摘要
能源和環(huán)境問題已成為全球關(guān)注的焦點。隨著能源消耗的迅速增長，傳統(tǒng)化石燃料的大量使用給人類帶來了兩個突出的問題：一方面是礦物質(zhì)資源漸趨枯竭；另一方面是日益嚴(yán)重的環(huán)境問題。生物質(zhì)能作為一種可再生能源，它具有可再生、污染小、無公害等優(yōu)點，是傳統(tǒng)化石能源很好的替代品。大力開發(fā)利用生物質(zhì)能等可再生能源，對環(huán)境保護(hù)、促進(jìn)國家經(jīng)濟(jì)發(fā)展和建立可持續(xù)發(fā)展的能源系統(tǒng)具有重大意義。
本文主要對生物質(zhì)秸稈致密成型技術(shù)進(jìn)行了研究，為秸稈高效利用提供了技術(shù)支持。本文設(shè)計分析了環(huán)模式
秸稈壓塊機的結(jié)構(gòu)，針對其特點，提出了影響環(huán)模式成型機工作效率的幾項主要技術(shù)參數(shù)，如主電機功率、環(huán)模長徑比、顆粒機環(huán)模的開孔率以及壓輪和環(huán)模的工作間隙等。
應(yīng)用有限元軟件ANSYS，本文建立秸稈壓縮模型，模擬了生物質(zhì)秸稈的壓縮成型過程，分析得到了生物質(zhì)秸稈壓縮過程的應(yīng)力應(yīng)變規(guī)律、內(nèi)部位移規(guī)律以及摩擦應(yīng)力分布，為生物質(zhì)秸稈壓縮成型機的研發(fā)和改進(jìn)提供了必要的理論依據(jù)。
以玉米秸稈為原料，通過試驗，本文研究了原料含水率、成型工作壓力和原料尺寸對致密成型的影響，確定了玉米秸稈壓縮成型的最佳工作條件。
綜上，本文通過對生物質(zhì)秸稈成型機理的研究，為生物質(zhì)致密成型設(shè)備的設(shè)計、工藝參數(shù)優(yōu)化以及結(jié)構(gòu)改進(jìn)等提供重要的理論基礎(chǔ)。
關(guān)鍵詞生物質(zhì)；環(huán)模；壓塊機；致密成型；有限元分析
第1章緒論
1.1 生物質(zhì)能利用的意義
能源和環(huán)境問題已成為全球關(guān)注的焦點。人類社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展以能源為重要動力，經(jīng)濟(jì)發(fā)展越快，能源消耗越多。石油、煤炭和天然氣至今仍然是人類使用的主要能源，但是隨著能源消耗的急劇增長，傳統(tǒng)化石燃料的大量使用給我們?nèi)祟悗砹藘蓚�突出的問題：一是礦物質(zhì)資源漸趨枯竭。據(jù)世界能源組織不完全統(tǒng)計，全球可開采的煤炭儲量使用200年估計就要枯竭了，天然氣儲量雖然也挺多，但預(yù)計最多能再使用60年，目前石油的消耗量最大，可采石油預(yù)計可使用30～40年，石油市場價格也飛速增長；另一個是化石能源的大量使用引起的日益嚴(yán)重的環(huán)境問題。
表1-1是化石能源的可使用的年限及占全球的消耗比例。
表1-1化石能源的可用年限及占全球能量的消耗比例
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種類 |
消耗比例 |
可使用年限 |
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石油 |
32.0% |
40年 |
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天然氣 |
17.0% |
60年 |
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煤 |
25.0% |
220年 |
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核能 |
4.0% |
260年 |
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合計 |
78.0% |
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由于過度消費化石燃料，導(dǎo)致排放了大量的有害氣體，如果不及時遏制，將造成災(zāi)難性后果，例如全球氣候變暖、海平面上升、酸雨等。如果不開發(fā)出新的可再生、清潔能源，繼續(xù)大量使用石化能源，能源危機和環(huán)境危機在不久的將來必將越來越嚴(yán)重。可再生能源將是人類社會未來能源的基石，在不久的將來能很好的替代常規(guī)化石能源，生物質(zhì)能是可再生能源的重要組成部分，具有清潔、儲存量大和無污染等優(yōu)點，所以發(fā)展生物質(zhì)能勢在必行。
近年來，各個國家都在致力于開發(fā)高效、無污染的新能源，生物質(zhì)能就是其中之一。有關(guān)專家預(yù)測，生物質(zhì)能源將成為未來能源的重要組成部分，到2015~2020年，全球總能量消耗將有40%來自生物質(zhì)能源。
生物質(zhì)是地球上一個巨大的可再生能源庫，能儲量大。它具有可再生性、燃燒容易和污染小等特點，它光合作用吸收的C02量和燃燒釋放的C02量相當(dāng)，可認(rèn)為二氧化碳為零排放，甚至有所減少，這是煤、石油、天然氣等常規(guī)能源無法比擬的。生物質(zhì)能，又稱為綠色能源，是一種古老的可再生能源。太陽能照射到地球后，一部分直接排放出去，轉(zhuǎn)化為熱能，一部分被植物吸收i轉(zhuǎn)化為生物質(zhì)能。太陽能轉(zhuǎn)化為熱能的時候，能量密度較低，不容易收集，人類只能利用少量；生物質(zhì)通過光合作用，能夠吸收大量的太陽能并且收集起來，儲存在有機物中，這些能量是人類進(jìn)一步發(fā)展所需能源的基礎(chǔ)和源泉。生物質(zhì)能這一獨特的形成過程，既不同于常規(guī)的礦物能源，又不同于其它能源，但兼有兩者的特點和優(yōu)勢，是我們最主要的可再生能源之一。
生物質(zhì)能可以直接轉(zhuǎn)換生產(chǎn)含碳燃料，石油和煤都是生物質(zhì)在地下經(jīng)過很長時間轉(zhuǎn)換而來的。在可能替代石化燃料的能源中，由于它有著和礦物燃料相似性很大的特性和利用方式，所以我們可以通過生物質(zhì)致密成型技術(shù)和生物質(zhì)氣化技術(shù)等不同技術(shù)開發(fā)利用生物質(zhì)能。將它轉(zhuǎn)換制造成為高熱值、污染小的高品位的成型燃料，在日常生活中代替煤和天然氣，一定程度緩解煤和天然氣緊張的局面。
1.2我國生物質(zhì)能源現(xiàn)狀
我國作為農(nóng)業(yè)大國，生物質(zhì)資源十分豐富，因此，生物質(zhì)能源將會成為一種發(fā)展前景非常可觀的替代能源。作為一個生物質(zhì)能源大國，我國可利用生物質(zhì)資源量理論上為為50億噸左右，目前，我國的總能耗僅是它的四分之一左右。主要來源于林業(yè)廢棄物，如樹枝、鋸末、刨花廢木材等；農(nóng)業(yè)廢棄物，如玉米秸稈、棉花秸稈、稻殼等；工業(yè)廢棄物，如釀酒廠、食品廠、造紙廠等的廢料：城市生活垃圾；有機廢水，城市污水、工業(yè)有機廢水等。
目前，可供利用開發(fā)的生物質(zhì)資源主要包括農(nóng)作物秸稈、畜禽糞便、樹木枝丫、城市生活污水、工業(yè)有機廢水和生活垃圾等。據(jù)不完全統(tǒng)計，2004年我國的生物質(zhì)資源量約為，畜糞約39.2億噸；樹木枝丫等林木生物質(zhì)約21.8億噸；各類秸稈約7.3億噸；廢水量為483.5億噸；城市生活垃圾約1.55億噸。總的蘊藏潛力量為10.29×10
19J，可獲得量為1.35×10
19J。據(jù)統(tǒng)計，我國2010年生物質(zhì)能獲得量為2.58×10
19J。
我國可利用的五種主要生物質(zhì)資源比例如圖1-1所示：
由圖1-1可知，我國可利用的農(nóng)作物秸稈在生物質(zhì)資源中占據(jù)很重要的地位，其開發(fā)利用的潛力非常大。據(jù)統(tǒng)計，到2007年底我國各種農(nóng)作物秸稈產(chǎn)量如表1-2所示。由表1-2可知，玉米秸稈是產(chǎn)量最高的生物質(zhì)能源。
表1-2 2007年我國各種農(nóng)作物秸稈產(chǎn)量
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農(nóng)作物秸稈種類 |
產(chǎn)量（萬噸） |
折合標(biāo)煤/（萬噸） |
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玉米 |
27718.79 |
14663.24 |
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小米 |
17278.62 |
8639.32 |
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稻谷 |
14281.18 |
6126.64 |
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其他雜糧 |
2065.48 |
1032.74 |
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棉花 |
1770.20 |
961.22 |
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薯類 |
2018.45 |
980.98 |
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油料 |
5569.75 |
2946.40 |
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豆類 |
2993.62 |
3318 |
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甘蔗 |
809.57 |
357.02 |
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合計 |
74505.66 |
39025.75 |
1.3生物質(zhì)致密成型技術(shù)的重要性
中國是一個人口大國，也是消費大國，由于工業(yè)的迅速發(fā)展我國的能源需求不斷的增長，普通的化石能源消耗量加劇造成了環(huán)境污染問題。所以我國不僅在經(jīng)濟(jì)增長方面面臨壓力，而且在環(huán)境方面也面臨著嚴(yán)峻的考驗。為了緩解能源緊張和大量使用化石能源造成的環(huán)境污染問題，開發(fā)和利用新能源和可再生能源很有必要，而且能夠改善以煤、石油為主的能源結(jié)構(gòu)，對我國經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展有重大意義，是發(fā)展生物質(zhì)能源的大好機遇和挑戰(zhàn)。因此，大力開發(fā)利用生物質(zhì)能等可再生能源，對環(huán)境保護(hù)、促進(jìn)國家經(jīng)濟(jì)發(fā)展和建立可持續(xù)發(fā)展的能源系統(tǒng)具有重大意義。
生物質(zhì)能由于能量密度較低和具有分散性，高效利用和規(guī)模利用都比較困難，這是導(dǎo)致目前生物質(zhì)能不能轉(zhuǎn)化為商品能源的主要原因。在生物質(zhì)原料處理技術(shù)中，壓縮致密成型技術(shù)是最重要的技術(shù)之一。生物質(zhì)致密成型技術(shù)是將各類松散的生物質(zhì)秸稈用機械加壓的方法，使原來密度小、沒有固定形狀、質(zhì)地松散的原料壓縮成密度較大的、具有一定形狀的成型燃料，生物質(zhì)秸稈致密成型技術(shù)目前是國內(nèi)外利用生物質(zhì)能比較普遍的技術(shù)之一。
生物質(zhì)秸稈的壓縮致密成型，相對原料成型密度大幅提高，將生物質(zhì)本身原有的密度從40～200kg/m3增大到成型的600～800kg/m3，甚至更高，從而可以滿足不同地區(qū)和國家所要求的密度值，有利于推廣和使用。方便儲存和運輸，成型燃燒特性與煤接近，可完全代替日常生活中的液化氣、煤等常規(guī)能源，在工業(yè)上可代替煤用于工業(yè)鍋爐、生物質(zhì)發(fā)電廠等。
綜上所述，無論是從環(huán)境保護(hù)，還是從解決能源短缺問題出發(fā)，大力發(fā)展生物質(zhì)致密成型技術(shù)研究，具有極大的現(xiàn)實意義。
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顆粒機、秸稈壓塊機、
木屑顆粒機等生物質(zhì)燃料飼料成型機械設(shè)備，同時我們也有大量的生物質(zhì)顆粒燃料。
