玉米秸秆主要组分的气流分离及模压成型流变特性研究

【摘要】：我国年产各类农作物秸秆约7亿吨,其中玉米秸秆约占1/3左右,但其工业化利用比例较低,秸秆各组分理化特性差异大是利用的难点之一。若能将玉米秸秆叶、外皮和髓进行分离,分别作为不同原料加以利用,不仅能显著提高原料的品质与价值,也有利于实现其工业化利用,从而推动玉米秸秆的资源化利用进程。论文在对秸秆主要组分基本特性、分离特性和压缩特性研究的基础上,对玉米秸秆主要组分的气流分离及模压成型流变特性进行了系统深入的研究,主要研究内容及结论如下: (1)对秸秆主要组分的构成及基本特性进行了研究,得到了秸秆主要组分的质量分数和体积分数、外皮厚度、密度、纤维形态等基本特性参数及变化规律。主要组分质量分数为:叶40.2%、茎秆48.9%、其它10.9%;茎秆中外皮和髓的质量比为2.29,体积比为0.33。外皮含量随茎秆直径加大略有增加,髓含量则相应减小。主要组分中,外皮纤维形态较好,其它明显较差。这为主要组分的分离利用提供了基础数据。 (2)对茎秆碎料的粉碎特性和压缩特性进行了试验。得到了不同筛孔粉碎原料的粒度分布、组分质量分数、堆积密度及变化规律。提出了以组分质量分布指数评价粉碎物料主要组分的粒度分布状况,该指数反映了粒度分布对组分分离的影响。分析表明粒度较大的碎料有利于组分分离。对髓碎料的压缩试验表明,其压缩特点为初始压缩阶段较长,而中间阶段拐点对应的应力值低(1.2MPa)。该特性适宜进行大深度比的异形面产品模压。 (3)对茎秆碎料的空气动力学特性进行了试验研究,制作了不同组分和不同规格的试样,测定并分析了其悬浮速度分布范围及相互之间的关系。在试验范围内,外皮悬浮速度分布范围为1.60～3.22 m/s;髓为0.65～2.75 m/s,叶为0.75～1.25 m/s,不同粒度的悬浮速度的相互交叉是气流分离的主要障碍。据此,提出了临界分离粒度和临界悬浮速度,并分析得出了外皮不同最小粒度对应的轻组分分离动力曲线,为秸秆碎料的气流分离提供了理论依据。 (4)分别研制了茎秆碎料水平和垂直气流分离的试验装置,并进行了可行性试验。水平气流分离试验表明,分离物料由外皮碎料区、混合区和髓碎料区组成,但混合区范围较宽,分离率难以达到生产要求。垂直气流分离能大幅度提高原料的分净率和分离率,并实现了髓物料与外皮物料分别排出,表明该方法对茎秆碎料具有较好的适应性。 (5)研制了垂直气流分离系统,并采用二次正交旋转设计进行了分离试验研究。优化得到各因素的较佳组合为风速0.85m/s、进料量14kg/min、进料位置0.75m;其分离效果为外皮分净率99.21%,髓分净率99.13%,外皮分离率98.45%,髓分离率98.67%。试验结果表明,该系统设计合理,工作稳定可靠,分离效果优异。这为秸秆主要组分的分离提供了一种稳定可靠的工业化分离方法与设备。 (6)采用模拟试验和产品模压试验的方法,对秸秆碎料典型异形面模压流变特性进行了研究,阐明了凹向成型和凸向成型模压流变特性及主要因素的影响。针对异形面模压物料充填不均匀问题,提出了一种可变下平面的模压方法,并对其进行了试验研究,弄清了其模压流变特性。研究表明该方法能显著改善异形面模压时物料充填的均匀性。 (7)提出采用物料充填均匀性系数评价物料充填均匀程度,在此基础上对主要模压参数对物料充填均匀性的影响进行了较为深入的分析。建立了充填平面高度和模压倾角与充填均匀性系数之间的关系,发现模压倾角与斜面物料充填均匀性系数的关系符合secα曲线,当模压倾角大于70°时充填状况将迅速恶化。该关系为揭示模压倾角对模压过程的影响提供了重要的理论依据。 【关键词】：玉米秸秆 主要组分 基本特性 气流分离 模压流变特性
【学位授予单位】：西北农林科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2011
【分类号】：S513
【目录】：

• 摘要6-8
• ABSTRACT8-14
• 第一章 绪论14-28
• 1.1 秸秆资源高效利用的意义14-15
• 1.1.1 秸秆资源丰富14
• 1.1.2 可持续发展和低碳经济的需要14-15
• 1.2 秸秆资源利用现状及主要问题15-18
• 1.2.1 秸秆资源利用现状15-17
• 1.2.2 主要问题17-18
• 1.3 秸秆基本特性、分离及模压成型特性的研究现状18-26
• 1.3.1 秸秆材料特性18-19
• 1.3.2 混合物料分离19-23
• 1.3.3 模压成型特性23-26
• 1.4 研究目标与内容26-28
• 1.4.1 研究目标26
• 1.4.2 研究内容26-28
• 第二章 秸秆主要组分构成及特性28-41
• 2.1 试验材料28
• 2.2 试验方法28-30
• 2.2.1 主要组分质量分数及特性28-29
• 2.2.2 秸秆外皮厚度及其分布29-30
• 2.2.3 主要组分纤维形态及分布30
• 2.3 试验设备30
• 2.4 试验结果及分析30-39
• 2.4.1 玉米秸秆主要组分构成及特点30
• 2.4.2 主要组分的含量、密度及分布特性30-33
• 2.4.3 主要组分的纤维形态及特性33-39
• 2.4.3.1 外皮33-36
• 2.4.3.2 叶36-37
• 2.4.3.3 苞叶37-38
• 2.4.3.4 各组分的总体特性38-39
• 2.4.3.5 与其它材料的比较39
• 2.5 本章小结39-41
• 第三章 秸秆主要组分的分离与压缩特性41-58
• 3.1 试验材料41
• 3.2 试验设备41-42
• 3.3 试验方法42-45
• 3.3.1 粉碎特性42-43
• 3.3.2 悬浮特性43-45
• 3.3.3 压缩特性45
• 3.4 试验结果及分析45-56
• 3.4.1 粉碎特性45-50
• 3.4.2 悬浮特性50-54
• 3.4.3 压缩特性54-56
• 3.5 本章小结56-58
• 第四章 茎秆组分的水平气流分离58-70
• 4.1 倾斜气流分离原理58-59
• 4.2 试验材料与装置59-60
• 4.3 试验方法60-61
• 4.4 试验结果及分析61-68
• 4.4.1 正交试验方案及结果的方差分析61-63
• 4.4.2 物料沉降曲线及分离状况63-64
• 4.4.3 主要因素对分离率的影响分析64-66
• 4.4.4 主要因素对物料沉降曲线的影响66-68
• 4.4.5 综合分析68
• 4.5 本章小结68-70
• 第五章 茎秆组分的垂直气流分离70-83
• 5.1 垂直气流分离原理70-71
• 5.2 试验材料与装置71-72
• 5.2.1 试验材料71
• 5.2.2 试验装置71-72
• 5.3 试验方法72-75
• 5.3.1 试验指标及评价72-73
• 5.3.2 主要因素及水平73
• 5.3.3 试验方案设计及其分析73-75
• 5.3.4 试验实施75
• 5.4 试验结果及分析75-81
• 5.4.1 均匀试验结果75-76
• 5.4.2 试验指标与试验因素的多元回归分析76-78
• 5.4.3 主要因素对试验指标的影响78-81
• 5.4.4 回归方程的分析81
• 5.5 本章小结81-83
• 第六章 垂直气流分离系统的研制及试验83-100
• 6.1 茎秆碎料的垂直气流分离系统83-86
• 6.1.1 分离系统的组成83-85
• 6.1.2 工作原理及流程85-86
• 6.1.3 主要工作参数86
• 6.2 试验方法86-88
• 6.2.1 试验材料及装置86
• 6.2.2 分离室风速分布测定86-87
• 6.2.3 茎秆碎料分离试验87-88
• 6.3 试验结果及分析88-99
• 6.3.1 分离室气流分布状况及分析88-90
• 6.3.2 二次正交旋转设计试验结果及分析90-96
• 6.3.3 主要因素对试验指标的影响分析96-98
• 6.3.4 回归方程的寻优及结果验证98-99
• 6.4 本章小结99-100
• 第七章 秸秆碎料非均匀充填模压成型流变特性100-115
• 7.1 试验原理100-101
• 7.2 试验材料和试验装置101-103
• 7.2.1 试验材料101
• 7.2.2 试验装置101-103
• 7.3 试验方法103-105
• 7.3.1 模压成型模拟试验103-105
• 7.3.2 产品模压成型试验105
• 7.4 模压成型模拟试验结果及分析105-112
• 7.4.1 凹向模压成型流变特性及影响因素105-110
• 7.4.2 凸向模压成型流变特性及影响因素110-112
• 7.5 模压成型试验结果及分析112-113
• 7.5.1 模压成型产品112
• 7.5.2 厚度及密度分布112-113
• 7.6 本章结论113-115
• 第八章 秸秆碎料均匀充填模压成型流变特性115-131
• 8.1 均匀充填模压成型原理115-116
• 8.2 试验材料和试验装置116-117
• 8.3 试验方法117-119
• 8.3.1 模压成型模拟试验117-118
• 8.3.2 产品模压成型试验118-119
• 8.4 模压成型流变特性模拟试验结果及分析119-128
• 8.4.1 物料充填状况及充填均匀性指数119
• 8.4.2 物料的流变状况及特性119-124
• 8.4.3 伸缩平面位置的影响124
• 8.4.4 模压倾角的影响124-127
• 8.4.5 原料充填厚度的影响127-128
• 8.5 模压成型试验结果及分析128-130
• 8.5.1 模压成型产品128
• 8.5.2 厚度及密度分布128-130
• 8.6 本章结论130-131
• 第九章 结论与展望131-133
• 9.1 主要研究结论131-132
• 9.2 创新点132
• 9.3 展望及建议132-133
• 参考文献133-140
• 致谢140-141
• 作者简介141

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