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生物质成型燃料设备的模块化设计与陶瓷耐磨材料的应用

作　者: 赵兴涛
导　师: 张百良
学　校: 河南农业大学
专　业: 农业生物环境与能源工程
关键词: 生物质生物质成型机快速磨损耐磨材料陶瓷
分类号: TK6
类　型: 博士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

在化石能源日渐匮乏、能源形势日益紧张的今天，人类寻找替代或辅助能源并提高能源利用效率的要求显得愈加迫切。我国是一个农业大国，有丰富的农业生物质资源，生物质能源以其数量巨大，可再生、再转换、可运输、可储存的特点，是目前最具有发展前景的可再生新能源之一。生物质成型燃料是以农林剩余物为原料，挤压成型后的形成的一种洁净低碳的生物质可再生能源，由于能量密度高、燃烧特性好、燃烧后对环境危害小等优势而被广泛关注。我国在70年代末引进挤压型生物质成型机，早期技术发展和产品研究较为缓慢。到20世纪未，随着国际油价的高涨以及我国能源需要的急剧攀升，生物质能源得到飞速发展。近年来随着国家不继制订和出台拉动生物质成型燃料发展的政策，生物质成型燃料产业也在不断发展壮大。但生物质成型燃料在发展过程中也遇到一些瓶颈和障碍，由于生物质秸秆内含有较高的Si、Ca、Cl、K、Mg等矿质元素，以及在秸秆收集过程中带入的许多泥沙（SiO2），造成了在生物质挤压成型过程中对生物质成型设备的快速磨损，致使目前生产成型设备平均使用修复周期不超过300h，个别生产厂家采用45号钢不做任何热处理，其使用时间甚至不超过50h。生物质成型设备的快速磨损问题已成为制约其发展的一个瓶颈。围绕上述问题，本文主要做了如下研究和工作：1.对生物质成型设备的磨损机理进行了理论分析和研究；2.在理论分析的基础上，对活塞冲压式和平模式生物质成型设备进行了模块化设计；3.对适用于生物质成型设备上的耐磨材料进行了选择分析与研究；4.将耐磨材料应用于模块化设计的生物质成型设备，并进行了试验研究。通过上述研究与实验，取得如下研究成果：1.通过对生物质成型设备的磨损及受力分析可知，生物质成型设备的磨损主要属于磨料磨损，受微观切削机理控制。通过设备运行参数的改变，可以有效减小磨损。对于螺旋挤压式成型设备，减小螺旋杆的旋转速度能有效地减少磨损，对于模压式成型设备，同样也可以有效地减少磨损。2.对成型设备模块化设计，是解决磨损问题的重要方法之一。将成型机分做若干个功能化模块，对于易损部件模块采用统一标准，可以极大地提高成型设备的可维护性，延长整体设备的生产使用寿命。3.非金属材料应用是解决磨损问题的重要选择，陶瓷材料是以离子键、共价键为主的结合键，使得其具有高熔点、高硬度、低摩擦系数等许多有利于防止磨损的性能。4.通过陶瓷耐磨材料在生物质成型设备上的应用实验，证明氧化铝陶瓷耐磨材料在生物质成型设备上的应用是成功的。尽管氧化铝陶瓷管在生物质成型过程中，出现了裂纹和部分碎裂现象，但并没有破坏其自身完整性以及成型效果，用氧化铝陶瓷作为生物质成型设备的主要磨损部件材料，可以大大延长生物质成型设备的维修使用周期，具有积极的经济价值。

全文目录

致谢  4-5
摘要  5-7
Abstract  7-13
1 绪论  13-35
  1.1 生物质能源及发展  13-14
  1.2 我国生物质资源状况  14-16
    1.2.1 农业生物质资源  14-15
    1.2.2 林业生物质资源  15-16
  1.3 生物质成型燃料的发展状况  16-20
    1.3.1 生物质成型燃料  16-17
    1.3.2 国外生物质成型燃料的发展  17-18
    1.3.3 国内生物质成型燃料的发展状况  18-20
  1.4 生物质成型理论  20-24
    1.4.1 生物质成型基本条件  20-21
    1.4.2 生物质成型机理  21-22
    1.4.3 生物质成型工艺  22
    1.4.4 影响生物质成型燃料的主要因素  22-24
  1.5 生物质成型设备发展状况  24-32
    1.5.1 生物质成型设备的发展历程  24-27
    1.5.2 现有生物质成型设备类型  27-32
  1.6 生物质成型燃料发展中存在的主要问题  32-34
  1.7 本文主要研究内容和及路线  34-35
    1.7.1 本文的具体研究内容  34
    1.7.2 研究路线图  34-35
2 生物质成型设备磨损机理研究  35-53
  2.1 磨损  35-38
    2.1.1 磨损的概念  35
    2.1.2 磨损分类  35-36
    2.1.3 磨损影响因素  36-38
      2.1.3.1 材料性能的影响  37
      2.1.3.2 磨料性能的影响  37
      2.1.3.3 工作条件的影响  37-38
  2.2 生物质成型设备磨损状况  38-40
  2.3 生物质成型设备磨损机理研究  40-51
    2.3.1 生物质成型设备磨损机理  40-41
    2.3.2 螺旋挤压式生物质成型设备磨损分析  41-43
    2.3.3 活塞冲压式生物质成型设备磨损分析  43-44
    2.3.4 平模式生物质成型设备磨损分析  44-51
      2.3.4.1 模盘及压辊磨损分析  44-48
      2.3.4.2 成型收缩管受力分析  48-51
  2.4 本章小结  51-53
3 生物质成型机的模块化设计  53-74
  3.1 模块化设计  53
  3.2 生物质固化成型设备模块化设计的背景  53-55
  3.3 活塞冲压式生物质成型设备的模块化设计  55-59
    3.3.1 设计方案路线  55
    3.3.2 设计方案示意图  55-59
  3.4 平模式生物质成型设备模块化设计  59-72
    3.4.1 设计方案一  59-63
      3.4.1.1 方案设计路线  59-60
      3.4.1.2 设计示意图  60-63
    3.4.2 设计方案二  63-67
      3.4.2.1 方案设计路线  63-64
      3.4.2.2 设计示意图  64-67
    3.4.3 两设计方案优缺点比较  67
    3.4.4 方案二细化设计  67-72
      3.4.4.1 主要设计参数  67-68
      3.4.4.2 成型机模盘系统设计  68
      3.4.4.3 成型机压辊系统设计  68-69
      3.4.4.4 其余主要部件设计  69-70
      3.4.4.5 成型机整体示意图及样机图片  70-72
  3.5 本章小结  72-74
4 耐磨材料的分析与研究  74-91
  4.1 耐磨材料  74-75
  4.2 金属耐磨材料的分析与研究  75-79
    4.2.1 金属的表面强化技术  75-77
      4.2.1.1 表面热处理  75-76
      4.2.1.2 化学热处理  76-77
    4.2.2 金属耐磨材料  77-79
  4.3 陶瓷耐磨材料的分析与研究  79-86
    4.3.1 陶瓷的概念与分类  79-80
    4.3.2 陶瓷材料的结合键：  80-82
      4.3.2.1 离子键与离子晶体  80-81
      4.3.2.2 共价键与共价晶体  81
      4.3.2.3 分子键与分子晶体  81
      4.3.2.4 金属键  81-82
      4.3.2.5 陶瓷材料的结合键  82
    4.3.3 常用陶瓷耐磨材料  82-86
      4.3.3.1 氧化物陶瓷材料  83-84
      4.3.3.2 氮化物陶瓷材料  84
      4.3.3.3 碳化物陶瓷材料  84-85
      4.3.3.4 金属陶瓷  85-86
  4.4 氧化铝耐磨材料  86-90
    4.4.1 氧化铝的主要晶型  86-87
    4.4.2 氧化铝陶瓷的分类  87
    4.4.3 加工工艺  87-89
    4.3.4 氧化铝陶瓷的选用  89-90
  4.5 本章小结  90-91
5 氧化铝陶瓷耐磨材料在模块化设计的生物质成型设备中的应用  91-109
  5.1 氧化铝陶瓷耐磨材料在活塞冲压式生物质成型设备上的应用  91-97
    5.1.1 实验目的  91
    5.1.2 实验设备  91-93
    5.1.3 实验原料  93
    5.1.4 实验数据  93-94
    5.1.5 数据分析  94-95
    5.1.6 实验图片  95-97
    5.1.7 实验结论  97
  5.2 氧化铝陶瓷耐磨材料在平模式生物质成型设备上的应用一  97-104
    5.2.1 实验目的  97
    5.2.2 实验设备  97-99
    5.2.3 实验原料  99
    5.2.4 实验数据及资料  99-103
      5.2.4.1 第一次实验  99-101
      5.2.4.2 第二次实验  101-103
    5.2.5 绵阳实验的设备照片  103-104
    5.2.6 实验结论  104
  5.3 氧化铝陶瓷耐磨材料在平模式生物质成型设备上的应用二  104-108
    5.3.1 实验目的  104-105
    5.3.2 实验设备  105-106
    4.3.3 实验原料  106
    5.3.4 实验参数及数据  106
    4.3.5 实验照片  106-108
    5.3.6 实验结论  108
  5.4 本章小结  108-109
6 模块化设计的技术经济分析  109-114
  6.1 计算方法  109
  6.2 成本与收益  109-111
  6.3 经济效益分析  111-113
  6.4 本章小结  113-114
7 结论与展望  114-116
  7.1 结论  114
  7.2 创新点  114-115
  7.3 展望  115-116
参考文献  116-121
在读博士期间主要研究工作和发表论文  121

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