秸稈纖維原料清潔制取中試平臺優(yōu)化設計及關鍵技術研究.pdf

1、近年來，隨著農作物產量的增加，其副產品“秸稈”的產量也日益增加。如何實現對農作物秸稈的綜合利用是長期以來迫切需要解決的問題。據不完全統(tǒng)計，中國每年田間焚燒和廢棄的秸稈總量可達2.15～3.14億噸，這不僅造成了巨大的可再生資源浪費，還導致了嚴重的環(huán)境污染。因此，研發(fā)秸稈纖維清潔制取技術，為農作物秸稈綜合利用提供新的途徑，促進我國纖維制造企業(yè)在長期“以木為主”的狀態(tài)下轉變?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)質的農作物秸稈纖維制取為原則，在“十二五”科技支撐計劃課題“秸稈基農用地膜成型工藝與設備研究”(2010BAD32B02-5)資助下，對秸稈纖維清潔制取中試平臺進行了優(yōu)化設計與試驗，并結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、運動學分析、力學分析等方法對中試平臺現存問題進行了詳盡

3、的分析，并在理論分析的基礎上，采用二次正交旋轉中心組合試驗、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，完善工藝流程，解析各子系統(tǒng)間配合關系及系統(tǒng)參數對纖維加工質量的影響，該文從以下7個方面展開了比較系統(tǒng)的研究，主要研究內容及獲得的研究結果為:
　　(1)秸稈纖維原料清潔制取中試平臺的優(yōu)化設計
　　在團隊前期研究基礎上，對從水稻秸稈原料的預處理、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行系統(tǒng)性研究。優(yōu)化設計了能夠實現由農作物秸稈到粗纖維制造的自動化中試生產平臺。
　　(2)水稻秸稈原料預處理工藝參數優(yōu)化
　　為快速、高效地加工滿足D200型秸稈纖維制取機生產所需的水稻秸稈原料，對9QR20-60型秸稈揉切機進行了優(yōu)化改進，并采用3因素5水平二次回歸正交旋轉中心組合試驗方法實施試驗。結果表明:1）水稻秸稈含水率、揉切機主軸轉速對秸稈粉碎

5、長度影響極顯著（P＜0.01）;揉切機主軸轉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)參數組合為:水稻秸稈含水率17～22％、喂入量1000 kg/h、揉切機主軸轉速1800～1850 r/min，此時經改進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)化設計與試驗
　　為滿足D200型秸稈纖

6、維制取機的工作效率，實現對水稻秸稈纖維的清潔、高效和穩(wěn)定制取，設計了與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系及工作原理進行了系統(tǒng)試驗研究。
　　結果表明:
　　1）輸送帶線速度、耙齒齒數、攪拌槳轉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)工藝參數組合為:輸送帶線速度0.6 m/s，耙齒齒數8根，攪拌槳轉速40 r/min。此時，單位時間內水稻秸稈原料撈取效率為1111.2 kg/h，變異系數為0.124。在保證D200型秸稈纖維制取機不少于1000 kg/h生產效率要求的前提下，可實現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，直接影響整個生產系統(tǒng)的穩(wěn)定性以及水稻秸稈纖維的加工質量。結合強制喂料裝置與撈取輸送裝置間配合關系及強制喂料裝置與進料口間配合關系，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，強制喂料螺旋轉速為417 r/min。并對強制喂料裝置進行了試驗研究，每隔1s采集強制喂料裝置出料口處水稻秸稈原料落料質量，取3次試驗水稻秸稈原料質量流率變異系數作為評價指標，在相同試驗條件下進

9、行試驗。3次試驗測得質量流率變異系數分別為0.1398、0.1436和0.1412，符合纖維制取機生產需求。
　　(5)水稻秸稈纖維清潔制取系統(tǒng)的參數優(yōu)化
　　為實現水稻秸稈纖維的清潔、高效、優(yōu)質制取，探究水稻秸稈纖維的最優(yōu)制取工藝參數，保證生產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)工藝參數最優(yōu)組合

10、為:秸稈纖維制取機主軸轉速110r/min，喂料速率1100～1200kg/h、調壓外環(huán)與調壓內環(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，抗張指數為7.1 N/g·m，可實現水稻秸稈纖維的清潔、低能耗、高效、優(yōu)質制取。
　　(6)水稻秸稈纖維地膜抗張強度預測模型建立
　　在生產過程中根據不同抄造工藝參數建立快速、準確、高效的預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，結合正交試驗設計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參數，以水稻秸稈纖維地膜干抗張強度為輸出進行模擬預測。研究結果表明:根據生產過程中不同抄造工藝參數，構建了水稻秸稈纖維地膜干抗張強度預測模型，測試集樣本均方誤差、決定系數、均方根誤差可達到0.117、0.915、0.342。該預測模型可為水稻秸稈纖維地膜抗張強度預測提供參考依據，為進一步實現秸稈纖維地膜自動化生產奠定了良

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