秸稈纖維原料清潔制取中試平臺(tái)優(yōu)化設(shè)計(jì)及關(guān)鍵技術(shù)研究

【摘要】：近年來(lái),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(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)作物秸稈的綜合利用是長(zhǎng)期以來(lái)迫切需要解決的問(wèn)題。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì),中國(guó)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(fèi),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(guó)纖維制造企業(yè)在長(zhǎng)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?；诖嗽撐囊詿o(wú)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(jì)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(duì)秸稈纖維清潔制取中試平臺(tái)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)與試驗(yàn),并結(jié)合秸稈纖維原料清潔制取中試平臺(tái)的實(shí)際作業(yè)情況,將該平臺(tái)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(qiáng)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(yùn)動(dòng)學(xué)分析、力學(xué)分析等方法對(duì)中試平臺(tái)現(xiàn)存問(wèn)題進(jìn)行了詳盡的分析,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(yàn)、正交試驗(yàn)等方法對(duì)秸稈原料清潔制取中試平臺(tái)及其子系統(tǒng)進(jìn)行了深入的試驗(yàn)研究。為探明秸稈纖維原料清潔制取中試平臺(tái)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(duì)纖維加工質(zhì)量的影響,該文從以下7個(gè)方面展開(kāi)了比較系統(tǒng)的研究,主要研究?jī)?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(tái)的優(yōu)化設(shè)計(jì)在團(tuán)隊(duì)前期研究基礎(chǔ)上,對(duì)從水稻秸稈原料的預(yù)處理、秸稈浸泡、攪拌、清洗、撈取、輸送、喂入到水稻秸稈纖維清潔制取整個(gè)工藝流程進(jìn)行系統(tǒng)性研究。優(yōu)化設(shè)計(jì)了能夠?qū)崿F(xiàn)由農(nóng)作物秸稈到粗纖維制造的自動(dòng)化中試生產(chǎn)平臺(tái)。(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(jī)生產(chǎn)所需的水稻秸稈原料,對(duì)9QR20-60型秸稈揉切機(jī)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(yàn)方法實(shí)施試驗(yàn)。結(jié)果表明:1)水稻秸稈含水率、揉切機(jī)主軸轉(zhuǎn)速對(duì)秸稈粉碎長(zhǎng)度影響極顯著(P0.01);揉切機(jī)主軸轉(zhuǎn)速對(duì)秸稈揉切度影響極顯著(P0.01);水稻秸稈含水率對(duì)秸稈揉切度影響顯著(P0.05)。2)優(yōu)選出揉切機(jī)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(jī)主軸轉(zhuǎn)速1800~1850 r/min,此時(shí)經(jīng)改進(jìn)后的揉切機(jī)加工可得粉碎長(zhǎng)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(jì)與試驗(yàn)為滿足D200型秸稈纖維制取機(jī)的工作效率,實(shí)現(xiàn)對(duì)水稻秸稈纖維的清潔、高效和穩(wěn)定制取,設(shè)計(jì)了與D200型秸稈纖維制取機(jī)相配套的原料供給試驗(yàn)裝置。以單個(gè)耙齒為研究對(duì)象,分析單個(gè)耙齒對(duì)水稻秸稈的作業(yè)過(guò)程,并對(duì)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(yàn)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(duì)撈取效率影響極顯著(P0.01);輸送帶線速度對(duì)撈取效率變異系數(shù)影響極顯著(P0.01)。2)優(yōu)選出D200型秸稈纖維制取機(jī)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(shí),單位時(shí)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(jī)不少于1000 kg/h生產(chǎn)效率要求的前提下,可實(shí)現(xiàn)對(duì)水稻秸稈原料連續(xù)穩(wěn)定供給。(4)強(qiáng)制喂料系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)與試驗(yàn)作為纖維制取中試平臺(tái)的重要組成部分,喂料裝置喂料的均勻性和可控性,直接影響整個(gè)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(qiáng)制喂料裝置與撈取輸送裝置間配合關(guān)系及強(qiáng)制喂料裝置與進(jìn)料口間配合關(guān)系,計(jì)算出強(qiáng)制喂料螺旋主軸半徑為0.03 m,強(qiáng)制喂料螺旋主軸外徑為0.064 m,強(qiáng)制喂料螺旋螺距為0.12 m,強(qiáng)制喂料螺旋轉(zhuǎn)速為417 r/min。并對(duì)強(qiáng)制喂料裝置進(jìn)行了試驗(yàn)研究,每隔1s采集強(qiáng)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(yàn)水稻秸稈原料質(zhì)量流率變異系數(shù)作為評(píng)價(jià)指標(biāo),在相同試驗(yàn)條件下進(jìn)行試驗(yàn)。3次試驗(yàn)測(cè)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(jī)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(shí)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(guò)單因素試驗(yàn)分析了調(diào)壓腔體間隙對(duì)爆破壓力和纖維制取機(jī)消耗功率的影響規(guī)律?；谡辉囼?yàn)確定了滿足D200型秸稈纖維制取機(jī)的最優(yōu)工藝參數(shù)最優(yōu)組合為:秸稈纖維制取機(jī)主軸轉(zhuǎn)速110 r/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(shí)纖維長(zhǎng)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(shí)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(qiáng)度預(yù)測(cè)模型建立在生產(chǎn)過(guò)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(cè)模型是十分必要的?；诹Ｗ尤核惴▋?yōu)化支持向量機(jī)回歸模型,結(jié)合正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)L25(56)方法,以纖維打漿度、施膠劑添加量、濕強(qiáng)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(qiáng)度為輸出進(jìn)行模擬預(yù)測(cè)。研究結(jié)果表明:根據(jù)生產(chǎn)過(guò)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(qiáng)度預(yù)測(cè)模型,測(cè)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(cè)模型可為水稻秸稈纖維地膜抗張強(qiáng)度預(yù)測(cè)提供參考依據(jù),為進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)秸稈纖維地膜自動(dòng)化生產(chǎn)奠定了良好基礎(chǔ)。(7)水稻秸稈纖維原料清潔制取中試平臺(tái)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性分析基于工程經(jīng)濟(jì)學(xué)的基本原理和方法對(duì)秸稈纖維工業(yè)化生產(chǎn)進(jìn)行可行性與經(jīng)濟(jì)效益分析,以預(yù)測(cè)秸稈纖維清潔制取生產(chǎn)系統(tǒng)技術(shù)設(shè)計(jì)和推廣的可行性。分析結(jié)果表明:該項(xiàng)目固定資金投入為227萬(wàn)元,每年運(yùn)營(yíng)成本為125.95萬(wàn)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(jì)凈效益現(xiàn)值為1660.328萬(wàn)元,證明秸稈纖維清潔制取工業(yè)化生產(chǎn)技術(shù)項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)上可行。 【學(xué)位授予單位】：東北農(nóng)業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類(lèi)號(hào)】：S226

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