柱状生物炭基肥成型机的设计与试验研究

摘要

我国在农业生产中使用的化肥数量庞大，但传统化肥利用率低，会污染环境。同时，每年产生的农林废弃物数量巨大，但许多被废弃或焚烧，这不但浪费资源，而且污染环境。将这些生物质在一定条件下加热裂解可得到生物炭，将生物炭和普通化肥按照一定的工艺可制得生物炭基肥。生物炭基肥可提高化肥利用率，降低对环境的污染，与传统化肥相比具有明显优势，这不仅为农林废弃物的利用提供了新思路，还有助于克服传统化肥的弊端，因此生物炭基肥发展前景广阔。但目前生物炭基肥主要是通过直接掺混，未经成型的方式获得，这不利于生物炭基肥的运输、储存、机械化施用、大规模推广使用和产业化发展。当前的成型设备也存在诸多问题，因此进行生物炭基肥成型设备的开发和相关试验研究具有重大意义。
　　本文进行了挤压成型试验研究，得到最佳的物料配比因素参数组合，并按此配比组合制成用于后续成型机试验的待成型物料;测试了待成型物料的特性;在此基础上，设计并试制了一台柱状生物炭基肥成型机，并开展了成型效果试验和性能试验。主要研究内容和结论如下:
　　(1)开展了挤压成型试验。本研究以粘结剂种类、生物炭含量、粘结剂添加量为考察因素，以抗渗水性、抗压强度、密度作为成型质量的评价指标，在以自制的挤压成型模具与万能试验机为主体的试验平台上开展了单因素试验和正交试验。单因素试验结果表明:粘结剂种类对抗渗水性、密度和抗压强度的影响非常显著(P＜0.01)，粘结剂添加量对抗渗水性和抗压强度的影响显著(P＜0.05)，对密度的影响不显著(P＞0.05)。生物炭含量对抗渗水性和抗压强度的影响不显著(P＞0.05)，对密度的影响显著(P＜0.05)。正交试验结果表明:当生物炭含量为60％、粘结剂为可溶性淀粉、粘结剂添加量为15％时，成型质量综合性能最佳，抗压强度为206.27N，密度为1.004 g/cm3，抗渗水性为52.45min。
　　(2)测试了待成型物料的物理特性。测定了待成型物料的松装密度、休止角、以及物料与钢板间的静摩擦系数，为成型机有关零部件的结构参数设计提供依据。测试结果表明:待成型物料的松装密度为0.57g/cm3，静摩擦系数为0.31，自然休止角为35.33°，流动性一般。
　　(3)设计了一种柱状生物炭基肥成型机，并对重要工作部件进行了有限元分析。确定了成型机挤压部分和切粒部分的传动方案;对成型机进行了总体结构设计，并确定了主要技术参数;对关键零部件进行了结构参数设计;利用ANSYS Workbench软件对螺杆做了静态结构分析，可知螺杆强度足够安全;并对螺杆做了模态分析，分析得知螺杆工作时不会发生共振，可避免因共振可能导致的结构破坏。最终基于螺杆挤压成型原理，设计出一种主要由挤压装置、成型装置、切粒系统组成的，能够完成输送、挤压、成型、切粒等工序的柱状生物炭基肥成型机。
　　(4)开展了成型机试验研究。以螺杆转速、切粒轴转速、孔板开孔率为考察因素，以合格率、产量、硬度作为成型效果的评价指标，利用设计加工的成型机进行了单因素试验、正交试验和成型机性能试验。单因素试验结果表明:合格率的大小与螺杆转速和切粒轴转速匹配程度好坏有很大关系;螺杆转速、切粒轴转速、开孔率的增大，均可使产量增加;切粒轴转速对硬度无影响，开孔率和螺杆转速的增大可使硬度减小。正交试验结果表明:对于合格率，螺杆转速与切粒轴转速的交互作用和切粒轴转速影响极显著(P＜0.01)，螺杆转速影响显著(P＜0.05)，其他影响不显著(P＞0.05);对于产量，螺杆转速影响极显著(P＜0.01)，孔板开孔率和切粒轴转速影响显著(P＜0.05)，其他影响不显著(P＞0.05);对于硬度，螺杆转速和孔板开孔率影响极显著(P＜0.01)，其他影响不显著(P＞0.05)。当螺杆转速为45r/min，切粒轴转速为185r/min，孔板开孔率为10％时，成型效果最佳。该条件下的合格率为86％、产量为32.27kg/h、硬度为2.56kg。性能试验结果表明:颗粒的成型率为96.2％，密度为0.92g/cm3，含水率为1.61％，符合相关成型要求，能够满足生产需要。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究目的与意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 生物炭的农业应用研究现状

1．2．2 生物炭基肥制备工艺的研究现状

1．2．3 生物炭基肥成型设备的研究现状

1．3．1 研究内容

1．3．2 技术路线

第二章 挤压成型试验

2．1 试验设计

2．1．1 试验材料与设备

2．1．2 柱状生物炭基肥的制备

2．1．3 评价指标

2．2 单因素试验

2．2．1 粘结剂种类对成型质量的影响

2．2．2 粘结剂添加量对成型质量的影响

2．2．3 生物炭含量对成型质量的影响

2．3 正交试验

2．3．1 正交试验设计

2．3．2 正交试验结果与分析

2．4 本章小结

第三章 待成型物料特性测试

3．1 材料与方法

3．1．1 试验材料与设备

3．1．2 试验方法

3．2．1 松装密度

3．2．2 物料与钢板间的静摩擦系数

3．2．3 自然休止角

3．3 本章小结

第四章 成型机设计与有限元分析

4．1 总体结构设计

4．1．1 传动方案的设计

4．1．2 结构设计方案

4．1．3 主要技术参数

4．1．4 工作原理

4．2 挤压装置的设计

4．2．1 螺杆的设计

4．2．2 螺杆的有限元分析

4．2．3 料筒的设计

4．3 成型装置的设计

4．3．1 孔板的设计

4．3．2 压盘的设计

4．4 切粒系统的设计

4．4．1 切粒装置的设计

4．4．2 电机及其他标准件的选型

4．5．1 进料斗的设计

4．5．2 机架的设计

4．6 三维模型图

4．7 本章小结

第五章 成型机试验研究

5．1 试验设计

5．1．1 试验材料与设备

5．1．2 成型工艺

5．1．3 评价指标

5．2 单因素试验

5．2．1 螺杆转速对试验指标的影响

5．2．2 切粒轴转速对试验指标的影响

5．2．3 孔板开孔率对试验指标的影响

5．3 正交试验

5．3．1 正交试验设计

5．3．2 正交试验结果与分析

5．4 成型机性能试验

5．4．1 试验方法

5．4．2 性能测试结果与分析

5．5 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 总结

6．2 展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间的主要研究成果