PDF《生物质颗粒燃料成型的黏弹性本构模型》

第29 卷第9期农业工程学报Vol.

29 No.9

200 2013 年5月Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering May

2013 生物质颗粒燃料成型的黏弹性本构模型 霍丽丽 1,2 ,赵立欣

1 ,田宜水

1 ,姚宗路

1 ,孟海波

1 (1. 农业部规划设计研究院,农业部农业废弃物能源化利用重点实验室,北京 100125;

2. 中国农业大学工学院,北京 100083) 摘要:为研究生物质颗粒成型燃料压缩成型机理,该文用玉米秸秆、花生壳、小麦秸秆、大豆秸秆、棉花秸秆、 木屑等

6 种生物质原料,采用生物质颗粒燃料成型机进行压缩成型,研究生物质颗粒燃料压缩成型过程,采用黏 弹性理论,建立生物质颗粒成型燃料的本构模型,从力学角度提出生物质颗粒成型燃料的压缩成型机理,并研究 对比不同种类生物质原料压缩的最大应力与能耗.结果表明,6 种生物质原料中棉杆和木屑的最大应力较高,其余4种原料略低;

木屑的压缩能耗最高,其次为棉秆、花生壳和豆秸,小麦秸秆和玉米秸秆较小.该研究结论为 解决生物质颗粒成型燃料成型加工能耗高,关键部件受力磨损导致寿命低等问题提供一定参考. 关键词:生物质,黏弹性,模型,颗粒燃料 doi:10.3969/j.issn.1002-6819.2013.09.026 中图分类号:TK6;

S216.2 文献标志码:A 文章编号:1002-6819(2013)-09-0200-07 霍丽丽,赵立欣,田宜水,等. 生物质颗粒燃料成型的黏弹性本构模型[J]. 农业工程学报,2013,29(9):200 -206. Huo Lili, Zhao Lixin, Tian Yishui, et al. Viscoelastic constitutive model of biomass pellet[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2013, 29(9): 200-206. (in Chinese with English abstract)

0 引言中国生物质资源十分丰富[1] ,但因其松散、堆 积密度较,导致收集、运输、储藏难度大、成本高, 制约了规模化开发利用,利用压缩成型将其制成生 物质颗粒燃料,可提高其运输和贮存能力,降低成 本,而且改善燃烧性能,提高利用效率[2] .与煤相 比,生物质颗粒燃料的温室气体排放量不到煤的 1/9, 环境效益非常可观[3] , 不仅可以用于家庭炊事、 取暖,也可作为工业锅炉和电厂燃料,替代煤炭等 化石能源.一般地,生物质颗粒燃料的压缩过程是 在较高的外力作用下,利用生物质原料自身所含的 天然黏结剂 ――木质素被激活[4] ,原料颗粒与颗 粒之间重新排列组和在一起[5] ,通过一定形状的颗 粒成型模具,形成颗粒成型燃料. 目前,针对生物质颗粒燃料成型过程的相关模 型研究可分为两类,一类为黏弹塑性模型,表征压 力与变形关系,另一类为压力与压缩密度的数学模 收稿日期:2013-01-12 修订日期:2013-03-15 基金项目: 十二五 农村领域国家科技支撑课题(2012BAD30B0201) 作者简介:霍丽丽(1985-) ,博士生,主要从事机械设计与制造方面 研究.北京 农业部规划设计研究院,农业部农业废弃物能源化利用重 点实验室,100125.Email:[email protected] 通信作者:孟海波(1972-) ,男,博士,高级工程师,主要从事生 物质资源开发利用方面研究.北京 农业部规划设计研究院,农业部农 业废弃物能源化利用重点实验室,100125. Email: [email protected] 型.Nalladurai Kaliyan 等[6] 利用弹性模量,强度系 数,应变硬化指数,黏性系数,摩擦损耗因子

5 个 参数构建秸秆和柳枝稷的一维线性黏弹塑性模型, 并得出弹性模量和黏性系数影响颗粒燃料的抗压 强度和耐久性. 郑晓等[7-8] 采用线性与非线性黏塑性 模型相结合的方法,研究芝麻、花生、菜籽与菜籽 仁散粒体介质的压榨过程.线性黏塑性本构模型采 用Maxwell 的理论方法建立,而非线性黏塑性本构 模型的建立采用经验模型方法建立.张旭[9] 在柠条 压缩过程中的松散和压紧阶段,分别建立了描述柠 条压缩的一般力学模型和非线性流变力学模型,获 得了柠条在压紧阶段弹性模量和黏性系数随压缩 量变化的规律.王春光等[10-11] 建立了牧草压缩及应 力松弛模型,研究压捆过程中轴向压缩力、变形和 变形恢复规律. 孙启新等[12] 基于 ANSYS 分析软件, 针对柱塞式成型设备,对秸秆类生物质原料挤压模 拟出压力与变形关系曲线.赵东等[13] 研究密闭容器 中用 Doraivelu 屈服准则来描述粉碎玉米秸秆的本 构方程.Panelli、Faborode 等[14-16] 研究了压力与压 缩密度关系.吕江南等[17] 用红麻料片在闭式容器内 的压缩过程可分为松散、过渡和压紧

3 个阶段,压 力与压缩密度关系的数学模型分别可用线性和指 数关系来描述.各类原料压缩的力学试验中得出棉 秆、小麦、可燃废纸、大麦适宜的最大压缩力分别 为

34、

160、

70、63.2 MPa[18-21] .以上研究均提出 第9期霍丽丽等:生物质颗粒燃料成型的黏弹性本构模型

201 了各自的流变学理论,黏弹塑性理论大多侧重于物 料压缩后的松弛与蠕变过程的研究,而压力与密度 的模型参数过于单一,理论适应性不广,对多个种 类生物质原料的压缩成型过程的力与变形及时间 之间的关系,目前没有通用的理论模型支撑. 生物质颗粒燃料生产设备可分为螺旋挤压式、 活塞冲头式、模辊式,其中模辊式成型机具有生产 率高、成型好等优点,是生产生物质固体燃料企业 优选设备.生物质原料挤压过程中,颗粒在机械力 作用下的致密过程受力复杂多变,首先颗粒可能发 生弹性变形,随着颗粒越来越靠近,颗粒可能发生 黏塑性变形,依靠原料自身的 天然黏结剂 互相 连接成型.本文以玉米秸秆、花生壳、小麦秸秆、 大豆秸秆、棉花秸秆、木屑等

6 大类生物质原料为 研究对象,研究模辊式生物质颗粒燃料成型机成型 机理,通过自制的力学测试装置,模拟生物质颗粒 成型燃料的成型过程,建立适于生物质原料压缩的 黏弹性模型,并对比不同种类原料压缩的难易程度 及能耗,为生物质颗粒燃料成型机具的设计开发提 供基础理论依据.

1 材料与方法 1.1 仪器设备 试验仪器

485 型模辊式生物质颗粒燃料成型机 (农业部规划设计研究院设计设计,北京盛昌绿能 科技有限公司生产.主机功率:90 kW;

设备生产 率为

1 t/h;

模孔直径

8 mm;

燃料成型率>

95%;

颗粒密度>

1.0 g/cm3 ) 、 Olympus BX41 型电子显微 镜、Canon 550D 型显微成像系统、93QS-16.0 型铡 草机、HLP 型粉碎机(筛孔径

8 mm)、PL2002/01 型电子天平(精度 0.01 g)、BSA223S-CW 型分析 天平(精度 0.1 mg)、GZS-1 型自动标准振筛机、 标准样品分析筛(方孔,筛孔尺寸分别为 0.2,0.3, 0.45,0.6,1.0,3.3,6.0 mm)、MH-200E 型电子 比重计(精度

1 kg/m3 )、101-1A 型电热鼓风干燥 箱、 CMT6104 型万能试验机、 自制压缩试验夹具 (如图1所示,上下支撑座分别安装在万能试验机上下 夹具孔内,将定量的原料人工喂入成型模具孔内, 万能试验机控制压缩头对喂入原料进行压缩并实 时记录压缩力、时间、位移等参数;

该夹具未考虑 原料的喂入过程,主要研究原料在模孔内压缩的受 力过程,通过万能试验机控制自制压缩试验夹具的 运动,模拟压缩成型过程,可实现压缩过程中力、 位移和时间变化的控制和数据存储,为压缩模型的 建立提供基础数据) 、 干燥器、 砂纸 (粒度 600~5

000 目)、切片刀、载玻片、盖玻片、刷子、镊子、洗 耳球、游标卡尺等. 1.挡料板 Striker plate 2.下支承座 Fulcrum bearing NO.1 3.成型模具 Pattern die 4.倒料孔 Chamfer 5.压缩头 Compression rod 6.储料室 Storage compartment 7.压板 Pressure plate 8.圆螺母 Round nut 9.上 支承座 Fulcrum bearing NO.2 图1自制压缩夹具示意图 Fig.1 Schematic diagram of self - made compression fixture 1.2 试验材料 本试验选择河北地区的玉米秸秆、花生壳、小 麦秸秆、大豆秸秆、棉花秸秆、木屑等

6 大类生物 质原料作为研究对象.将采集的各类秸秆自然晾晒 达到水分平衡后,首先用铡草机粗粉(>

2 kg),接 着用细粉机细粉(粉碎后粒度分布见图 2),然后 加入适量水,混匀,使原料的全水分达到 15%~ 20%,密封,在5℃下放置 24h 以上,以便压缩成 型,实际测得的全水分数值见表 1. 图2原料粒度分布 Fig.2 Granularity distribution of material 表1不同种类原料的全水分 Table

1 Total moisture of material 种类 Kind 玉米秸 Corn straw 小麦秸 Wheat straw 豆秸 Soybean straw 棉秆 Button straw 花生壳 Peanut shells 木屑 Sawdust 全水分 Total moistu........