畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 　　　　　　　　　學(xué)號：1069350116 秸稈成型壓塊部分分析與設(shè)計(jì)Analysis and Design of Flat Die Pellet Mill for Straw Shaping學(xué)生姓名：指導(dǎo)教師：所在院系：所學(xué)專業(yè)：研究方向：哈 爾 濱 工 業(yè) 大 學(xué)中國·哈爾濱2013 年 12 月摘要生物質(zhì)能源是唯一可再生、可替代化石能源轉(zhuǎn)化成氣態(tài)、液態(tài)和固態(tài)燃料以及其它化工原料或者產(chǎn)品的碳資源隨著化石能源的枯竭和人類對全球性環(huán)境問題的關(guān)注，生物質(zhì)能源替代化石能源利用的研究和開發(fā)，已成為國內(nèi)外眾多學(xué)者研究和關(guān)注的熱點(diǎn)生物質(zhì)固體成型燃料技術(shù)是生物質(zhì)能開發(fā)利用技術(shù)的主要發(fā)展方向之一，本文論述了生物質(zhì)壓縮成型技術(shù)在國內(nèi)外的發(fā)展歷史及研究現(xiàn)狀，并比較了各生物質(zhì)壓縮成型設(shè)備的優(yōu)缺點(diǎn)在對平模制粒機(jī)的模輥受力情況分析基礎(chǔ)之上，利用簡化力學(xué)模型計(jì)算了平模制粒機(jī)設(shè)計(jì)的主要技術(shù)參數(shù)，如擠壓力、主軸扭矩和功率、生產(chǎn)能力等，從而為平模制粒機(jī)的設(shè)計(jì)提供了科學(xué)的參考依據(jù)在此基礎(chǔ)之上，設(shè)計(jì)了用于生產(chǎn)秸稈成型壓塊的平模制粒機(jī)。

關(guān)鍵詞： 生物質(zhì)壓縮成型 力學(xué)模型 平模制粒機(jī) Analysis and Design of Flat Die Pellet Mill for Straw ShapingAbstractBiomass is the only renewable carbon 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 the 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 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 capacity, 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 目錄摘要 I1 前言 11.1 本研究的目的與意義 11.2 國內(nèi)外研究文獻(xiàn)綜述 12.1 螺旋擠壓式成型機(jī) 52.2 活塞沖壓式成型機(jī) 52.3 壓輥式顆粒成型機(jī) 62.4生物質(zhì)壓縮成型設(shè)備性能比較 73 平模制粒機(jī)工作過程及原理 83.1 平模制粒機(jī)的工作過程 83.2 模輥制粒作用的運(yùn)動學(xué)分析 83.3 模輥制粒作用的力學(xué)分析 94 制粒作用的簡化力學(xué)模型 114.1 簡化力學(xué)分析 114.2 輥輪作用力計(jì)算 115 平模制粒機(jī)設(shè)計(jì) 145.1 平模制粒機(jī)主要技術(shù)參數(shù)計(jì)算 145.2 傳動裝置設(shè)計(jì) 155.3碾壓裝置的設(shè)計(jì) 206 結(jié)論及后續(xù)研究展望 22參考文獻(xiàn) 24致謝 25- III -1 前言1.1 本研究的目的與意義在農(nóng)業(yè)和林業(yè)生產(chǎn)過程中，會產(chǎn)生大量的剩余物。

例如，殘留在農(nóng)田內(nèi)的農(nóng)作物秸稈，農(nóng)副產(chǎn)品加工后剩余的稻殼、 玉米芯和花生殼等， 林業(yè)生產(chǎn)過程中殘留的樹枝、 樹葉、木屑和木材加工的邊角料等上述農(nóng)林業(yè)生物質(zhì)資源通常松散地分布在大面積范圍內(nèi)，堆積密度比較低，給收集、運(yùn)輸、儲藏和應(yīng)用帶來了一定的困難由此，人們提出了生物質(zhì)固體成型燃料技術(shù)，即在一定溫度和壓力作用下，利用木質(zhì)素充當(dāng)粘合劑，將松散的秸稈、樹枝和木屑等農(nóng)林生物質(zhì)壓縮成棒狀、塊狀或顆粒狀的成型燃料壓縮后的成型燃料能源密度相當(dāng)于中質(zhì)煙煤，提高了運(yùn)輸和貯存能力；燃燒特性明顯得到改善，提高了利用效率生物質(zhì)固體成型燃料技術(shù)是生物質(zhì)能開發(fā)利用技術(shù)的主要發(fā)展方向之一，不僅可以為家庭提供炊事、取暖用能，也可以作為工業(yè)鍋爐和電廠的燃料，替代煤、天然氣、燃料油等化石能源，近年來日益受到人們的廣泛關(guān)注我國生物質(zhì)能資源非常豐富，但是，作為一種散拋型低容重的能源存在形式，生物質(zhì)能源具有資源分散、能量密度低、容重小、儲運(yùn)不方便等缺點(diǎn)，嚴(yán)重制約了生物質(zhì)能的大規(guī)模應(yīng)用所以生物質(zhì)高品位轉(zhuǎn)換技術(shù)的研究便成為人們開發(fā)利用生物質(zhì)能的重點(diǎn) 而近年來對生物質(zhì)壓縮成型技術(shù)的改進(jìn)創(chuàng)新發(fā)展，為高效利用農(nóng)林廢棄物、農(nóng)作物秸稈等重新提供了一條途徑。

1.2 國內(nèi)外研究文獻(xiàn)綜述1.2.1生物質(zhì)壓縮成型技術(shù)的發(fā)展歷史及研究現(xiàn)狀生物質(zhì)壓縮成型技術(shù)的研究始于20 世紀(jì)初，到目前為止，世界上各個國家研究的重點(diǎn)還是集中在生物質(zhì)壓縮成型燃料的制造技術(shù)和相應(yīng)燃燒設(shè)備的開發(fā)上1.2.1.1 國外發(fā)展歷史及研究現(xiàn)狀早在20世紀(jì)30 年代，美國就開始研究壓縮成型燃料技術(shù)并研制了螺旋式成型機(jī)在 1976 年，開發(fā)出了生物質(zhì)顆粒燃燒設(shè)備日本于20世紀(jì)50年代引進(jìn)成型技術(shù)后進(jìn)行了改進(jìn)，發(fā)展成了日本壓縮成型燃料的工業(yè)體系，研制出了棒狀燃料成型機(jī)及相關(guān)的燃燒設(shè)備20 世紀(jì)70 年代后期，由于出現(xiàn)世界能源危機(jī)，石油價格上漲，西歐許多國家如芬蘭、比利時、法國、德國、意大利等也開始重視壓縮成型燃料技術(shù)的研究當(dāng)前，日本、美國及歐洲一些國家生物質(zhì)成型燃料燃燒設(shè)備已經(jīng)定型，形成了產(chǎn)業(yè)化，在加熱、供暖、干燥、發(fā)電等領(lǐng)域已經(jīng)普遍推廣應(yīng)用亞洲除日本外，泰國、印度、菲律賓等從 20世紀(jì)80年代開始也都先后研制成了加粘結(jié)劑和不加粘結(jié)劑的生物質(zhì)壓縮成型機(jī)1.2.1.2 國內(nèi)發(fā)展歷史及研究現(xiàn)狀我國從20世紀(jì)80年代引進(jìn)并開始致力于生物質(zhì)壓縮成型技術(shù)的研究南京林化所在“七五”期間開展了對生物質(zhì)壓縮成型機(jī)的研制及對生物質(zhì)成型理論的研究；湖南省衡陽市糧食機(jī)械廠于1985年研制了第一臺ZT-63型生物質(zhì)壓縮成型機(jī)；江蘇省連云港東海糧食機(jī)械廠于1986年引進(jìn)了一臺OBM-88棒狀燃料成型機(jī)；1990年前后，陜西省武功縣輕工機(jī)械廠， 河南工藝包裝設(shè)備廠等單位先后研制和生產(chǎn)了幾種不同規(guī)模的生物質(zhì)成型機(jī)和碳化機(jī)組；1994 年湖南農(nóng)大、中國農(nóng)機(jī)能源動力所分別研究出PB-1 型、CYJ -35 型機(jī)械沖壓式成型機(jī)；1997 年河南農(nóng)業(yè)大學(xué)又研制出HPB-1型液壓驅(qū)動活塞式成型機(jī)；2002年中南林學(xué)院也研制了相應(yīng)設(shè)備。

目前我國成型機(jī)的生產(chǎn)和應(yīng)用已形成了一定的規(guī)模，熱點(diǎn)主要集中在螺旋擠壓成型機(jī)上，但是，仍然存在著諸如成型筒及螺旋軸磨損嚴(yán)重、壽命較短電耗大等問題，因此有待于進(jìn)一步深入研究1.2.2生物質(zhì)壓縮成型原理植物質(zhì)原料中含有纖維素、半纖維素、木素、樹脂和蠟等物質(zhì)一般在闊葉木、針葉木中，木素含量為27—32%(絕干原料)、禾草類中含量為14—25%現(xiàn)在知道木質(zhì)素是具有芳香族特性的結(jié)構(gòu)，單體為苯基丙烷型的立體結(jié)構(gòu)高分子化合物，不同種類的植物質(zhì)都含有木質(zhì)素，而其組成、結(jié)構(gòu)不完全一樣在常溫下木質(zhì)素主要部分不溶于有機(jī)溶劑，它屬于非晶體，沒有熔點(diǎn)但有軟化點(diǎn)，當(dāng)溫度為70～110℃時軟化具有粘性當(dāng)溫度到達(dá)200～300℃時成熔融狀，粘性高，此時加以一定的壓力使植物質(zhì)各部分粘結(jié)在模具內(nèi)成型對植物質(zhì)原料加熱軟化，也利于減少成型的擠壓力燃料可按用戶要求，使用不同規(guī)格的模具，制成多種規(guī)格尺寸的成型燃料品因此現(xiàn)代的壓縮成型設(shè)備，尤其是生物質(zhì)成型塊較大的機(jī)械，多在成型模的末端，用電阻絲加熱，達(dá)到既成型又減少阻力的目的由于植物生理方面的原因，生物質(zhì)原料的結(jié)構(gòu)通常都比較疏松，密度較小這些質(zhì)地松散的生物質(zhì)原料在受到一定的外部壓力后，原料顆粒先后經(jīng)歷重新排列位置關(guān)系、顆粒機(jī)械變形和塑性流變等階段。

體積大幅度減小，密度顯著增大由于非彈性或粘彈性的纖維分子之間的相互纏繞和絞合，在去除外部壓力后，一般不能再恢復(fù)原來的結(jié)構(gòu)形狀對于木質(zhì)素等粘彈性組分含量較高的原料，如果在成型溫度達(dá)到木質(zhì)素的軟化點(diǎn)，則木質(zhì)素就會發(fā)生塑性變形，從而將原料纖維緊密地粘結(jié)在一起，并維持既定的形狀，成型燃料塊經(jīng)冷卻降溫后，強(qiáng)度增大，即可得到燃燒性能類似于木材的生物質(zhì)成型燃燒塊；對于木質(zhì)素含量較低的原料，在壓縮成型過程中，加入少量的諸如粘土、淀粉、廢紙漿等無機(jī)、有機(jī)和纖維類粘結(jié)劑，也可以使壓縮后的成型塊維持致密的結(jié)構(gòu)和既定的形狀因?yàn)檫@些粘結(jié)劑加入后，生物質(zhì)粒子表面會形成一種吸附層，使顆粒之間產(chǎn)生一種引力(即范德瓦爾斯力)，同時在較小外力作用下粒子之間也可產(chǎn)生靜電引力(Electrostatic forces)致使生物質(zhì)粒子間形成連鎖(Interlocking)結(jié)構(gòu)被粉碎了生物質(zhì)粒子在外壓力和粘結(jié)劑作用下，重新組合成具有一定形狀的生物質(zhì)成型塊，這種成型方法需要的壓力比較小對于某些容易成型的材料則不必加熱，也不必加粘結(jié)劑，但在粉碎顆粒需要細(xì)小，結(jié)構(gòu)成型壓力需要大，滾筒擠壓式小顆粒成型實(shí)際就是這種類型?1.2.3 生物質(zhì)壓縮成型工藝生物質(zhì)壓縮成型在加工方式上可分為冷壓成型與熱壓成型，干態(tài)成型與濕壓成型， 以及加粘結(jié)劑或不加粘結(jié)劑。

根據(jù)主要工藝特征的差別，可將這些工藝從廣義上分為常溫濕壓成型、熱壓成型和碳化成型和冷壓態(tài)成型1） 常溫濕壓成型工藝常溫濕壓成型工藝常用于含水量較高的原料纖維類原料經(jīng)一定程度的腐化后，會損失一定能量，但是其擠壓、加壓性能會有明顯改善纖維類原料在常溫下，浸泡數(shù)日水解處理后，其壓縮成型特性明顯改善，纖維變得柔軟、濕潤皺裂并部分降解，易于壓縮成型利用簡單的模具，將部分降解后的農(nóng)林廢棄物中的水分?jǐn)D出，即可形成低密度的壓縮成型燃料塊這一技術(shù)在泰國、菲律賓等國得到一定程度的發(fā)展，所生產(chǎn)的成型燃料塊平均熱值約23KJ/kg，被當(dāng)?shù)胤Q為“綠色碳”，在燃料市場上具有一定的競爭能力常溫濕壓成型一般設(shè)備比。