摘要
能源和环境问题已成为全球关注的焦点。随着能源消耗的迅速增长，传统化石燃料的大量使用给人类带来了两个突出的问题：一方面是矿物质资源渐趋枯竭；另一方面是日益严重的环境问题。生物质能作为一种可再生能源，它具有可再生、污染小、无公害等优点，是传统化石能源很好的替代品。大力开发利用生物质能等可再生能源，对环境保护、促进国家经济发展和建立可持续发展的能源系统具有重大意义。
本文主要对生物质秸秆致密成型技术进行了研究，为秸秆高效利用提供了技术支持。本文设计分析了环模式
秸秆压块机的结构，针对其特点，提出了影响环模式成型机工作效率的几项主要技术参数，如主电机功率、环模长径比、颗粒机环模的开孔率以及压轮和环模的工作间隙等。
应用有限元软件ANSYS，本文建立秸秆压缩模型，模拟了生物质秸秆的压缩成型过程，分析得到了生物质秸秆压缩过程的应力应变规律、内部位移规律以及摩擦应力分布，为生物质秸秆压缩成型机的研发和改进提供了必要的理论依据。
以玉米秸秆为原料，通过试验，本文研究了原料含水率、成型工作压力和原料尺寸对致密成型的影响，确定了玉米秸秆压缩成型的最佳工作条件。
综上，本文通过对生物质秸秆成型机理的研究，为生物质致密成型设备的设计、工艺参数优化以及结构改进等提供重要的理论基础。
关键词生物质；环模；压块机；致密成型；有限元分析
第1章绪论
1.1 生物质能利用的意义
能源和环境问题已成为全球关注的焦点。人类社会经济的发展以能源为重要动力，经济发展越快，能源消耗越多。石油、煤炭和天然气至今仍然是人类使用的主要能源，但是随着能源消耗的急剧增长，传统化石燃料的大量使用给我们人类带来了两个突出的问题：一是矿物质资源渐趋枯竭。据世界能源组织不完全统计，全球可开采的煤炭储量使用200年估计就要枯竭了，天然气储量虽然也挺多，但预计最多能再使用60年，目前石油的消耗量最大，可采石油预计可使用30～40年，石油市场价格也飞速增长；另一个是化石能源的大量使用引起的日益严重的环境问题。
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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种类 |
消耗比例 |
可使用年限 |
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石油 |
32.0% |
40年 |
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天然气 |
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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合计 |
78.0% |
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由于过度消费化石燃料，导致排放了大量的有害气体，如果不及时遏制，将造成灾难性后果，例如全球气候变暖、海平面上升、酸雨等。如果不开发出新的可再生、清洁能源，继续大量使用石化能源，能源危机和环境危机在不久的将来必将越来越严重。可再生能源将是人类社会未来能源的基石，在不久的将来能很好的替代常规化石能源，生物质能是可再生能源的重要组成部分，具有清洁、储存量大和无污染等优点，所以发展生物质能势在必行。
近年来，各个国家都在致力于开发高效、无污染的新能源，生物质能就是其中之一。有关专家预测，生物质能源将成为未来能源的重要组成部分，到2015~2020年，全球总能量消耗将有40%来自生物质能源。
生物质是地球上一个巨大的可再生能源库，能储量大。它具有可再生性、燃烧容易和污染小等特点，它光合作用吸收的C02量和燃烧释放的C02量相当，可认为二氧化碳为零排放，甚至有所减少，这是煤、石油、天然气等常规能源无法比拟的。生物质能，又称为绿色能源，是一种古老的可再生能源。太阳能照射到地球后，一部分直接排放出去，转化为热能，一部分被植物吸收i转化为生物质能。太阳能转化为热能的时候，能量密度较低，不容易收集，人类只能利用少量；生物质通过光合作用，能够吸收大量的太阳能并且收集起来，储存在有机物中，这些能量是人类进一步发展所需能源的基础和源泉。生物质能这一独特的形成过程，既不同于常规的矿物能源，又不同于其它能源，但兼有两者的特点和优势，是我们最主要的可再生能源之一。
生物质能可以直接转换生产含碳燃料，石油和煤都是生物质在地下经过很长时间转换而来的。在可能替代石化燃料的能源中，由于它有着和矿物燃料相似性很大的特性和利用方式，所以我们可以通过生物质致密成型技术和生物质气化技术等不同技术开发利用生物质能。将它转换制造成为高热值、污染小的高品位的成型燃料，在日常生活中代替煤和天然气，一定程度缓解煤和天然气紧张的局面。
1.2我国生物质能源现状
我国作为农业大国，生物质资源十分丰富，因此，生物质能源将会成为一种发展前景非常可观的替代能源。作为一个生物质能源大国，我国可利用生物质资源量理论上为为50亿吨左右，目前，我国的总能耗仅是它的四分之一左右。主要来源于林业废弃物，如树枝、锯末、刨花废木材等；农业废弃物，如玉米秸秆、棉花秸秆、稻壳等；工业废弃物，如酿酒厂、食品厂、造纸厂等的废料：城市生活垃圾；有机废水，城市污水、工业有机废水等。
目前，可供利用开发的生物质资源主要包括农作物秸秆、畜禽粪便、树木枝丫、城市生活污水、工业有机废水和生活垃圾等。据不完全统计，2004年我国的生物质资源量约为，畜粪约39.2亿吨；树木枝丫等林木生物质约21.8亿吨；各类秸秆约7.3亿吨；废水量为483.5亿吨；城市生活垃圾约1.55亿吨。总的蕴藏潜力量为10.29×10
19J，可获得量为1.35×10
19J。据统计，我国2010年生物质能获得量为2.58×10
19J。
我国可利用的五种主要生物质资源比例如图1-1所示：
由图1-1可知，我国可利用的农作物秸秆在生物质资源中占据很重要的地位，其开发利用的潜力非常大。据统计，到2007年底我国各种农作物秸秆产量如表1-2所示。由表1-2可知，玉米秸秆是产量最高的生物质能源。
表1-2 2007年我国各种农作物秸秆产量
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农作物秸秆种类 |
产量（万吨） |
折合标煤/（万吨） |
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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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其他杂粮 |
2065.48 |
1032.74 |
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棉花 |
1770.20 |
961.22 |
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薯类 |
2018.45 |
980.98 |
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油料 |
5569.75 |
2946.40 |
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豆类 |
2993.62 |
3318 |
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甘蔗 |
809.57 |
357.02 |
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合计 |
74505.66 |
39025.75 |
1.3生物质致密成型技术的重要性
中国是一个人口大国，也是消费大国，由于工业的迅速发展我国的能源需求不断的增长，普通的化石能源消耗量加剧造成了环境污染问题。所以我国不仅在经济增长方面面临压力，而且在环境方面也面临着严峻的考验。为了缓解能源紧张和大量使用化石能源造成的环境污染问题，开发和利用新能源和可再生能源很有必要，而且能够改善以煤、石油为主的能源结构，对我国经济的可持续发展有重大意义，是发展生物质能源的大好机遇和挑战。因此，大力开发利用生物质能等可再生能源，对环境保护、促进国家经济发展和建立可持续发展的能源系统具有重大意义。
生物质能由于能量密度较低和具有分散性，高效利用和规模利用都比较困难，这是导致目前生物质能不能转化为商品能源的主要原因。在生物质原料处理技术中，压缩致密成型技术是最重要的技术之一。生物质致密成型技术是将各类松散的生物质秸秆用机械加压的方法，使原来密度小、没有固定形状、质地松散的原料压缩成密度较大的、具有一定形状的成型燃料，生物质秸秆致密成型技术目前是国内外利用生物质能比较普遍的技术之一。
生物质秸秆的压缩致密成型，相对原料成型密度大幅提高，将生物质本身原有的密度从40～200kg/m3增大到成型的600～800kg/m3，甚至更高，从而可以满足不同地区和国家所要求的密度值，有利于推广和使用。方便储存和运输，成型燃烧特性与煤接近，可完全代替日常生活中的液化气、煤等常规能源，在工业上可代替煤用于工业锅炉、生物质发电厂等。
综上所述，无论是从环境保护，还是从解决能源短缺问题出发，大力发展生物质致密成型技术研究，具有极大的现实意义。
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颗粒机、秸秆压块机、
木屑颗粒机等生物质燃料饲料成型机械设备，同时我们也有大量的生物质颗粒燃料。
