新型秸稈洗滌裝置試驗研究

孫國友，方書起，，馬力，陳俊英，，劉利平，，白凈，（鄭州大學(xué)化工與能源學(xué)院，河南 鄭州 45000；生物質(zhì)煉制技術(shù)與裝備河南省工程實驗室，河南 鄭州 45000）

應(yīng)用技術(shù)

新型秸稈洗滌裝置試驗研究

孫國友1，方書起1，2，馬力1，陳俊英1，2，劉利平1，2，白凈1，2
（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驗室，河南 鄭州 450001）

目前農(nóng)作物秸稈主要通過水利碎漿機(jī)進(jìn)行洗滌，具有功耗大、洗滌效果不好等缺點。本試驗中設(shè)計了一種新型秸稈洗滌裝置，并以小麥秸稈為原料對新型秸稈洗滌裝置進(jìn)行試驗研究，主要考察了單因素攪拌轉(zhuǎn)速、進(jìn)水量以及進(jìn)料速度對小麥秸稈含水量、洗滌機(jī)除雜率和洗滌裝置單位產(chǎn)量功耗的影響。根據(jù)單因素的試驗結(jié)果，對洗滌裝置進(jìn)行響應(yīng)面優(yōu)化，得到洗滌裝置單位產(chǎn)量功耗最小的操作條件為：攪拌轉(zhuǎn)速9.5r/min，進(jìn)水量1.35倍于飽和進(jìn)水量，進(jìn)料速度 1400kg/h。在此條件下對小麥秸稈進(jìn)行洗滌，既能滿足小麥秸稈含水量和洗滌機(jī)除雜率要求，又能使單位產(chǎn)量功耗最小，洗滌裝置的綜合效率最高。

新型秸稈洗滌裝置；含水量；除雜率；單位產(chǎn)量功耗；響應(yīng)面

我國是世界農(nóng)業(yè)大國，農(nóng)作物秸稈產(chǎn)量約7億噸/年，位居世界第一［1-2］。現(xiàn)在，農(nóng)作物秸稈已經(jīng)成為當(dāng)今世界上僅次于煤炭、石油和天然氣的第四大能源［3］，國內(nèi)外科研機(jī)構(gòu)也在進(jìn)行農(nóng)作物秸稈生產(chǎn)燃料乙醇的試驗研究。農(nóng)作物秸稈在備料時，由于收集、長途運輸和一些人為的原因，原料中摻雜了泥沙、石子等雜物，這些雜物會影響后續(xù)工藝，增加設(shè)備的磨損和故障率，必須對收集的秸稈進(jìn)行除雜。而且秸稈經(jīng)水預(yù)浸處理后，使秸稈膨脹、纖維結(jié)構(gòu)蓬松，蒸汽爆破時熱蒸汽更容易進(jìn)入纖維內(nèi)部，可提高蒸汽爆破效果，但水分過多即影響爆破時的傳熱效果，對爆破產(chǎn)生不利影響，又耗能［4-8］。因此，現(xiàn)在多采用切碎、水洗、脫水等手段對秸稈進(jìn)行處理，以滿足后續(xù)蒸汽爆破的要求［9-10］。

當(dāng)前國內(nèi)對秸稈水洗多是借用造紙廠的水力碎漿機(jī)［11］，其轉(zhuǎn)子對原料有強(qiáng)烈的洗滌和碾磨雙重作用，缺點是設(shè)備較笨重，動力消耗大，細(xì)小雜物不能除去。為此，針對上訴洗滌機(jī)的缺點和秸稈洗滌要求，本文自行設(shè)計了一種新型秸稈洗滌裝置，具有結(jié)構(gòu)簡單、洗滌效率高、功耗小等特點。

1　試驗原料與設(shè)備

1.1試驗原料

試驗采用的原料為小麥秸稈，來自河南省鄭州市高新技術(shù)開發(fā)區(qū)周邊。首先對收集到的小麥秸稈進(jìn)行晾曬，切碎處理，切碎后長度為 10～30mm。測得晾曬后小麥秸稈的含水量為10.19%，含雜量為2.82%。

1.2試驗設(shè)備

本試驗采用自行設(shè)計的一種新型秸稈洗滌裝置（專利號ZL 201420697306.2），適用于對小麥秸稈等農(nóng)作物秸稈的洗滌，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

該洗滌裝置由進(jìn)料部分、洗滌部分和收集部分組成。進(jìn)料部分采用螺旋進(jìn)料器結(jié)構(gòu)，可通過調(diào)節(jié)進(jìn)料器轉(zhuǎn)速改變進(jìn)料速度；洗滌部分是一個臥式攪拌式洗滌機(jī)，通過攪拌器上葉片的攪拌作用，將洗滌機(jī)的秸稈全部壓入水中進(jìn)行分散攪拌洗滌，攪拌葉片的結(jié)構(gòu)如圖2所示；收集部分是采用一個斜篩網(wǎng)和收料桶，從洗滌機(jī)出料口排出的秸稈落在斜篩網(wǎng)上，排出的水進(jìn)入收料桶中進(jìn)行收集并循環(huán)利用。

圖2　攪拌葉片結(jié)構(gòu)示意圖（單位：mm）

在設(shè)備安裝調(diào)試時發(fā)現(xiàn)，當(dāng)攪拌器的轉(zhuǎn)速低于7r/min時攪拌器不能正常運轉(zhuǎn)；轉(zhuǎn)速高于 16r/min時洗滌機(jī)內(nèi)的小麥秸稈和洗滌水飛濺，洗滌裝置的振動幅度比較大。當(dāng)進(jìn)料速度大于2000kg/h后，攪拌葉片間小麥秸稈堆積量過大，不能進(jìn)行分散洗滌，而是成為一團(tuán)被葉片撥至出料口，洗滌效果不好。試驗中以飽和進(jìn)水量為單位對進(jìn)水量進(jìn)行計量，當(dāng)進(jìn)水量大于1.6倍飽和進(jìn)水量時，由于進(jìn)水量過大，導(dǎo)致一部分洗滌水直接從出料口溢流，這部分洗滌水對小麥秸稈起不到洗滌的作用。試驗條件見表1。

表1　試驗條件參數(shù)

其中飽和進(jìn)水量是指使小麥秸稈進(jìn)料量完全浸透所需要的吸水量，對小麥秸稈進(jìn)行長時間浸泡得到其飽和含水量為78.83%。

飽和進(jìn)水量qv計算公式，見式（1）。

式中，qm表示進(jìn)料速度，kg/h； qv表示飽和進(jìn)水量，L/h。

1.3試驗洗滌指標(biāo)

在對洗滌機(jī)進(jìn)行預(yù)實驗時，發(fā)現(xiàn)小麥秸稈含水量達(dá)到72%以后，含水量的增長速度很慢；小麥秸稈中夾雜的大顆粒雜物很容易被洗滌掉，但是一些細(xì)小的雜物沾附在小麥秸稈上很難除去，實際中大顆粒雜物除去即可。因此，將洗滌指標(biāo)中小麥秸稈含水量定為 72%，洗滌機(jī)除雜率定為 90%。見式（2）～式（4）。

式中，m1表示烘干前濕物料質(zhì)量，kg；m2表示烘箱烘干后物料質(zhì)量，kg；m3表示洗滌前物料含雜量，kg；m4表示洗滌后物料含雜量，kg；qm表示洗滌裝置的進(jìn)料速度，kg/h；P表示洗滌裝置功耗，W；E表示洗滌裝置的單位產(chǎn)量功耗，kJ/kg。

2　結(jié)果與分析

2.1攪拌器轉(zhuǎn)速對洗滌裝置洗滌效果的影響

試驗條件：進(jìn)水量為1.4倍飽和進(jìn)水量，進(jìn)料速度為 1500kg/h，攪拌器轉(zhuǎn)速分別為 7r/min、10r/min、13r/min、16r/min。圖3為小麥秸稈含水量隨攪拌器轉(zhuǎn)速的變化曲線，圖4是洗滌機(jī)除雜率隨攪拌器轉(zhuǎn)速的變化曲線。

圖3　小麥秸稈含水量隨攪拌器轉(zhuǎn)速的變化曲線

圖4　洗滌機(jī)除雜率隨攪拌器轉(zhuǎn)速的變化曲線

從圖3和圖4中可以看出，隨著攪拌器轉(zhuǎn)速的提高，小麥秸稈的含水量和洗滌機(jī)除雜率都是先增大再減小，在轉(zhuǎn)速為10r/min時含水量和洗滌機(jī)除雜率達(dá)到最大。這是因為，相同的進(jìn)料速度下，攪拌葉片上秸稈堆積厚度隨轉(zhuǎn)速的增大變小，秸稈在洗滌機(jī)中洗滌時間隨轉(zhuǎn)速的增大變小，堆積質(zhì)量越小、洗滌時間越長越有利于洗滌。轉(zhuǎn)速過大洗滌時間太短不利于洗滌，轉(zhuǎn)速越小秸稈堆積厚度太大也不利于洗滌，在10r/min時，葉片上秸稈堆積厚度和洗滌時間的雙重作用達(dá)到最佳，洗滌效果最好。

從圖3和圖4中分可以看出，在7r/min、10r/min、13r/min、16r/min的攪拌器轉(zhuǎn)速下分別需要洗滌 4次、3次、3次、4次才能滿足小麥秸稈含水量和除雜率要求，通過公式（4）計算洗滌裝置的單位產(chǎn)量功耗，并繪制單位產(chǎn)量功耗隨攪拌器轉(zhuǎn)速的變化曲線，如圖5所示。

從圖5中可以看出，隨著攪拌器轉(zhuǎn)速提高，洗滌裝置的單位產(chǎn)量功耗先降低后增高。攪拌器轉(zhuǎn)速為 10r/min時洗滌機(jī)單位產(chǎn)量功耗最小，其值為9.25kJ/kg。

圖5　洗滌裝置單位產(chǎn)量功耗隨攪拌器轉(zhuǎn)速的變化曲線

2.2進(jìn)水量對洗滌裝置洗滌效果的影響

試驗條件：進(jìn)料速度為1500kg/h，攪拌器轉(zhuǎn)速為10r/min，進(jìn)水量分別為1.0倍、1.2倍、1.4倍、1.6倍的飽和進(jìn)水量。圖6是小麥秸稈含水量隨進(jìn)水量的變化曲線，圖7是洗滌機(jī)除雜率隨進(jìn)水量的變化曲線，其中進(jìn)水量用1500kg/h下飽和進(jìn)水量的倍數(shù)表示。

從圖6和圖7中可以看出，隨著洗滌機(jī)進(jìn)水量的增大，小麥秸稈的含水量和洗滌機(jī)除雜率都是一直增大，而且在1.4倍飽和進(jìn)水量前的增長速度較快，1.4倍飽和進(jìn)水量后基本上沒有明顯變化；在同一個進(jìn)水量下，隨著洗滌次數(shù)的增加小麥秸稈的含水量和洗滌機(jī)除雜率一直增大，但是增大幅度變小。這是因為，相同的進(jìn)料速度和攪拌轉(zhuǎn)速下，隨著進(jìn)水量的增大，洗滌水對小麥秸稈的沖刷作用增強(qiáng)，洗滌的效果變好；但是進(jìn)水量過大時，對秸稈的沖刷作用不能進(jìn)一步增強(qiáng)，不僅不能提高洗滌效果，而且造成大量洗滌水從出料口排出，浪費水資源。

圖6　小麥秸稈含水量隨進(jìn)水量的變化曲線

圖7　洗滌機(jī)除雜率隨進(jìn)水量的變化曲線

從在圖6和圖7中可以看出，在1.0倍、1.2倍、1.4倍、1.6倍飽和進(jìn)水量條件下分別需要洗滌4次、4次、3次、3次才能滿足洗滌要求。通過式（4）計算洗滌裝置的單位產(chǎn)量功耗，并繪制單位產(chǎn)量功耗隨進(jìn)水量的變化曲線，如圖8所示。從圖8可以看出，進(jìn)水量為1.4倍飽和進(jìn)水量時，洗滌機(jī)的單位產(chǎn)量功耗最小，其值為9.25kJ/kg。

圖8　洗滌裝置單位產(chǎn)量功耗隨進(jìn)水量的變化曲線

2.3進(jìn)料速度對洗滌裝置洗滌效果的影響

試驗條件：進(jìn)水量為1.4倍飽和進(jìn)水量，攪拌器轉(zhuǎn)速為 10r/min，進(jìn)料速度分別為 500kg/h、1000kg/h、1500kg/h、2000kg/h。圖9是小麥秸稈含水量隨進(jìn)料速度的變化曲線，圖10是除雜率隨進(jìn)料速度的變化曲線。

圖9　小麥秸稈含水量隨進(jìn)料速度的變化曲線

圖10　洗滌機(jī)除雜率隨進(jìn)料速度的變化曲線

從圖9和圖10中可以看出，隨著進(jìn)料速度的增大，小麥秸稈的含水量和洗滌機(jī)除雜率都一直下降，而且下降速度變快；同一個進(jìn)料速度下，隨著洗滌次數(shù)的增加小麥秸稈含水量和洗滌機(jī)除雜率都增大，但增大幅度變小。這是因為，相同攪拌轉(zhuǎn)速下，秸稈在洗滌機(jī)中的洗滌時間相同，隨著進(jìn)料速度的增大，攪拌葉片上秸稈的堆積厚度變大，不利于對秸稈進(jìn)行分散攪拌洗滌，洗滌效果變差。

從圖 9和圖 10中可以得到，在 500kg/h、1000kg/h、1500kg/h、2000kg/h進(jìn)料速度條件下分別需要洗滌3次、3次、3次、4次才能滿足洗滌要求。通過公式（4）計算洗滌裝置單位產(chǎn)量的功耗，并繪制單位產(chǎn)量功耗隨進(jìn)料速度的變化曲線，如圖11所示。

從圖11中可以看出，進(jìn)料速度為1500kg/h時洗滌機(jī)單位產(chǎn)量功耗最小，其值為9.25kJ/kg。

圖11　洗滌裝置單位產(chǎn)量功耗隨進(jìn)料速度的變化曲線

2.4試驗結(jié)果分析

在前文中是對洗滌裝置進(jìn)行了單因素試驗研究，得到單因素變量下的最佳操作條件。洗滌裝置的性能同時受到攪拌器轉(zhuǎn)速、進(jìn)水量和進(jìn)料速度的影響，單因素試驗不能得到洗滌裝置的最佳操作條件。響應(yīng)面優(yōu)化法可用于研究響應(yīng)值受多個變量影響的問題，得到響應(yīng)的最優(yōu)值和對應(yīng)的操作條件。因此，采用響應(yīng)面優(yōu)化法對洗滌裝置進(jìn)行試驗研究。

根據(jù)上述試驗結(jié)果，依據(jù)Box-Behnken，的試驗設(shè)計原理，以攪拌器轉(zhuǎn)速（A）、進(jìn)水量（B）、進(jìn)料速度（C）3個因素為變量，設(shè)計三因素三水平的響應(yīng)面分析方法，試驗因素與水平設(shè)計見表 2。以洗滌裝置單位產(chǎn)量功耗為響應(yīng)值（Y1），結(jié)合考慮小麥秸稈含水量（Y2）和洗滌機(jī)除雜率（Y3），進(jìn)行三因素三水平響應(yīng)面分析試驗，試驗中含水量和除雜率要滿足洗滌要求，試驗方案及試驗結(jié)果如表3所示。表中 1#～12#是析因試驗，13#～17#是中心試驗，中心試驗用以估計試驗誤差［12］。

表2　響應(yīng)面試驗因素與水平

表3　響應(yīng)面試驗方案及試驗結(jié)果

基于Design-Expert V8.0.5軟件，對表3的洗滌裝置單位產(chǎn)量功耗的試驗結(jié)果進(jìn)行多元回歸擬合分析處理，得到回歸方程見式（5）。

Y1=9.27+0.60A+0.44B+0.11C-0.02AB-0.49AC-

0.28BC+1.92A2+1.08B2+0.49C2（5）

式中，Y1表示洗滌裝置單位產(chǎn)量功耗，kJ/kg；A表示攪拌器轉(zhuǎn)速，r/min；B表示進(jìn)水量，為飽和進(jìn)水量的倍數(shù)；C表示進(jìn)料速度，kg/h。

對模型進(jìn)行方差分析和可信度分析，分別見表4和表5。

由表4和表5得，模型P＜0.0001，說明該回歸模型具有統(tǒng)計學(xué)意義，具有極度顯著性。判定系數(shù)R2=0.9977說明該模型的擬合度非常好。校正判定系數(shù) R2adj=0.9949，說明 99.49%的試驗數(shù)據(jù)的變異性可以用此模型解釋。變異系數(shù) CV=0.89%，說明試驗的可信度及精確度很好。精密度大于 4視為合理［13］，本試驗精密度=54.18，說明符合要求。失擬項F值為5.59（P=0.0649＞0.05），說明失擬值和純誤差沒有顯著性關(guān)系，回歸模型在被研究的整個回歸區(qū)域不失擬，該模型能用于指導(dǎo)實驗［13］。

表4　回歸模型及方差分析結(jié)果

表5　模型可信度分析檢驗結(jié)果

從P值可以看出，A（P＜0.0001）對響應(yīng)值影響極度顯著，B（P＜0.0001）對響應(yīng)值影響極度顯著，C（P=0.0133＜0.05）對響應(yīng)值影響顯著。其影響由大到小為A＞B ＞C。在兩因素交互作用中，AC （P＜0.0001）對響應(yīng)值影響極度顯著，BC （P=0.0006＜0.001）對響應(yīng)值影響極度顯著。

響應(yīng)面優(yōu)化試驗可得到洗滌裝置單位產(chǎn)量功耗最小的操作條件是：攪拌器轉(zhuǎn)速9.42r/min，進(jìn)水量1.35倍飽和進(jìn)水量，進(jìn)料速度1360kg/h。在此操作條件下，達(dá)到洗滌裝置洗滌要求的單位產(chǎn)量功耗為8.72kJ/kg。結(jié)合實際操作情況將條件定為：攪拌器轉(zhuǎn)速9.5r/min，進(jìn)水量1.35倍飽和進(jìn)水量，進(jìn)料速度1400kg/h。在該條件下進(jìn)行3次試驗驗證，得到3次試驗的平均單位產(chǎn)量功耗為8.86kJ/h。試驗結(jié)果與模型的預(yù)測值比較之間誤差為1.61%，說明該模型可以較好地預(yù)測洗滌機(jī)的單位產(chǎn)量功耗。

3　結(jié)　論

本文以小麥秸稈為原料對新型秸稈洗滌裝置進(jìn)行試驗研究，主要研究了攪拌轉(zhuǎn)速、進(jìn)水量和進(jìn)料速度3個參數(shù)對小麥秸稈含水量、洗滌機(jī)除雜率和單位產(chǎn)量功耗的影響。結(jié)果表明：攪拌轉(zhuǎn)速對洗滌效果的影響具有雙重作用，轉(zhuǎn)速太大和太小都不利于洗滌；在一定范圍內(nèi)，增大進(jìn)水量有利于提高洗滌效果；隨著進(jìn)料速度的增大，攪拌分散效果變差，洗滌效果不好。通過響應(yīng)面優(yōu)化試驗研究，得到洗滌裝置單位產(chǎn)量功耗最小的操作條件：攪拌轉(zhuǎn)速9.5r/min，進(jìn)水量 1.35倍飽和進(jìn)水量，進(jìn)料速度1400kg/h。在此條件下，對小麥秸稈進(jìn)行洗滌，洗滌裝置的綜合效率最高。

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Experimental study on new straw washing device

SUN Guoyou1，F(xiàn)ANG Shuqi1，2，MA Li1，CHEN Junying1，2，LIU Liping1，2，BAI Jing1，2
（1School of Chemical Engineering and Energy，Zhengzhou University，Zhengzhou 450001，Henan，China；2Engineering Laboratory of Henan Province for Biorefinery Technology and Equipment，Zhengzhou 450001，Henan，China）

Currently，the crop straw was washed by water aquapulper，which has the disadvantages of high power consumption and poor washing effect. In this experiment，a new straw washing device was designed，and the experiment was carried out with wheat straw. Experiments were conducted to study the influences on the wheat straw moisture content，impurity removing efficiency，power consumption per unit，by process parameters like agitator speed，water inflow and feed rate etc. According to single factor experiment results，we analyzed the washing device by response surface optimization. The results showed that power consumption per unit has a minimum value，when the agitator speed is 9.5r/min，water inflow 1.35 times saturated water inflow，feed rate 1400kg/h. The washing device can satisfy the requirement of wheat straw moisture content and impurity removing efficiency，and washing device has the highest comprehensive efficiency.

new straw washing device；moisture content；impurity removing efficiency；power consumption per unit；response surface

TK 6

A

1000-6613（2016）08-2598-06

10.16085/j.issn.1000-6613.2016.08.47

2015-12-18；修改稿日期：2016-01-24。

國家自然科學(xué)基金項目（21176227）。

孫國友（1990—），男，碩士研究生。E-mail 13938560992 @163.com。聯(lián)系人：方書起，教授。E-mail fangsq@zzu.edu.cn。