摘要
能源和環境問題已成為全球關注的焦點。隨著能源消耗的迅速增長，傳統化石燃料的大量使用給人類帶來了兩個突出的問題：一方面是礦物質資源漸趨枯竭；另一方面是日益嚴重的環境問題。生物質能作為一種可再生能源，它具有可再生、污染小、無公害等優點，是傳統化石能源很好的替代品。大力開發利用生物質能等可再生能源，對環境保護、促進國家經濟發展和建立可持續發展的能源系統具有重大意義。
本文主要對生物質秸稈致密成型技術進行了研究，為秸稈高效利用提供了技術支持。本文設計分析了環模式
秸稈壓塊機的結構，針對其特點，提出了影響環模式成型機工作效率的幾項主要技術參數，如主電機功率、環模長徑比、顆粒機環模的開孔率以及壓輪和環模的工作間隙等。
應用有限元軟件ANSYS，本文建立秸稈壓縮模型，模擬了生物質秸稈的壓縮成型過程，分析得到了生物質秸稈壓縮過程的應力應變規律、內部位移規律以及摩擦應力分布，為生物質秸稈壓縮成型機的研發和改進提供了必要的理論依據。
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，本文通過對生物質秸稈成型機理的研究，為生物質致密成型設備的設計、工藝參數優化以及結構改進等提供重要的理論基礎。
關鍵詞生物質；環模；壓塊機；致密成型；有限元分析
第1章緒論
1.1 生物質能利用的意義
能源和環境問題已成為全球關注的焦點。人類社會經濟的發展以能源為重要動力，經濟發展越快，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，傳統化石燃料的大量使用給我們人類帶來了兩個突出的問題：一是礦物質資源漸趨枯竭。據世界能源組織不完全統計，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，但預計最多能再使用60年，目前石油的消耗量最大，可采石油預計可使用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重的環境問題。
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，導致排放了大量的有害氣體，如果不及時遏制，將造成災難性后果，例如全球氣候變暖、海平面上升、酸雨等。如果不開發出新的可再生、清潔能源，繼續大量使用石化能源，能源危機和環境危機在不久的將來必將越來越嚴重。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化石能源，生物質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點，所以發展生物質能勢在必行。
近年來，各個國家都在致力于開發高效、無污染的新能源，生物質能就是其中之一。有關專家預測，生物質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%來自生物質能源。
生物質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，可認為二氧化碳為零排放，甚至有所減少，這是煤、石油、天然氣等常規能源無法比擬的。生物質能，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，轉化為熱能，一部分被植物吸收i轉化為生物質能。太陽能轉化為熱能的時候，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，這些能量是人類進一步發展所需能源的基礎和源泉。生物質能這一獨特的形成過程，既不同于常規的礦物能源，又不同于其它能源，但兼有兩者的特點和優勢，是我們最主要的可再生能源之一。
生物質能可以直接轉換生產含碳燃料，石油和煤都是生物質在地下經過很長時間轉換而來的。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致密成型技術和生物質氣化技術等不同技術開發利用生物質能。將它轉換制造成為高熱值、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我國生物質能源現狀
我國作為農業大國，生物質資源十分豐富，因此，生物質能源將會成為一種發展前景非常可觀的替代能源。作為一個生物質能源大國，我國可利用生物質資源量理論上為為50億噸左右，目前，我國的總能耗僅是它的四分之一左右。主要來源于林業廢棄物，如樹枝、鋸末、刨花廢木材等；農業廢棄物，如玉米秸稈、棉花秸稈、稻殼等；工業廢棄物，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、工業有機廢水等。
目前，可供利用開發的生物質資源主要包括農作物秸稈、畜禽糞便、樹木枝丫、城市生活污水、工業有機廢水和生活垃圾等。據不完全統計，2004年我國的生物質資源量約為，畜糞約39.2億噸；樹木枝丫等林木生物質約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。據統計，我國2010年生物質能獲得量為2.58×10
19J。
我國可利用的五種主要生物質資源比例如圖1-1所示：
由圖1-1可知，我國可利用的農作物秸稈在生物質資源中占據很重要的地位，其開發利用的潛力非常大。據統計，到2007年底我國各種農作物秸稈產量如表1-2所示。由表1-2可知，玉米秸稈是產量最高的生物質能源。
表1-2 2007年我國各種農作物秸稈產量
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農作物秸稈種類 |
產量（萬噸） |
折合標煤/（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生物質致密成型技術的重要性
中國是一個人口大國，也是消費大國，由于工業的迅速發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境污染問題。所以我國不僅在經濟增長方面面臨壓力，而且在環境方面也面臨著嚴峻的考驗。為了緩解能源緊張和大量使用化石能源造成的環境污染問題，開發和利用新能源和可再生能源很有必要，而且能夠改善以煤、石油為主的能源結構，對我國經濟的可持續發展有重大意義，是發展生物質能源的大好機遇和挑戰。因此，大力開發利用生物質能等可再生能源，對環境保護、促進國家經濟發展和建立可持續發展的能源系統具有重大意義。
生物質能由于能量密度較低和具有分散性，高效利用和規模利用都比較困難，這是導致目前生物質能不能轉化為商品能源的主要原因。在生物質原料處理技術中，壓縮致密成型技術是最重要的技術之一。生物質致密成型技術是將各類松散的生物質秸稈用機械加壓的方法，使原來密度小、沒有固定形狀、質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，生物質秸稈致密成型技術目前是國內外利用生物質能比較普遍的技術之一。
生物質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、煤等常規能源，在工業上可代替煤用于工業鍋爐、生物質發電廠等。
綜上所述，無論是從環境保護，還是從解決能源短缺問題出發，大力發展生物質致密成型技術研究，具有極大的現實意義。
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顆粒機、秸稈壓塊機、
木屑顆粒機等生物質燃料飼料成型機械設備，同時我們也有大量的生物質顆粒燃料。
