新型秸秆洗涤装置试验研究

孙国友，方书起，，马力，陈俊英，，刘利平，，白净，（郑州大学化工与能源学院，河南 郑州 45000；生物质炼制技术与装备河南省工程实验室，河南 郑州 45000）

应用技术

新型秸秆洗涤装置试验研究

孙国友1，方书起1，2，马力1，陈俊英1，2，刘利平1，2，白净1，2
（1郑州大学化工与能源学院，河南 郑州 450001；2生物质炼制技术与装备河南省工程实验室，河南 郑州 450001）

目前农作物秸秆主要通过水利碎浆机进行洗涤，具有功耗大、洗涤效果不好等缺点。本试验中设计了一种新型秸秆洗涤装置，并以小麦秸秆为原料对新型秸秆洗涤装置进行试验研究，主要考察了单因素搅拌转速、进水量以及进料速度对小麦秸秆含水量、洗涤机除杂率和洗涤装置单位产量功耗的影响。根据单因素的试验结果，对洗涤装置进行响应面优化，得到洗涤装置单位产量功耗最小的操作条件为：搅拌转速9.5r/min，进水量1.35倍于饱和进水量，进料速度 1400kg/h。在此条件下对小麦秸秆进行洗涤，既能满足小麦秸秆含水量和洗涤机除杂率要求，又能使单位产量功耗最小，洗涤装置的综合效率最高。

新型秸秆洗涤装置；含水量；除杂率；单位产量功耗；响应面

我国是世界农业大国，农作物秸秆产量约7亿吨/年，位居世界第一［1-2］。现在，农作物秸秆已经成为当今世界上仅次于煤炭、石油和天然气的第四大能源［3］，国内外科研机构也在进行农作物秸秆生产燃料乙醇的试验研究。农作物秸秆在备料时，由于收集、长途运输和一些人为的原因，原料中掺杂了泥沙、石子等杂物，这些杂物会影响后续工艺，增加设备的磨损和故障率，必须对收集的秸秆进行除杂。而且秸秆经水预浸处理后，使秸秆膨胀、纤维结构蓬松，蒸汽爆破时热蒸汽更容易进入纤维内部，可提高蒸汽爆破效果，但水分过多即影响爆破时的传热效果，对爆破产生不利影响，又耗能［4-8］。因此，现在多采用切碎、水洗、脱水等手段对秸秆进行处理，以满足后续蒸汽爆破的要求［9-10］。

当前国内对秸秆水洗多是借用造纸厂的水力碎浆机［11］，其转子对原料有强烈的洗涤和碾磨双重作用，缺点是设备较笨重，动力消耗大，细小杂物不能除去。为此，针对上诉洗涤机的缺点和秸秆洗涤要求，本文自行设计了一种新型秸秆洗涤装置，具有结构简单、洗涤效率高、功耗小等特点。

1　试验原料与设备

1.1试验原料

试验采用的原料为小麦秸秆，来自河南省郑州市高新技术开发区周边。首先对收集到的小麦秸秆进行晾晒，切碎处理，切碎后长度为 10～30mm。测得晾晒后小麦秸秆的含水量为10.19%，含杂量为2.82%。

1.2试验设备

本试验采用自行设计的一种新型秸秆洗涤装置（专利号ZL 201420697306.2），适用于对小麦秸秆等农作物秸秆的洗涤，其结构如图1所示。

该洗涤装置由进料部分、洗涤部分和收集部分组成。进料部分采用螺旋进料器结构，可通过调节进料器转速改变进料速度；洗涤部分是一个卧式搅拌式洗涤机，通过搅拌器上叶片的搅拌作用，将洗涤机的秸秆全部压入水中进行分散搅拌洗涤，搅拌叶片的结构如图2所示；收集部分是采用一个斜筛网和收料桶，从洗涤机出料口排出的秸秆落在斜筛网上，排出的水进入收料桶中进行收集并循环利用。

图2　搅拌叶片结构示意图（单位：mm）

在设备安装调试时发现，当搅拌器的转速低于7r/min时搅拌器不能正常运转；转速高于 16r/min时洗涤机内的小麦秸秆和洗涤水飞溅，洗涤装置的振动幅度比较大。当进料速度大于2000kg/h后，搅拌叶片间小麦秸秆堆积量过大，不能进行分散洗涤，而是成为一团被叶片拨至出料口，洗涤效果不好。试验中以饱和进水量为单位对进水量进行计量，当进水量大于1.6倍饱和进水量时，由于进水量过大，导致一部分洗涤水直接从出料口溢流，这部分洗涤水对小麦秸秆起不到洗涤的作用。试验条件见表1。

表1　试验条件参数

其中饱和进水量是指使小麦秸秆进料量完全浸透所需要的吸水量，对小麦秸秆进行长时间浸泡得到其饱和含水量为78.83%。

饱和进水量qv计算公式，见式（1）。

式中，qm表示进料速度，kg/h； qv表示饱和进水量，L/h。

1.3试验洗涤指标

在对洗涤机进行预实验时，发现小麦秸秆含水量达到72%以后，含水量的增长速度很慢；小麦秸秆中夹杂的大颗粒杂物很容易被洗涤掉，但是一些细小的杂物沾附在小麦秸秆上很难除去，实际中大颗粒杂物除去即可。因此，将洗涤指标中小麦秸秆含水量定为 72%，洗涤机除杂率定为 90%。见式（2）～式（4）。

式中，m1表示烘干前湿物料质量，kg；m2表示烘箱烘干后物料质量，kg；m3表示洗涤前物料含杂量，kg；m4表示洗涤后物料含杂量，kg；qm表示洗涤装置的进料速度，kg/h；P表示洗涤装置功耗，W；E表示洗涤装置的单位产量功耗，kJ/kg。

2　结果与分析

2.1搅拌器转速对洗涤装置洗涤效果的影响

试验条件：进水量为1.4倍饱和进水量，进料速度为 1500kg/h，搅拌器转速分别为 7r/min、10r/min、13r/min、16r/min。图3为小麦秸秆含水量随搅拌器转速的变化曲线，图4是洗涤机除杂率随搅拌器转速的变化曲线。

图3　小麦秸秆含水量随搅拌器转速的变化曲线

图4　洗涤机除杂率随搅拌器转速的变化曲线

从图3和图4中可以看出，随着搅拌器转速的提高，小麦秸秆的含水量和洗涤机除杂率都是先增大再减小，在转速为10r/min时含水量和洗涤机除杂率达到最大。这是因为，相同的进料速度下，搅拌叶片上秸秆堆积厚度随转速的增大变小，秸秆在洗涤机中洗涤时间随转速的增大变小，堆积质量越小、洗涤时间越长越有利于洗涤。转速过大洗涤时间太短不利于洗涤，转速越小秸秆堆积厚度太大也不利于洗涤，在10r/min时，叶片上秸秆堆积厚度和洗涤时间的双重作用达到最佳，洗涤效果最好。

从图3和图4中分可以看出，在7r/min、10r/min、13r/min、16r/min的搅拌器转速下分别需要洗涤 4次、3次、3次、4次才能满足小麦秸秆含水量和除杂率要求，通过公式（4）计算洗涤装置的单位产量功耗，并绘制单位产量功耗随搅拌器转速的变化曲线，如图5所示。

从图5中可以看出，随着搅拌器转速提高，洗涤装置的单位产量功耗先降低后增高。搅拌器转速为 10r/min时洗涤机单位产量功耗最小，其值为9.25kJ/kg。

图5　洗涤装置单位产量功耗随搅拌器转速的变化曲线

2.2进水量对洗涤装置洗涤效果的影响

试验条件：进料速度为1500kg/h，搅拌器转速为10r/min，进水量分别为1.0倍、1.2倍、1.4倍、1.6倍的饱和进水量。图6是小麦秸秆含水量随进水量的变化曲线，图7是洗涤机除杂率随进水量的变化曲线，其中进水量用1500kg/h下饱和进水量的倍数表示。

从图6和图7中可以看出，随着洗涤机进水量的增大，小麦秸秆的含水量和洗涤机除杂率都是一直增大，而且在1.4倍饱和进水量前的增长速度较快，1.4倍饱和进水量后基本上没有明显变化；在同一个进水量下，随着洗涤次数的增加小麦秸秆的含水量和洗涤机除杂率一直增大，但是增大幅度变小。这是因为，相同的进料速度和搅拌转速下，随着进水量的增大，洗涤水对小麦秸秆的冲刷作用增强，洗涤的效果变好；但是进水量过大时，对秸秆的冲刷作用不能进一步增强，不仅不能提高洗涤效果，而且造成大量洗涤水从出料口排出，浪费水资源。

图6　小麦秸秆含水量随进水量的变化曲线

图7　洗涤机除杂率随进水量的变化曲线

从在图6和图7中可以看出，在1.0倍、1.2倍、1.4倍、1.6倍饱和进水量条件下分别需要洗涤4次、4次、3次、3次才能满足洗涤要求。通过式（4）计算洗涤装置的单位产量功耗，并绘制单位产量功耗随进水量的变化曲线，如图8所示。从图8可以看出，进水量为1.4倍饱和进水量时，洗涤机的单位产量功耗最小，其值为9.25kJ/kg。

图8　洗涤装置单位产量功耗随进水量的变化曲线

2.3进料速度对洗涤装置洗涤效果的影响

试验条件：进水量为1.4倍饱和进水量，搅拌器转速为 10r/min，进料速度分别为 500kg/h、1000kg/h、1500kg/h、2000kg/h。图9是小麦秸秆含水量随进料速度的变化曲线，图10是除杂率随进料速度的变化曲线。

图9　小麦秸秆含水量随进料速度的变化曲线

图10　洗涤机除杂率随进料速度的变化曲线

从图9和图10中可以看出，随着进料速度的增大，小麦秸秆的含水量和洗涤机除杂率都一直下降，而且下降速度变快；同一个进料速度下，随着洗涤次数的增加小麦秸秆含水量和洗涤机除杂率都增大，但增大幅度变小。这是因为，相同搅拌转速下，秸秆在洗涤机中的洗涤时间相同，随着进料速度的增大，搅拌叶片上秸秆的堆积厚度变大，不利于对秸秆进行分散搅拌洗涤，洗涤效果变差。

从图 9和图 10中可以得到，在 500kg/h、1000kg/h、1500kg/h、2000kg/h进料速度条件下分别需要洗涤3次、3次、3次、4次才能满足洗涤要求。通过公式（4）计算洗涤装置单位产量的功耗，并绘制单位产量功耗随进料速度的变化曲线，如图11所示。

从图11中可以看出，进料速度为1500kg/h时洗涤机单位产量功耗最小，其值为9.25kJ/kg。

图11　洗涤装置单位产量功耗随进料速度的变化曲线

2.4试验结果分析

在前文中是对洗涤装置进行了单因素试验研究，得到单因素变量下的最佳操作条件。洗涤装置的性能同时受到搅拌器转速、进水量和进料速度的影响，单因素试验不能得到洗涤装置的最佳操作条件。响应面优化法可用于研究响应值受多个变量影响的问题，得到响应的最优值和对应的操作条件。因此，采用响应面优化法对洗涤装置进行试验研究。

根据上述试验结果，依据Box-Behnken，的试验设计原理，以搅拌器转速（A）、进水量（B）、进料速度（C）3个因素为变量，设计三因素三水平的响应面分析方法，试验因素与水平设计见表 2。以洗涤装置单位产量功耗为响应值（Y1），结合考虑小麦秸秆含水量（Y2）和洗涤机除杂率（Y3），进行三因素三水平响应面分析试验，试验中含水量和除杂率要满足洗涤要求，试验方案及试验结果如表3所示。表中 1#～12#是析因试验，13#～17#是中心试验，中心试验用以估计试验误差［12］。

表2　响应面试验因素与水平

表3　响应面试验方案及试验结果

基于Design-Expert V8.0.5软件，对表3的洗涤装置单位产量功耗的试验结果进行多元回归拟合分析处理，得到回归方程见式（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表示洗涤装置单位产量功耗，kJ/kg；A表示搅拌器转速，r/min；B表示进水量，为饱和进水量的倍数；C表示进料速度，kg/h。

对模型进行方差分析和可信度分析，分别见表4和表5。

由表4和表5得，模型P＜0.0001，说明该回归模型具有统计学意义，具有极度显著性。判定系数R2=0.9977说明该模型的拟合度非常好。校正判定系数 R2adj=0.9949，说明 99.49%的试验数据的变异性可以用此模型解释。变异系数 CV=0.89%，说明试验的可信度及精确度很好。精密度大于 4视为合理［13］，本试验精密度=54.18，说明符合要求。失拟项F值为5.59（P=0.0649＞0.05），说明失拟值和纯误差没有显著性关系，回归模型在被研究的整个回归区域不失拟，该模型能用于指导实验［13］。

表4　回归模型及方差分析结果

表5　模型可信度分析检验结果

从P值可以看出，A（P＜0.0001）对响应值影响极度显著，B（P＜0.0001）对响应值影响极度显著，C（P=0.0133＜0.05）对响应值影响显著。其影响由大到小为A＞B ＞C。在两因素交互作用中，AC （P＜0.0001）对响应值影响极度显著，BC （P=0.0006＜0.001）对响应值影响极度显著。

响应面优化试验可得到洗涤装置单位产量功耗最小的操作条件是：搅拌器转速9.42r/min，进水量1.35倍饱和进水量，进料速度1360kg/h。在此操作条件下，达到洗涤装置洗涤要求的单位产量功耗为8.72kJ/kg。结合实际操作情况将条件定为：搅拌器转速9.5r/min，进水量1.35倍饱和进水量，进料速度1400kg/h。在该条件下进行3次试验验证，得到3次试验的平均单位产量功耗为8.86kJ/h。试验结果与模型的预测值比较之间误差为1.61%，说明该模型可以较好地预测洗涤机的单位产量功耗。

3　结　论

本文以小麦秸秆为原料对新型秸秆洗涤装置进行试验研究，主要研究了搅拌转速、进水量和进料速度3个参数对小麦秸秆含水量、洗涤机除杂率和单位产量功耗的影响。结果表明：搅拌转速对洗涤效果的影响具有双重作用，转速太大和太小都不利于洗涤；在一定范围内，增大进水量有利于提高洗涤效果；随着进料速度的增大，搅拌分散效果变差，洗涤效果不好。通过响应面优化试验研究，得到洗涤装置单位产量功耗最小的操作条件：搅拌转速9.5r/min，进水量 1.35倍饱和进水量，进料速度1400kg/h。在此条件下，对小麦秸秆进行洗涤，洗涤装置的综合效率最高。

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Experimental study on new straw washing device

SUN Guoyou1，FANG 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。

国家自然科学基金项目（21176227）。

孙国友（1990—），男，硕士研究生。E-mail 13938560992 @163.com。联系人：方书起，教授。E-mail fangsq@zzu.edu.cn。