秸稈纖維原料清潔制取中試平臺優(yōu)化設(shè)計及關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、近年來，隨著農(nóng)作物產(chǎn)量的增加，其副產(chǎn)品“秸稈”的產(chǎn)量也日益增加。如何實現(xiàn)對農(nóng)作物秸稈的綜合利用是長期以來迫切需要解決的問題。據(jù)不完全統(tǒng)計，中國每年田間焚燒和廢棄的秸稈總量可達(dá)2.15～3.14億噸，這不僅造成了巨大的可再生資源浪費，還導(dǎo)致了嚴(yán)重的環(huán)境污染。因此，研發(fā)秸稈纖維清潔制取技術(shù)，為農(nóng)作物秸稈綜合利用提供新的途徑，促進(jìn)我國纖維制造企業(yè)在長期“以木為主”的狀態(tài)下轉(zhuǎn)變?yōu)椤耙越諡橹?，以木為輔”的可持續(xù)發(fā)展形式是十分必要的。
　　基

2、于此該文以無污染、低能耗、清潔、優(yōu)質(zhì)的農(nóng)作物秸稈纖維制取為原則，在“十二五”科技支撐計劃課題“秸稈基農(nóng)用地膜成型工藝與設(shè)備研究”(2010BAD32B02-5)資助下，對秸稈纖維清潔制取中試平臺進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計與試驗，并結(jié)合秸稈纖維原料清潔制取中試平臺的實際作業(yè)情況，將該平臺劃分為秸稈原料預(yù)處理系統(tǒng)，原料浸泡、攪拌、清洗供給系統(tǒng)，強制喂料系統(tǒng)以及秸稈纖維原料清潔制取系統(tǒng)，采用理論建模、運動學(xué)分析、力學(xué)分析等方法對中試平臺現(xiàn)存問題進(jìn)行了詳盡

3、的分析，并在理論分析的基礎(chǔ)上，采用二次正交旋轉(zhuǎn)中心組合試驗、正交試驗等方法對秸稈原料清潔制取中試平臺及其子系統(tǒng)進(jìn)行了深入的試驗研究。為探明秸稈纖維原料清潔制取中試平臺的最佳工作參數(shù)，完善工藝流程，解析各子系統(tǒng)間配合關(guān)系及系統(tǒng)參數(shù)對纖維加工質(zhì)量的影響，該文從以下7個方面展開了比較系統(tǒng)的研究，主要研究內(nèi)容及獲得的研究結(jié)果為:
　　(1)秸稈纖維原料清潔制取中試平臺的優(yōu)化設(shè)計
　　在團(tuán)隊前期研究基礎(chǔ)上，對從水稻秸稈原料的預(yù)處理、秸

4、稈浸泡、攪拌、清洗、撈取、輸送、喂入到水稻秸稈纖維清潔制取整個工藝流程進(jìn)行系統(tǒng)性研究。優(yōu)化設(shè)計了能夠?qū)崿F(xiàn)由農(nóng)作物秸稈到粗纖維制造的自動化中試生產(chǎn)平臺。
　　(2)水稻秸稈原料預(yù)處理工藝參數(shù)優(yōu)化
　　為快速、高效地加工滿足D200型秸稈纖維制取機生產(chǎn)所需的水稻秸稈原料，對9QR20-60型秸稈揉切機進(jìn)行了優(yōu)化改進(jìn)，并采用3因素5水平二次回歸正交旋轉(zhuǎn)中心組合試驗方法實施試驗。結(jié)果表明:1）水稻秸稈含水率、揉切機主軸轉(zhuǎn)速對秸稈粉碎

5、長度影響極顯著（P＜0.01）;揉切機主軸轉(zhuǎn)速對秸稈揉切度影響極顯著(P＜0.01);水稻秸稈含水率對秸稈揉切度影響顯著(P＜0.05)。2)優(yōu)選出揉切機最優(yōu)參數(shù)組合為:水稻秸稈含水率17～22％、喂入量1000 kg/h、揉切機主軸轉(zhuǎn)速1800～1850 r/min，此時經(jīng)改進(jìn)后的揉切機加工可得粉碎長度處于100～140mm，揉切度≥80％的水稻秸稈原料。
　　(3)原料供給系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計與試驗
　　為滿足D200型秸稈纖

6、維制取機的工作效率，實現(xiàn)對水稻秸稈纖維的清潔、高效和穩(wěn)定制取，設(shè)計了與D200型秸稈纖維制取機相配套的原料供給試驗裝置。以單個耙齒為研究對象，分析單個耙齒對水稻秸稈的作業(yè)過程，并對浸泡裝置、攪拌清洗裝置和撈取裝置間匹配關(guān)系及工作原理進(jìn)行了系統(tǒng)試驗研究。
　　結(jié)果表明:
　　1）輸送帶線速度、耙齒齒數(shù)、攪拌槳轉(zhuǎn)速對撈取效率影響極顯著(P＜0.01);輸送帶線速度對撈取效率變異系數(shù)影響極顯著(P＜0.01)。
　　2)優(yōu)選

7、出D200型秸稈纖維制取機原料供給系統(tǒng)最優(yōu)工藝參數(shù)組合為:輸送帶線速度0.6 m/s，耙齒齒數(shù)8根，攪拌槳轉(zhuǎn)速40 r/min。此時，單位時間內(nèi)水稻秸稈原料撈取效率為1111.2 kg/h，變異系數(shù)為0.124。在保證D200型秸稈纖維制取機不少于1000 kg/h生產(chǎn)效率要求的前提下，可實現(xiàn)對水稻秸稈原料連續(xù)穩(wěn)定供給。
　　(4)強制喂料系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計與試驗
　　作為纖維制取中試平臺的重要組成部分，喂料裝置喂料的均勻性和可

8、控性，直接影響整個生產(chǎn)系統(tǒng)的穩(wěn)定性以及水稻秸稈纖維的加工質(zhì)量。結(jié)合強制喂料裝置與撈取輸送裝置間配合關(guān)系及強制喂料裝置與進(jìn)料口間配合關(guān)系，計算出強制喂料螺旋主軸半徑為0.03 m，強制喂料螺旋主軸外徑為0.064 m，強制喂料螺旋螺距為0.12m，強制喂料螺旋轉(zhuǎn)速為417 r/min。并對強制喂料裝置進(jìn)行了試驗研究，每隔1s采集強制喂料裝置出料口處水稻秸稈原料落料質(zhì)量，取3次試驗水稻秸稈原料質(zhì)量流率變異系數(shù)作為評價指標(biāo)，在相同試驗條件下進(jìn)

9、行試驗。3次試驗測得質(zhì)量流率變異系數(shù)分別為0.1398、0.1436和0.1412，符合纖維制取機生產(chǎn)需求。
　　(5)水稻秸稈纖維清潔制取系統(tǒng)的參數(shù)優(yōu)化
　　為實現(xiàn)水稻秸稈纖維的清潔、高效、優(yōu)質(zhì)制取，探究水稻秸稈纖維的最優(yōu)制取工藝參數(shù)，保證生產(chǎn)出水稻秸稈纖維滿足秸稈纖維地膜制造要求。通過單因素試驗分析了調(diào)壓腔體間隙對爆破壓力和纖維制取機消耗功率的影響規(guī)律。基于正交試驗確定了滿足D200型秸稈纖維制取機的最優(yōu)工藝參數(shù)最優(yōu)組合

10、為:秸稈纖維制取機主軸轉(zhuǎn)速110r/min，喂料速率1100～1200kg/h、調(diào)壓外環(huán)與調(diào)壓內(nèi)環(huán)腔體間隙3 mm，此時纖維長寬比為44.5，纖維得率為81％，纖維初始叩解度為24.6°SR，抗張指數(shù)為7.1 N/g·m，可實現(xiàn)水稻秸稈纖維的清潔、低能耗、高效、優(yōu)質(zhì)制取。
　　(6)水稻秸稈纖維地膜抗張強度預(yù)測模型建立
　　在生產(chǎn)過程中根據(jù)不同抄造工藝參數(shù)建立快速、準(zhǔn)確、高效的預(yù)測模型是十分必要的?；诹Ｗ尤核惴▋?yōu)化支持向量

11、機回歸模型，結(jié)合正交試驗設(shè)計L25(56)方法，以纖維打漿度、施膠劑添加量、濕強劑添加量、地膜定量、混合比作為模型輸入?yún)?shù)，以水稻秸稈纖維地膜干抗張強度為輸出進(jìn)行模擬預(yù)測。研究結(jié)果表明:根據(jù)生產(chǎn)過程中不同抄造工藝參數(shù)，構(gòu)建了水稻秸稈纖維地膜干抗張強度預(yù)測模型，測試集樣本均方誤差、決定系數(shù)、均方根誤差可達(dá)到0.117、0.915、0.342。該預(yù)測模型可為水稻秸稈纖維地膜抗張強度預(yù)測提供參考依據(jù)，為進(jìn)一步實現(xiàn)秸稈纖維地膜自動化生產(chǎn)奠定了良

12、好基礎(chǔ)。
　　(7)水稻秸稈纖維原料清潔制取中試平臺的技術(shù)經(jīng)濟性分析
　　基于工程經(jīng)濟學(xué)的基本原理和方法對秸稈纖維工業(yè)化生產(chǎn)進(jìn)行可行性與經(jīng)濟效益分析，以預(yù)測秸稈纖維清潔制取生產(chǎn)系統(tǒng)技術(shù)設(shè)計和推廣的可行性。分析結(jié)果表明:該項目固定資金投入為227萬元，每年運營成本為125.95萬元，年產(chǎn)秸稈纖維可達(dá)1814.4噸，內(nèi)部收益率74％，投資回收期1.2年，投資十年后累計凈效益現(xiàn)值為1660.328萬元，證明秸稈纖維清潔制取工業(yè)化生