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高校理科研究
生物质压缩成型技术的研究
山东理工大学轻工与农业工程学院 周春梅 山东省科学院能源研究所 许 敏
山东理工大学轻工与农业工程学院 易维明
[摘 要]摘要:本文主要对生物质压缩成型技术的发展历史、研究现状、成型原理、成型工艺及相关设备进行了论述。总结了成型技术在推广应用中存在的主要问题, 并提出了相应的解决措施。[关键词]生物质能 压缩成型技术 成型原理 成型工艺 存在问题
0、引言
我国生物质能资源非常丰富, 但是, 作为一种散抛型低容重的能源存在形式, 生物质能源具有资源分散、能量密度低、容重小、储运不方便等缺点, 严重制约了生物质能的大规模应用。所以生物质高品位转换技术的研究便成为人们开发利用生物质能的重点。而近年来对生物质压缩成型技术的改进创新发展, 为高效利用农林废弃物、农作物秸秆等重新提供了一条途径。
生物质压缩成型就是将生物质废弃物, 用机械加压的方法, 使原来松散、无定形的原料压缩成具有一定形状、密度较大的固
[1]
体成型燃料。生物质在经过压缩成型之后, 其密度、强度和燃烧性能都有了本质的改善, 大大提高了生物质作为燃料的品质。可以在生活用能、饮食服务业, 如采暖、烧饭、烘烤食品等得到高效清洁应用。
1、生物质压缩成型技术的发展历史及研究现状
生物质压缩成型技术的研究始于20世纪初, 到目前为止, 世界上各个国家研究的重点还是集中在生物质压缩成型燃料的制造技术和相应燃烧设备的开发上[2]。
1. 1国外发展历史及研究现状
早在20世纪30年代, 并研制了螺旋式成型机在设备。日本于20, 发展, 研制出了棒状燃料成型机及相关的燃烧设备。2070年代后期, 由于出现世界能源危机, 石油价格上涨, 西欧许多国家如芬兰、比利时、法国、德国、意
[3]
大利等也开始重视压缩成型燃料技术的研究。当前, 日本、美国及欧洲一些国家生物质成型燃料燃烧设备已经定型, 形成了产业化, 在加热、供暖、干燥、发电等领域已经普遍推广应用[4]。亚洲除日本外, 泰国、印度、菲律宾等从20世纪80年代开始也都先后研制成了加粘结剂和不加粘结剂的生物质压缩成型机。
1. 2国内发展历史及研究现状
我国从20世纪80年代引进并开始致力于生物质压缩成型技术的研究。南京林化所在“七五”期间开展了对生物质压缩成型机的研制及对生物质成型理论的研究; 湖南省衡阳市粮食机械厂于1985年研制了第一台ZT -63型生物质压缩成型机; 江苏省连云港东海粮食机械厂与1986年引进了一台OBM -88棒状燃料成型机; 1990年前后, 陕西省武功县轻工机械厂, 河南工艺包装设备厂等单位先后研制和生产了几种不同规模的生物质成型机和碳化机组; 1994年湖南农大, 中国农机能源动力所分别研究出PB -1型、CYJ -35型机械冲压式成型机; 1997年河南农业大学又研制出H PB -1型液压驱动活塞式成型机; 2002年中南林学院也研制了相应设备。目前我国成型机的生产和应用已形成了一定的规模, 热点主要集中在螺旋挤压成型机上, 但是, 仍然存在着诸如成型筒及螺旋轴磨损严重、寿命较短、电耗大等问题, 因此, 有待于进一步深入研究。
2、生物质成型机理
植物细胞中除含有纤维素、半纤维素外, 还含有木质素(木素) 。木素是具有芳香族特性的结构单体, 是由苯基丙烷单元构成的三维空间聚合物。木素属非晶体, 没有熔点但有软化点。当温度为70～110℃时软化具有黏性, 当温度达到200～300℃时
[5]
成熔融状, 黏性高。此时加以一定的压力就可使其与纤维素紧密粘接并与相邻颗粒互相胶接, 冷却后即可固化成型。生物质压缩成型燃料就是利用这种特性, 用压缩成型机将松散的秸秆在一定的温度、压力条件下, 使木素软化, 经挤压成型而得到的具有一定形状的新型燃料。
3、生物质压缩成型工艺
生物质压缩成型在加工方式上可分为冷压成型与热压成型, 干态成型与湿压成型, 以及加粘结剂或不加粘结剂。根据主要工艺特征的差别, 可将这些工艺从广义上分为常温湿压成型、热压成型和碳化成型和冷压态成型。
3. 1常温湿压成型工艺
常温湿压成型工艺常用于含水量较高的原料[6]。纤维类原料经一定程度的腐化后, 会损失一定能量, 但是其挤压、加压性能会有明显改善。纤维类原料在常温下, 浸泡数日水解处理后, 其压缩成型特性明显改善, 纤维变得柔软、湿润皱裂并部分降解, 易于压缩成型。利用简单的模具, 将部分降解后的农林废弃物中的水分挤出, 。这一技术在泰国、, 所生产的成型燃料块 , 在燃料市场上具有[7]
。
, 容易操作, 但是成型部件, , 多数产品燃烧性能较差。
3. 2热压成型工艺
热压成型工艺是目前普遍采用的生物质压缩成型工艺。其工艺流程为:
原料粉碎——干燥混合——挤压成型——冷却包装。热压成型技术发展到今天, 已有各种各样的成型工艺问世, 总的看来可以根据原料被加热的部位不同, 将其划分为两类:一类是原料只在成型部位被加热, 称为“非预热热压成型工艺”; 另一类是原料在进入压缩机构之前和在成型部位被分别加热, 称为“预热热压成型工艺”。两种工艺的不同之处在于预热热压成型工艺在原料进入成型机之前对其进行了预热处理, 这样降低了成型所需压力, 从而大幅度提高了成型部件的使用寿命, 显著降低了单位能耗[8]。
3. 3炭化成型工艺
根据工艺流程不同, 炭化成型工艺又可分为两类, 一类是先成型后炭化; 一类是先炭化后成型。
(1) 先成型后炭化工艺
工艺流程为:原料——粉碎干燥——成型——炭化——冷却包装。
先用压缩成型机将松散碎细的植物废料压缩成具有一定密度和形状的燃料棒, 然后, 用炭化炉将燃料棒炭化成木炭。
(2) 先炭化后成型工艺工艺流程为:
原料——粉碎除杂——炭化——混合粘结剂——挤压成型——成品干燥, 包装。
先将生物质原料炭化成粉粒状木炭, 然后再添加一定量的粘结剂, 用压缩成型机挤压成一定规格和形状的成品木炭。
由于原料纤维结构在碳化过程中受到破坏, 高分子组份受热裂解转换成炭并释放出挥发份, 使其挤压成型特性得到改善, 成型部件的机械磨损和挤压过程中的能量消耗降低。但是, 炭化后的原料在挤压成型后维持既定形状的能力较差, 贮运和使用时容易开裂和破碎, 所以压缩成型时一般要加入一定量的粘结剂。如果在成型过程中不使用粘结剂, 要保证成型块的贮存和使用性能, 则需要较高的成型压力, 这将明显提高成型机的造价。
3. 4冷压成型工艺
生物质冷压成型工艺即在常温下将生物质颗粒高压挤压成
型的过程。其粘接力主要是靠挤压过程所产生的热量, 使得生物质中木质素产生塑化粘接。
冷压成型工艺一般需要很大的成型压力, 为了降低成型压力, 可在成型过程中加入一定的粘结剂。如果粘结剂选择不合理, 会对成型燃料的特性有所影响, 因此在冷压成型工艺中, 粘结剂的选择是致关重要的。
4、生物质压缩成型设备
目前, 国内外最常见的成型设备是螺旋挤压式成型机、活塞冲压式成型机和压辊式颗粒成型机。在我国, 最常用的是螺旋挤压式成型, 活塞冲压式成型和压辊式成型也有人研究, 但多处于研究开发阶段。
4. 1螺旋挤压式成型机
螺旋挤压式成型机利用螺杆挤压生物质, 靠外部加热, 维持成型温度为150～300℃使木质素、纤维素等软化, 挤压成生物质压块。为避免成型过程中原料水份的快速汽化造成成型块的开裂和“放炮”现象发生, 一般将原料的含水率控制在8～12%之间, 成型压力的大小随原料和所要求成型块密度的不同而异, 一般在4900～12740Pa 之间, 成型燃料形状通常为直径50～60mm 的空心燃料棒。
螺旋挤压式成型机开发应用最早, 当前应用最为普遍。这类成型机运行平稳、生产连续性好, 主要问题是螺杆磨损严重、使用寿命短以及单位产品能耗高。为了解决螺杆首端承磨面磨损严重这一问题, 现在大多采用喷焊钨钴合金, 焊条堆焊618或碳化钨, 或是采用局部渗硼处理和振动堆焊等方法对螺杆成型部位进行强化处理。如图1所示
。
压辊式成型机的基本工作部件由压辊和压模组成。其中压辊可以绕自己的轴转动。压辊的外周加工有齿或槽, 用于压紧原料而不致打滑。压模有圆盘或圆环形两种, 压模上加工有成型孔, 原料进入压辊和压模之间, 在压辊的作用下被压入成型孔内。从成型孔内压出的原料就变成圆柱形或棱柱形, 最后用切断刀切成颗粒状成型燃料。用压辊式成型机生产颗粒成型燃料一般不需要外部加热, 可根据原料状况添加少量粘结剂, 对原料的含水率要求较宽, 一般在10---40%下均能很好成型, 颗粒
2
成型燃料的密度为1. 0～1. 4t m 。
压辊式成型机主要用于大型木材加工厂木屑加工或造纸厂秸秆碎屑的加工。根据压模形状的不同, 此类成型机可分为平模成型机和环模成型机。结构简图如图3和图4
。
4. 2活塞冲压式成型机
活塞冲压式成型机的成型是靠活塞的往复运动实现的。按驱动力不同分为机械式和液压式两种。机械式冲压成型机是利用飞轮储存的能量. 通过曲柄连杆机构, 带动冲压活塞, 将松散的生物质冲压成生物质压块。液压式冲压成型机是利用液压油缸所提供的压力, 带动冲压活塞使生物质冲压成型。冲压式成型机通常用于生产实心燃料棒或燃料块, 所得的产品是压缩块其密度介于0. 8～1. 1t 其中液压式冲压成型机对原料的m 2之间。
含水率要求不高, 允许原料含水率高达20%左右。
活塞冲压式成型机通常不用电加热, 成型物密度稍低, 容易松散, 与螺旋挤压式成型机相比, 明显改善了成型部件磨损严重的问题, 但由于存在较大的振动负荷, 所以机器运行稳定性差, 噪音较大, 润滑油污染也较严重。如图2所示
。
4. 3压辊式颗粒成型机
5、生物质成型技术推广应用存在的问题及解决对策
我国自20世纪80年代引进生物质成型技术并开始研究开发, 目前已初具规模。但是, 在其推广应用中仍然存在着一系列问题。将其主要问题及解决对策归纳如下:
(1) 机组可靠性较差, 易损件使用寿命短, 维修和更换不便, 导致设备不能连续生产, 只能断续小量生产, 影响了产量和效益。因此, 应从原理和机理上进行突破, 研制和开发新构思、新结构的新一代生物质致密成型机。
(2) 生产能力偏低, 单位产品能耗过大。从提高生产率和降低能耗来看, 应加强颗粒成型燃料的研究与开发力度, 使其尽快进入市场。
(3) 对原料的粒度和含水率要求较高, 必须配套成具有粉碎、烘干、输送等功能的生产线, 才能较完善的解决这一问题, 由于生产线的投资费用较大, 一般企业和用户难以承受, 所以, 目前我国大部分致密成型企业设备配套不理想, 形成不了规模。因此, 要加强生物质成型技术的深入研究。
(4) 成型燃料的包装和燃烧设备不配套, 制约了商品化生产和成型燃料的推广应用。尤其是适合农户使用的燃烧方式及其装置急需解决。因此, 要加强生物质成型燃料燃烧理论和专用燃烧设备的研究。
(5) 成型设备适应范围小, 规范标准不统一。国内外众多研究机构相互独立. 还没有形成统一的理论体系, 成型机械(系统) 千差万别, 适用范围颇受局限。一是不同的成型机对原料的粒度和含水率要求不尽相同; 二是不同的成型设备适用的原料要求严格。因此, 要制定行业标准, 开发先进产品。(下转第75页)
(3) 基于时域信号的柱塞泵故障诊断
温度t , 输出层一个单元, 对应齿轮泵的容积效率, 将满足精度要求的四种状态(正常状态、齿面磨损状态、侧板磨损状态和气穴状态) 的试验数据(p , t ) 作为神经网络的训练样本对, 分别提供给网络进行学习训练, 得到齿轮泵四种状态的网络模型。进行故障诊断时, 将齿轮泵实测p 和t 提供给四种状态的网络模型, 分别进行回想, 得到不同的, 再与实际值比较, 可实现对不同故障模式的识别。
用容积效率作故障诊断参量, 可有效区别正常状态与侧板磨损状态和气穴状态。
(2) 基于谱分析的柱塞泵松靴故障诊断
柱塞泵发生松靴故障时, 泵壳体振动信号的能量必然增加, 在功率谱和最大熵谱图中都有表现。但功率谱的基频及各次谐频处的幅值随不同的测点和不同的压力工况而反映的程度不同, 因此很难用某一频率处的功率谱对松靴故障模式予以描述。熵谱分析也存在不确定性因素, 而利用人工神经网络对泵壳体振动信号的功率谱和最大熵谱进行再次处理, 可以实现对松靴故障的诊断。
(a ) 利用泵壳体振动信号的功率谱
首先测取正常状态和松靴状态下的泵壳体振动加速度信号的功率谱, 取对故障敏感的谐频处幅值的规一化值作为神经网络的输入值, 神经网络输入层节点数等于对故障敏感的谐频个数, 隐含层单元数根据经验选定, 输出层含一个节点, 用于输出诊断结果。把正常状态的输出期望值定为1, 望值定为0, 过训练数组的训练后, , 05, 。
(b ) 的最大熵谱, 从中得出能量的峰值频率f , 取0. 75f 、1. 00f 、1. 25f 几个频率处的熵谱规一化值作为网络的输入值, 输出层含一个节点, 用于输出诊断结果。网络的训练规则同上, 网络经训练后, 即可用于实测诊断。
从泵壳体振动信号、流量脉动信号和压力脉动信号的时域信息中提取五个特征参数, 组成最小诊断参数组合作为网络的输入层, 输出层为两个单元, 用其组合来表示四种状态:正常状态、滑屐磨损、球头松动、滑屐和耳轴磨损。时域信息的五个特征参数分别为:
第一组:峰值、峰峰值、均方根值、方差和波形系数; 第二组:波形因子、峰值因子、脉冲因子、裕度因子和峭度因子。
在每一种状态下, 分别提取特征参数值, 经数据处理后, 输入网络, 训练后, 即可用于实测诊断。
3、结论
人工神经网络作为一种故障模式识别的手段, 同样可以应用于液压泵的故障诊断中, 对于存在大量故障档案材料, 却又难于用模型或算法描述的故障诊断, 人工神经网络具有一定的优越性。
对于人工神经网络在液压泵故障诊断中的应用, 还需做很多的工作, 对于特征值的提取、网络结构和参数的设定、算法的选取、诊断阈值的设定, 。但是可以肯定, 1]. 神经网络方法在柱塞泵故障诊断中的应用。金属矿山, 1995(5)
[2]虞和济, 陈长征等. 基于神经网络的智能诊断, 冶金工
业出版社, 2000[3]麻健等. 基于神经网络的液压柱塞泵松靴故障诊断太原理工大学学报, 1998(6)
[4]张明霞. 基于神经网络的液压泵故障诊断系统的研究兰州理工大学硕士学位论文, 2005
(上接第73页) 使所有同类科研单位与生产企业应该联合起来, 取长补短, 抓住机遇, 共谋发展, 为使生物质成型技术早日产业化, 造福社会而共同努力[9]。
(6) 生物质能源产品价格要高于石化能源, 大多数人对生物质颗粒产品具有高能、环保、使用方便的特性认识不够, 甚至许多用能单位根本就不知道有生物质颗粒产品, 更谈不上认识和应用[10]。因此需要政府对生物质颗粒产品进行大力宣传及推广。
6、结语
基于我国生物质成型技术的研究现状及其在推广应用中存在的问题。我国政府应该给与更多的支持和相应的扶持政策。制定一定的开发利用生物质能的优惠政策并加强生物质能致密转换的科研攻关和产业化建设有目的、有选择地引进国外先进的工艺技术和主要设备, 在高起点上发展我国的生物质致密成型技术, 使生物质成型燃料可以真正成为化石燃料的替代品。
参考文献
[1]邱凌. 生物质致密成型研究进展[J ]. 能源技术, 1998(3) :57—61
[2]李美华, 俞国胜. 生物质燃料成型技术研究现状[J ]. 木材加工机械. 2005(2) :36—40
[3]盛奎川, 蒋成球, 钟建立. 生物质压缩成型燃料技术研究综述[J ]. 能源工程. 1996(3) :8—11
[4]刘圣勇, 陈开碇, 张百良. 国内外生物质成型燃料及燃烧设备研究与开发现状[J ]. 可再生能源. 2002, 104(4) :14—15
[5]吴创之, 马隆龙主编. 生物质能现代化利用技术[M ]. 北京:化学工业出版社, 2002
[6]袁振宏, 吴创之, 马隆龙等编著. 生物质能利用原理与技术[M ]. 北京:化学工业出版社, 2004
[7]何元斌. 生物质压缩成型燃料及成型技术(一) [J ]. 农村能源, 1995(5) :12—14
[8]郑戈, 杨世关, 孔书轩, 张百良. 生物质压缩成型技术的发展与分析[J ]. 河南农业大学学报. 1998, 32(4) :349—354
[9]张百良, 樊峰鸣, 李保谦, 张杰. 生物质成型燃料技术及产业化前景分析[J ]. 2005, 29(1) :111—115
[10]陈喜龙, 谭跃辉, 王义强, 严永林. 我国生物质颗粒燃料推广应用中存在的问题与发展对策[J ]. 可再生能源. 2005(1) :41—43
科技信息
高校理科研究
生物质压缩成型技术的研究
山东理工大学轻工与农业工程学院 周春梅 山东省科学院能源研究所 许 敏
山东理工大学轻工与农业工程学院 易维明
[摘 要]摘要:本文主要对生物质压缩成型技术的发展历史、研究现状、成型原理、成型工艺及相关设备进行了论述。总结了成型技术在推广应用中存在的主要问题, 并提出了相应的解决措施。[关键词]生物质能 压缩成型技术 成型原理 成型工艺 存在问题
0、引言
我国生物质能资源非常丰富, 但是, 作为一种散抛型低容重的能源存在形式, 生物质能源具有资源分散、能量密度低、容重小、储运不方便等缺点, 严重制约了生物质能的大规模应用。所以生物质高品位转换技术的研究便成为人们开发利用生物质能的重点。而近年来对生物质压缩成型技术的改进创新发展, 为高效利用农林废弃物、农作物秸秆等重新提供了一条途径。
生物质压缩成型就是将生物质废弃物, 用机械加压的方法, 使原来松散、无定形的原料压缩成具有一定形状、密度较大的固
[1]
体成型燃料。生物质在经过压缩成型之后, 其密度、强度和燃烧性能都有了本质的改善, 大大提高了生物质作为燃料的品质。可以在生活用能、饮食服务业, 如采暖、烧饭、烘烤食品等得到高效清洁应用。
1、生物质压缩成型技术的发展历史及研究现状
生物质压缩成型技术的研究始于20世纪初, 到目前为止, 世界上各个国家研究的重点还是集中在生物质压缩成型燃料的制造技术和相应燃烧设备的开发上[2]。
1. 1国外发展历史及研究现状
早在20世纪30年代, 并研制了螺旋式成型机在设备。日本于20, 发展, 研制出了棒状燃料成型机及相关的燃烧设备。2070年代后期, 由于出现世界能源危机, 石油价格上涨, 西欧许多国家如芬兰、比利时、法国、德国、意
[3]
大利等也开始重视压缩成型燃料技术的研究。当前, 日本、美国及欧洲一些国家生物质成型燃料燃烧设备已经定型, 形成了产业化, 在加热、供暖、干燥、发电等领域已经普遍推广应用[4]。亚洲除日本外, 泰国、印度、菲律宾等从20世纪80年代开始也都先后研制成了加粘结剂和不加粘结剂的生物质压缩成型机。
1. 2国内发展历史及研究现状
我国从20世纪80年代引进并开始致力于生物质压缩成型技术的研究。南京林化所在“七五”期间开展了对生物质压缩成型机的研制及对生物质成型理论的研究; 湖南省衡阳市粮食机械厂于1985年研制了第一台ZT -63型生物质压缩成型机; 江苏省连云港东海粮食机械厂与1986年引进了一台OBM -88棒状燃料成型机; 1990年前后, 陕西省武功县轻工机械厂, 河南工艺包装设备厂等单位先后研制和生产了几种不同规模的生物质成型机和碳化机组; 1994年湖南农大, 中国农机能源动力所分别研究出PB -1型、CYJ -35型机械冲压式成型机; 1997年河南农业大学又研制出H PB -1型液压驱动活塞式成型机; 2002年中南林学院也研制了相应设备。目前我国成型机的生产和应用已形成了一定的规模, 热点主要集中在螺旋挤压成型机上, 但是, 仍然存在着诸如成型筒及螺旋轴磨损严重、寿命较短、电耗大等问题, 因此, 有待于进一步深入研究。
2、生物质成型机理
植物细胞中除含有纤维素、半纤维素外, 还含有木质素(木素) 。木素是具有芳香族特性的结构单体, 是由苯基丙烷单元构成的三维空间聚合物。木素属非晶体, 没有熔点但有软化点。当温度为70～110℃时软化具有黏性, 当温度达到200～300℃时
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成熔融状, 黏性高。此时加以一定的压力就可使其与纤维素紧密粘接并与相邻颗粒互相胶接, 冷却后即可固化成型。生物质压缩成型燃料就是利用这种特性, 用压缩成型机将松散的秸秆在一定的温度、压力条件下, 使木素软化, 经挤压成型而得到的具有一定形状的新型燃料。
3、生物质压缩成型工艺
生物质压缩成型在加工方式上可分为冷压成型与热压成型, 干态成型与湿压成型, 以及加粘结剂或不加粘结剂。根据主要工艺特征的差别, 可将这些工艺从广义上分为常温湿压成型、热压成型和碳化成型和冷压态成型。
3. 1常温湿压成型工艺
常温湿压成型工艺常用于含水量较高的原料[6]。纤维类原料经一定程度的腐化后, 会损失一定能量, 但是其挤压、加压性能会有明显改善。纤维类原料在常温下, 浸泡数日水解处理后, 其压缩成型特性明显改善, 纤维变得柔软、湿润皱裂并部分降解, 易于压缩成型。利用简单的模具, 将部分降解后的农林废弃物中的水分挤出, 。这一技术在泰国、, 所生产的成型燃料块 , 在燃料市场上具有[7]
。
, 容易操作, 但是成型部件, , 多数产品燃烧性能较差。
3. 2热压成型工艺
热压成型工艺是目前普遍采用的生物质压缩成型工艺。其工艺流程为:
原料粉碎——干燥混合——挤压成型——冷却包装。热压成型技术发展到今天, 已有各种各样的成型工艺问世, 总的看来可以根据原料被加热的部位不同, 将其划分为两类:一类是原料只在成型部位被加热, 称为“非预热热压成型工艺”; 另一类是原料在进入压缩机构之前和在成型部位被分别加热, 称为“预热热压成型工艺”。两种工艺的不同之处在于预热热压成型工艺在原料进入成型机之前对其进行了预热处理, 这样降低了成型所需压力, 从而大幅度提高了成型部件的使用寿命, 显著降低了单位能耗[8]。
3. 3炭化成型工艺
根据工艺流程不同, 炭化成型工艺又可分为两类, 一类是先成型后炭化; 一类是先炭化后成型。
(1) 先成型后炭化工艺
工艺流程为:原料——粉碎干燥——成型——炭化——冷却包装。
先用压缩成型机将松散碎细的植物废料压缩成具有一定密度和形状的燃料棒, 然后, 用炭化炉将燃料棒炭化成木炭。
(2) 先炭化后成型工艺工艺流程为:
原料——粉碎除杂——炭化——混合粘结剂——挤压成型——成品干燥, 包装。
先将生物质原料炭化成粉粒状木炭, 然后再添加一定量的粘结剂, 用压缩成型机挤压成一定规格和形状的成品木炭。
由于原料纤维结构在碳化过程中受到破坏, 高分子组份受热裂解转换成炭并释放出挥发份, 使其挤压成型特性得到改善, 成型部件的机械磨损和挤压过程中的能量消耗降低。但是, 炭化后的原料在挤压成型后维持既定形状的能力较差, 贮运和使用时容易开裂和破碎, 所以压缩成型时一般要加入一定量的粘结剂。如果在成型过程中不使用粘结剂, 要保证成型块的贮存和使用性能, 则需要较高的成型压力, 这将明显提高成型机的造价。
3. 4冷压成型工艺
生物质冷压成型工艺即在常温下将生物质颗粒高压挤压成
型的过程。其粘接力主要是靠挤压过程所产生的热量, 使得生物质中木质素产生塑化粘接。
冷压成型工艺一般需要很大的成型压力, 为了降低成型压力, 可在成型过程中加入一定的粘结剂。如果粘结剂选择不合理, 会对成型燃料的特性有所影响, 因此在冷压成型工艺中, 粘结剂的选择是致关重要的。
4、生物质压缩成型设备
目前, 国内外最常见的成型设备是螺旋挤压式成型机、活塞冲压式成型机和压辊式颗粒成型机。在我国, 最常用的是螺旋挤压式成型, 活塞冲压式成型和压辊式成型也有人研究, 但多处于研究开发阶段。
4. 1螺旋挤压式成型机
螺旋挤压式成型机利用螺杆挤压生物质, 靠外部加热, 维持成型温度为150～300℃使木质素、纤维素等软化, 挤压成生物质压块。为避免成型过程中原料水份的快速汽化造成成型块的开裂和“放炮”现象发生, 一般将原料的含水率控制在8～12%之间, 成型压力的大小随原料和所要求成型块密度的不同而异, 一般在4900～12740Pa 之间, 成型燃料形状通常为直径50～60mm 的空心燃料棒。
螺旋挤压式成型机开发应用最早, 当前应用最为普遍。这类成型机运行平稳、生产连续性好, 主要问题是螺杆磨损严重、使用寿命短以及单位产品能耗高。为了解决螺杆首端承磨面磨损严重这一问题, 现在大多采用喷焊钨钴合金, 焊条堆焊618或碳化钨, 或是采用局部渗硼处理和振动堆焊等方法对螺杆成型部位进行强化处理。如图1所示
。
压辊式成型机的基本工作部件由压辊和压模组成。其中压辊可以绕自己的轴转动。压辊的外周加工有齿或槽, 用于压紧原料而不致打滑。压模有圆盘或圆环形两种, 压模上加工有成型孔, 原料进入压辊和压模之间, 在压辊的作用下被压入成型孔内。从成型孔内压出的原料就变成圆柱形或棱柱形, 最后用切断刀切成颗粒状成型燃料。用压辊式成型机生产颗粒成型燃料一般不需要外部加热, 可根据原料状况添加少量粘结剂, 对原料的含水率要求较宽, 一般在10---40%下均能很好成型, 颗粒
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成型燃料的密度为1. 0～1. 4t m 。
压辊式成型机主要用于大型木材加工厂木屑加工或造纸厂秸秆碎屑的加工。根据压模形状的不同, 此类成型机可分为平模成型机和环模成型机。结构简图如图3和图4
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4. 2活塞冲压式成型机
活塞冲压式成型机的成型是靠活塞的往复运动实现的。按驱动力不同分为机械式和液压式两种。机械式冲压成型机是利用飞轮储存的能量. 通过曲柄连杆机构, 带动冲压活塞, 将松散的生物质冲压成生物质压块。液压式冲压成型机是利用液压油缸所提供的压力, 带动冲压活塞使生物质冲压成型。冲压式成型机通常用于生产实心燃料棒或燃料块, 所得的产品是压缩块其密度介于0. 8～1. 1t 其中液压式冲压成型机对原料的m 2之间。
含水率要求不高, 允许原料含水率高达20%左右。
活塞冲压式成型机通常不用电加热, 成型物密度稍低, 容易松散, 与螺旋挤压式成型机相比, 明显改善了成型部件磨损严重的问题, 但由于存在较大的振动负荷, 所以机器运行稳定性差, 噪音较大, 润滑油污染也较严重。如图2所示
。
4. 3压辊式颗粒成型机
5、生物质成型技术推广应用存在的问题及解决对策
我国自20世纪80年代引进生物质成型技术并开始研究开发, 目前已初具规模。但是, 在其推广应用中仍然存在着一系列问题。将其主要问题及解决对策归纳如下:
(1) 机组可靠性较差, 易损件使用寿命短, 维修和更换不便, 导致设备不能连续生产, 只能断续小量生产, 影响了产量和效益。因此, 应从原理和机理上进行突破, 研制和开发新构思、新结构的新一代生物质致密成型机。
(2) 生产能力偏低, 单位产品能耗过大。从提高生产率和降低能耗来看, 应加强颗粒成型燃料的研究与开发力度, 使其尽快进入市场。
(3) 对原料的粒度和含水率要求较高, 必须配套成具有粉碎、烘干、输送等功能的生产线, 才能较完善的解决这一问题, 由于生产线的投资费用较大, 一般企业和用户难以承受, 所以, 目前我国大部分致密成型企业设备配套不理想, 形成不了规模。因此, 要加强生物质成型技术的深入研究。
(4) 成型燃料的包装和燃烧设备不配套, 制约了商品化生产和成型燃料的推广应用。尤其是适合农户使用的燃烧方式及其装置急需解决。因此, 要加强生物质成型燃料燃烧理论和专用燃烧设备的研究。
(5) 成型设备适应范围小, 规范标准不统一。国内外众多研究机构相互独立. 还没有形成统一的理论体系, 成型机械(系统) 千差万别, 适用范围颇受局限。一是不同的成型机对原料的粒度和含水率要求不尽相同; 二是不同的成型设备适用的原料要求严格。因此, 要制定行业标准, 开发先进产品。(下转第75页)
(3) 基于时域信号的柱塞泵故障诊断
温度t , 输出层一个单元, 对应齿轮泵的容积效率, 将满足精度要求的四种状态(正常状态、齿面磨损状态、侧板磨损状态和气穴状态) 的试验数据(p , t ) 作为神经网络的训练样本对, 分别提供给网络进行学习训练, 得到齿轮泵四种状态的网络模型。进行故障诊断时, 将齿轮泵实测p 和t 提供给四种状态的网络模型, 分别进行回想, 得到不同的, 再与实际值比较, 可实现对不同故障模式的识别。
用容积效率作故障诊断参量, 可有效区别正常状态与侧板磨损状态和气穴状态。
(2) 基于谱分析的柱塞泵松靴故障诊断
柱塞泵发生松靴故障时, 泵壳体振动信号的能量必然增加, 在功率谱和最大熵谱图中都有表现。但功率谱的基频及各次谐频处的幅值随不同的测点和不同的压力工况而反映的程度不同, 因此很难用某一频率处的功率谱对松靴故障模式予以描述。熵谱分析也存在不确定性因素, 而利用人工神经网络对泵壳体振动信号的功率谱和最大熵谱进行再次处理, 可以实现对松靴故障的诊断。
(a ) 利用泵壳体振动信号的功率谱
首先测取正常状态和松靴状态下的泵壳体振动加速度信号的功率谱, 取对故障敏感的谐频处幅值的规一化值作为神经网络的输入值, 神经网络输入层节点数等于对故障敏感的谐频个数, 隐含层单元数根据经验选定, 输出层含一个节点, 用于输出诊断结果。把正常状态的输出期望值定为1, 望值定为0, 过训练数组的训练后, , 05, 。
(b ) 的最大熵谱, 从中得出能量的峰值频率f , 取0. 75f 、1. 00f 、1. 25f 几个频率处的熵谱规一化值作为网络的输入值, 输出层含一个节点, 用于输出诊断结果。网络的训练规则同上, 网络经训练后, 即可用于实测诊断。
从泵壳体振动信号、流量脉动信号和压力脉动信号的时域信息中提取五个特征参数, 组成最小诊断参数组合作为网络的输入层, 输出层为两个单元, 用其组合来表示四种状态:正常状态、滑屐磨损、球头松动、滑屐和耳轴磨损。时域信息的五个特征参数分别为:
第一组:峰值、峰峰值、均方根值、方差和波形系数; 第二组:波形因子、峰值因子、脉冲因子、裕度因子和峭度因子。
在每一种状态下, 分别提取特征参数值, 经数据处理后, 输入网络, 训练后, 即可用于实测诊断。
3、结论
人工神经网络作为一种故障模式识别的手段, 同样可以应用于液压泵的故障诊断中, 对于存在大量故障档案材料, 却又难于用模型或算法描述的故障诊断, 人工神经网络具有一定的优越性。
对于人工神经网络在液压泵故障诊断中的应用, 还需做很多的工作, 对于特征值的提取、网络结构和参数的设定、算法的选取、诊断阈值的设定, 。但是可以肯定, 1]. 神经网络方法在柱塞泵故障诊断中的应用。金属矿山, 1995(5)
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业出版社, 2000[3]麻健等. 基于神经网络的液压柱塞泵松靴故障诊断太原理工大学学报, 1998(6)
[4]张明霞. 基于神经网络的液压泵故障诊断系统的研究兰州理工大学硕士学位论文, 2005
(上接第73页) 使所有同类科研单位与生产企业应该联合起来, 取长补短, 抓住机遇, 共谋发展, 为使生物质成型技术早日产业化, 造福社会而共同努力[9]。
(6) 生物质能源产品价格要高于石化能源, 大多数人对生物质颗粒产品具有高能、环保、使用方便的特性认识不够, 甚至许多用能单位根本就不知道有生物质颗粒产品, 更谈不上认识和应用[10]。因此需要政府对生物质颗粒产品进行大力宣传及推广。
6、结语
基于我国生物质成型技术的研究现状及其在推广应用中存在的问题。我国政府应该给与更多的支持和相应的扶持政策。制定一定的开发利用生物质能的优惠政策并加强生物质能致密转换的科研攻关和产业化建设有目的、有选择地引进国外先进的工艺技术和主要设备, 在高起点上发展我国的生物质致密成型技术, 使生物质成型燃料可以真正成为化石燃料的替代品。
参考文献
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