小壓縮比秸稈螺旋擠壓脫水機(jī)試驗(yàn)研究

方書起，賀李萍，張龍龍，常 春，白 凈，陳俊英

(1．鄭州大學(xué) 化工與能源學(xué)院，河南 鄭州450001;2．生物質(zhì)煉制技術(shù)與裝備河南省工程實(shí)驗(yàn)室，河南 鄭州450001)

0 引言

近年來(lái)，采用農(nóng)作物秸稈制備燃料乙醇已成為國(guó)內(nèi)外廣泛研究的熱點(diǎn)課題之一［1-3］． 為防止秸稈中混入的砂土、鐵器等雜物對(duì)設(shè)備壽命及后續(xù)工藝的影響，通常采用干切、濕凈化、預(yù)脫水等手段處理原料秸稈，以滿足后續(xù)蒸汽爆破的要求［4-6］．

當(dāng)前，國(guó)內(nèi)多借用造紙廠的螺旋擠壓喂料器(又稱潘多拉式喂料器)用于秸稈的預(yù)處理，該設(shè)備于上世紀(jì)末從國(guó)外引進(jìn)并迅速國(guó)產(chǎn)化，壓縮比多在2．5∶1 ～4∶1，其最大缺點(diǎn)是功率消耗大;其次是喂料困難、喂料器堵塞、設(shè)備打滑磨損等［7-8］．目前，對(duì)螺旋擠壓脫水機(jī)的研究多源于生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)的累積．據(jù)報(bào)道，合適的料塞管長(zhǎng)度、螺旋轉(zhuǎn)速、螺旋螺距、秸稈粒度和含水率等均對(duì)設(shè)備正常進(jìn)料、連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)、設(shè)備處理量及耗電量有著顯著的影響［9-11］．但相關(guān)研究主要是針對(duì)大壓縮比螺旋擠壓脫水機(jī)，鮮見(jiàn)針對(duì)小壓縮比螺旋擠壓脫水機(jī)的研究報(bào)道．

為此，針對(duì)潘多拉喂料器的缺點(diǎn)和秸稈預(yù)脫水要求，筆者自行設(shè)計(jì)制造了壓縮比為2∶1 的螺旋擠壓脫水機(jī)，在壓縮段的螺旋葉片工作面上用不銹鋼焊條間斷堆焊高1 ～2 mm 的不連續(xù)凸臺(tái)防滑結(jié)構(gòu);同時(shí)，在料筒上設(shè)置一種免更換的新型螺釘防滑裝置(實(shí)用新型專利號(hào):201520038513．1)，以增加物料與設(shè)備的摩擦力，保證擠壓過(guò)程順利進(jìn)行．試驗(yàn)證明，設(shè)備效率和操作性能大大提高．

1 試驗(yàn)原料及設(shè)備

1．1 試驗(yàn)原料

試驗(yàn)采用的玉米秸稈均來(lái)自河南鄭州地區(qū)，收集的秸稈經(jīng)切碎處理，使其切碎后長(zhǎng)度為1 ～3 cm，并經(jīng)風(fēng)干晾曬處理，使其初始含水量為15% ～25%，貯存使用．

試驗(yàn)過(guò)程需要對(duì)原料秸稈進(jìn)行浸泡預(yù)處理，以除去收集過(guò)程中混入的鐵屑、土塊等，同時(shí)便于后續(xù)試驗(yàn)的進(jìn)一步處理．

1．2 試驗(yàn)設(shè)備

本試驗(yàn)采用自行設(shè)計(jì)的螺旋擠壓脫水機(jī)，壓縮比為2∶1，其結(jié)構(gòu)如圖1 所示．

圖1 螺旋擠壓脫水機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖Fig．1 The structure sketch of screw extruder

該螺旋擠壓脫水機(jī)由進(jìn)料段和壓縮段兩部分組成，其中進(jìn)料段采用等徑等距螺旋結(jié)構(gòu)，壓縮段采用變徑變距的螺旋結(jié)構(gòu)，料筒與螺旋主軸一起組成了擠壓脫水系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)物料的輸送和擠壓．另外，在料筒進(jìn)料段的底部和壓縮段的全部壁面上按一定的布孔方式開(kāi)設(shè)有錐形或階梯孔，以利于擠壓脫水過(guò)程中秸稈的排水，在料筒內(nèi)壁面和螺旋葉片工作面均設(shè)有防滑結(jié)構(gòu)．該設(shè)備配用3 kW 電機(jī)，并通過(guò)變頻器調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，使螺旋擠壓脫水機(jī)在20 ～60 r·min-1范圍內(nèi)工作．試驗(yàn)條件如表1 所示．

表1 試驗(yàn)條件參數(shù)Tab．1 The test condition parameters

1．3 評(píng)價(jià)參數(shù)

式中:W0為進(jìn)入擠壓機(jī)前的物料含水量(簡(jiǎn)稱初始含水量)，%;W 為排出擠壓機(jī)的物料含水量(簡(jiǎn)稱終了含水量)，%;W1為物料在風(fēng)干狀態(tài)下的含水量，本文試驗(yàn)條下取W1=18．3%;q 為濕料處理量(一定時(shí)間內(nèi)收集的濕物料質(zhì)量除以時(shí)間)，kg·h-1;P 為設(shè)備功率消耗，kW．

2 結(jié)果與討論

2．1 螺旋轉(zhuǎn)速和初始含水量對(duì)擠壓的影響

圖2 為料塞管長(zhǎng)度L =40 mm 時(shí)干料處理量隨螺旋轉(zhuǎn)速變化的曲線．從圖2 可以看出，螺旋轉(zhuǎn)速在20 ～50 r·min-1時(shí)脫水機(jī)的干料處理量隨轉(zhuǎn)速的增大而增大，隨初始含水量的增加而略有增加;當(dāng)螺旋轉(zhuǎn)速大于50 r·min-1，設(shè)備處理量較低轉(zhuǎn)速有下降趨勢(shì)．這是因?yàn)?，物料在螺旋推力作用下沿軸向運(yùn)動(dòng)，同時(shí)受到料筒的摩擦阻力．隨著轉(zhuǎn)速的提高，螺旋葉片推料量增多，料筒對(duì)物料的總阻力增加．當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到一個(gè)最大值時(shí)，葉片軸向推力克服不了料筒阻力，葉片和物料之間開(kāi)始產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)(即出現(xiàn)打滑現(xiàn)象)，隨著打滑的持續(xù)，葉片與物料的摩擦使物料溫度升高，摩擦系數(shù)下降，造成螺旋推力減小，最終出現(xiàn)物料不能繼續(xù)前行的現(xiàn)象．因此，需結(jié)合設(shè)備生產(chǎn)能力，確定合適的螺旋轉(zhuǎn)速，以達(dá)到理想處理效果．

圖2 螺旋轉(zhuǎn)速對(duì)處理量的影響(L=40 mm)Fig．2 Effect of screw speed on handling capacity(L=40 mm)

圖3 為料塞管長(zhǎng)度L =40 mm 時(shí)設(shè)備度電產(chǎn)量隨螺旋轉(zhuǎn)速變化的曲線．從圖3 中可以看出，在相同物料初始含水量下，螺旋轉(zhuǎn)速在20 ～50 r·min-1時(shí)設(shè)備的度電產(chǎn)量隨轉(zhuǎn)速的增大而增大;當(dāng)螺旋轉(zhuǎn)速大于50 r·min-1時(shí)，設(shè)備的度電產(chǎn)量較低，轉(zhuǎn)速有下降趨勢(shì)．這是因?yàn)?，在一定范圍?nèi)提高螺旋轉(zhuǎn)速使設(shè)備處理量顯著提高，雖然設(shè)備功率消耗有所增加．但是，此時(shí)設(shè)備干料處理量與設(shè)備功率消耗的比值(即度電產(chǎn)量)隨螺旋轉(zhuǎn)速的增大而上升;而轉(zhuǎn)速過(guò)高使得設(shè)備干料處理量隨轉(zhuǎn)速的增大而下降，這就使得設(shè)備度電產(chǎn)量亦出現(xiàn)一個(gè)同趨勢(shì)的轉(zhuǎn)折． 另外，物料初始含水量增加，度電產(chǎn)量增大．

圖3 螺旋轉(zhuǎn)速對(duì)度電產(chǎn)量的影響(L=40 mm)Fig．3 Effect of screw speed on output per kW·h(L=40 mm)

2．2 料塞管長(zhǎng)度和初始含水量對(duì)擠壓的影響

圖4 為螺旋轉(zhuǎn)速n=50 r·min-1時(shí)設(shè)備的除水率隨料塞管長(zhǎng)度變化的曲線．從圖4 可以看出，設(shè)備的除水率隨著料塞管長(zhǎng)度的增加而增大． 同時(shí)，初始含水量對(duì)除水率的影響也十分顯著，初始含水量越大，其除水效果越明顯．當(dāng)料塞管長(zhǎng)度為60 mm，初始含水量為85%時(shí)，其除水率最大為20．98%．試驗(yàn)結(jié)果表明，料塞管長(zhǎng)度從20 mm 增至40 mm 時(shí)，除水率增值最大，料塞管長(zhǎng)度繼續(xù)增大，除水率變化不大．這是因?yàn)?，物料在擠壓末了經(jīng)過(guò)料塞管處，料塞管對(duì)物料形成二次壓縮，秸稈中仍有游離水被擠出，料塞管長(zhǎng)度越長(zhǎng)，料塞管處對(duì)物料的擠壓效果越明顯． 當(dāng)料塞管增至一定長(zhǎng)度時(shí)，由于料塞管上沒(méi)有出水孔，擠出的水重新被形成的料塞帶出，擠壓效果不明顯．

圖4 料塞管長(zhǎng)度對(duì)除水率的影響(n=50 r·min －1)Fig．4 Effect of the length of the straw plug pipe on dewatering rate(n=50 r·min －1)

圖5 為螺旋轉(zhuǎn)速n =50 r·min-1時(shí)干料處理量隨料塞管長(zhǎng)度的變化曲線．從圖5 可以看出，干料處理量隨料塞管長(zhǎng)度的增加而減小，同時(shí)隨初始含水量的增大而增加．這是因?yàn)?，料塞管長(zhǎng)度增加，料塞管對(duì)物料阻力增大，物料在螺旋葉片推力下得到更大的壓縮，設(shè)備除水率增大，相同轉(zhuǎn)速下處理量降低．試驗(yàn)表明，設(shè)備不加料塞管且初始含水量為85%時(shí)，處理量最大，設(shè)備除水率較小;隨著料塞管長(zhǎng)度增加，除水率呈增大趨勢(shì)．因此，為達(dá)到一定的出口含水率，需增加料塞管的長(zhǎng)度．

圖5 料塞管長(zhǎng)度對(duì)處理量的影響(n=50 r·min －1)Fig．5 Effect of the length of the straw plug pipe on handling capacity(n=50 r·min －1)

圖6 為螺旋轉(zhuǎn)速n=50 r·min-1條件下度電產(chǎn)量隨料塞管長(zhǎng)度變化的曲線．由圖6 可以看出，隨著料塞管長(zhǎng)度的增加，度電產(chǎn)量呈下降趨勢(shì)．這是因?yàn)?，隨著料塞管長(zhǎng)度的增加，料塞管對(duì)物料阻力增大，設(shè)備的功率消耗增大，同時(shí)干料處理量減小，故設(shè)備度電產(chǎn)量降低．

圖6 料塞管長(zhǎng)度對(duì)度電產(chǎn)量的影響(n=50 r·min －1)Fig．6 Effect of the length of the straw plug pipe on output per kW·h(n=50 r·min －1)

2．3 試驗(yàn)結(jié)果分析

在前期試驗(yàn)基礎(chǔ)上，采用響應(yīng)面優(yōu)化法設(shè)計(jì)了以螺旋轉(zhuǎn)速(X1)、物料初始含水量(X2)、料塞管長(zhǎng)度(X3)為3 因素的共15 個(gè)試驗(yàn)組合，其中含有12 個(gè)析因子和3 個(gè)中心點(diǎn)，中心點(diǎn)用于估計(jì)誤差，因素及水平設(shè)計(jì)如表2 所示．試驗(yàn)以除水率(Y1)為主響應(yīng)值，以處理量(Y2)、度電產(chǎn)量(Y3)為參考響應(yīng)值，響應(yīng)面試驗(yàn)矩陣及結(jié)果如表3所示．

表2 響應(yīng)面試驗(yàn)因素與水平Tab．2 Factors and the levels of experiments of response surface analysis

由響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)結(jié)果可知，螺旋擠壓機(jī)用于秸稈脫水的最佳參數(shù)組合為:料塞管長(zhǎng)度L =26．91 mm，物料初始含水量W0=85%，螺旋轉(zhuǎn)速n=50．8 r·min-1，此時(shí)設(shè)備除水率為19．68%，且設(shè)備具有滿意的干料處理量和度電產(chǎn)量． 在該最佳參數(shù)組合下進(jìn)行了3 組平行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果顯示:設(shè)備除水率平均值為17．92%，試驗(yàn)結(jié)果與預(yù)測(cè)結(jié)果之間的誤差為8．94%，表明該模型可以用于試驗(yàn)設(shè)計(jì)與預(yù)測(cè)．

表3 響應(yīng)面分析方案及試驗(yàn)結(jié)果Tab．3 Observed and estimated values for different levels of experimental design

3 結(jié)論

采用螺旋擠壓脫水機(jī)對(duì)原料秸稈進(jìn)行脫水試驗(yàn)研究時(shí)發(fā)現(xiàn)，螺旋轉(zhuǎn)速、物料初始含水量和料塞管長(zhǎng)度是最重要的3 個(gè)參數(shù)． 通過(guò)分析其對(duì)設(shè)備除水率、處理量、度電產(chǎn)量等的影響可以看出:在一定范圍內(nèi)提高螺旋轉(zhuǎn)速、增大物料初始含水量可提高設(shè)備處理量和度電產(chǎn)量;增大物料初始含水量、增大料塞管長(zhǎng)度可增大設(shè)備除水率以及降低出口物料含水量．在實(shí)際生產(chǎn)中，為保證脫水過(guò)程的穩(wěn)定高效，需采用合適的螺旋轉(zhuǎn)速并配合合適的物料初始含水量以及料塞管長(zhǎng)度． 通過(guò)響應(yīng)面優(yōu)化研究可知，螺旋擠壓脫水機(jī)處理預(yù)浸秸稈過(guò)程中，螺桿轉(zhuǎn)速為50．8 r·min-1、物料初始含水量為85%、料塞管長(zhǎng)度為26．91 mm 時(shí)，設(shè)備的綜合效率最高．

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