秸秆纤维原料清洁制取中试平台优化设计及关键技术研究

【摘要】：近年来,随着农作物产量的增加,其副产品“秸秆”的产量也日益增加。如何实现对农作物秸秆的综合利用是长期以来迫切需要解决的问题。据不完全统计,中国每年田间焚烧和废弃的秸秆总量可达2.15~3.14亿吨,这不仅造成了巨大的可再生资源浪费,还导致了严重的环境污染。因此,研发秸秆纤维清洁制取技术,为农作物秸秆综合利用提供新的途径,促进我国纤维制造企业在长期“以木为主”的状态下转变为“以秸为主,以木为辅”的可持续发展形式是十分必要的。基于此该文以无污染、低能耗、清洁、优质的农作物秸秆纤维制取为原则,在“十二五”科技支撑计划课题“秸秆基农用地膜成型工艺与设备研究”(2010BAD32B02-5)资助下,对秸秆纤维清洁制取中试平台进行了优化设计与试验,并结合秸秆纤维原料清洁制取中试平台的实际作业情况,将该平台划分为秸秆原料预处理系统,原料浸泡、搅拌、清洗供给系统,强制喂料系统以及秸秆纤维原料清洁制取系统,采用理论建模、运动学分析、力学分析等方法对中试平台现存问题进行了详尽的分析,并在理论分析的基础上,采用二次正交旋转中心组合试验、正交试验等方法对秸秆原料清洁制取中试平台及其子系统进行了深入的试验研究。为探明秸秆纤维原料清洁制取中试平台的最佳工作参数,完善工艺流程,解析各子系统间配合关系及系统参数对纤维加工质量的影响,该文从以下7个方面展开了比较系统的研究,主要研究内容及获得的研究结果为:(1)秸秆纤维原料清洁制取中试平台的优化设计在团队前期研究基础上,对从水稻秸秆原料的预处理、秸秆浸泡、搅拌、清洗、捞取、输送、喂入到水稻秸秆纤维清洁制取整个工艺流程进行系统性研究。优化设计了能够实现由农作物秸秆到粗纤维制造的自动化中试生产平台。(2)水稻秸秆原料预处理工艺参数优化为快速、高效地加工满足D200型秸秆纤维制取机生产所需的水稻秸秆原料,对9QR20-60型秸秆揉切机进行了优化改进,并采用3因素5水平二次回归正交旋转中心组合试验方法实施试验。结果表明:1)水稻秸秆含水率、揉切机主轴转速对秸秆粉碎长度影响极显著(P0.01);揉切机主轴转速对秸秆揉切度影响极显著(P0.01);水稻秸秆含水率对秸秆揉切度影响显著(P0.05)。2)优选出揉切机最优参数组合为:水稻秸秆含水率17~22%、喂入量1000 kg/h、揉切机主轴转速1800~1850 r/min,此时经改进后的揉切机加工可得粉碎长度处于100~140mm,揉切度≥80%的水稻秸秆原料。(3)原料供给系统的优化设计与试验为满足D200型秸秆纤维制取机的工作效率,实现对水稻秸秆纤维的清洁、高效和稳定制取,设计了与D200型秸秆纤维制取机相配套的原料供给试验装置。以单个耙齿为研究对象,分析单个耙齿对水稻秸秆的作业过程,并对浸泡装置、搅拌清洗装置和捞取装置间匹配关系及工作原理进行了系统试验研究。结果表明:1)输送带线速度、耙齿齿数、搅拌桨转速对捞取效率影响极显著(P0.01);输送带线速度对捞取效率变异系数影响极显著(P0.01)。2)优选出D200型秸秆纤维制取机原料供给系统最优工艺参数组合为:输送带线速度0.6 m/s,耙齿齿数8根,搅拌桨转速40 r/min。此时,单位时间内水稻秸秆原料捞取效率为1111.2 kg/h,变异系数为0.124。在保证D200型秸秆纤维制取机不少于1000 kg/h生产效率要求的前提下,可实现对水稻秸秆原料连续稳定供给。(4)强制喂料系统的优化设计与试验作为纤维制取中试平台的重要组成部分,喂料装置喂料的均匀性和可控性,直接影响整个生产系统的稳定性以及水稻秸秆纤维的加工质量。结合强制喂料装置与捞取输送装置间配合关系及强制喂料装置与进料口间配合关系,计算出强制喂料螺旋主轴半径为0.03 m,强制喂料螺旋主轴外径为0.064 m,强制喂料螺旋螺距为0.12 m,强制喂料螺旋转速为417 r/min。并对强制喂料装置进行了试验研究,每隔1s采集强制喂料装置出料口处水稻秸秆原料落料质量,取3次试验水稻秸秆原料质量流率变异系数作为评价指标,在相同试验条件下进行试验。3次试验测得质量流率变异系数分别为0.1398、0.1436和0.1412,符合纤维制取机生产需求。(5)水稻秸秆纤维清洁制取系统的参数优化为实现水稻秸秆纤维的清洁、高效、优质制取,探究水稻秸秆纤维的最优制取工艺参数,保证生产出水稻秸秆纤维满足秸秆纤维地膜制造要求。通过单因素试验分析了调压腔体间隙对爆破压力和纤维制取机消耗功率的影响规律。基于正交试验确定了满足D200型秸秆纤维制取机的最优工艺参数最优组合为:秸秆纤维制取机主轴转速110 r/min,喂料速率1100~1200kg/h、调压外环与调压内环腔体间隙3 mm,此时纤维长宽比为44.5,纤维得率为81%,纤维初始叩解度为24.6°SR,抗张指数为7.1 N/g·m,可实现水稻秸秆纤维的清洁、低能耗、高效、优质制取。(6)水稻秸秆纤维地膜抗张强度预测模型建立在生产过程中根据不同抄造工艺参数建立快速、准确、高效的预测模型是十分必要的。基于粒子群算法优化支持向量机回归模型,结合正交试验设计L25(56)方法,以纤维打浆度、施胶剂添加量、湿强剂添加量、地膜定量、混合比作为模型输入参数,以水稻秸秆纤维地膜干抗张强度为输出进行模拟预测。研究结果表明:根据生产过程中不同抄造工艺参数,构建了水稻秸秆纤维地膜干抗张强度预测模型,测试集样本均方误差、决定系数、均方根误差可达到0.117、0.915、0.342。该预测模型可为水稻秸秆纤维地膜抗张强度预测提供参考依据,为进一步实现秸秆纤维地膜自动化生产奠定了良好基础。(7)水稻秸秆纤维原料清洁制取中试平台的技术经济性分析基于工程经济学的基本原理和方法对秸秆纤维工业化生产进行可行性与经济效益分析,以预测秸秆纤维清洁制取生产系统技术设计和推广的可行性。分析结果表明:该项目固定资金投入为227万元,每年运营成本为125.95万元,年产秸秆纤维可达1814.4吨,内部收益率74%,投资回收期1.2年,投资十年后累计净效益现值为1660.328万元,证明秸秆纤维清洁制取工业化生产技术项目经济上可行。 【学位授予单位】：东北农业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：S226

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