下，随着压力增大，压缩比能增大，但在压紧阶段，压缩比能增加对提高棉秆的压缩密度效果不明显：在最大压力相同条件下，粒度越小或含水率越低，压缩比能也越小。 4．试验研究了压力、温度、粒度和含水率变化对成型块松弛特性的影响。随着压 摘要 力增大，成型块的松弛密度增大，松弛比相应减小。棉秆常温压缩比加温压缩的松弛比 大，但温度在120－180’C范围内变化时，成型块的松弛比变化不明显。棉秆的切碎粒度 越小，松弛比越小。但粒度在 0－10 mm变化时，松弛密度没有明显差异。棉秆的含水率 越低，松弛比越大，耐久性也越差，过干干燥的物料难以压缩成型。另外，从物理特性 和生化特性等方面揭示了成型块的粘结机理。 5．在比较现有成型工艺。成型设备的基础上，提出了预热成型新工艺，确定了秸 秆预热成型的工艺参数，设计了预热器和柱塞式压缩成型装置。