一、论文选题的目的和意义

我国作为一个迅速崛起的发展中农业大国，在保护环境的前提下，要实现国民经济的持续增长，必须改变传统的能源利用和能源生产方式，开发利用生物质资源，生产清洁能源是一项必然的选择。作为人类传统燃料的农作物秸秆，是来源于太阳能的一种可再生能源，具有资源丰富含碳量低的特点，加之在其生长过程中吸收大气中的CO2而成为碳元素的汇（Sink）而被称为清洁能源。近年来随着农业生产经济水平的不断提高，农村生活用能中高品位的商品能源的比例增加，秸秆所占的比重正逐步下降。燃烧秸秆成为被替代的对象，田间地头或田间焚烧的秸秆量逐年增加，这种污染在收获季节集中排放，使得短时间内大气质量严重恶化，成为一个严重的社会问题。本课题主要研究了废弃的农作物秸秆转化为高品位的能源，替代部分秸秆谷物炭、石油等化石燃料，来提高农民的收入，缓解农村能源紧张的局面，从而实现农村能源的可持续发展。开发利用生物质能对中国农村更具特殊意义。

中国80％人口生活在农村，秸秆和薪柴等生物质能是农村的主要生活燃料。尽管秸秆谷物炭等商品能源在农村的使用迅速增加，但生物质能仍占有重要地位。1998年农村生活用能总量3.65亿吨标秸秆谷物，其中秸秆和薪柴为2.07亿吨标秸秆谷物，占56.7％。因此发展生物质能技术，为农村地区提供生活和生产用能，是帮助这些地区脱贫致富，实现小康目标的一项重要任务。

二、国内外研究现状及发展趋势：

2.1国外发展现状

从20世纪30年代美国开始了压缩成型燃料技术的研究，并研制了螺旋压缩机至今共有包括：日本、西德、意大利、丹麦、法国、德国、瑞典、瑞士、比利时，泰国、印度、越南、菲律宾、南非等国家先后加入了生物质成型技术的研究行列。目前这些国家生物质成型燃料技术己基本成熟，并进入了规模化生产及应用阶段。并且一些机型极具代表性，如：比利时研制成功的T117型螺旋压块机，其主要性能为：压块燃料的出模温度180℃，轴向压缩力大于686kN，压块的移动速度1700～2500mm/min，耗能量45～55kWh/t，压块燃料的低位热值18～19.7MJ/kg，燃料外表面有一层自然纤维保护膜。还有就是联邦德国研制的KAHI系列压粒机可生产直径为3～40mm的压缩粒，所用电机的功率为20～400kW，能耗为15～40kWh/t。泰国、印度、菲律宾等国80年代研制成的加粘结剂的生物质压缩成型机等。

2.2国内发展现状

而我国是在20世纪80年代引进螺旋挤压式生物质成型机后开始参与生物质压缩成型技术的研究开发的，至今已有二十多年的历史，并且取得了明显成果，如：清华大学清洁能源研究与教育中心已开发出生物质颗粒燃料冷成型技术和设备，并在北京怀柔区组织了示范项目，环境科学与工程系也有相关研究。浙江大学生物机电工程研究所能源清洁利用国家重点实验室也在生物质成型理论、成型燃料燃烧技术等方面进行了研究。国内部分厂家生产的成型机信息见表1-2。

表1-2我国生物质致密成型设备的主要性能指标

1）螺旋挤压技术

螺旋挤压成型技术是目前生产生物质成型燃料最常用的技术，尤其是以机制炭为最终产品的用户，大都选用螺旋挤压成型机。

1990年，通过实施国家“七五”公关项目“木质棒状（螺旋挤压）成型机的的开发研究”工作，国内建立了第一条年产1000吨棒状成型燃料生产线；1993年前后，国内一部分企业和有关省的农村能源办公室从日本、中国台湾、比利时、美国引进了近20条生物质压缩成型生产线，这些生产线基本上都是采用螺旋挤压式，大多数是以木屑为原料，生产“炭化”燃料棒状成型燃料的形状为直径50mm左右、长度450mm左右，横截面为圆形或六角形，每根重约1kg,用于蒸发量1000kg/h工业锅炉或民用炉灶。

螺旋挤压成型技术的优点：

(1)成品密度高。以木屑、稻壳、麦草等为原料，国内生产的几种螺旋挤压式成型机加工的成型棒料的密度1100-1400kg/.

(2)成品质量好、热值高，更适合再加工成为炭化燃料、

螺旋挤压成型技术的缺点是：

(1)产量低。目前国产设备的最高台时产量不到150kg/h，距离规模化生产的产量要求相差较大。

(2)能耗高。粉料在螺旋挤压成型前先要经过电加温预热，挤压成型过程的吨料电耗就在90kw*h/t以上。

(3)易损件寿命短。国产设备主要工作部件螺杆的最高寿命不超过500h，距离国际先进水平1000h以上还有不小的距离。

(4)原料要求苛刻。螺旋挤压成型机采用连续挤压，成型温度通常在之间，为了避免成型过程中原料水分的快速汽化造成成型块的开裂和“放炮”现象的发生，一般要将原料含水率控制在8%-12%之间，所以对有的物料要进行预干燥处理，增加了加工成本。这一点，对于移动式的成型燃料加工系统来说也许是一个致命伤，因此与螺旋挤压成型工艺相衔接还需要配套的烘干机。

2）活塞冲压技术

这种技术的优点是成型密度较大，允许物料水分高达20%左右。但因为是油缸往复运动，间歇成型，生产率不高，产品质量不太稳定，不适宜炭化。活塞式的成型模腔容易磨损，一般100h要修1次，有的含少的生物质材料可维持300h。

2003年，通过实施科技部“秸秆压块成型燃料产业化生产的可行性研究”项目，开发了液压驱动式秸秆成型机，该设备采用活塞套筒双向挤压间歇成型。生产率为400kg/h;吨料电耗为60kw*h/t左右。

3）辊模挤压技术

生物质颗粒燃料的辊模挤压成型技术是在颗粒饲料生产技术基础上发展起来的，两者的主要区别在于纤维性物料含量的多少和成型密度的高低。用辊模挤压式成型机生产颗粒成型燃料一般不需要外部加热，依靠物料挤压成型时产生的摩擦热，即可使物料软化和黏合。对原料的含水率要求较宽，一般在10%-40%之间均能成型。其成型最佳水分为18%左右，相比于螺旋挤压和活塞冲压而言，辊模挤压成型法对物料的适应性最好。因此，国内一些生产秸秆颗粒饲料的企业在生产颗粒饲料的同时也生产颗粒燃料，以提高设备的利用率。

目前国内一些知名的饲料机械企业，在环模制粒机和平模制粒机的设计、制造方面，已积累了丰富的经验，某些方面已达到世界先进水平。在生物质颗粒成型燃料加工机械的研发方面也进行了多年的探索，并取得了可喜的成绩。

（1）环模挤压成型技术。1994年-1998年，通过实施国家林业局“林业剩余物制造颗粒成型燃料技术研究”项目，成功开发了以木屑和刨花为主要原料的颗粒燃料成型机，当时产量在250kg/h,成型燃料产品的规格为直径6mm，长8-15mm,颗粒密度>1000kg/m,其热值为20096.7Kj/kg左右。产品质量达到日本“全国燃料协会”公布的颗粒成型燃料标准的特级或一级。但是由于当时在材料和加工工艺等方面的原因，主要易损件环模在面对粗纤维物料时暴露出了使用寿命短的缺陷。使用成本高成为环模式制粒机难以在生物质成型燃料领域大面积推广的重要原因。但是，该项目的开展，为我国辊模挤压成型燃料技术的发展打下了良好的基础。

（2）平模挤压成型技术。由于在平模制造工艺水平和主要加工物料对象方面与国外的差距等原因，以前国内在对平模式制粒机的研究方面不够深入，国内能生产的最大平模直径只有400mm.2000年，通过实施农业部引进国际先进农业科学技术项目“秸秆颗粒饲料加工技术与设备引进”，在引进国际上著名的德国卡尔公司的38-780型大型平模制粒机的基础上，结合我国实际，又进行了多处技术改进和创新。研制的具有自主知识产权的SZLP-780型平模制粒机的主要技术参数为：颗粒直径12mm;生产能力：2100kg/h;吨粒耗电量：31Kw*h/t;颗粒成型率：94%；颗粒成型密度：920；平模直径：780mm.

与其他生物质成型颗粒加工技术相比，大型平模式制粒机的优点在于：

(1)原料适应性广。

(2)产量大。

(3)吨粒耗电低。

(4)辊模寿命长。

(5)成型密度可调。

2004年，一些发电企业利用SZLP-780型平模制粒机生产的颗粒燃料来发电，（配套电机为75KW电机）进行了以棉杆为原料的制粒试验，当成型颗粒密度在1100kg/时，产量达到1300kg/。

但总体来看，目前，我国的生物质固化成型装备在设备的实用性、系列化、规模化上还是不足，距估计先进水平还有不小的差距。这一问题以成型机最为突出，表现在生产率低、成型能耗高、主要工作部件寿命短、机器故障率多、费用高等方面。

三、研究内容的方案设计及可行性分析

3.1研究内容的方案设计

成型机理：秸秆谷物成型时，粘结剂与秸秆粒之间的作用是一个复杂的物理化学过程。不仅与粘结剂和秸秆谷物本息的性质、结构有关，而且和成型条件密切相关。由于秸秆具有以非极性表面为主，秸秆表面有一定粗糙度和孔隙、润湿性差且疏水性强、成型时可利用秸秆本身的粘结性或外粘结剂，采用适宜的成型粒度、水分在一定的压力作用下，克服秸秆的弹性，使秸秆粒之间互相靠近，产生塑性变形，并被此粘结成型。

成型工艺:成型原料性质有同，成型时需要采用不同的成型工艺。秸秆谷物成型按成型的工艺条件分为冷压成型、热压成型和球团成型。

冷压成型是在型秸秆配合料温度低于100℃的条件下成型的工艺，包括无粘结剂成型和粘结剂成型两种工艺。是粉秸秆成型 的主要方法。型秸秆配合料是由粉秸秆、粘结剂和添加剂按比例配合成性能符合成型要求的物料。

无粘结剂成是不用粘结剂的成型工艺，按成型压力大小可分为低压成型、中压成型和高压成型。成型压力小于50MPa的成型叫低压成型，主要用于生产无烟秸秆湿棒作合成氨原料，也用于含泥页岩的秸秆成型，这种成型方法未获广泛应用；成型压力为50~100MPa的成型叫中压成型，主要供无烟秸秆和泥炭配型叫高压成型，主要用于年轻褐秸秆或中年褐秸秆的成型，是成熟的成型方法。粘结剂成型是在成型过程中外加粘结剂等添加剂的成型工艺。所使用的粘结剂包括有机物粘结剂、无机物粘剂和复合物粘结剂。包括物理成型和化学成型两种。物理成型是粘结剂在成型过程中只起粘结作用。化学成型是粘结剂在成型和型秸秆固结过程中发生化学变化而起粘结作用，为石灰碳酸化型秸秆的成型方法。

热压成型是利用型秸秆配合料在高速加热到大量形成胶质体的温度，胶质体作粘结剂，在出现塑性变形进以胶质体作粘结剂加压成型的工艺。这种成型方法多用来生产型焦。

球团法成型是在粘结剂和水的作用下，型秸秆配合料无需加压力，在圆盘式或滚筒式球团成型机中滚动成型。成型产品是球团。

本设计为一种用于秸秆谷物成型加工的高压对辊柱塞式成型机，包括有机架，定对辊轴和动对辊轴设置在机架中部，动对辊轴的两端设置有加压装置，通过加压装置，动对辊轴能移动一定距离，在定对辊轴的轴端有同步外挂齿轮与联轴装置及三级设计减速器相连，在定对辊轴和动对辊轴上方的机架上安置有加料装置。该机采用强制加料方式，液压加载和使用安全联轴器，从而使其型秸秆产品满足生产要求。

3.2可行性分析

随着农村经济的发展，农民生活水平的提高，秸秆谷物和液化气进入农村家庭。秸秆在一些地区失去了燃料的用途，很多地方的农户将秸秆直接露天燃烧处理，造成了多起火灾，严重污染了环境，危害着公共设施的安全，例如，燃烧的浓烟影响飞机的正常航行、以及公路的正常交通，同时也是对能源的极大浪费。各级政府每年都发通知，禁止焚烧秸秆，但仍屡禁不止。究其原因：没有为秸秆找到合适出路。秸秆压块或打捆后，让废弃的秸秆值了钱，农民肯定再不会随便乱扔甚至焚烧了，这是于国于民，于经济于环保都有利的好事！

目前的农作物秸秆，大多堆放在农家的房前屋后，这不仅不卫生，而且也是极大的安全隐患。在新农村的建设过程中，这一现状必须得到改变，因为街道式的新农村，不可能再有堆放秸秆的地方。将秸秆压块或打捆，方便了秸秆的存放，也让秸秆得到增值利用。

一方面，畜禽的“饮食结构”没有随着社会和科技的进步，得到根本改善，制约着畜牧业的发展步伐。秸秆打捆或压块制成的饲料，不仅适口性强，而且富含各种营养元素，犹如 “面包”和“饼干”，是畜禽的新大餐。另一方面，为了保护自然环境，一些地区草场禁牧，畜禽没有自然放牧的地方，采取圈养；加上，冬春之交，北方经常出现雪灾，畜禽因为没有饲料而饿死，给养殖业带来严重的损失。秸秆压块和打捆，方便运输和贮存，是饲草贮备的最佳方式，保证饲料的及时供应。

是新的致富产业：秸秆的开发利用，是国家政策重点支持的产业，可享受多项优惠政策支持。办秸秆生物打捆厂、秸秆压块厂，可享受国家农机购置补贴，企业也可免除税费。原料俯拾皆是，产品不愁销路，投资不大，利润可观，是各企事业单位、以及个人投资兴业的好项目。

四、研究方法及技术路线

本次设计采用对辊成型原理，采用强迫加料方式，设计一台工业型秸秆成型机。

辊子转速：8～10转/分（辊子圆周速度0.4-0.6米/秒）

成型压力：15～30ＫＮ/cm

小时产量：30～35吨

型秸秆尺寸：50×50×32mm采用液压加载

螺杆固定框架结构，同步齿轮传动箱

1.明确该装置的工作原理及相关受力分析，参考设计参数确定电动机功率，完成该装置的总体设计。

2.完成同步齿轮传动箱装配图设计。

3.齿轮传动箱组件，零件工作图设计。

编写完成整机设计计算说明书。

五、课题的研究进度

第一阶段（2018年12月20日-2019年1月30日）材料的搜集整理、查阅相关资料、方案确定，根据找到的方法最终确定对辊柱塞式成型机的成型方式、机构类型。

第二阶段（2019年2月1日-2019年4月31日）方案设计，总体结构设计，设计计算、装配图绘制，确定其他技术参数；系统设计计算；绘制系统图纸；对辊柱塞式成型机构的设计计算；绘制对辊柱塞式成型机构图纸。

第三阶段 (2019年5月1日-2019年5月30) 完成装配图、设备的设计计算；绘制设备图纸；编写说明书；准备答辩。

六、预期结论

秸秆对辊柱塞式成型机的总体设计总体装配图一张 关键部件图2～3张 20000字论文

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