- 选题的目的和意义
生物质资源作为一项重要资源，有着广阔的经济前景。在中国，平均每年废弃和焚烧的农作物秸秆约有2.15亿吨[1]，这无疑是一种巨大的浪费。据统计，2015年我国秸秆露天焚烧量约为8110万吨，总碳排放量约为3450万吨[2]。该问题的有效解决方法之一是利用生物质致密成型技术讲松散的秸秆原料压制成固体燃料。相对于秸秆原料来说，固体燃料具有较高的能源密度和规则的形状，便于存储、运输和使用，既可以作为发电的燃料，也可以充当气化、液化和炭化的原料。不仅如此，秸秆的能源化利用过程几乎可以实现二氧化碳的零排放，对缓解全球气候变暖、缓解能源危机有十分重要的意义，对促进我国绿色能源产业的发展有积极的推动作用[3]。
本课题拟研发一种秸秆致密成型试验平台，该平台能研究不同因素下秸秆压制过程中的力学性能，使人们能够更好地研究影响物料致密成型的因素，推动中国生物质致密成型技术的发展。
- 国内外研究现状
最早有记载的生物质成型燃料是1880年美国人William Smith利用蒸汽锤将加热到66℃的木料加工成成型块[4].而生物质成型燃料在20世纪30年代在美国开始发展，目前已经有了很大进展[5]。日本以及许多的欧洲国家在这项技术上也有着不小的突破，成型燃料已经在家庭供暖和直燃发电领域被广泛使用，相关技术已经成熟，生物质燃料已经成为一项重要的资源。
我国在20世纪80年代才开始有关生物质致密成型工艺的研究,由于起步较晚，我国目前生物质能源技术尚待发展，生物质能源的利用效率相对较低。由于技术水平的限制，我国目前针对农作物秸秆的主要能源化利用方式是制作成型燃料，用于炊事、供暖和发电。而相对高端的生物乙醇和生物柴油生产、提炼技术大都还停留在实验室阶段，远远达不到产业化水平[6]。截至2015年，用于供热的成型燃料年利用率约800万吨，农林生物质直燃发电约530万千瓦，相关技术已经日渐成熟，具备了规模化、产业化发展基础[7]。在目前的技术条件下，秸秆致密成型平台的设计有助于促进我国在生物质能源方面的研究，推动生物质燃料大规模使用。
目前常见的生产生物质成型燃料的设备可分为螺旋挤压式、活塞冲压式以及模辊挤压式。螺旋挤压技术由于产量低且对仪器磨损太大，仅在早期使用。模辊挤压技术分为环模挤压技术和平模挤压技术，主要设备为环模制粒机和平模制粒机。这项技术在挤压秸秆这类植物时，存在能耗高、关键零部件磨损等问题，生产成本较高。目前业内的主流设备是环模制粒机，该设备由环模和1-3个压辊组成，使用旋转挤压致密成型技术，通过将环模旋转来将物料致密成型。该设备自动化程度高，单机产量大，适合大规模生产。然而我国的环模制粒机较国外相比，在能耗、产量、寿命方面均存在缺陷。一方面，我国在环模制粒机零部件精度方面存在一些不足。另一方面，我国生物质以农作物秸秆为主，而秸秆中含有较多的石英等非金属氧化物[8]，在旋转致密成型过程中，会磨损关键零部件，增加能耗。为了解决这些问题，相关学者已经开展了大量研究，而单孔试验装置在本领域的研究内起着至关重要的作用。
Jens[9]等设计了一种能测试压力的单孔试验装置，该装置如图a所示，由活塞、模具、底塞和传感器构成。该装置由液压设备提供压力，通过活塞向物料施加压力，最后通过下方的传感器测试物料致密成型过程中需要的压力与物料移动所需的压力。Rhen[10]等设计了一种能够测试不同温度下物料致密成型所需压力的单孔实验装置，该装置由液压管、压力单元、一个用于电加热的PID调节器、电动发动机和液压泵、泵发动机频率控制单元、频率控制单元与压力计组成。通过PID调节器能够控制物料致密成型过程中的温度，从而研究温度对物料致密成型过程的影响。Peng[11]等设计了一种带加热模具的单孔试验装置，如图b所示，该装置能够快速、高效的将物料致密成型，方便后续的研究。Rudolfsson[12]等设计了一种简单的单孔实验装置，如图c所示，该装置仅由活塞、模具和底塞组成，能够快速将物料致密成型，适用于需要加工大批量物料的情况。Shaw[13]等设计了一种深孔大容量的单孔试验装置，仅包含压杆、模具底塞以及必要的加热装置。但是使用了内径6.35 mm，内腔高度125 mm的模具，有效的减少了物料的添加次数，能实现不同物料压制过程的模拟，方便了试验的进行，但不适用于对精度较高的试验。KALIYAN[14]等设计了一种能将进行预热的单孔实验装置，如图e所示，在进行实验前通过加热带将模具内壁预热，用约50毫米厚的绝缘玻璃纤维来覆盖加热带，以避免热量损失。该试验装置能够精确的控制温度，均匀的加热物料，避免了物料各处温度不一致的情况，增加了试验的精准性。Lu[15]等设计了一种深孔单孔试验装置，该装置由一个内径为6.35mm的钢制圆柱形模具和直径为125mm的压杆组成，该装置使用较为方便，适用于精度不高的试验场合。Sheikh[16]等使用了一种新的深孔大容量单孔试验装置，该装置模具的长度和孔径都较大，能够加工更大的成型物料，对设备的要求很低，适用于加工尺寸较大的成型物料的场合，不适合在精密度高、对实验环境要求高的试验中使用。Yaohui[17]等设计了一种带浮动支撑的单孔试验装置，浮动支撑位于底塞下方，在物料的致密成型过程中，浮动支撑能减少压杆和模孔内壁之间的摩擦，降低摩擦力的影响，减少物料致密成型过程中的能量损耗，增加试验的精确性。Hu[18]等研发了一种组合式单孔实验装置,该实验机的模具是由多个零件组合而成，可以通过更换不同的零件来改变模具的入口角度、模孔直径等参数,且能实现开式压缩(即压制过程中不装底塞)，能够研究模孔入口与底塞对物料致密成型的影响。Kong[19]等研发了一种手动驱动的单孔实验装置，该装置没有加热装置，组装较为简便，利用手动转动螺杆来完成对物料的压制，对能源与环境的要求较低，但是不能控制压制过程的速度，也不适合压制大量物料，适用于某些低成本、低精度要求的试验场合。
图a 图b
图c 图d
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