發(fā)布時間：2020-11-18 09:20

　　 在能源使用日益緊張的當(dāng)代,生物質(zhì)能的開發(fā)逐漸受到重視。本文研究對象沙柳為典型的生物質(zhì)原料,其是內(nèi)蒙古地區(qū)特有的多年生灌叢植物,具有熱值高、平茬復(fù)壯等特征,但其物料產(chǎn)地分散、難于收集,自然堆積狀態(tài)下密度小、儲運(yùn)困難,故研究沙柳的致密成型技術(shù)具有現(xiàn)實意義�，F(xiàn)階段致密成型技術(shù)的研究多基于一種手段,將生物質(zhì)物料當(dāng)作連續(xù)體進(jìn)行有限元分析或基于離散元理論從顆粒角度分析,而實際過程是細(xì)觀顆粒尺度上內(nèi)在機(jī)理的改變導(dǎo)致宏觀現(xiàn)象的發(fā)生。除此之外,成型塊品質(zhì)不佳,設(shè)備磨損嚴(yán)重等問題也亟待解決。針對上述問題,本文從離散元和有限元兩個尺度研究生物質(zhì)致密成型過程,分析其黏彈塑性力學(xué)變化并構(gòu)建其致密成型過程中力學(xué)模型,為生物質(zhì)致密成型的發(fā)展提供理論基礎(chǔ)。首先,從多尺度的角度具體分析生物質(zhì)致密成型過程,宏觀基于有限單元法,將生物質(zhì)成型塊等效為實體,基于連續(xù)體力學(xué)理論采用顯式分析求解器使用準(zhǔn)靜態(tài)加載的方式分析了單向模壓過程,選取壓制初期、中期、中后期、結(jié)束這四個時刻分析應(yīng)力變化,得到應(yīng)力由零逐漸增大,且應(yīng)力由開始集中在上表面,到上半部分再到整個物料柱均勻分布的結(jié)論。細(xì)觀基于離散單元法,將生物質(zhì)歸入軟物質(zhì)范疇,基于散體力學(xué)理論分析生物質(zhì)致密成型過程,選取加載初始、彈性變形開始、塑性變形開始、加載結(jié)束這四個時刻分析顆粒和接觸力以及速度場傳遞機(jī)理和規(guī)律,得到顆粒分布由松散到密集,接觸力分布由雜亂無章到形成菱形再到大環(huán)狀最后到小三角形穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的結(jié)論,而顆粒速度場經(jīng)歷豎直向下、形成分隔帶,分隔帶下移直至消失的結(jié)論。其次,為了得出更加準(zhǔn)確可靠的模具受力及應(yīng)變云圖,充分發(fā)揮離散元和有限元的優(yōu)勢,將離散元和有限元進(jìn)行耦合仿真。用離散元計算出的力和位置信息,作為有限元的輸入,分析外部模具受力和變形,解決了傳統(tǒng)有限元分析無法預(yù)知準(zhǔn)確載荷分布的問題,得到模具受力和變形均沿中心軸線自上而下逐漸增大的結(jié)論。最后,根據(jù)離散元仿真結(jié)果,采用壓力差值法將沙柳細(xì)枝致密成型過程依次分為進(jìn)料預(yù)壓、黏彈性、黏塑性、應(yīng)力松弛這四個階段,依據(jù)各階段不同特性使用模擬元件分別建立力學(xué)模型和力學(xué)方程,并擬合數(shù)據(jù)求出未知參數(shù),分析未知參數(shù)變化的內(nèi)在機(jī)理。得到四個階段的力學(xué)方程,且參數(shù)變化主要由于隨加載進(jìn)行,顆粒之間空隙減小導(dǎo)致不易被壓縮以及溫度升高,木質(zhì)素軟化等原因。
【學(xué)位單位】：內(nèi)蒙古科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位年份】：2020
【中圖分類】：S216.2
【部分圖文】：

內(nèi)蒙古科技大學(xué)碩士學(xué)位論文-3-圖1.1生物質(zhì)致密成型內(nèi)部過程1.2.1生物質(zhì)致密成型工藝生物質(zhì)致密成型技術(shù)從開始研究到發(fā)展至今，已經(jīng)出現(xiàn)了多種工藝手段，根據(jù)其成型方式及工藝的不同，主要分為濕壓成型、熱壓成型、常溫成型及炭化成型四類[3]。（1）濕壓成型濕壓成型工藝適用于含水率較高的纖維類生物質(zhì)物料，其具體操作是將物料浸泡在水中數(shù)日或在其表面噴水后加入粘結(jié)劑攪拌，使其濕潤皸裂并部分降解，用高壓將多余的水?dāng)D走后形成成型塊燃料。（2）熱壓成型熱壓成型工藝適用于絕大多數(shù)生物質(zhì)物料，是目前普遍采用的成型工藝方式，其過程一般為物料粉碎、干燥混合、擠壓成型、冷卻包裝這四個環(huán)節(jié)。主要工藝參數(shù)為溫度和壓力，關(guān)鍵步驟擠壓成型過程中主要利用了生物質(zhì)物料中木質(zhì)素受熱軟化，粘結(jié)力增加的性質(zhì)。由于受物料種類、含水率、粒度、成型溫度等因素的影響，具體的工藝流程有一定的差別。（3）常溫成型常溫成型工藝將粉碎后的生物質(zhì)物料在常溫下壓縮成成型塊，利用生物質(zhì)致密成型過程中物料受到外部壓力后經(jīng)歷重新排列、機(jī)械變形和塑性流變的原理，實現(xiàn)自然狀態(tài)下的常溫壓縮成型，較熱壓成型工藝減少了物料干燥、成型前加熱和成型后降溫的過程，降低了總體能耗，減少了成本，為生物質(zhì)燃料新的發(fā)展方向。（4）炭化成型炭化成型工藝分為將粉碎后的物料先擠壓成一定規(guī)格的燃料再炭化和先炭化成粉粒狀木炭，后加入粘結(jié)劑擠壓成型這兩種方式，后者由于先炭化使生物質(zhì)物料內(nèi)部纖維結(jié)構(gòu)受到破壞，容易粉碎，因此較前者來說降低了粉碎機(jī)和成型機(jī)的損耗，為炭化成型的主流方式。炭化后的生物質(zhì)物料在燃燒過程中煙塵和粉塵的排放均會減少，

內(nèi)蒙古科技大學(xué)碩士學(xué)位論文-4-滿足人們對高品質(zhì)燃料的需求。1.2.2生物質(zhì)致密成型設(shè)備目前生物質(zhì)壓縮成型的設(shè)備按其工作原理可劃分為螺旋擠壓式、活塞沖壓式和模輥式，其中模輥式又分為平模和環(huán)模，每種成型方式都有各自的優(yōu)缺點(diǎn)和適用工況，但環(huán)模壓縮成型應(yīng)用范圍較廣且效率高。生成的顆粒形狀有塊狀、棒狀和顆粒狀，不同形狀的顆粒物燃料如圖1.2所示。根據(jù)成型物直徑尺寸來區(qū)分塊狀、棒狀和顆粒狀，一般塊狀和棒狀成型物直徑大于30mm（瑞典為25mm）。棒狀和顆粒狀成型物用于生物質(zhì)燃料或者動物飼料，其中生物質(zhì)燃料以顆粒狀為主，三種形狀的生物質(zhì)成型物中，顆粒狀成型物體積最小，流動性最好，適用范圍最廣泛，目前已成為生物質(zhì)致密成型技術(shù)中的主流目標(biāo)產(chǎn)物。螺旋擠壓式和活塞沖壓式成型機(jī)多用來生產(chǎn)方塊和棒狀的成型物，模輥式分為平模成型機(jī)和環(huán)模成型機(jī)，用來生產(chǎn)顆粒狀的成型物。（a）棒狀（b）塊狀（c）顆粒狀圖1.2不同形狀的生物質(zhì)成型物（1）螺旋擠壓式成型機(jī)螺旋擠壓式成型機(jī)為最早的生物質(zhì)致密成型設(shè)備，早期用來生產(chǎn)飼料，其工作原

內(nèi)蒙古科技大學(xué)碩士學(xué)位論文-5-理是轉(zhuǎn)動螺旋為粉碎的生物質(zhì)物料提供源源不斷的推力，同時擠壓物料，使物料進(jìn)入�？壮尚�。螺旋擠壓式成型機(jī)優(yōu)點(diǎn)為成型物的密度大，一般為1.1-1.4g/cm3；成型燃料品質(zhì)較高，表面無紋理，不易破碎，主要由于擠壓過程中壓力沿著螺旋逐步建立，使物料被充分混合和擠壓，利于物料成型。但其最大的缺點(diǎn)是螺旋輸送器的磨損大，壽命短，維修費(fèi)用高且該成型機(jī)產(chǎn)量較低。圖1.3螺旋擠壓式成型機(jī)（2）活塞沖壓式成型機(jī)活塞沖壓式成型機(jī)克服了螺旋擠壓式成型機(jī)中螺旋磨損大的問題，改變了驅(qū)動方式，活塞沖壓式成型機(jī)的工作原理為通過活塞的往復(fù)運(yùn)動，將粉碎的生物質(zhì)物料在活塞的推動下在喉管處擠壓成生物質(zhì)燃料，其優(yōu)點(diǎn)為適應(yīng)多種物料，成型密度較大，較螺旋擠壓式成型機(jī)能耗降低，但活塞式內(nèi)腔也易磨損，且存在成型過程中活塞對物料擠壓不連續(xù)的現(xiàn)象，導(dǎo)致可能形成縱向的片狀自然紋理，如果壓力不夠大，成型物料會因為沒有牢固的結(jié)合而破裂導(dǎo)致成型品質(zhì)不佳，其最大缺點(diǎn)為使用過程中存在較大負(fù)荷，機(jī)器穩(wěn)定性差。圖1.4活塞沖壓式成型機(jī)（3）模輥式成型機(jī)模輥式成型機(jī)也叫制粒機(jī)，其工作原理為通過輥?zhàn)釉趬耗Ｉ蠞L動將粉碎的生物質(zhì)
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本文編號：2888562