薯類廢渣脫水機(jī)的設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)

周彥君 曾祥平 劉小譚 鄧佳 郭曦

四川省農(nóng)業(yè)機(jī)械研究設(shè)計(jì)院，四川成都

0 引言

薯渣是薯類作物深加工過程中的下腳料，其成分主要包括淀粉、纖維素、半纖維素、果膠、游離氨基酸、多肽和灰分等。以馬鈴薯作為原料生產(chǎn)淀粉為例，平均每產(chǎn)出1.0 t淀粉就需要消耗6.5 t左右的馬鈴薯，在此同時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生0.5 t左右的薯渣[1]。薯渣含水率為85.0%～95.0%，主要成分為膳食纖維，少量的淀粉、蛋白質(zhì)等有機(jī)質(zhì)，容易腐爛變質(zhì)，腐爛后的薯渣有惡臭味，它的排放對(duì)周邊的環(huán)境造成極大污染，薯類作物深加工帶來的廢渣處理問題越來越受到重視。

同時(shí)，薯渣內(nèi)含有的淀粉、纖維素、果膠和蛋白質(zhì)等成分，仍具有很高的開發(fā)利用價(jià)值。將薯渣作為原材料，進(jìn)行脫水后加工制成生物有機(jī)肥，能解決薯類作物深加工后產(chǎn)生的薯渣排放問題，變廢為寶。因此，薯類廢渣脫水機(jī)在環(huán)境保護(hù)中的優(yōu)越性已經(jīng)被普遍地認(rèn)識(shí)，對(duì)于循環(huán)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展具有顯著的環(huán)境效益和社會(huì)效益。

1 脫水機(jī)的結(jié)構(gòu)原理

由于薯渣與水的親合性強(qiáng)，脫水困難，本項(xiàng)目設(shè)計(jì)了1臺(tái)薯渣脫水樣機(jī)，采用網(wǎng)帶式連續(xù)脫水技術(shù)，薯渣經(jīng)網(wǎng)帶的重力脫水、擠壓脫水、二次擠壓脫水處理，除去了薯渣中多余的水分，同時(shí)，可以避免采用螺旋擠壓方式帶來的耗能大、物料適應(yīng)性差以及易堵塞等問題。薯渣脫水機(jī)的整體結(jié)構(gòu)見圖1。

本設(shè)計(jì)的脫水機(jī)主要由機(jī)架組件、傳動(dòng)系統(tǒng)、進(jìn)料系統(tǒng)、脫水系統(tǒng)、調(diào)偏裝置、卸料裝置以及張緊裝置等組成。該脫水機(jī)的脫水流程為：待脫水的薯渣首先進(jìn)入過濾脫水區(qū)脫去自由水；啟動(dòng)傳動(dòng)系統(tǒng)帶動(dòng)過濾網(wǎng)帶運(yùn)動(dòng)，將薯渣帶入擠壓脫水區(qū)，使薯渣受到輕度擠壓脫去部分水；再將薯渣帶入壓榨脫水區(qū)，經(jīng)過多個(gè)交叉排列的壓榨輥的反復(fù)擠壓，實(shí)現(xiàn)深度脫水，完成最后的脫水工藝；最后通過卸料部件將脫水之后的薯渣卸掉。脫水機(jī)關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)如下。

1.1 脫水部件的設(shè)計(jì)

脫水機(jī)的脫水部件分三個(gè)脫水區(qū)，分別是過濾脫水區(qū)、擠壓脫水區(qū)及壓榨脫水區(qū)。過濾脫水區(qū)通過支撐輥將下壓網(wǎng)帶支撐于機(jī)架上，通過過濾方式將薯渣表面的自由水濾掉，過濾脫水區(qū)與擠壓脫水區(qū)相連；擠壓脫水區(qū)通過擠壓輥分別將上壓網(wǎng)帶和下壓網(wǎng)帶支撐于機(jī)架上，薯渣被夾在上壓網(wǎng)帶和下壓網(wǎng)帶之間，隨著網(wǎng)帶一起運(yùn)行，在運(yùn)行過程中薯渣逐漸受壓力，薯渣中的水分脫出，為后續(xù)壓榨脫水做準(zhǔn)備，擠壓脫水區(qū)與壓榨脫水區(qū)相連；壓榨脫水區(qū)為多個(gè)壓榨輥將上壓網(wǎng)帶和下壓網(wǎng)帶支撐于機(jī)架上，壓榨輥錯(cuò)位排列，對(duì)薯渣進(jìn)行多次壓榨脫水。

圖 1 薯渣脫水機(jī)的整體結(jié)構(gòu)示意圖

網(wǎng)帶的選擇：網(wǎng)帶的結(jié)構(gòu)形式和孔徑對(duì)脫水效果影響較大，不同的薯種（例如紅薯、馬鈴薯、木薯）加工后的薯渣粗細(xì)程度不同，本設(shè)計(jì)針對(duì)紅薯渣，選擇人字齒網(wǎng)帶。

壓榨輥的排列方式是利用相對(duì)剪切力對(duì)薯渣進(jìn)行脫水，是機(jī)械擠壓脫水的典型方式。當(dāng)薯渣在上壓網(wǎng)帶和下壓網(wǎng)帶的夾持下彎曲地在壓榨輥之間通過，引起薯渣中固體顆粒位置的重新排列，降低了脫水阻力和孔間隙率，提高了薯渣的滲透性，從而提高了脫水效率。不同的網(wǎng)帶脫水機(jī)的壓榨輥數(shù)量相差甚遠(yuǎn)，根據(jù)物料特性的不同選擇壓榨輥的數(shù)量，最少為5個(gè)，最多有近20個(gè)。有實(shí)驗(yàn)證明，在第5個(gè)壓榨輥的脫水效果開始趨于平滑[2]，也就是說單純地增加壓榨輥的數(shù)量對(duì)提高脫水效率的影響不大。一般壓榨輥數(shù)目在5～7個(gè)，本設(shè)計(jì)選用6個(gè)直徑相同的壓榨輥進(jìn)行相錯(cuò)對(duì)向排列形成壓榨脫水區(qū)，對(duì)薯渣進(jìn)行深度壓榨脫水。

1.2 張緊裝置的設(shè)計(jì)

張緊裝置是網(wǎng)帶式脫水機(jī)的重要組成部分，既可方便安裝與拆卸網(wǎng)帶，還在某種程度上保證壓榨脫水的處理效率。本設(shè)計(jì)中的張緊裝置主要采用氣動(dòng)裝置，利用氣缸支撐張緊輥，對(duì)網(wǎng)帶進(jìn)行張緊或放松調(diào)節(jié)，以便網(wǎng)帶的正常運(yùn)轉(zhuǎn)和裝卸，本設(shè)計(jì)有兩套網(wǎng)帶，分別為上壓網(wǎng)帶和下壓網(wǎng)帶，安裝兩套張緊裝置分別張緊上壓網(wǎng)帶和下壓網(wǎng)帶，由電氣控制系統(tǒng)自動(dòng)控制，張緊的壓力可以調(diào)節(jié)。

1.3 卸料裝置的設(shè)計(jì)

薯渣經(jīng)過強(qiáng)壓榨脫水后變成餅狀進(jìn)入卸料區(qū)域，夾在兩層網(wǎng)帶之間，需要采用機(jī)械方法分離。卸料裝置安裝在出料輥上，采用機(jī)械刮刀刮下薯渣，刮刀使用工程塑料材質(zhì)，卸料裝置與出料輥的壓力可以調(diào)節(jié)。

1.4 調(diào)偏裝置的設(shè)計(jì)

薯渣在脫水過程中，由于加料的不均勻性，在上壓網(wǎng)帶和下壓網(wǎng)帶之間的薯渣厚度不同，上壓網(wǎng)帶和下壓網(wǎng)帶在傳動(dòng)過程中會(huì)發(fā)生相對(duì)位移，網(wǎng)帶產(chǎn)生偏移，這種相對(duì)位移得不到及時(shí)糾正會(huì)影響脫水機(jī)的正常運(yùn)行，網(wǎng)帶會(huì)被拉斷或者拉壞[3]。本設(shè)計(jì)中分別在上壓網(wǎng)帶和下壓網(wǎng)帶的傳動(dòng)系統(tǒng)中設(shè)置調(diào)偏裝置，設(shè)置糾偏限位的傳感器，采用光電開關(guān)傳遞信號(hào)，由自動(dòng)控制系統(tǒng)輸出信號(hào)驅(qū)動(dòng)氣缸的運(yùn)行，氣缸帶動(dòng)調(diào)偏輥運(yùn)動(dòng)，達(dá)到調(diào)偏目的。

2 脫水機(jī)對(duì)薯類廢渣脫水的效果研究

2.1 實(shí)驗(yàn)方案

2.1.1 實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)及原材料

1）樣機(jī)實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)：宜賓市高縣頂古薯業(yè)有限公司。

2）物料含水率測(cè)定實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)：四川省農(nóng)業(yè)機(jī)械研究設(shè)計(jì)院實(shí)驗(yàn)室。

3）原材料：紅薯深加工過程中的薯渣。

2.1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1）脫水工藝流程如圖2。

2）含水率測(cè)定方法：含水率采用105℃烘3 h后，60℃間隔2 h測(cè)定1次，直至恒重，以此重量為干物料的重量，根據(jù)樣本盒重、烘前樣本總重、烘后樣本總重、干料重和濕料重，計(jì)算樣本含水率。樣本含水率:

圖 2 薯渣脫水工藝流程圖

式中，P——樣本含水率，%；

dw——干料重，g；

ww——濕料重，g；

1dw——烘后樣本總量，g；

bdw——烘前樣本總量，g；

bw——樣本盒重，g。

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

本次試驗(yàn)采取單因素試驗(yàn)法，根據(jù)實(shí)際使用過程，在網(wǎng)帶孔徑相同的情況下選取壓榨壓力和壓榨輥運(yùn)行速度兩個(gè)因素，考察這兩個(gè)因素對(duì)脫水后的紅薯渣含水率指標(biāo)的影響，從而調(diào)試出最有效的脫水壓力和速度。

利用式（1-1）計(jì)算出初始樣本含水率為87.9%。合理的壓榨輥運(yùn)行速度對(duì)于脫水機(jī)的運(yùn)行效果至關(guān)重要，脫水機(jī)運(yùn)行速度直接影響網(wǎng)帶運(yùn)行速度，網(wǎng)帶運(yùn)行速度過慢會(huì)影響脫水機(jī)處理量，過快又會(huì)影響脫水效果，因此，選擇合適的壓榨輥運(yùn)行速度是正確運(yùn)行脫水機(jī)的首要條件。本實(shí)驗(yàn)首先是在壓榨壓力一定的情況下，考慮壓榨輥運(yùn)行速度對(duì)樣本含水率的影響，見圖3。

圖 3 壓榨輥運(yùn)行速度對(duì)樣本含水率的影響

從圖3可以看出，在壓榨輥運(yùn)行速度小于300 r/min時(shí)，隨著壓榨輥運(yùn)行速度的增加，薯渣含水率基本無變化，但當(dāng)壓榨輥運(yùn)行速度達(dá)到300 r/min后薯渣含水率上升趨勢(shì)明顯。其原因?yàn)楫?dāng)壓榨輥運(yùn)行速度達(dá)到300 r/min以上，在工作時(shí)間范圍內(nèi)，無法達(dá)到脫水的最大極限值，所以本設(shè)計(jì)的脫水機(jī)對(duì)于紅薯渣脫水的最佳壓榨輥運(yùn)行速度為300 r/min。

在壓榨輥運(yùn)行速度為300 r/min的情況下，考慮壓榨壓力對(duì)紅薯渣含水率的影響如下圖4。

圖 4 壓榨壓力對(duì)樣本含水率的影響

從圖4可知，隨著壓榨壓力的增加，薯渣含水率降低，但當(dāng)壓力達(dá)到0.48 Mpa后薯渣含水率基本無變化，其原因是壓榨壓力達(dá)到一定數(shù)值之后，對(duì)于特定原料的含水率就已經(jīng)達(dá)到一個(gè)極限值，再進(jìn)一步加大壓榨壓力對(duì)含水率無明顯作用，反而增加脫水機(jī)的運(yùn)行成本，所以本設(shè)計(jì)的脫水機(jī)對(duì)于紅薯渣脫水選取0.48 Mpa壓榨壓力進(jìn)行生產(chǎn)是最合理的數(shù)值。

3 結(jié)論

根據(jù)對(duì)網(wǎng)帶脫水機(jī)關(guān)鍵部件的重新設(shè)計(jì)，進(jìn)而對(duì)整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，再對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析得出，薯類廢渣脫水機(jī)對(duì)于紅薯渣脫水的最佳運(yùn)行參數(shù)為：壓榨輥運(yùn)行速度為300 r/min、壓榨壓力為0.48 Mpa，在此條件下，脫水后薯渣的含水率能達(dá)到71.7%，為后續(xù)制作有機(jī)飼料提供優(yōu)質(zhì)的原料。