水稻秸稈纖維制取機工作參數(shù)優(yōu)化與性能試驗

劉環(huán)宇 江連洲 陳海濤 夏吉慶 李龍海

(1.大連工業(yè)大學(xué)機械工程與自動化學(xué)院， 大連 116034; 2.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)食品學(xué)院， 哈爾濱 150030;3.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院， 哈爾濱 150030)

0 引言

以農(nóng)作物秸稈為原料制造可降解植物纖維地膜是一種秸稈高值化利用方式，可有效地解決鋪設(shè)塑料地膜帶來的白色污染等問題[1-3]。在植物纖維地膜制造過程中，高效、清潔、低能耗的纖維制取是其重要的前提條件[4]。

目前，常用的纖維制取方法有物理制取法、化學(xué)處理法和生物制取法[5-7]。采用單螺桿連續(xù)擠出蒸汽爆破法對農(nóng)作物秸稈進(jìn)行加工處理屬于物理制取法，該方法通過連續(xù)螺桿擠出的方式生產(chǎn)秸稈纖維，在機械力、秸稈纖維間相互作用力及蒸汽爆破力的作用下使秸稈纖維的粒徑變小，從而破壞纖維素、半纖維素和木質(zhì)素間的結(jié)合層，實現(xiàn)纖維制取。由于農(nóng)作物秸稈物理結(jié)構(gòu)較為特殊，導(dǎo)致加工所得秸稈纖維物料得率較低，制取過程中能耗較大[8-9]。

在利用單螺桿連續(xù)擠出蒸汽爆破法進(jìn)行秸稈纖維制取前，部分學(xué)者用稀酸或堿性溶液對秸稈進(jìn)行預(yù)處理，使秸稈中纖維素、半纖維素和木質(zhì)素膨脹，破壞其結(jié)晶性，進(jìn)而提高制取速率，但加工時產(chǎn)生廢液污染，不適于大規(guī)模生產(chǎn)[10-12]。MAKARAWAT等[13]以稻草為試驗原料，探究了蒸汽爆破法和化學(xué)處理法對纖維提取過程中纖維直徑、長度、長寬比的影響，并分析了木質(zhì)素和半纖維素變化情況，結(jié)果表明，隨著NaOH濃度的增加，纖維的平均直徑、長度減小，纖維產(chǎn)量降低，長寬比增大。對于蒸汽爆炸，纖維素纖維被嚴(yán)重分解，導(dǎo)致纖維直徑和長度顯著減小。CHEN等[14]采用機械高壓蒸汽技術(shù)從稻草中提取纖維素纖維，采用傅里葉變換紅外光譜、廣角X射線衍射、掃描電鏡和熱重分析方法研究了纖維素纖維的結(jié)構(gòu)、化學(xué)組成和熱性能。結(jié)果表明，經(jīng)機械高壓蒸汽處理后，稻草纖維的熱性能顯著提高，在增強聚合物復(fù)合材料中具有良好的應(yīng)用前景。上述研究均對加工后所得纖維形態(tài)進(jìn)行了微觀分析及結(jié)構(gòu)分析，但對纖維制取機結(jié)構(gòu)參數(shù)和工作參數(shù)等并未進(jìn)行深入研究。文獻(xiàn)[15-16]提出并建立了適用于農(nóng)作物秸稈的蒸汽爆破建壓段數(shù)學(xué)模型和有限元模型，并利用Fluent軟件對建壓段流道流場進(jìn)行了有限元模擬計算。文獻(xiàn)[17-18]研制了螺桿式蒸汽爆破機，采用連續(xù)式螺桿蒸汽爆破的方法對稻稈進(jìn)行預(yù)處理，用來生產(chǎn)制備無膠板。文獻(xiàn)[19-20]研發(fā)了D200型秸稈纖維制取機，在原有機型上加裝了冷卻系統(tǒng)、溫度監(jiān)控系統(tǒng)、壓力傳感系統(tǒng)，有效地增加了纖維制取系統(tǒng)的可控性、安全性，實現(xiàn)了利用秸稈纖維制取可降解生物地膜[21-22]。然而，秸稈纖維制取過程中仍存在以下問題：加工所得秸稈纖維中粗纖維較多，需經(jīng)過篩分處理方可使用，故而增加了生產(chǎn)工序；秸稈纖維的初始叩解度、分枝、帚化程度低，從而后續(xù)生產(chǎn)工藝增加了能量損耗。因此，低能耗制備高得率秸稈纖維技術(shù)工藝尚需進(jìn)一步研究。

為實現(xiàn)無污染、低能耗、清潔、優(yōu)質(zhì)的水稻秸稈纖維制取，本文以提秸稈纖維得率、降低制取機能耗為目標(biāo)，通過正交旋轉(zhuǎn)中心組合試驗方法確定滿足高效、優(yōu)質(zhì)的秸稈纖維制取最優(yōu)工藝參數(shù)組合，以期為水稻秸稈纖維清潔制取提供技術(shù)支撐。

1 纖維制取機結(jié)構(gòu)及工作原理

D200型秸稈纖維制取機采用單螺桿結(jié)構(gòu)，由動力系統(tǒng)、主機機架、強制喂料裝置、主軸螺桿、套筒和出料口等組成，其中制取機主軸由喂入段、擠壓段和爆破段組成。套筒處加裝冷卻裝置、溫度傳感器、壓力傳感器，其總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 D200型秸稈纖維制取機結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of D200 straw fiber extruder1.出料口 2.調(diào)壓外環(huán) 3.調(diào)壓內(nèi)環(huán) 4.溫度傳感器 5.爆破段 6.擠壓段 7.壓力傳感器 8.喂入段 9.強制喂料裝置 10.纖維制取機主軸 11.機架 12.動力系統(tǒng)

D200型纖維制取機總體結(jié)構(gòu)參數(shù)和工作參數(shù)如表1所示。

表1 D200型纖維制取機總體結(jié)構(gòu)參數(shù)和工作參數(shù)Tab.1 Structural and working parameters of D200 straw fiber extruder

D200型纖維制取機工作時，由動力系統(tǒng)產(chǎn)生動力以帶傳動的方式傳輸至制取機主軸，使制取機主軸產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)運動。此時強制喂料裝置將經(jīng)常溫水浸泡的水稻秸稈喂入至喂料口，在螺桿推力與摩擦力的共同作用下將水稻秸稈進(jìn)行壓縮，輸送至擠壓段。在擠壓段對水稻秸稈進(jìn)行剪切、揉搓和擠壓，完成水稻秸稈的初加工，并輸送至爆破段。爆破段完成秸稈纖維進(jìn)一步的剪切、揉搓，實現(xiàn)升溫和加壓過程。當(dāng)水稻秸稈被輸送至爆破口時，在調(diào)壓外環(huán)與調(diào)壓內(nèi)環(huán)的共同作用下完成爆破壓力和溫度的調(diào)節(jié)。在高溫高壓強剪切條件下，水稻秸稈組成結(jié)構(gòu)被破壞，分解為細(xì)小分枝且帚化程度較高的纖維，如圖2所示。

圖2 水稻秸稈纖維制取過程Fig.2 Preparation process analysis of rice straw1.木質(zhì)素 2.纖維素 3.半纖維素

2 試驗因素選取

2.1 爆破口腔體間隙

爆破口腔體間隙將直接影響瞬時汽爆壓力，進(jìn)而影響水稻秸稈纖維加工質(zhì)量。因此，首先對調(diào)壓外環(huán)與調(diào)壓內(nèi)環(huán)腔體內(nèi)水稻秸稈纖維進(jìn)行運動學(xué)分析，取調(diào)長度為dz的微元為研究對象。假設(shè)t時刻，密度為ρ，前進(jìn)速度為v，經(jīng)過Δt時刻，密度變?yōu)棣?dρ，前進(jìn)速度為v+dv，腔體內(nèi)水稻秸稈纖維運動過程如圖3所示。

圖3 腔體內(nèi)水稻秸稈纖維運動示意圖Fig.3 Sketch of straw fiber movement in chamber

當(dāng)D200型纖維制取機處于穩(wěn)定工作狀態(tài)，此時喂入量與出料量達(dá)到平衡狀態(tài)，因此建立平衡狀態(tài)方程

ρv=(ρ+dρ)(v+dv)

(1)

結(jié)合熔體輸送理論可得秸稈纖維在直角坐標(biāo)系中的三維運動微分方程為[23-24]

(2)

X、Y、Z——秸稈纖維物料質(zhì)量力

假設(shè)輸送過程中秸稈纖維粘度系數(shù)η為常數(shù)，因此可將式(2)化簡為滿足廣義的牛頓內(nèi)摩擦定律的運動微分方程

(3)

為探究腔體間隙與質(zhì)量流率影響模型，需對模型進(jìn)行假設(shè)：①纖維制取機腔體內(nèi)水稻秸稈纖維為可壓縮流體。②纖維制取機內(nèi)水稻秸稈纖維沿腔體z向(圖3)運動穩(wěn)定，不存在間歇運動。③不考慮螺桿、套筒曲率對水稻秸稈纖維的影響。④水稻秸稈纖維進(jìn)入調(diào)壓外環(huán)與調(diào)壓內(nèi)環(huán)腔體到擠出過程中螺桿及秸稈纖維物料溫度恒定不變。⑤水稻秸稈纖維運動過程中，忽略重力等質(zhì)量力的影響。⑥不考慮x、y方向運動，僅研究z方向運動。

結(jié)合累次積分法對式(3)進(jìn)行求解，可得z向的速度分布vz為

(4)

式中n——制取機主軸轉(zhuǎn)速，r/min

D——制取機螺桿直徑，mm

H——調(diào)壓外環(huán)與調(diào)壓內(nèi)環(huán)腔體間隙

由式(4)可以看出，水稻秸稈纖維擠出速度隨著腔體間隙增加而增大。進(jìn)一步分析可知，當(dāng)腔體間隙較小時，雖有利于增加秸稈纖維在爆破口處的剪切速率，并產(chǎn)生良好的汽爆效果，但一定程度上減少了爆破口截面積，降低了水稻秸稈纖維擠出速度，難以保證制取機1 t/h的加工要求[9]。當(dāng)腔體間隙較大時，雖有利于纖維擠出，使單位時間內(nèi)水稻秸稈纖維產(chǎn)量得到提高，但不利于熱傳導(dǎo)，一定程度上降低纖維剪切速率，導(dǎo)致擠出時汽爆效果不足，纖維質(zhì)量不能滿足生產(chǎn)要求。

2.2 主軸轉(zhuǎn)速

D200型秸稈纖維制取機主軸轉(zhuǎn)速的改變直接影響秸稈纖維在制取機內(nèi)的輸送效率和加工質(zhì)量。單位時間內(nèi)制取機主軸轉(zhuǎn)速的增加，對水稻秸稈的剪切速率增大，提高了水稻秸稈纖維牽引速度，使制取機的擠出效率提高。因此一定范圍內(nèi)，制取機加工能力與主軸轉(zhuǎn)速成正比。但當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速達(dá)到一定值時，若繼續(xù)增加主軸轉(zhuǎn)速，秸稈纖維產(chǎn)量將不再隨主軸轉(zhuǎn)速增加而增大，此時制取機加工效率逐漸降低。另一方面，制取機主軸轉(zhuǎn)速增加一定程度上增大了能量損耗，造成能量浪費。

2.3 加工溫度

D200型秸稈纖維制取機通過機械能轉(zhuǎn)換為熱能來實現(xiàn)升溫過程，通過溫控系統(tǒng)實現(xiàn)溫度的調(diào)節(jié)。當(dāng)制取溫度超出預(yù)設(shè)溫度時，溫度傳感器發(fā)出信號，冷卻系統(tǒng)工作，達(dá)到預(yù)設(shè)溫度后，冷卻系統(tǒng)停止工作，完成對制取機加工溫度的調(diào)節(jié)。加工溫度將直接影響加工后水稻秸稈纖維的分枝、帚化效果。爆破口溫度較低時，腔體內(nèi)水稻秸稈中水分僅少部分轉(zhuǎn)換為蒸汽，難以保證汽爆效果。加工溫度升高，汽爆效果會隨之增強，但溫度過高會使得加工后的水稻秸稈纖維糊化、降解，因此制取機加工溫度應(yīng)在合理范圍內(nèi)取值。

3 試驗材料與方法

3.1 試驗材料與設(shè)備

試驗材料：東農(nóng)425水稻秸稈(東北農(nóng)業(yè)大學(xué)試驗基地)，試驗前常溫水浸泡12 h。

試驗儀器與設(shè)備：采用自制的D200型秸稈纖維制取機進(jìn)行水稻秸稈纖維制取試驗。主要儀器：ZBSX-92A型振擊式標(biāo)準(zhǔn)振篩機，北京路建科宇儀器設(shè)備有限公司，振幅為8 mm，振擊頻率為147次/min，篩搖動頻率為221次/min；ATV312HU75N4型變頻器，施耐德電氣有限公司，變頻范圍0～50 Hz；AWS2103型三相功率分析儀，高要市愛特精密測量科技有限公司，量程0～100 kW，測量精度±0.5%；UT371型非接觸式轉(zhuǎn)速計，優(yōu)利德電子有限公司，量程0～99 999 r/min，測量精度±2.04%；BA23031型生物攝影顯微鏡，重慶光電儀器有限公司，放大倍數(shù)40～1 600，游標(biāo)卡尺精度0.1 mm。

3.2 試驗設(shè)計與方法

應(yīng)用三因素五水平二次正交旋轉(zhuǎn)中心組合試驗方法，選取主軸轉(zhuǎn)速、加工溫度和腔體間隙為試驗因素[23-24]，綜合考慮D200型秸稈纖維制取機結(jié)構(gòu)、工作參數(shù)，結(jié)合前期理論研究及預(yù)試驗，通過試驗因素水平編碼表確定因素取值范圍，選取主軸轉(zhuǎn)速x1為85～135 r/min、加工溫度x2為88～122℃、腔體間隙x3為3.5～8.5 mm，試驗因素編碼見表2。

表2 試驗因素編碼Tab.2 Experimental values and coded level of factors

3.3 檢測方法

D200型秸稈纖維制取機纖維得率決定水稻秸稈原料的利用率，其計算方法為[25]

(5)

式中m1——粗纖維干物質(zhì)量，kg

m2——喂入秸稈纖維制取機的水稻秸稈干物質(zhì)量，kg

m3——粗纖維篩分后，所獲纖維干物質(zhì)量，kg

纖維制取機能耗通過三相功率分析儀測定，待纖維制取機工作穩(wěn)定后，間隔30 s進(jìn)行一次讀數(shù)，記錄5次數(shù)據(jù)取均值。

3.4 數(shù)據(jù)處理

采用Design-Expert 8.0軟件對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和統(tǒng)計分析。

4 試驗結(jié)果與分析

4.1 試驗結(jié)果

試驗方案與試驗結(jié)果如表3所示，表中X1、X2、X3為因素編碼值。

表3 試驗方案與結(jié)果Tab.3 Experimental plan and results

4.2 回歸模型及方差分析

對制取機能耗、纖維得率進(jìn)行方差分析，結(jié)果如表4所示。可以看出制取機能耗y1、纖維得率y2回歸模型極顯著(P<0.01)，失擬項不顯著(P>0.05)，說明回歸方程擬合的效果好。

表4 回歸模型方差分析Tab.4 Variance analysis of regression models

(6)

(7)

利用制取機能耗、纖維得率二次方程系數(shù)的檢驗結(jié)果，判斷試驗因素對性能指標(biāo)影響程度[26-28]。經(jīng)計算，各因素對性能指標(biāo)的貢獻(xiàn)率如表5所示。

表5 各因素對性能指標(biāo)因素貢獻(xiàn)率Tab.5 Importance of effects of factors on response functions

由表5可知，各因素對制取機能耗影響順序依次為：腔體間隙、加工溫度、主軸轉(zhuǎn)速。各因素對纖維得率影響順序依次為：腔體間隙、主軸轉(zhuǎn)速、加工溫度。

4.3 各因素對性能指標(biāo)影響規(guī)律

4.3.1交互作用對制取機能耗的影響

加工溫度為105℃時，腔體間隙和制取機主軸轉(zhuǎn)速對纖維制取機能耗的影響如圖4a所示，由圖可知，制取機能耗隨著主軸轉(zhuǎn)速的增加而增大，隨著腔體間隙的增加而減小。當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速較低時，制取機能耗隨著制取機腔體間隙減小變化不顯著。主軸轉(zhuǎn)速升高，制取機能耗隨著腔體間隙減小呈遞增趨勢。因為當(dāng)腔體間隙較大時，水稻秸稈纖維原料在爆破口腔體處壓實度低，易于擠出，此時制取機主軸轉(zhuǎn)動克服摩擦力做功較少，因此隨著制取機主軸轉(zhuǎn)速提高能耗上升趨勢不明顯。當(dāng)腔體間隙較小時，水稻秸稈纖維原料在爆破口腔體處產(chǎn)生堆積，壓實程度高，此時制取機能耗來源于主軸克服強摩擦力做功，且上升趨勢明顯。

主軸轉(zhuǎn)速為110 r/min時，腔體間隙和加工溫度對制取機能耗影響規(guī)律如圖4b所示。由圖可知，制取機能耗隨腔體間隙的增加而減小，隨加工溫度的增加而增大。因為隨著加工溫度的升高，水稻秸稈纖維中越來越多的水分被轉(zhuǎn)換為蒸汽，此時纖維的分枝帚化程度高，爆破口腔體處水稻秸稈纖維出現(xiàn)逆流現(xiàn)象，隨加工溫度升高制取機主軸克服摩擦力做功增加，能耗呈上升趨勢。

圖4 各因素對制取機能耗的影響Fig.4 Response surface for effects of factors on energy efficiency

4.3.2交互作用對纖維得率的影響

腔體間隙為6.0 mm時，加工溫度和主軸轉(zhuǎn)速對纖維得率影響規(guī)律如圖5a所示。由圖可知，纖維得率隨著加工溫度的增加呈先增加后減小趨勢。因為當(dāng)溫度較低時，爆破口處水稻秸稈纖維中水分轉(zhuǎn)換為蒸汽較少，汽爆效果不顯著，制取機僅對水稻秸稈纖維起到擠出作用，此時生產(chǎn)加工所得纖維分枝、帚化程度低，粗纖維含量高，因此纖維得率低。隨著溫度的升高，爆破口處水稻秸稈纖維中水分轉(zhuǎn)換為蒸汽逐漸增多，汽爆效果增強，此時伴隨著水稻秸稈纖維的擠出，纖維中的水分瞬間轉(zhuǎn)換為蒸汽釋放到空氣中，使生產(chǎn)加工的纖維分枝、帚化程度得以提高，粗纖維含量降低，纖維得率升高。但溫度過高時，會導(dǎo)致纖維發(fā)生熱力學(xué)降解，部分纖維灰塵化，甚至出現(xiàn)糊化現(xiàn)象，導(dǎo)致纖維得率降低。

圖5 各因素對纖維得率的影響Fig.5 Response surface for effects of factors on fiber yield

纖維得率隨著制取機主軸轉(zhuǎn)速的增加呈先增加后減小趨勢。因為當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速較低時，喂料量較難保證制取機最大喂入量，且秸稈纖維較難從制取機中擠出，故此時纖維得率較低。隨著主軸轉(zhuǎn)速的增大，制取機內(nèi)水稻秸稈纖維單位時間內(nèi)所受剪切、撕裂作用增加，可產(chǎn)生更多的內(nèi)摩擦熱，纖維的分枝、帚化程度更加均勻，纖維得率提高。但當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速增大到一定值時，制取機的生產(chǎn)能力上升趨勢變緩，且單純提高主軸轉(zhuǎn)速容易產(chǎn)生過多的內(nèi)摩擦熱，使得纖維剪切撕裂效果過于強烈，造成纖維破碎不均，纖維得率降低。

主軸轉(zhuǎn)速為110 r/min時，腔體間隙和加工溫度對纖維得率影響規(guī)律如圖5b所示，由圖可知，纖維得率隨著腔體間隙的增加呈先增加后而減小趨勢。加工溫度與腔體間隙對纖維得率交互作用極顯著。因為當(dāng)腔體間隙較小時，爆破口處水稻秸稈纖維壓實度增大，使纖維收到強剪切力，在強剪切力作用下容易引起纖維出現(xiàn)熱解、糊化現(xiàn)象，使得纖維得率較低。當(dāng)腔體間隙較大時，增大了爆破口處纖維的擠出量，使纖維所受剪切力變小，降低了汽爆壓力，不利于產(chǎn)生汽爆效果，使得纖維得率較低。

4.4 參數(shù)優(yōu)化

以高得率、低能耗、優(yōu)質(zhì)的水稻秸稈纖維制取為原則，為得到D200型秸稈纖維制取機主軸轉(zhuǎn)速、加工溫度、腔體間隙的最優(yōu)性能參數(shù)組合，考慮到響應(yīng)值受各因素影響不盡相同，因此進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化，目標(biāo)函數(shù)為

(8)

對參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化求解，當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速為97.1 r/min、加工溫度為106.6℃、腔體間隙為5.65 mm時，制取機能耗為39.04 kW/h，纖維得率為86.60%。

4.5 驗證試驗

為驗證優(yōu)化結(jié)果的準(zhǔn)確性，選主軸轉(zhuǎn)速97 r/min、加工溫度107℃、腔體間隙5.7 mm為優(yōu)化參數(shù)，在此方案下開展試驗，測得10次平行驗證結(jié)果，如表6所示。

表6 優(yōu)化條件下評價指標(biāo)實測值Tab.6 Measured value of evaluation indices under optimal condition

由表6可知，各響應(yīng)值的試驗實測值與理論優(yōu)化值較為吻合，相對誤差不大于1.6%，所以參數(shù)優(yōu)化結(jié)果可靠。D200型秸稈纖維制取機在秸稈纖維制取作業(yè)時，采用該優(yōu)化參數(shù)組合，即主軸轉(zhuǎn)速為97 r/min、加工溫度為107℃、腔體間隙為5.7 mm，此時制取機能耗為39.67 kW/h，纖維得率為87.58%，加工后所得水稻秸稈纖維如圖6所示。

圖6 加工后所得水稻秸稈纖維Fig.6 Rice straw fiber obtained after processing

5 結(jié)論

(1)制取機主軸轉(zhuǎn)速、加工溫度、腔體間隙對制取機能耗、水稻秸稈纖維得率的影響極顯著(P<0.01)，各因素對制取機能耗的影響由大到小依次為：腔體間隙、加工溫度、主軸轉(zhuǎn)速，各因素對纖維得率的影響由大到小依次為：腔體間隙、主軸轉(zhuǎn)速、加工溫度。

(2)獲得水稻秸稈纖維低能耗、高得率制取較優(yōu)工藝參數(shù)，即在主軸轉(zhuǎn)速97 r/min、加工溫度107℃、腔體間隙5.7 mm時，制取機能耗均值為39.67 kW/h，纖維得率均值為87.58%，與預(yù)測模型對比，相對誤差不大于1.6%，可實現(xiàn)高得率、低能耗的水稻秸稈纖維制取，為水稻秸稈纖維清潔制取工藝提供參考依據(jù)。