基于清洁能源的汽爆装置及工艺设计和研究

【摘要】：生物质资源具有分布广泛、可重复利用的特点,经过处理之后,可用来作为饲料和燃料使用。从二十世纪九十年代初开始,国内外的研究者就开始对生物质的转化过程以及转化过程中的影响因素进行了深入探索。结果,大家一致认为：如何解决木质素对纤维素酶的阻碍作用是实现生物质转化的关键。生物质秸秆中的纤维素、半纤维素及木质素相互缠绕,很难将其有效地分离开。目前能够实现三者有效分离的最为有效的方法就是汽爆预处理技术。本研究采用的汽爆设备是目前国内存在的最新的秸秆预处理设备,它能够实现秸秆在0.00875s内完成突然释放,将其推出高压缸并完成秸秆的爆碎。本文所研究的主要工作包括以下三个方面：(1)中高温太阳能集热系统在汽爆系统中的应用和分析。目前所存在的汽爆设备虽然能破坏生物秸秆的物理结构,实现纤维素、半纤维素和木质素的有效分离,但是由于其蒸汽来源于锅炉(燃煤、燃气或生物质)或电加热,价格昂贵,很难被用户接受,同时锅炉燃烧时会产生大量的烟尘污染空气环境。中高温太阳能集热系统的核心装置是太阳能偏心聚光真空集热管,这种集热管是将普通的真空管独立设于弧形聚光罩的内部,并且真空管的中心置于小于或等于聚光罩圆弧半径的3/4处,这样可以最大程度地聚焦太阳光线,聚光效率可以达到80%以上。中高温太阳能集热系统以其特殊的聚焦方式可以使流体介质温度提高到180度以上,而且其内部结构还可以承受1.5MPa的压力,这就使其为汽爆系统提供蒸汽奠定了理论基础。同时,本文还对太阳能中高温集热系统的集热效果进行了试验验证,最终确定了其在汽爆系统中应用的可行性。(2)汽爆系统中进料密封阀门的结构设计及稳定性分析。针对汽爆系统中进料口阀门进料效率低,容易漏气等问题,设计了一种集进料、密封和开启为一体的进料密封阀门。根据阀门的材质和使用环境,对阀门中的阀芯进行了理论分析,并利用ANSYS Workbench软件对其进行强度分析,得到了阀芯的最大变形量发生位置以及能够满足其稳定进料和密封时螺旋轴的最佳直径和最佳转速,经理论计算和强度校核,阀门在正常工作环境下,其阀芯的强度完全满足设计要求。对不同进料时间和转速对阀门的进料稳定性影响进行了试验研究,确定了150kg玉米秸秆完成进料时的最佳转速为200r/min,最佳进料时间为5min。(3)汽爆技术在饲料化应用中的探索与分析。为提高玉米秸秆饲料饲用化价值,该文研究了不同的汽爆条件对玉米秸秆内部纤维素、半纤维素、木质素、还原糖及总糖含量的影响,并且利用混合水平正交试验对各影响因子进行分析。结果表明：反刍动物与单胃动物所需饲料种类的不同决定了玉米秸秆汽爆预处理条件有所差异。反刍动物活性饲料预处理所需的汽爆最优条件组合为汽爆压力1.1 MPa,预浸水分40%,预浸氨水比例8%,预浸时间48h,维压时间8min。单胃动物活性饲料预处理所需的汽爆最优条件组合为汽爆压力1.5MPa,预浸水分40%,预浸氨水比例4%,预浸时间48h,维压时间4min。汽爆后的玉米秸秆的RFV为80.98%和80.17%,比国内羊草的RFV(72.92%)高,其饲用价值更好。 【关键词】：生物质秸秆 汽爆 偏心聚光 结构设计 稳定性分析 饲料化应用
【学位授予单位】：安徽农业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TK6
【目录】：

• 摘要3-5
• Abstract5-11
• 第一章 绪论11-16
• 1.1 研究背景11-13
• 1.1.1 太阳能源应用现状11
• 1.1.2 秸秆转化技术及存在的问题11-13
• 1.2 原料预处理的必要性13
• 1.3 汽爆预处理技术的可行性分析13-14
• 1.4 本文研究意义、内容和方法14-16
• 1.4.1 研究意义14-15
• 1.4.2 研究内容及方法15
• 1.4.3 研究技术路线15-16
• 第二章 汽爆预处理技术16-23
• 2.1 汽爆预处理技术研究现状16
• 2.2 汽爆预处理的作用过程16-17
• 2.3 汽爆预处理的能耗17-19
• 2.3.1 汽爆耗汽量分析17
• 2.3.2 汽爆功率计算17
• 2.3.3 影响汽爆效果的主要因素分析17-19
• 2.4 汽爆预处理工艺设备的研究现状19-23
• 2.4.1 批式汽爆处理设备19-20
• 2.4.2 连续式汽爆处理设备20-21
• 2.4.3 液相处理设备21
• 2.4.4 连续式处理与批式处理对比分析21
• 2.4.5 用于秸秆的低压汽爆预处理设备21-23
• 第三章 中高温太阳能系统在汽爆系统中的应用与分析23-37
• 3.1 中高温太阳能系统的应用23
• 3.2 中高温太阳能系统的种类23-26
• 3.2.1 全玻璃真空管太阳能集热器23-24
• 3.2.2 平板型太阳能集热器24-25
• 3.2.3 抛物槽式太阳能集热器25-26
• 3.3 新型中高温太阳能集热系统26-36
• 3.3.1 新型中高温太阳能集热系统的内部结构和工作原理26-30
• 3.3.2 新型中高温太阳能集热系统的集热效果分析30-34
• 3.3.3 新型中高温太阳能集热系统的集热效果测定34-36
• 3.4 新型中高温太阳能系统在汽爆系统中的应用36-37
• 第四章 汽爆系统中进料密封阀门的结构设计及稳定性分析37-50
• 4.1 阀门运动特点和工作原理37-39
• 4.2 阀门的结构设计39-42
• 4.2.1 阀门的结构设计要求39
• 4.2.2 密封阀柱和密封圈的结构设计39-40
• 4.2.3 密封法兰的结构设计40
• 4.2.4 螺旋推进器的结构设计40-42
• 4.3 阀门的稳定性分析42-47
• 4.3.1 螺旋叶片的理论强度分析42-43
• 4.3.2 阀门密封工作状态分析43-44
• 4.3.3 阀门密封效果分析44
• 4.3.4 阀门进料过程中密封阀柱的强度计算44-45
• 4.3.5 螺旋推进器的稳定性分析45-47
• 4.4 阀门的稳定性试验47-50
• 4.4.1 试验材料和设备47
• 4.4.2 试验步骤47-48
• 4.4.3 结果分析48-49
• 4.4.4 验证试验49-50
• 第五章 汽爆技术在饲料化应用中的探索与分析50-58
• 5.1 汽爆技术饲料化应用技术背景50
• 5.2 材料与方法50-52
• 5.2.1 材料50
• 5.2.2 仪器与设备50-52
• 5.3 结果与分析52-56
• 5.3.1 正交试验结果52-53
• 5.3.2 正交试验极差分析53-55
• 5.3.3 方差分析结果55-56
• 5.4 汽爆预处理条件的确定56-58
• 第六章 结论58-60
• 6.1 课题研究的结论58-59
• 6.2 建议和展望59-60
• 参考文献60-64
• 附录A64
• 附录B64-65
• 附录C65-66
• 附录D66-67
• 致谢67-68
• 作者简介68-69
• 攻读硕士学位期间发表的论文69

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