随着经济的发展,人类对能源的需求越来越大,传统化石能源逐渐消耗殆尽。在此背景下,各国政府越来越重视对可再生资源的开发利用,尤其是生物质资源的开发利用。我国是农业大国,有丰富的生物质资源,这些资源因为分布分散、能量密度小、运输和储存成本高等问题,大部分被直接燃烧掉或者废弃,未能得到充分有效的利用。将这些生物质经炭化后成型得到生物炭块,其能量密度和燃烧特性都得到提高,且方便运输与储存。但目前国内对生物炭成型研究报道较少,所以本课题拟研发一台生物炭挤压成型机,并对其进行性能试验,旨在为生物炭成型技术和成型工艺提供参考依据。本课题主要研究内容如下:(1)分析了生物质成型机理。对生物质组成成分进行分析,并解释了木质素对其成型性能的影响;从宏观和微观两个角度说明生物质成型机理,并对影响生物质成型的几个因素做了阐述;对比两种生物炭成型工艺的优缺点,最终选择了先炭化后成型工艺。(2)对生物炭进行压缩成型试验。利用万能材料试验机和自行设计的挤压模具对生物炭进行压缩成型性能试验研究,重点研究压力大小对生物炭可压缩性的影响,通过拟合获得生物炭成型密度和体积模量均与压力大小呈指数关系,且由试验结果得出当压力在1 MPa~3 MPa时,生物炭成型密度为1.0 g/cm3~1.2g/cm3,可压缩性能好;同时探讨含水率、粘结剂添加量对生物炭成型性能的影响,通过拟合获得含水率、粘结剂添加量对生物炭成型后抗压强度、抗跌碎性影响的数学模型,且由试验结果得出当含水率为22%~40%,粘结剂添加量为15%~40%时,生物炭成型性能相对较优。(3)研制了一台生物炭挤压成型样机。设计研究一种依靠螺旋挤压成型原理的挤压成型样机,阐述了其工作过程,并对样机的总体结构和关键部件进行了设计,并确定了喂料器、传动装置、挤压装置、出料口等关键部件的结构参数。(4)对挤压成型样机成型性能进行单因素试验。在对挤压成型样机进行预实验的基础上,开展了以挤压螺杆类型、粘结剂添加量、含水率三个主要因素的单因素试验,并以抗压强度和抗跌碎性为评价指标,得出:对于成型样品抗压强度,挤压螺杆类型、粘结剂添加量、含水率因素影响非常显著(P<0.01);对于成型样品抗跌碎性,粘结剂添加量因素影响非常显著(P<0.01),挤压螺杆类型、含水率因素影响显著(P<0.05)。(5)对挤压成型样机成型性能进行正交试验。在单因素试验的基础上,选择成型性能较优的因素水平进行正交试验。通过直观分析法得出:对生物炭成型后抗压强度影响的主次顺序为挤压螺杆类型、粘结剂添加量、含水率;对生物炭成型抗跌碎性影响的主次顺序为粘结剂添加量、挤压螺杆类型、含水率。通过综合平衡法,确定生物炭成型最佳结构参数和工艺水平:挤压螺杆类型为等距不等深挤压螺杆,含水率为35±1%,粘结剂含量为25.0±0.5%。(6)挤压成型样机性能试验。在确定生物炭成型最佳结构参数和工艺水平后,在此基础上对挤压成型样机进行了性能试验。试验结果表明该挤压成型样机生产率为215 kg/h,成型密度为1.06 g/cm3,成型品的抗压强度为0.16 MPa,抗跌碎性在98%以上,满足生物炭成型标准或设计要求。