固化成型工艺（精选九篇）
固化成型工艺 篇1
快速成型是20世纪80年代后期发展起来的一项快速设计及成型技术[1]。快速成型加工的核心思想是离散堆积成型[2,3]。激光固化快速成型设备是利用特定波长紫外光按照特定路径照射光敏树脂表面,使其快速固化形成所需工件的设备。一般包括紫外线光源、光束聚焦镜、振镜(光束扫描装置)、工作台装置和液面涂覆装置。
激光固化快速成型的工件是通过重复多次的分层固化堆积而成。如何将粘稠度高的光敏树脂快速地在工件已固化层的表面形成一层厚度均匀的待固化树脂层,在工件的制作中至关重要,它直接影响工件成型的尺寸精度。将光敏树脂适当加热可以降低其粘稠度[4],增加流动性,当完成一层固化后,工件下移到一个合适高度,工件已固化层浸没在经加热的光敏树脂中,再辅以负压吸附装置的刮平动作帮助,就可以在工件已固化层的表面上快速地涂覆一层厚度均匀的待固化光敏树脂层。所以树脂的加热直接影响成型工件的加工效率、尺寸精度,甚至影响整个工件的机械性能,有必要对树脂的加热工艺进行研究,以更好地保证工件的成型精度和机械性能。
1 树脂现有加热工艺
树脂的现有加热工艺主要有直接加热法和间接加热法,直接加热法主要是加热板直接加热法。间接加热法主要是通过加热导热介质,利用导热介质传热达到加热光敏树脂的目的,目前导热介质主要有导热油和空气。
1.1 加热板直接加热法
该方法是将电加热板直接贴在树脂槽的底部和四周对树脂槽加热,示意图如图1所示。温度传感器布置在树脂的液面,温控器分别与温度传感器和加热板连接,当树脂的温度达到温控器设定的温度时,加热板停止加热,当树脂的温度低于温控器设定的温度时,加热板开始加热,如此反复。
该方法结构简单,容易操作。但加热不均且恒温控制也不精确,有延迟性,树脂温度呈现区域性的梯度变化,在制作工件过程中由于温度的变化可直接影响成型精度。另外,加热板温升快,而树脂的传热效率不高,要使整槽树脂达到设定的温度需一段时间,跟加热板距离较近的树脂温度长时间偏高,容易造成树脂热分解或出现热固化现象,严重者导致整槽树脂报废。由于此方案的树脂槽的强度不高,如果长时间使用,容易发生变形,甚至出现裂缝。
1.2 导热油加热法
在此工艺中,树脂槽设计为内槽和外槽,内外槽之间是密闭的夹层,在夹层中注入导热油作为导热介质,在夹层中有加热器用于加热导热油,从而加热树脂。温度传感器布置在树脂底部,靠近加热器,温控器分别与温度传感器和加热器连接,方案如图2所示[5]。
导热油选用导热系数大、比热高、热效率高、热稳定性好的,可以在较宽的温度范围内满足不同温度加热工艺的要求,也可以大大降低高温加热系统的操作压力和安全要求。使用导热油作为导热介质,可使树脂较为均匀地加热,温度传感器布置在靠近加热器处,可即时监测树脂槽底部温度较高处树脂的温度,防止树脂由于过热产生老化,但树脂也会呈现上低下高、内低外高的梯度变化,这种梯度变化比加热板直接加热的要小。
树脂槽为夹层结构,可使树脂槽具有较高的强度,长期使用也不易发生变形,但对树脂槽的制作工艺和焊缝的强度要求较高,需保证夹层的密封性。导热油与明火相遇可能发生燃烧,对工作环境有一定要求。导热油还会对树脂槽产生一定的腐蚀,夹层也不易清洗,在更换导热油时也易造成环境污染。
1.3 空气加热法
该工艺示意图如图3所示[6],树脂槽放置在保温箱中,保温箱底部设置一个和其相通的加温箱,加温箱中布置一个风机和一个加热器,风机冷却加热器使热量快速均匀地扩散到整个保温箱中用于加热树脂,在树脂表面布置第一传感器和第一温控器,在加热器下风口布置第二传感器和第二温控器。第一温控器分别与第一传感器和加热器电连,第二温控器与第二传感器和加热器电连。两个传感器中的任何一个感应到的温度达到相应温控器设定的温度时,加热器停止加热,两个传感器中感应到的温度都低于相应温控器设定的温度时,加热器开始加热。
该方案采用空气加热的方式,能源干净,不会对环境造成污染。在加热器下风口和树脂液面两处设置温度传感器,更好地监控了树脂的温度和热风的温度。可较好地使树脂温度达到均衡,树脂内部温度梯度变化更小。但第二传感器布置在加热器的下风口,所检测到的温度有一定的误差,不能反映真实的热风温度,并且这种方法需要较长的时间才可使树脂温度达到均匀,效率低。该方案的结构较为复杂,对保温箱的强度和保温效果也有一定要求,更换树脂较为困难。另外,风机安装在温度较高的环境下,容易损坏,增加了维护的难度。
2 新型加热工艺的设计
2.1 新型加热工艺的必要性
光固化快速成型设备在制作过程中,树脂液面是紫外线固化的工作面,其温度的恒定就显得尤为重要。上述的三种加热方法最多也仅能从树脂槽的底部和四周共五个面对树脂进行加热,由于光敏树脂的热传导系数较低,上述方法都无法很好地保证紫外线固化工作面上的树脂温度维持在一个理想的设定值,工作面上的树脂由于温度不均匀会导致固化后工件尺寸变形和内应力增大,甚至导致工件报废。
树脂加热出现的树脂小分子溶剂蒸发导致激光器、振镜系统受到污染,影响到扫描镜片的使用寿命,直接造成维护成本升高与工件的制作精度达不到要求,甚至造成设备的损坏和工件的报废。光敏树脂有一定的毒性[7],可对操作者和环境造成伤害。另外,光敏树脂长期暴露在空气中极易吸收环境中水分导致树脂的性能发生改变,在南方潮湿环境中尤甚,树脂吸水后导致制作的工件发软、变形而无法使用。上述工艺均没有吸收环境中的水分子和清除树脂小分子的功能,所以需研究新的工艺,以保证树脂温度更加均匀,特别是工作面温度的稳定,同时也满足树脂固化环境的干燥,并能够清除有害的树脂小分子。
2.2 新型加热工艺的结构
针对上述方法和技术存在的问题,本文提出一种树脂的全方位空气加热和干燥控制系统。树脂槽设计为夹层结构,夹层在下方和四周共五个方向支撑、包围着树脂槽的内腔,在夹层靠底部位置设置两个进气孔,夹层上方设置均匀的排气孔,和夹层相通,如图4所示,图4(a)为三维图,图4(b)为截面图。
新型工艺的示意图如图5所示。树脂槽上方设置密封工作室,密封工作室在靠顶部设置一个出气孔,出气孔通过保温管和过滤装置连接,过滤装置通过保温管和空气加热控制装置的进风口连接,加热控制装置包括离心风机、发热装置、第一传感器、第一温控器、第二传感器、第二温控器。发热装置布置在风机的出风口处,通过保温管和树脂槽的进气孔连接,第一温控器分别与第一传感器和发热装置连接,第一传感器直接监控发热管的温度。第二温控器分别与第二传感器和发热装置连接,第二传感器监控树脂液面的温度。
过滤装置用来过滤空气中的水汽和蒸发的树脂小分子,可以使用压缩机制冷或半导体制冷方式进行除湿的除湿机,也可以使用填充吸潮材料的除湿吸附装置。
2.3 新型加热工艺的实施方式
参看图4和图5,由进气孔注入的净化的高温热风从底部和四周对树脂进行加热并由排气孔排出,进入树脂槽上方的密封工作室内,进入工作室的净化的高温热风维持工作室的环境温度在设定的范围内,对树脂槽树脂液面进行加热,实现了树脂的六个面同时加热,工作室内温度稍低的热风夹杂着水汽和蒸发的树脂小分子由出气孔抽出,经过过滤装置过滤为净化的低温空气,然后通过保温管进入离心风机,风机将净化的低温空气送至加热装置中进行加热,加热后的净化高温空气通过树脂槽的进气孔注入到树脂槽的夹层中,至此形成对树脂的干燥加热循环。
发热装置需由一个大散热面积的加热器构成,才可保证净化的低温空气得到充分的加热,发热装置上放置第一温度传感器用于直接监测加热器的发热温度,而不监测热风的温度,这样监控的更为精确。第一温控器与第一温度传感器和加热装置连接,实现发热装置的恒温发热。第二温控器分别与第二传感器和发热装置连接,当树脂温度达到某一设定值时,加热装置停止工作使树脂温度维持在设定的工作范围内。第一温控器和第二温控器实现对加热装置联动控制,使树脂槽工作面上的树脂温度维持在设定的工作范围内,精度可达±0.1℃。
在此加热工艺下成型的工件如图6所示。成型精度、机械性能都较好地达到了要求。
3 结论
本加热工艺实现了树脂六个方向的全方位均匀加热和精确的恒温控制,克服了现有技术加热不均匀的缺点,在热空气的循环回路中接入了空气过滤装置,在对树脂进行加热的同时也降低了工作室的湿度并维持在合适的范围内,也吸收了工作室内蒸发的树脂小分子,保证了光学部件的安全和性能,从而使光束扫描工作面上树脂的每一层固化时成型精度都不受温度、湿度和光学部件的影响,提高了工件的成型精度。本工艺结构紧凑合理,热风的干燥净化和加热在一个闭合的循环回路内完成,提高了热量的利用率,在实际应用中证明了此工艺更好地满足了树脂成型的需要,成型的工件在精度和性能方面都较好达到了要求。
参考文献
[1]Jack G.Zhou,Daniel Herscovici,Calvin C.Chen.Para-metric process optimization to impove the accuracy of rap-id prototyped stereolithography parts[J].InternationalJ.Machine Tools&Manufacture,2000,40(2):363-379.
[2]D.T.Pham,R.S.Gault.A comparison of rapid prototyp-ing technologies[J].International J.Machine Tools&Manufacture,1998,38(10):1257-1276.
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[4]何勇.光固化成形树脂槽液位在线检测系统研究[D].武汉:华中科技大学,2007.
[5]李耀棠,李伟良,赵光华,等.一种用于光固化快速成型的树脂加热系统[P].中国专利:201070836,2008-06-11.
[6]王俊,孙转转,刘钧.一种光敏固化快速成型机暖风加热系统[P].中国专利:201745179U,2011-02-16.
固化成型工艺 篇2
分析复合材料铺层的微观结构,研究复合材料成型过程变形特点,以此建立两类针对性的`有限元模型,并采用典型复合材料叠层板固化成型温度载荷,进行叠层板翘曲变形和板内应力的计算分析.在此基础上,将计算结果与实际试验制件实测结果进行对比.结果表明,本文所提供的有限元分析计算模型可对实际情况进行简便和较为精确的模拟.
作 者：官霆 孙良新 邢丽英 Guan Ting Sun Liangxin Xing Liying 作者单位：官霆,孙良新,Guan Ting,Sun Liangxin(南京航空航天大学航空宇航学院,南京,210016)
邢丽英,Xing Liying(北京航空材料研究院,北京,100095)
固化成型工艺 篇3
【关键词】秸秆；环模平直式；固化成型技术
我国秸秆年产量约为6.04亿t，相当于3.1亿t标准煤。秸秆被大量废弃焚烧不仅浪费资源，还严重污染环境，秸秆禁烧都成为各级政府部门头疼的问题。秸秆利用出路在于提高秸秆单位经济价值，使其得到再利用。长期以来秸秆综合利用机械化水平较低，劳动强度大，生产效率低，尤其是秸秆密度小、体积大、单位经济价值低，远距离运输和贮存费用高。秸秆综合利用关键技术之一就是将秸秆压缩固化成型，减少体积，提高其单位经济价值。
1 环模平直式秸秆固化成型技术
秸秆固化成型技术主要包括秸秆粉碎预处理、上料和固化成型三个关键技术，可以将玉米、小麦、水稻、豆类、花生、山芋等秸秆粉碎后通过压轮和模盘型孔之间的压力作用，在模盘型孔的塑形和表面熟化作用下连续挤压成棒状（块状）的固体颗粒生物质燃料（或牲畜饲料），以方便贮藏、运输和使用，提高秸秆的综合利用效率。该技术能够有效减小秸秆体积，使其容易运输和贮存，提高了秸秆的单位体积经济价值，提高秸秆综合利用的机械化水平，降低工人勞动强度，也提高了农民的收入和对秸秆综合利用的积极性，提升了农机化整体水平。
2 环模平直式秸秆固化成型技术优势
环模平直式秸秆固化成型机采用平模型孔高压加热成型技术，将压轮绕平行轴转动改为绕垂直轴转动，从而保证在同样工作直径内生产效率提高3倍以上。该机克服了普通环模秸秆压块机生产效率低和平模秸秆压块机适应性差的缺点，生产效率高、适应性好。
2.1 增加农民收入，促进农村经济发展
本项目研制开发的环模平直式秸秆固化成型机推广应用后，对增加农民收入，促进农村经济发展具有重要意义。秸秆不再是废弃物，农民也不会再焚烧秸秆，因为农民销售秸秆收入可以达到100元/667㎡～120元/667㎡（徐州2008年市场价格），秸秆成为有用的经济商品。同时经过压块的秸秆可以用作燃料、饲料和工业原料，可以满足农村生产生活需要。
2.2 缓解农村人口就业压力
环模平直式秸秆固化成型机的推广应用为农村秸秆利用提供了有效手段，能够解决农村剩余劳动力就业问题。每台环模平直式秸秆固化成型机的操作需要3名～4名劳动力。按年推广1000台计算，则可以增加农村就业岗位3000个～4000个，对于缓解农民工就业问题有重要作用。
2.3 减少环境污染
因为小麦联合收割机的广泛使用，作物秸秆高留茬问题很多；而农村生活条件的改善导致用作燃料的秸秆越来越少，大量秸秆被废弃在田中，影响了下茬作物的耕种，农民为省事就放火烧掉，造成严重的环境污染。每到收麦季节，焚烧秸秆的烟尘铺天盖地，对呼吸道具有强烈刺激，严重影响人们的身体健康。环模平直式秸秆固化成型机的大量推广使用可以减少秸秆焚烧力度和环境污染。
3 经济效益分析
3.1 市场前景分析
环模平直式秸秆固化成型技术用于加工玉米、豆类、花生、山芋等农作物秸秆压块燃料，可将铡切长度为20mm～50mm的农作物秸秆压制成截面尺寸为（32×30）mm、长度20mm～80mm的高密度成型块。由于在压制过程中产生高温、高压，饲料有浓郁的糊香味，适口性好，牛羊采食率100%。秸秆压缩后，体积成倍减小，便于长期存放和运输，是将牧草秸秆商品化的理想设备。
3.2 生产经济效益分析
环模平直式秸秆固化成型技术与其他同类型技术相比具有作业性能好、工作稳定等特点，该技术推广后深受广大用户的欢迎。按年生产量200台计算，每台机具售价8.5万元，对生产该机的经济效益分析如下：
产品单位成本概算（每台成本）：64000元
批量生产经济效益：年产量200台，每台售价85000元
⑴年销售收入：85000×200=1700万元
⑵产品销售成本：64000×200=1280万元
⑶年毛利=年销售收入-年销售成本=1700-1280=420万元
⑷年税金=每台税金×年产量=85000×5%×200=85万元
⑸年净收入=年毛利-年税金=420-85=335万元
⑹销售利润率= 年净收入÷年销售收入= 335÷1700=19.71%
3.3 使用经济效益分析
使用环模平直式秸秆固化成型技术，可直接为种植户创收80元/667㎡～100元/667㎡。购机户使用该机后，每小时可生产秸秆固化成型0.8t～1.5t，1t秸秆收购价为100元左右，加工固化成型后1t可售价400元。扣除人工费、电费、折旧费等费用约为100元/t。即加工1t固化成型可创收200元。一台机器每年可工作40d左右，即可加工300t固化成型。一台机器每年可创收6万元。购机户1.5年可收回投资成本，经济效益显著。
3.4 社会效益
环模平直式秸秆固化成型技术具有秸秆综合利用效率高、机具适应性强、生产效率高和作业质量好等优点。可减少因农作物秸秆焚烧而造成的空气污染，对保护环境，促进农业的可持续发展有着十分重要的意义；采用秸秆压块饲料喂养牛羊，实现秸秆过腹还田，牛羊粪便可制作生物有机肥料，有利于农业生态循环。
4 结论
环模平直式秸秆固化成型技术先进实用，在提高生产效率、降低劳动强度等方面有明显优势，是当前国内较为先进的秸秆综合利用技术。该技术推广应用可大大提高秸秆综合利用效率，降低农民劳动强度，增加农户经济收入，其经济社会效益十分显著，推广前景极为广阔。
参考文献
[1]张洁.浅析环模平直式秸秆固化成型技术及市场需求[J].现代农业装备，2012（03）
[2]刘延春，张英楠，刘明，张启昌，董征.生物质固化成型技术研究进展[J].世界林业研究，2008（04）
[3]陆建，穆泉.秸秆压块成型技术研究分析[J].江苏农机化，2011（04）
固化成型工艺 篇4
我国的农作物秸秆资源非常丰富, 每年秸秆的产量都会超过7亿t, 其中约3.5亿t秸秆能够作为能源利用, 是无污染的可再生能源。但是, 因为秸秆的利用途径和燃烧方法比较陈旧和单一, 燃烧效率低, 甚至在一些粮食主产区都会出现就地焚烧秸秆的现象, 使秸秆资源严重浪费, 同时也加重了大气污染。生物质能的转化和研究已经受到各方面的重视, 这其中的秸秆固化成型燃料技术是一种将广大农村数量庞大而松散的秸秆制成高密度、可取代煤的优质燃料的技术。因此, 对生物质 (主要是秸秆) 固化成型工艺参数的研究, 确定影响生物质成型因素, 对于固化成型后燃料固体块的物理性能、燃烧性能、经济性能和节能特性意义重大。
1 研究内容
本试验研究的目的在于测出玉米秸秆高密度固化成型的最佳含水量、最佳温度、最佳压力, 在高密度固化成型时性能方面存在的区别。通过对高密度秸秆固化成型工艺参数 (含水率、成型温度、成型压力) 的研究, 详细探讨了含水率对成型的影响及确定成型的最佳含水率;成型温度对秸秆成型的影响及确定最佳成型温度范围;成型压力对秸秆成型的影响及确定最佳的成型压力范围。
2 试验方法
影响秸秆固化成型的因素很多, 本试验采用定性的方法, 在其他条件不变的情况下, 研究某一因素对秸秆高密度固化成型的影响。
(1) 在原料的成型温度、粒度、含水率、成型压力、成型锥套的锥长和锥角、成型周期、摩擦力及喂入频率等因素保持不变的情况下, 测出材料在不同含水率条件下 (8%、12%、16%、20%和24%) 秸秆成型棒的成型效果, 分析试验结果, 并得出秸秆固化成型的最佳含水率 (以玉米秸秆为试验材料) 。
(2) 与第一个试验相同, 在其他条件不变的情况下, 测出秸秆在不同成型温度下 (150～600 ℃) 的固化成型情况, 分析得到的结果, 并得出秸秆固化成型的最佳成型温度 (以玉米秸秆为试验材料) 。
试验前, 用电子天平称出每次试验用物料的质量, 然后向套筒内填充物料, 同时用捣杆进行捣实直至套筒填充满物料。试验中, 除了保持试验研究因素以外的其他影响因素水平不变, 还要研究每次试验主要考察因素对试验结果的影响。
3 试验过程与结果分析
3.1 不同含水率对秸秆固化成型的影响
原料的含水率是生物质致密成型过程中一个需要严格控制的重要参数, 含水率过高或过低时, 对原料的成型效果都会有影响。研究表明, 含水率在15%左右, 成型燃料密度最高, 小于或大于该数值成型效果都不理想。含水率过低不能成型是由于此时的粒子水分不够, 无法充分延展导致不能紧密地与周边粒子结合;含水率过高不能成型, 是由于粒子虽然可以充分延展垂直于最大主应力方向, 也能啮合, 但由于水分含量过高, 使得水分被挤压出颗粒后分布于粒子层之间, 使粒子层间结合不紧密。压块被挤出时沿轴向膨胀就是水分过高的一个例证。
试验的主要目的是总结出某一种原料 (以玉米秸秆为例) , 在影响秸秆固化成型其他因素不变的情况下, 不同含水率对其成型效果的影响 (以表面粗糙度和成型压块的密度作为评价指标) 。将5.5%、6.3%、8%、14.8%、15.2%、17.1%、20.4%、49.1%共8种含水率的玉米秸秆分别取样品封存, 试验结果见表1。
由表1可得出, 秸秆固化成型受含水率影响明显。观察压块的成型效果, 在某一压力下, 含水率在5%～15%之间时, 一般都可以得到相对较好的效果;当数值到达17.1%, 效果逐渐变差, 成型燃料表面开始出现一些微小裂纹;当数值达到20.4%, 原料会因为其含水率太高导致颗粒粘结困难, 表面有较大裂纹出现;当数值增大到49.1%, 不管在何种状态下原料都不会成型, “放炮”现象偶尔发生, 使原料成型无法继续, 这种现象会带来不同程度的危险性。
因此, 生物质致密成型时, 含水率最好控制在5%～15%范围内, 成型块的性能指标较好, 此种状态下的成型率、压块密度、成型效率、表面粗糙度等指标均较为理想。偏大或偏小的含水率使成型块的性能下降。含水率过低, 物料不能很好结合, 不利于木质素的塑化和热量的传递;而含水率过高, 则使物料间的结合趋于松散、缝隙变大, 导致成型块易吸水解离, 同时挤压过程中物料的水分受热蒸发, 大量的水汽通过成型筒迅速排放, 使物料难以成型。
3.2 不同成型温度对秸秆固化成型的影响
试验主要目的是考察同一种原料在不同成型温度作用下的成型效果, 得出较好成型效果所需的最佳温度范围。
玉米秸秆在自然风干状态下测得含水率7%, 粒度主要分布在5～40 mm之间, 其他因素不变只改变温度值, 再进行试验, 数据记录见表2。从表中可以看出, 秸秆固化成型除了受含水率影响明显外, 成型的温度对其影响也很大。过低的成型温度 (≤200 ℃) 使传入出料筒内的热量过少, 不足以使原料中木质素塑化, 而且加大了原料与出料筒之间的摩擦, 造成出料筒堵塞, 无法成型;过高的温度 (≥280 ℃) 使原料分解严重, 而且输送过快, 不能形成有效的压力使其成型。
由以上结论可以得出, 玉米秸秆的适宜成型温度为240～260 ℃。上述现象主要是由于加热使原料的木质素软化, 起到粘结剂的作用, 另一方面使原料变软, 容易压缩。同时, 240 ℃达到了物料玻璃化转变温度, 增强木质素等物质的活性, 使成型块具有更好的耐久性。在加热温度较高时, 考虑物料与成型筒内壁摩擦产生热能, 使成型块局部温度升高, 尤其对成型块径向抗变形性有一定影响, 故选取成型温度在250 ℃左右较适宜。
3.3 不同压力对秸秆固化成型的影响
试验主要目的是考察同一种原料在不同压力作用下的成型效果, 得出较好成型效果所需的最佳压力范围, 保持影响秸秆固化成型的其他因素不变 (含水率取7%) , 只改变压力值 (100～600 bar) 的情况下进行试验, 记录试验数据并分析, 试验数据记录如表3所示。
总体来说, 玉米秸秆的致密成型效果还不错, 表面光洁, 只是低压时, 密度较小, 成型压块强度不够容易断裂, 无法满足运输和贮存的要求;在大于125 bar时, 成型效果好转, 表面光洁, 密度增大, 强度高, 完全可以满足运输和贮存的要求。这是由于随着压力的增大, 分子间的作用力加强, 使物料变得致密均实, 成型块物质的结合力增大, 结合强度提高, 致密度大。可以观察到, 压块的密度随着压力的增加变化幅度不太大, 更趋于一恒定值, 压缩比集中在8～9之间。同时, 考虑成型压力过大对设备的要求相应提高, 而对提高成型块性能不明显, 易造成能源浪费, 选取成型压力为 200～400 bar较为经济适宜。多个压力情况下的压块比较如图1。
由记录数据和实物观察可以得出结论, 玉米秆在自然干燥状态下 (含水率7%) , 成型的最佳压力范围为150～600 bar。在这个压力范围内, 秸秆固化成型燃料的质量和性能都相对较好。
4 结论
本研究对秸秆类生物质的高密度固化成型因素 (含水率、成型温度、成型压力、原材料的种类) 进行工艺优化, 试验中也对这些因素着重考虑, 并进行了大量的试验, 主要得出以下结论:
(1) 当生物质原料的含水率在5%～15%范围内可使原料得到较好的成型效果。给出这一范围而不是具体的数值, 主要是因为在实际的生产中, 情况复杂多变, 而且生物质原料的含水率不容易控制, 只要保持在这一范围内就可以使原料得到很好的成型效果, 所以降低了实际生产中的操作难度, 在保证不降低产品质量的同时使生产活动简单易行。
固化成型工艺 篇5
在共固化液体成型工艺中采用了两种树脂体系,即预浸料用树脂和液体成型用树脂,而对于同时采用多种树脂作为复合材料基体的情况,不同树脂体系之间性能的匹配需要重点关注。国内外对共注射RTM工艺[3,4,5,6](采用两种及两种以上的液体成型用树脂同时注入模具并浸渍纤维)的成型过程和材料性能匹配性进行了研究,但共固化液体成型工艺鲜见报道,亟待开展相关的材料和工艺研究。
本工作采用共固化液体成型工艺,制备了炭纤维复合材料层板,分析了预浸料铺层和液体成型层的复合过程,并通过Ⅰ型层间断裂韧性(GⅠC)和层间剪切性能研究了预浸料/液体成型层的界面性能和纤维取向对界面性能的影响,研究结果对于该类复合材料的铺层设计和性能评价具有指导意义。
1 实验材料及方法
1.1 原材料与设备
原材料:单向炭纤维/环氧树脂预浸料,树脂质量分数38%,固化制度为130℃×2h,固化后Tg为116℃;炭纤维三轴向织物[0/45/90],面密度417g/m2;双酚A型环氧树脂,无锡树脂厂;改性多元胺固化剂,自制。
设备:力学试验机,Instron 5565-5kN;扫描电子显微镜,Apllo 300;光学数码金相显微镜,BX51M;流变仪,GEMINI-200。
1.2 实验方法
1.2.1 复合材料层板的制备
预浸料真空袋成型:将裁好的预浸料按顺序铺层和预压实,真空袋封装后在烘箱内抽真空加热130℃固化2h。层板共24层,铺层方式为[(45/90/-45/0)3/(0/45/90/-45)3],层板尺寸为270mm×200mm,固化后厚度3.33mm。
真空灌注工艺:将裁好的炭纤维多轴向织物按顺序铺层,铺覆导流网等辅助材料并用真空袋封装,60℃下抽真空灌注树脂,灌注完毕后保持真空压放入烘箱加热130℃固化2h。层板由8层三轴向织物组成,铺层方式为[(45/90/-45)/(0/45/90)/(-45/0/45)/(90/-45/0)/(0/45/90)/(-45/0/45)/(90/-45/0)/(45/90/-45)],层板尺寸为270mm×200mm,固化后厚度3.43mm。
共固化液体成型工艺:如图1所示,设计预浸料层和液体成型层的厚度相等,将12层预浸料铺层、4层三轴向织物的液体成型层铺叠作为预成型体,预浸料铺层位于液体成型层下方。在液体成型层上方铺覆导流网等辅助材料后用真空袋封装,并抽真空压实纤维。然后在60℃下灌注树脂,树脂沿导流网对多轴向织物浸渍,灌注结束后保持真空压将模具放入烘箱加热130℃固化2h。共固化液体成型层板尺寸为270mm×200mm,固化后厚度3.36mm。
1-Vacuum bag; 2-Distribution media; 3-Peel ply; 4-Multiaxial fabric; 5-Prepreg; 6-Mold; 7-Teflon film; 8- Tacky tape
为了考察纤维取向对预浸料/液体成型层界面性能的影响,制备了不同铺层方式的层板,其中预浸料层为准各向铺层,预浸料/液体成型层界面处的预浸料纤维取向角度与多轴向织物的纤维取向角度见表1,由左至右依次为预浸料层和液体成型层。
1.2.2 力学性能测试
成型层板前,用0.03mm厚的聚四氟乙烯薄膜(Teflon film)作为预埋物放置于液体成型层和预浸料层之间(层板厚度的中间位置),用于制造起始分层,见图1。固化后切割试样,尺寸为150mm×25mm,预埋物形成的有效分层长度为50mm。按照ASTM D 5528测试GⅠC,如图2所示,横梁位移速率为1mm/min。
(a)裂纹未扩展;(b)裂纹扩展;(c)裂纹扩展至末端
(a)before crack growth;(b)crack growth;(c)crack growth to the end
根据加载至预埋物末端时的载荷和位移计算临界GⅠC,此时分层长度a=50mm。卸载后第二次加载记录扩展至不同裂纹长度时的载荷和位移并计算扩展GⅠC,裂纹扩展如图3所示。
随着裂纹扩展,试样会呈现出典型的阻抗式断裂行为,计算的扩展GⅠC开始单调递增而后随着分层扩展趋于稳定,随分层长度变化的GⅠC的曲线,称为R阻抗曲线,用以表征试样的分层起始与扩展的能量释放率的变化。
在没有夹杂聚四氟乙烯薄膜的层板区域取样,试样尺寸为25mm×6mm,按JC/T 773—82(96)测试短梁抗剪强度。
1.2.3 显微观察
对固化的层板选典型位置取样,打磨、抛光后在光学数码金相显微镜下观测层板内部树脂、纤维分布及缺陷状况。
取层间断裂韧性测试后的试样,置于扫描电子显微镜下观察裂纹扩展面纤维与树脂的黏结情况。
2 结果与讨论
2.1 共固化液体成型工艺分析
为了分析共固化液体成型工艺的特点,本工作将其与预浸料成型层板和液体成型层板进行比较,研究了纤维分布与树脂流动的情况。
由图4中的显微照片可以看到,共固化液体成型层板的预浸料层内和多轴向织物层内的纤维排列紧密,预浸料/液体成型层的层间富树脂区(图4(c)线框内的层间)没有预浸料成型层板的明显,而与液体成型层板的情况相近,同时层板内的缺陷较少,表明共固化液体成型工艺中,树脂浸润和流动充分,层板的密实质量较好,同时也说明两种树脂的工艺性匹配良好。
(a)预浸料层板;(b)液体成型层板;(c)共固化液体成型层板
(a)prepreg laminate;(b)fabric laminate processed by LCM;(c)laminate processed by co-cured LCM
根据图5的升温黏度曲线,液体成型用树脂有较长的低黏度区间,在注射温度60℃时树脂黏度为0.15Pa·s,此温度下预浸料树脂黏度为10Pa·s左右,相差2个数量级。在树脂灌注过程中,预浸料/液体成型层的界面处两种树脂会发生相互的扩散和融合,但由于预浸料用树脂的黏度较大,纤维排列也比较紧密,可以认为树脂的相互扩散主要限于预浸料层和液体成型层交界处的层间位置。
2.2 共固化液体成型层板的层间性能分析
共固化液体成型层板中预浸料/液体成型层的层间界面是其特有的结构,本工作采用Ⅰ型层间断裂韧性评价此处的层间抗损伤性能,并与预浸料成型层板和液体成型层板进行比较。
分层处两层纤维取向为[0/0]的情况下,不同工艺制备的复合材料层板的GⅠC值如图6所示。可以看到,对于分层长度a=50mm时的临界GⅠC值,液体成型层板的GⅠC值最大,预浸料成型层板的GⅠC值较小,共固化液体成型层板的GⅠC与预浸料层板相当。由于聚四氟乙烯薄膜是不透胶材料,如图1所示,共固化液体成型时,预埋物的区域没有两种树脂的相互扩散,因此对于分层扩展至预埋物长度的共固化层板临界GⅠC值由抗裂纹扩展能力较弱的一方决定。
随着分层长度的增加,共固化液体成型的GⅠC值处于预浸料层板和液体成型层板的GⅠC值之间,这是因为分层长度大于50mm的区域没有夹杂预埋物,预浸料/液体成型层的界面存在两种树脂的扩散和融合,其裂纹扩展能量释放率受到两种树脂性能的综合影响,处于预浸料层板和液体成型层板GⅠC值的中间水平。
图7给出了GⅠC分层断面形貌SEM照片,对于预浸料成型层板,纤维表面光滑,有少量树脂黏附,说明树脂/纤维黏结较弱;对于液体成型层板,纤维表面比较粗糙,有大量树脂黏附,说明树脂/纤维黏结较强。
(a)预浸料层板;(b)液体成型层板
(a)prepreg laminate;(b)LCM laminate
图8是共固化液体成型层板的GⅠC分层断面形貌SEM照片,在预浸料分层面,纤维表面比较光滑,有较少树脂黏附,在液体成型织物的分层面,纤维被树脂包覆,裂纹扩展使得树脂有大量河流状花样。这间接说明成型过程中预浸料/液体成型层界面处两种树脂的相互扩散程度较小,扩散存在于层间没有渗透到层内,因此其分层后两侧的形貌差异较大,这与2.1中的分析是一致的。
(a)预浸料层;(b)液体成型层
(a)prepreg layer;(b)LCM layer
进一步通过短梁抗剪强度分析不同复合材料层板的层间性能,见图9。共固化层板的短梁抗剪强度与液体成型层板相近,低于预浸料层板,即短梁抗剪强度由性能较弱的材料体系决定。另外,三种层板的层剪破坏模式一致,试样中心首先破坏发生分层,随着加载分层向外扩展并会穿过层间,并倾向于沿0°铺层方向扩展,最终分层多在0°铺层与其上方铺层之间。
2.3 界面处纤维取向对GⅠC的影响
分层是复合材料层板的主要损伤模式,许多学者研究了不同铺层下层板的层间断裂韧性,探讨了纤维取向对层间断裂韧性的影响[7,8,9,10]。对共固化液体成型层板,预浸料/液体成型层界面处的纤维取向角度可以作为铺层设计的参量,并且由于共固化层板在材料和结构上具有特殊性,纤维取向对层间性能的影响规律可能与传统的层合板不同。因此本研究通过测试不同铺层方式的共固化液体成型层板的Ⅰ型层间断裂韧性,分析了预浸料/液体成型层界面处纤维取向角度对层间性能的影响,纤维取向角度的设计见表1。
不同纤维取向角度下,共固化液体成型层板的临界GⅠC如图10所示。预浸料/液体成型层的界面处预浸料纤维方向均为45°时,可以看到纤维取向为[45/0],[45/90]的层板GⅠC值较高,即铺层相差45°时有着更高的临界GⅠC值;预浸料/液体成型层的界面处液体成型层纤维方向均为0°时,比较纤维取向为[0/0]和[45/0]的层板,铺层相差45°时有着更高的GⅠC值。因此预浸料/液体成型层界面处的纤维取向相差45°比同向铺层有更高的抵抗开裂的能力。
不同纤维取向角度下,共固化液体成型层板的分层阻抗曲线如图11所示,可以看到,分层长度在55～65mm范围内,纤维取向[0/0]的GⅠC值最低,[45/0],[45/45],[45/90]层板的GⅠC值相当。分层长度大于65mm后,[45/45],[45/90]层板的GⅠC值已趋于一恒定值,[45/0]层板的能量释放率仍不断增大并明显超过了其他铺层。实验中发现分层长度大于65mm后,纤维取向[45/0]试样的测试中发生偏轴分层和不稳定扩展,使得GⅠC值偏大,不能再真实反映层间的抵抗裂纹扩展能力。总体上看,[45/90]有着更高的扩展GⅠC值,抵抗裂纹扩展能力更强。
根据上述分析可以看出,纤维取向对共固化层板的层间断裂韧性影响很大,本实验范围内,[45/90]纤维取向的情况有着最大的临界GⅠC值和较大的扩展GⅠC值,即[45/90]层板有着较高的层间断裂韧性。
3 结论
(1)采用共固化液体成型工艺成型的层板层内纤维密实,层间富树脂区不明显,且缺陷较少,表明两种树脂的工艺性匹配良好;两种树脂在界面处发生了相互的扩散,但由于黏度差异大,扩散主要发生在层间而没有深入到层内。
(2)受预浸料/液体成型层界面处两种树脂扩散的影响,共固化层板的预浸料/液体成型层间的GⅠC值处于预浸料层板和液体成型层板的平均水平;共固化层板的短梁抗剪强度由短梁抗剪强度较小的一方决定。
(3)共固化层板的预浸料/液体成型层界面处的纤维取向对层间断裂韧性有着明显的影响,纤维取向相差45°比同向纤维铺层有更高的临界GⅠC值和扩展GⅠC值;实验范围内,纤维取向为[45/90]的层间断裂韧性最高。
参考文献
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固化成型工艺 篇6
1 建立“2+X”多元化利用模式
该区积极推行以秸秆机械化还田与固化成型利用为主, 以秸秆气化、编织草帘、培植蘑菇等其他多种利用形式为补充的“2+X”秸秆利用模式, 将秸秆变废为宝, 全面禁止秸秆露天焚烧或弃置河道。对秋季水稻秸秆突出固化成型利用, 建立了考核激励机制。对购买秸秆固化成型设备的, 优先安排农机购置补贴资金;对秸秆固化生产用电, 给予农用电价优惠;对投产的秸秆固化成型利用生产线, 每条给予3万元财政补贴。
2 建立“企业+农机大户”实体化投资模式
该区在秸秆固化成型利用生产线建设中, 紧抓一个关键环节, 即选好投资主体, 积极引导有能力、有信誉、有眼光、有决心的企业及农机大户投资建设秸秆固化成型利用生产线。淮安市天益食品有限公司在该区和平镇后左村成立雨茂现代农业有限公司, 利用原前左小学废弃校舍建设了7条秸秆固化成型利用生产线。农机大户董士春牵头成立了惠民生物质科技有限公司, 建设了4条秸秆固化成型利用生产线。农机大户方立义牵头成立开源秸秆利用专业合作社, 注册资金1 052万元, 入社农户238户, 建设了2条秸秆固化成型利用生产线。
3 建立“农户+经纪人”网络化收运模式
秸秆固化成型利用生产线建成后, 能否真正发挥作用, 在很大程度上取决于秸秆收购、运输和贮放。为此, 清浦区在各行政村建立了秸秆收运经纪人队伍, 开辟了秸秆收运“绿色通道”, 由农户将秸秆集中堆放或送至经纪人指定场所贮放, 再由经纪人将其运至秸秆固化利用场所。为充分调动农户和经纪人积极性, 该区明确秸秆保底收购价为160元/t, 并对经纪人按贡献大小给予适当财政补贴。
4 建立“部门+乡镇”优质化帮办模式
煤炭成型固化对其粘结指数的影响 篇7
潞安司马瘦煤为九、十级冶炼精煤, 煤质特征为低灰、低硫、低磷、高热值, 挥发分Vdaf为15%～17%, 粘结指数G为35～60。主要用于冶金工业, 用户包括武钢、鞍钢、宝钢、天津铁厂等。新老用户对瘦煤的评价很好, 但某些路途远、中转多的用户, 从煤矿发煤到使用时间很长, 有些用户煤到后还要储存一个月或更长时间, 受这些因素的影响, 使煤的粘结性发生显著变化, 部分煤甚至完全失去粘结性。
1 煤炭扬尘污染的形成及危害
煤炭扬尘是指散煤在风力或其他自然力、机械力、人类活动扰动下, 再次或多次进入空气的颗粒物。在煤炭运输中, 扬尘使铁路沿线形成一条污染黑带, 沿线50～100 m范围内农作物的生长受到影响。特别是在列车进入隧道入口处, 煤炭扬尘和飞溅更为严重, 在散煤表面距车厢上部有15 mm超高的情况下, 扰动气流甚至能将粒径4～5 mm的煤炭颗粒刮出车体, 散落到线路上的煤层很快超过轨顶, 经列车不断碾压, 形成二次扬尘。列车通过隧道时, 隧道内的粉尘浓度会达到令人窒息的地步, 能见度不足10 m, 若隧道内煤粉尘浓度达到爆炸浓度范围 (煤粉尘爆炸浓度下限为114 mg/m3) , 在遇到接触网放电或列车制动产生火星等明火时会引发爆炸事故, 危及行车安全。
2 瘦煤粘结指数变化的原因
粘结指数是烟煤分类的主要指标, 对于确定烟煤的种类, 判断单种煤质量优劣, 确定经济合理的配煤比, 研究配合煤质量变化, 预测和提高焦炭质量十分重要。
对于潞安司马瘦煤, 在堆放过程中, 其粘结指数随风化时间延长呈下降趋势。用户采用风化的瘦煤进行配煤炼焦时, 首先要确定风化瘦煤的粘结指数, 否则将影响配煤质量;风化瘦煤直接用于锅炉燃烧时, 司炉工感觉到压火, 不好用, 其原因并非煤质差, 而是因放置时间太长使优质煤变成了劣质煤, 粘结性丧失, 高热值煤变成了低热值煤。
3 解决问题的方法
如果将煤压制成块固化, 不但可以解决火车沿途扬尘污染问题, 同时因散煤经过加压固化后, 煤颗粒之间的空隙变小, 从而降低了空气对煤的风化作用。实验研究了潞安司马瘦煤加压成型后放置若干天数, 与自然堆放的煤相比, 粘结指数的变化情况。
3.1 实 验
(1) 采集当天出井的瘦煤100 kg, 尽快用5 MPa压力将其压制成5个长、宽、高分别为200 mm、200 mm、140 mm的煤砖, 每个煤砖的质量约7 kg。剩余部分平均分成5份于室内自然堆放成圆锥形。
(2) 试验期选在北方冬季, 即12月1-15日, 室内温度20～25 ℃, 不受风雨等气候影响。
(3) 第1、3、6、10、15天分别破碎一个成型煤块并缩分一堆自然堆放煤, 严格按《GB474-83煤样制备方法》进行操作, 制出粒度小于0.2 mm, 符合国标要求的测定粘结指数的分析煤样。
(4) 选用吴江煤矿电器厂生产的粘结指数测定仪测定不同放置时间的固化型煤与散煤的粘结指数, 测试用无烟煤取自宁夏汝箕沟煤矿专用无烟煤。实验结果见图1。
3.2 结果与讨论
(1) 从图1可以看出, 对于司马瘦煤, 无论是加压成型, 还是自然堆放, 其粘结指数都会随着放置时间的延长而降低, 放置10 d后, 粘结指数都降到了一半以下。这是因为成型固化的司马瘦煤, 并没有置于与空气隔绝的真空状态, 成型的煤样还是会受到环境的影响, 风化作用仍然会使其粘结指数下降。
(2) 从实验结果可以看出, 加压成型后司马瘦煤的粘结指数比自然堆放煤的粘结指数下降缓慢, 所以加压成型对保留司马瘦煤的粘结指数具有一定的作用。这是因为散煤经过加压固化后, 煤颗粒之间变得致密, 降低了环境空气对煤的侵蚀、风化作用, 使得粘结指数下降趋势变缓。
(3) 随着时间延长, 司马瘦煤存放超过15 d以后, 加压成型和自然堆放煤样的粘结指数都下降到相等的数值 (约15) 后不再下降, 这是司马瘦煤特有的性质。
摘要：散装煤在运输过程中对铁路沿线的污染严重, 而且受风化影响, 瘦煤的粘结指数下降较快;对司马矿瘦煤进行加压固化成型实验的结果表明, 与自然堆放的瘦煤相比, 其粘结指数下降幅度变缓, 而且避免了运输过程中对环境的污染。
固化成型工艺 篇8
生物质能是蕴藏在生物质中的能量,是绿色植物通过叶绿素将太阳能转化为化学能而贮存在生物质内部的能量。生物质能仅次于煤炭、石油和天然气,居于世界能源消费总量第4位。据专家预测,生物质能极有可能成为未来可持续能源系统的重要组成部分,到21世纪中叶,采用新技术生产的各种生物质替代燃料将占全球总燃料消耗的40%以上。由于生物质替代燃料具有无污染、可再生等显著特点,因此日益受到各国的重视。随着我国经济的不断发展,能源短缺问题显得日益突出,为了解决能源危机、减轻环境污染、保护生态环境,开发利用生物质能显得尤为重要。
目前,世界农作物秸秆年产量超过20亿t。我国作为农业大国,秸秆资源十分丰富,而且逐年递增。目前,我国的秸秆产出量已超过7亿t,折合成标煤约为3.5亿t,相当于7个神东煤田,全部利用可以减排8.5亿t二氧化碳,相当于2007年全国二氧化碳排放量的1/8。随着国家明确提出到2015年秸秆综合利用率在80%的行动目标,我国秸秆资源化驶入快车道。以“秸秆能源”为代表的生物质能利用,在大力发展低碳经济的背景下,进入人们的视野。
生物质固化成型燃料是将作物秸秆、稻壳、木屑等农林废弃物粉碎后,送入成型器械中,在外力作用下,压缩成需要的形状;然后,作为燃料直接燃烧,也可进一步加工,形成生物炭。在国外,该生产方法已经成熟,如丹麦、德国、比利时、美国、日本等国家已实现了工厂化生产,其产品主要用于取暖炉、锅炉发电等。目前,我国研究和开发出的生物质固化成型机也已应用于生产,生产的致密成型燃料,也已应用于取暖和小型锅炉。经测定,该种燃料排放的污染物低于煤的排放,是一种高效、洁净的可再生能源。
1 秸秆固化燃料优点
1.1 应用便利,易于贮运
固化成型法与其它方法生产生物质能相比较,具有生产工艺、设备简单,易于操作,生产设备对各种原料的适应性强以及固化成型的燃料便于贮运(可长时间存贮和长途运输)和易于实现产业化生产和大规模使用等特点。另外,对现有燃烧设备,包括锅炉、炉灶等,经简单改造即可使用。成型燃料使用起来方便,特别对我国北方高寒地区,炕灶是冬季主要的取暖形式,在广大农村有传统的使用习惯,成型燃料也易于被老百姓所接受。
1.2 替代煤炭,保护生态环境
预计到2020年,中国的GDP可能达到5万亿美元,能源需求25～30亿t标煤。其中,仅石油缺口达1.6～2.2亿t。大量燃烧一次性能源,排放大量的SO和CO2等,对环境造成污染,加剧了地球温室效应。我国目前农作物秸秆年产量约为6亿t,折合标煤3亿t,其中53%作为燃料使用,约折合1.59亿t标煤。如果这些原料都能固化成型有效开发利用,替代原煤,对于有效缓解能源紧张,治理有机废弃物污染,保护生态环境,促进人与自然和谐发展等均具有重要的意义。
1.3 提高能源利用率
直接燃烧生物质的热效率仅为10%～30%,而生物质制成颗粒以后经燃烧器(包括炉、灶等)燃烧,其热效率为87%～89%,热效率提高57～79个百分点,节约了大量能源。不同类型的生物质固体成型燃料如图1所示。
2 生物质固化燃料致密成型原理
植物质原料中含有纤维素、半纤维素、木素、树脂和蜡等物质。一般在阔叶木、针叶木中,木素含量为27%～32%(绝干原料)、禾草类中含量为14%～25%。现在知道木质素是具有芳香族特性的结构,单体为苯基丙烷型的立体结构高分子化合物,不同种类的植物质都含有木质素,而其组成、结构不完全一样。在常温下木质素主要部分不溶于有机溶剂,它属于非晶体,没有熔点但有软化点,当温度为70～110℃时软化具有粘性。当温度到达200～300℃时成熔融状,粘性高,此时加以一定的压力使植物质各部分粘结在模具内成型。对植物质原料加热软化,也利于减少成型的挤压力。燃料可按用户要求,使用不同规格的模具,制成多种规格尺寸的成型燃料品。因此,现代的压缩成型设备尤其是生物质成型块较大的机械,多在成型模的末端,用电阻丝加热,达到既成型又减少阻力的目的。
3 生物质压缩成型原理
生物质的基本组织是纤维素、半纤维素和木质素,它们有一个共同的特点,是在适当的温度(通常为200～300℃)下会软化,此时如施加一定的压力,使其紧密粘结,冷却后即固化成型。生物质固体成型燃料就是利用生物质的这种特性,用压缩成型机械,将经过干燥和粉碎过的松散的生物质废料在超高压(0.5～1t/cm2)的条件下,靠机械与生物质废料之间及其生物质废料相互之间摩擦产生的热量或外部加热,使纤维素、木质素软化,经挤压成型后而得到的具有一定形状和规格的新型燃料。其生产工艺流程如下: 原料—(粉碎)—过筛—干燥—(混料)—成型—(冷却)—包装。
4 秸秆固化成型工艺
4.1 热成型工艺
热成型工艺是目前普遍采用的生物质固化成型工艺。其工艺流程为:
原料粉碎→干燥混合→加压成型→冷却包装
热成型技术发展到今天,已有各种各样的成型工艺问世,总的看来可以根据原料被加热的部位不同,将其划分为两类:一是原料只在成型部位加热,成为非预热热压成型工艺;二是原料在进入压缩结构之前和在成型部位分别加热,成为预热热压成型工艺。两种不同之处在于预热热压工艺在原料进入成型机之前对其进行了预热处理;但是从实际应用情况看,非预热热压成型工艺占主导地位。
4.2 常温成型工艺
此工艺为在常温先将生物质燃料颗粒高压挤压成型的过程。常温成型工艺一般需要很大的成型压力,可在成型过程中加入一定的黏结剂。如果黏结剂选择不合理,会对成型燃料的特性有所影响。从环保角度,不加任何添加剂的常温成型是现代的主流。
4.3 其他成型工艺
除了上述主要成型工艺外,还有碳化成型工艺。该工艺可以分为两类:一类是先成型后炭化;一类是先炭化后成型。先成型后炭化工艺流程为: 原料→粉碎干燥→成型→炭化→冷却包装。
先用压缩成型的机将松散碎细的植物废料压缩成具有一定密度和形状的燃料棒,然后用炭化炉将燃料棒炭化成木炭。这种工艺具有实用价值。先炭化后成型工艺的工艺流程为:原料粉碎→粉碎除杂→炭化→混合粘结剂→挤压成型→干燥→包装。
5 秸秆固化成型设备及常见机型
根据秸秆压缩成型机工作原理的不同,可将秸秆固化成型技术分为3大类,即螺旋挤压成型、活塞冲压成型和环模滚压技术。螺旋挤压成型是将已粉碎的秸秆,通过螺旋推进器,连续不断地推向锥形成型筒的前端,从而使秸秆成型。活塞冲压成型时靠活塞的往复运动实现的,在压缩工程中,通过摩擦作用或外部加热的方式,使秸秆黏结成型,成型温度为140～200℃。环模滚压成型的模具直径较小,通常小于30mm,并且每一个压膜盘片上有很多成型孔,主要用于生产颗粒成型燃料。
5.1 螺旋挤压式成型机
螺旋挤压式成型机是最早研制生产的生物质热压成型机。该机以运行平稳、生产连续等特性在市场中一直占据着主导地位。但主要有两个问题制约其发展:一是成型部件,尤其是螺杆磨损严重,使用寿命短;二是单位产品能耗高,并且生产率相对较低,成型过程对物料含水率,颗粒大小等有严格要求,因此成型工艺不好掌握。
5.2 柱塞冲压式成型机
柱塞冲压式成型机通常不用加热,原料的成型是靠柱塞的往复运动实现的,通常用于生产燃料棒或燃料块,允许原料含水率高达20%左右,粒度范围也相对较广。与螺旋挤压式成型机相比,其明显改善了成型部件磨损严重的现象,使其使用寿命有所提高,单位产品能耗也有所下降,但由于存在较大的振动负荷,所以一方面造成机器运行稳定性差,另一方面导致噪音较大,另外还存在润滑油污染较严重等问题。
5.3 辊压式颗粒成型机
辊压式颗粒成型机主要用于生产颗粒状成型燃料,不用电加热,这种机型具有构造简单、结构紧凑和使用方便等特点。压辊式成型机的基本工作部件由压辊和压模组成。其中,压辊可以绕自己的轴转动,压模上加工有成型孔,原料进入压辊和压模之间,在压辊的作用下被压入成型孔内。从成型孔内压出的原料就变成圆柱形或棱柱形,最后用切刀切成颗粒状成型燃料。根据压模形状的不同,此类成型机可分为平模成型机和环模成型机。生物质颗粒燃料体积较小,燃烧速率均匀,燃料补给和连续进料容易实现和控制。
6 存在问题及解决途径
目前,我国采用的生物质固化成型燃料的形状主要有棒状、块状和颗粒状。这几种形状燃料的加工方法均为传统生产方法,普遍存在着设备能耗过高、磨损严重和使用寿命短等问题。以生产颗粒状燃料方法为例,它与现有的生产颗粒状饲料的方法相似,即原料从设备环模内部加入,经压辊碾压挤出环模而成颗粒状。该工艺流程需要消耗大量能量,首先是颗粒压制成型过程中,压强达到50～100MPa,原料在高压下发生变形、升温,温度可达100～120℃,电动机的驱动需要消耗大量的电能;其次是原料的含水率要求在12%左右,为了达到这个含水率,很多原料要烘干以后才能用于制粒;再者是压制出来的热颗粒需要冷却,然后才能进行包装,这些工艺流程均需消耗大量能量。
要解决上述问题,可通过下列途径:一是加大科研投入,积极研发新工艺和新设备,降低能耗,减少生产成本;二是引进国外先进设备,消化吸收,形成产业化生产;三是政府扶持,对研制开发单位和用新型生物质能用户进行补贴,降低产品使用成本。
7 结论
固化成型工艺 篇9
受经济发展和人口增长的影响,世界能源消费量持续增长。据2011年6月《BP世界能源统计年鉴》得出,从2000年全球一次能源消费量93.8亿t油当量到2009年的113.6亿t油当量,10年间能源消费量年均增长率为1.75%左右。而2010年世界各地区能源消费增长加速,均高于各地区平均水平,2010年全球消费量为120亿t油当量,增幅为5.6%。从探明的储量来看,石油储量可满足45 年的需求,天然气供应可持续60 余年,煤炭可持续长达120 年。面对严峻的能源状况,能源结构已从以薪柴为主、以煤为主和以石油为主的时代正在向以天然气为主转变,同时水能、核能、风能、太阳能以及再生能源也正得到更广泛的利用,逐步形成以化石燃料为主和可再生能源、新能源并存的能源结构格局(见图1所示)。预计在2010-2040年间,可再生能源(包括太阳能、风能、地热能源和生物能)对能源增长的贡献率将从2.5%增至18%。
1 我国能源现状
2000-2020年,国家原有规划全国GDP翻两番,而能源消耗翻一番,特别是最近3年间能源需求大于规划。我国工业已进入重化阶段(如图2所示),按世界各国发展的历史规律来看,能耗迅速增长阶段似乎不可逾越。我国人均拥有的能源资源只有世界平均值的40%,石油可采储量仅占世界石油可采储量的3%左右。人均能源资源占有量仅为世界平均水平的13%,仅2010年我国能源消费为24.3亿t油当量,增幅为11.9%。我国赶超美国成为世界最大能源消费国,能源消费总量的急剧增加给我国的能源供应带来了巨大的压力。
图3为我国2010年一次能源消费结构图。由图3可以看出,我国是仍以煤为主要能源供应的国家,能源消费构成中煤炭占70%以上。据统计,我国二氧化硫排放总量的90%和烟尘排放的70%是由燃煤造成的。由此产生的大气环境污染不仅造成土壤酸化、粮食减产和植被破坏,而且温室气体排放的问题进一步突出。如果不采取有效措施,我国将面临越来越大的国际压力。
面对能源安全、可持续发展、环境保护、能源供应成本和可供应能源等诸多问题与挑战,必须调整我国的能源结构,能源供应和消费应向多元化、清洁化、高效化、全球化和市场化方向发展。可再生能源—秸秆等生物质能以其可生物降解、无毒性、具有分布广、储量大等诸多优势,正在世界部分国家和地区迅速发展。我国农作物秸秆年产量超过6亿t,可作为能源用途的秸秆折合约3亿t,相当于1.5亿t标准煤标准煤。森林和林业剩余物的资源量相当于2亿t标准煤,同时随着我国退耕还林和天然林保护政策的实施,森林和林业剩余物的能源利用量还将大幅度增加,估计到2020年资源量可达每年3亿t标准煤。秸秆作为可存储的可再生能源,为碳中性,有助于节能减排,因此大力发展秸秆燃料不但可以有效地缓解能源短缺,保护生态环境,而且拓展农业功能,提高农业效益,促进农村经济可持续地发展。
2 秸秆固化成型技术的现状
生物质能作为清洁的可再生能源正被世界各国高度关注。2006 年,我国颁布实施《可再生能源法》,编制了《可再生能源发展中长期发展规划》,制定了再生能源替代化石能源的发展战略。生物质能源综合利用的主要途径有生物质发电、生物质固体成型燃料、生物质气化燃料、生物质燃料乙醇和生物质柴油等。根据《可再生能源发展中长期发展规划》的规划目标,秸秆固化成型燃料将从2010年的100万t将发展到2020年的5 000万t,以后10年秸秆固化成型燃料在我国将得到迅猛的发展, 在技术层面上已具备了向广大农村市场大规模推广的基础。
2.1 秸秆固化成型燃料
秸秆固化成型燃料是将秸秆粉碎到一定长度后,经挤压成型设备在一定条件下制成块状体, 使得秸秆体积缩小至原来的1/15～1/8。经测算,其热值在13 395～25 116J/kg之间,即1.4 t固化成型燃料相当于1t标煤的热值,成型后的燃料性能得到极大改善,可以替代秸秆和煤等化石燃料。固化成型燃料如下的优点:
1)秸秆经压缩成型后,其比重大,体积小,密度和强度增高,便于运输和储存。
2)秸秆固化成型燃料形成的是块状体,使用十分方便,不仅易燃烧,加热升温比煤炭快,炉渣少,易清理,而且有利于环保。由于秸秆固化成型燃料燃烧CO2的净排放量基本为0,NOx排放量仅为燃煤的1/5,被称为清洁能源。
3)使用秸秆固化成型燃料的炉灶外形上与传统炉灶有一定相似性,且沿袭了农村传统的炊事方式,容易被广大农民所接受。
秸秆固化成型燃料是一种新型生物能源,可代替木柴、原煤、燃油和液化气等,广泛用于取暖、生活炉灶、热水锅炉以及工业锅炉和生物质发电等领域。
2.2 秸秆固化成型技术现状
国外生物质固化成型燃料技术研究从20世纪30年代开始。日本最早研究应用机械驱动活塞式成型技术处理木材废弃物和棒状燃料成机;美国引进颗粒成型燃料生产技术,于1987年建立了十几个颗粒成型燃料厂,年生产生物质颗粒成型燃料十几万吨,而后又在25个州兴建了日产量为250～300t的树皮成型燃料加工厂;西欧国家(如荷兰、瑞典和比利时等)在20世纪70年代又研制成功了冲压式成型机与颗粒成型机等,进而意大利、丹麦、法国、德国、瑞典和瑞士等国相继建成生物质颗粒燃料成型生产厂家30个;泰国、印度、越南与菲律宾等国在20世纪80年代也建成了不少生物质固化和碳化专业生产厂,这些国家生物质成型燃料技术已经成熟,并形成了产业化规模。
我国从20世纪80年代开始引进螺旋推进式秸秆成型机,并进行了卓有成效的研究。例如,陕西省武功县轻工机械厂研制的螺旋推进式秸秆成型机、辽宁省能源研究所研制的颗粒成型机、南京林产化工研究所研制的多功能成型机、河南农业大学机电工程学院研制的活塞式液压成型机、中国农机能源动力研究所研制的机械冲压式成型机以及黑龙江农业机械运用研究所研制的双螺杆挤出机。这些不同的固化成型技术及设备的运用,使秸秆固化成型技术得到了快速的发展,技术水平逐渐提高并趋于成熟,推动了固化成型颗粒燃料的规模化生产。现全国各省市都建立了秸秆固化成型燃料的生产企业,形成了一定的生产规模,加速了秸秆固化燃料的产业化。
2.3 秸秆固化成型的技术规范
秸秆固化大多都是采用热压成型,成型主要是由于秸秆中木质素的存在。经检测,秸秆中木质素的含量含量为14%～25%,而木质素能够联结在一起的基本条件是要有合适的成型温度。在自然含水率条件下, 木质素的软化点温度为80～130℃,当加热到70～100℃时, 木质素的粘合力开始增加, 温度达到200～300℃时可以熔融。因此,成型时秸秆的加热温度不得低于其软化点温度。秸秆成型温度对成型压强的影响如图4所示。由图4可以看出,热压成型的合适温度为140～200℃时, 成型压强为4～8MPa。成型温度过高,成型压强将逐步下降。
此外,固化成型对秸秆的含水率也有要求,但不太严格。试验表明,生物质的含水率在7%～17%之间时均有良好的成型效果,如图5所示。
若含水率过高(如大于17%),相同成型温度下,会降低生物质的传热速度,发生“放炮”现象,不能正常成型;若含水率过低(如小于6%),不仅需要较高的成型压强,也增加了秸秆烘干过程中的能量消耗。
结合区域秸秆在不同季节期间的特征,在固化成型时可以分别选择如下技术工艺流程:一是秸秆铺晒→粉碎→固化成型→储存;二是秸秆粉碎→固化成型→储存。
秸秆固化成型的技术要点是判定物料的含水率,要求秸秆的含水率必须在10%～17%之间。若含水率过高,需晾干至符合要求;如含水率过低,则在物料上均匀喷洒适量水,混匀并堆放8h以上,再检查含水率情况,直到符合含水率要求方可进行作业。
秸秆在压制成型前,先进行粉碎(切碎、揉丝)至规定长度(20～30mm)。纯小麦秸秆效果不佳,若进行麦秸秆压制时,必须加入不低于30%的稻秸秆、玉米秸秆或其他易于成型的物料,否则影响秸秆成型效果。
3 秸秆固化成型的经济性分析
固化成型原料主要有玉米秸秆、稻草、豆秸、棉秆和烟秆等可再生能源。秸秆固化成型不仅为这些废弃物利用提供了有效的途径,而且也产生了一定的经济效益。
3.1 农户效益
一般来说,每667m2地每年可产1t农作物秸秆。农户把秸秆收集并运输到当地秸秆固化成型原料的销售点,秸秆售价0.25元/kg,扣除运输成本后,农户每667m2可增加200元左右的收入。
3.2 产业效益
以江苏省太仓市沙溪镇的秸秆固化成型燃料生产线为研究对象,具体分析将来推广前景下的实际生产成本。
3.2.1 固定成本
1)设备费。
整个成型生产线(包括制粒机、粉碎机、烘干设备和铡草机等设备)费用275万元,使用5年。按照直线折旧法,则每年折旧费55万元。
2)厂房费。
厂房是租赁的,现生产企业的年租金30万元。
3)生产线维护费。
每年生产设备易损件的维修和机件润滑等维护费约为15万元。
4)固定工资费用。
管理人员10人,每月工资为3 000元,则固定工资费用为36万元。
总固定成本:FC=55+30+15+36=136(万元/年)
如果将机器设备看作一次性固定资产投资,则一次性固定资产投资约为275万元,是固定成本最主要的部分。
3.2.2 可变成本
1)原料费。
在可变成本中,占比重最大的是原料费,秸秆原料的收购价格对可变成本乃至总成本的影响很大。目前,本地自然干燥稻草秸秆收购到厂价格为240～260元/t。经测算,存放的干燥秸秆1.3t可生产1t固化燃料,则每生产1 t固化成型燃料的原料成本为: AVC1=250×1.3=325元/t。
2)能耗费。
设备生产率至少可达1 500kg/h,日运行时间最高可达20h。在正常生产时,机器每日先经过 0.5h的预热,再持续生产20h,则每日可生产30t固化成型燃料。整套设备功率为60kW,将预热考虑进去,平均运行效率为80%。当地工业平均用电电价按0.9元/kW·h,则每生产1t成型燃料的能耗费为:AVC2=60kW×1h÷80%÷1.5t/h×0.9=45元/t。
3)工资费。
两套生产线需24名固定技术工人,每人工资为80元/d。以每天生产成型燃料30t计,则每生产1t成型燃料的工资支出为AVC3=80×24÷30=64元/t。总可变成本为AVC=AVC1+AVC2+AVC3=434元/t。
3.2.3 盈亏平衡分析
考虑实际情况,比较正常的加工日为300d/a,则生产能力为9 000t/a。按照生产能力计算出的盈亏平衡销售价格为:P*=FCQ+AVC=136÷0.9+434=585.1元/t。
秸秆固化成型燃料的市场销售价格为660元/t,企业能够略有盈余。成型燃料的主要需求为工业用原料,作为煤炭等石化能源的辅助能源,农户基本上很少购买。
4 推进秸秆固化成型燃料能源化的建议
我国秸秆固化利用的产业发展起步较晚,面临着产业化基础薄弱、产品重视度不强、政策和市场环境不完善等很多问题与困难。为加速推广秸秆固化成型燃料,笔者提出如下的建议。
4.1 加强政策支持
美国、日本与欧盟等发达国家高度重视发展农村生物质能产业,并制定了相应的扶持产业发展政策法规和战略措施,形成了石化能源的替代能力与体系。按照国家国办发[2008]105号《关于加速推进农作物秸秆综合利用的意见》、财建[2008]735号《秸秆能源化利用补助资金管理暂行办法》的精神,应抓紧出台秸秆综合利用的地域性法规和战略规划,建立终端用能设备能效标准和知识体系,通过政府驱动与财税支持等多种措施,加速推进秸秆固化燃料的产业发展。
4.2 加强政府的引导与投入
为确保生物质能源发展目标的实现,日本实行了可再生能源强制性市场配额制度,并对可再生能源实行投资补贴和税收优惠等政策。我国可借鉴其产业发展措施的成功经验,加大产业扶持和资金配套力度,对秸秆固化燃料生产企业提供用电与税收等方面的优惠。
4.3 加强规划指导
开展秸秆资源调查,编制秸秆综合利用中长期发展规划;根据资源分布情况,统筹考虑综合利用项目和产业布局,加快建设秸秆收集体系;建立以企业为龙头,农户参与,县、乡(镇)人民政府监管,市场化推进的秸秆收集和物流体系;建设必要的秸秆储存基地,实施技术示范和产业化项目。
5 结语
推广秸秆固化成型燃料,一方面能有效地解决秸秆过剩问题,改善村庄和家庭环境卫生,消除村中乱堆乱放秸秆现象以及火灾隐患;另一方面避免大量秸秆在田地内的直接焚烧所引起的土壤熟化、烧焦、土壤表层水分烧干等一系列问题,有利于保护土壤。同时,秸秆固化成型燃料的应用提高了供能品位,改善了农村传统炊事采暖用能方式, 提高了用能水平,既合理地利用了生物质能源,又有效地节约了我国的不可再生资源的消耗,具有广阔的发展前景。
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