生物质颗粒冷态致密成型热质传递机制研究

Theory of densification under cold condition for biomass pellet is held in high regard by relevant scholars and researchers both at home and abroad, but many essential issues remain to be addressed for this technology. For example, internal relationships between compression stress and rheological at densification process, internal relationships between thermal effects and pellet quality, and internal relationships between combined stress and thermal effects and adhesion mechanism. In the proposed project, experimental study and theoretical analysis will be conducted on the rheological properties of densification under cold condition at different stage of biomass pellet production, combining elastic-plastic mechanics, tribology, and the theory of heat and mass transfer. The effects of compression stress will be investigated to reveal the evolution of biomass feedstock at different stage of densification process. Thermal effects such as friction and deformation heat formation on the softening and bonding of biomass feedstock during the densification process and final pellet quality will be investigated. The interaction of heat and mass transfer during the densification process, its effect on micro-scale stress, strain, and temperature fields will also be studied to reveal the combined stress and thermal effects on the characteristics of biomass pellet, biomass feedstock microscopic binding mechanism, and adhesion mechanism of densification under cold condition.

生物质颗粒致密冷态成型理论研究受到国内外学术界的重视，但许多关键问题还未得到解决，如压应力与成型过程流变、热效应与成型燃料品质、热力耦合条件与成型燃料粘接机制等的内在联系。本项目根据生物质颗粒冷态致密成型不同阶段特点，依据弹塑性力学、摩擦学、传热学等理论，采用实验研究和理论分析相结合的方法，开展不同阶段生物质颗粒冷态致密成型流变特性研究。考察不同阶段压应力对生物质原料致密化过程的作用机理及流变规律，阐明致密成型过程中原料流变历史演化过程；开展生物质颗粒冷态致密成型热效应研究，考察摩擦热和变形热对生物质原料的软化和粘结作用，揭示热效应对成型燃料品质的影响规律；开展生物质颗粒冷态致密成型热质耦合机理研究，考察热力耦合对不同成型阶段的应力应变场、温度场的微尺度效应，阐明应力和热效应的协同作用对成型燃料综合性能的影响规律，提出生物质原料微观结合模式，揭示生物质颗粒冷态致密成型粘接机制。

生物质冷态致密成型技术是充分利用分散农林废弃物、推动生物质资源规模化应用的重要技术手段之一。本项目通过实验研究结合理论分析的方法，深入探讨冷态致密成型机理，研究成型过程中原料的流变特性及应力应变分布规律，分析热质耦合效应对成型制品的内在影响机制，为生物质冷态致密成型设备的优化设计提供理论基础，对推动实现《可再生能源中长期发展规划》中生物质成型燃料2020年达到5000万吨的目标实现具有重要意义。.本项目进行了不同成型条件下生物质颗粒冷态致密成型过程的流变特性实验，考察了不同工艺参数对燃料密度、比能耗的影响情况，建立比能耗与燃料密度的数学模型；开展不同条件下的“开式”和“闭式”压缩过程流变特性模拟研究；分析含水率、温度及不同压力条件对原料和压缩过程中压块热特性所产生的影响，研究热应力与成型燃料参数的内在规律；研究了不同燃料导热系数和比热容受含水率、成型温度、成型压力的影响规律；完成了生物质成型燃料致密成型系统的各个成型环节的熟悉和考察，进行了成型燃料系统全面影响因素分析；综合分析了生物质成型燃料致密成型系统及生物质（玉米秸秆）生长、秸秆收集、成型燃料利用等环节，进行了玉米秸秆基成型燃料全生命周期分析。.本项目研究了不同阶段生物质冷态压缩过程流变特性，分析了热应力与成型燃料参数的内在规律，优化了成型燃料生产系统，降低成型燃料生产过程能源消耗。设计了生物质粉碎原料供应料仓搅拌系统、进料搅拌装置、冷却干燥装置等，进一步优化了成型燃料工业生产。为推动生物质成型燃料的大规模应用提供了丰富的理论和实践基础。