香蕉茎秆纤维提取工艺研究

香蕉茎秆纤维提取工艺研究

0香蕉秸秆纤维,利用现有资源,主要有以下几种香蕉是世界上最大的水果，其水果的出口量和新鲜水果的出口量。由联合国粮食部组织的粮食部门定位为发展中国家的四大粮食。水稻、小麦和玉米被确定为第四大粮食。2010年10月,国务院下发《国务院办公厅关于促进我国热带作物产业发展的意见》(国办发(2010)45号),提出以香蕉等热带水果为重点,深入推进优势产业带建设。因此,中国香蕉产业正处于快速发展阶段。香蕉茎秆是香蕉收获后主要的副产品。由于香蕉茎秆粗大、含水率高等特点,香蕉茎秆多采用自然腐烂或田间丢弃处理,造成极大的资源浪费和环境污染问题。香蕉茎秆中含有优质的植物纤维,该纤维重量轻、透气性强,经济价值较高,适宜制作各种中、高档的西服、衬衫、领带以及各种装饰品等,也可用来制造高级纸张。目前纤维提取利用,国内外研究多集中在水稻秸秆、玉米秸秆、棉秆、甘蔗渣、菠萝叶等资源。借鉴上述研究,香蕉茎秆纤维提取可用水浸法、生物化学法和机械提取法等。国内外学者主要集中在水浸法、生物化学法进行了一定研究。水浸法提取即用水浸泡叶片7~10d,使其自然发酵,纤维周围的组织遭到破坏失去稳定,经人工刮取、清洗、干燥等获得原纤维。水浸法提取存在生产时间长,占用场地大,劳动强度高,提取率低,纤维强度降低,浸泡废液污染环境等问题。生物化学法是用生物和化学溶液浸泡叶片,即将叶片浸入含有1%纤维酶液中,酶液的pH值为4~6,在40℃下处理5h,破坏纤维周围组织,再经人工刮取、清洗、干燥等获得原纤维。生物化学法提取存在劳动强度高,生产效率较低,纤维质量一般,浸泡废液污染环境,成本高等问题。机械提取法是用机械力破坏香蕉茎秆纤维周围组织,同时完成纤维和杂质分离,最终经清洗、干燥获得原纤维。由于机械提取法具有效率高、污染少等优点,因此是一种比较理想的纤维提取方式。由于香蕉种植的区域性特点,国内机械法提取香蕉茎秆纤维仍处于起步阶段,尤其香蕉茎秆纤维提取装备,成熟机械较少。基于上述问题,本文设计了一种滚扎甩碎组合式香蕉茎秆纤维提取机,分析确定了其关键部件的结构参数,并进行了一定性能试验,以期为香蕉茎秆纤维提取技术在中国热带农业区的推广应用提供理论依据与技术支持。1工艺结构和工作原理1.1主要组成装置滚扎甩碎组合式香蕉茎秆纤维提取机结构示意图如图1所示,主要由输送装置、Ⅰ级滚扎装置、Ⅱ级滚扎装置、甩碎装置、机罩、机架、行走轮、排水装置、电机、机架等组成。整机主要技术参数如表1所示。1.2香蕉秸秆破碎工艺机架上依次安装输送装置、Ⅰ级滚扎装置、Ⅱ级滚扎装置和甩碎装置,电机通过皮带传动结构将动力分配给输送装置、Ⅰ级滚扎装置、Ⅱ级滚扎装置和甩碎装置。作业时,香蕉茎秆经过输送带输送到Ⅰ级滚扎装置中,在Ⅰ级滚扎装置中Ⅰ级滚扎上辊筒和Ⅰ级滚扎下辊筒(两辊筒之间的间距为5~10cm)相对转动对香蕉茎秆第一次挤压破碎,经过第一次挤压破碎的香蕉茎秆进Ⅱ级滚扎装置,Ⅱ级滚扎装置中Ⅱ级滚扎上辊筒和Ⅱ级滚扎下辊筒(两辊筒之间的间距为2~5cm)相对转动进一步将香蕉茎秆挤压破碎,香蕉茎秆经过第1次挤压破碎和第2次挤压破碎挤出80%以上的水,并通过排水装置排出,最后通过甩碎装置上高速转动的甩碎刀将经2次挤压破碎的香蕉茎秆锤击揉碎,最后絮状香蕉茎秆纤维通过排出口收集。2关键设备的设计2.1置及参数介绍滚扎甩碎组合式香蕉茎秆纤维提取机传动系统的设计应满足结构紧凑,功率消耗少,动力分配合理等原则,其传动系统路线配置及参数见图2。动力从电机输出后,通过动力输出轴上的带传动传递给Ⅰ级滚扎装置,Ⅰ级滚扎装置的上下两滚筒的相对运动通过一对直齿轮啮合传动;Ⅱ级滚扎装置的动力通过Ⅰ级滚扎装置上的带轮传递,Ⅱ级滚扎装置的上下两滚筒的相对运动通过一对直齿轮啮合传动;甩碎装置的动力通过Ⅱ级滚扎装置上的带轮传递;输送装置的动力通过Ⅰ级滚扎装置上的带轮传递。2.2确定级滚扎装置香蕉茎秆含具有极高的含水率,在进入甩碎装置提取香蕉茎秆纤维之前,需要分级降低其含水率。Ⅰ级滚扎装置的作用是初步挤出香蕉茎秆中的水分,同时通过滚扎处理,使香蕉茎秆直径变形,从而更容易进入Ⅱ级滚扎装置。Ⅰ级滚扎装置采用一对相对运动的辊筒,主要有Ⅰ级滚扎上辊筒和Ⅰ级滚扎下辊筒组成,为便于滚扎香蕉茎秆,上、下滚筒表面均采用纹杆状。Ⅰ级滚扎装置在工作中,根据香蕉茎秆变形可以将其划分成3个区域,即未滚扎区、滚扎变形区和滚扎成型区,其滚扎区域划分示意图如图3所示。2.2.1香蕉秸秆变形区的安定性分析,为香蕉茎Ⅰ级滚扎装置两辊筒的有效工作幅宽B1约为600mm,香蕉茎秆滚扎挤压工况如图4所示,对圆柱型香蕉茎秆在O和O′所受的辊筒的力进行分析,受力分析如图5所示。N为上辊筒对茎秆的正压力,N;N′下辊筒对茎秆的正压力,N;F、F′为上、下辊筒与茎秆产生的摩擦力,其方向与N、N′垂直,N;β为茎秆所受的摩擦力F与水平方向的夹角,即攫取角,(o)。阻碍香蕉茎秆进入辊筒对的阻力为Nsinβ+N′sinβ,香蕉茎秆进入滚扎变形区的驱动力为式中,N为Ⅰ级滚扎上辊筒对香蕉茎秆的正压力,N;N′为Ⅰ级滚扎下辊筒对香蕉茎秆的正压力,N;F为香蕉茎秆与Ⅰ级滚扎上辊筒的摩擦力,N;F′香蕉茎秆与Ⅰ级滚扎下辊筒的摩擦力,N;β为茎秆所受的摩擦力F与水平方向的夹角,(°)。香蕉茎秆滚扎变形的条件式中,f为辊筒与香蕉茎秆的摩擦系数,钢铁与香蕉茎秆的摩擦系数可取f=1.5~2.5。将式(1)代入式(2)得由于Ⅰ级滚扎辊筒表面经过喷砂工艺处理提高其粗糙度,因此取ƒ为最大值2.5,可以求得攫取角βmax=68.2°其中式中,D1为Ⅰ级滚扎装置辊筒直径,mm;H1为两滚筒间最小距离,为了使Ⅱ级滚扎装置挤压香蕉茎秆所耗功率降低以及Ⅱ级滚扎装置尺寸减少,本设计取H1=100mm;L1为香蕉茎秆圆柱形直径,一般L1=200~350mm。取L1为300mm,结合上述参数,可以求得Ⅰ级滚扎装置辊筒直径D1min=318.2mm,本设计中选取Ⅰ级滚扎装置辊筒直径D1=320mm。2.2.2辊筒转速n型化发展装置辊筒运动能力下降,辊Ⅰ级滚扎装置辊筒转速的大小影响后续工序装置的处理能力,辊筒转速高,其生产能力提高;辊筒转速过小,其生产能力下降。结合室内试验与分析,设计中辊筒的转速n1=215r/min。由公式ν1=ω1R1,转换等式中,v1为Ⅰ级滚扎装置辊筒滚扎线速度,m/s;ω1为Ⅰ级滚扎装置辊筒角速度,rad/s;R1为Ⅰ级滚扎装置辊筒半径,R1=D1/2=160mm。计算可得Ⅰ级滚扎装置辊筒线速度v1=3.6m/s。2.3滚扎脱水处理Ⅱ级滚扎装置的作用是对经过Ⅰ级滚扎装置的香蕉茎秆再次进行滚扎脱水处理,同时对通过的香蕉茎秆进行适度夹持,以利于甩碎装置对香蕉茎秆进行甩碎。2.3.1确定香蕉茎高度Ⅱ级滚扎装置设计采用的是轴线在垂直平面的相对运动的两辊筒,有效工作幅宽B2约为600mm,经过Ⅰ级滚扎装置处理的香蕉茎秆高度L2=100mm,即为Ⅱ级滚扎装置入料茎秆高度,为利于香蕉茎秆纤维的提取,两滚筒最小距离越小,甩碎装置的所耗功率将减少,但是增加了Ⅱ级滚扎辊筒的尺寸以及功耗,综合考虑本文取H2=30mm,因此,两滚筒直径为结合上述参数,可以求得Ⅱ级滚扎滚筒直径D2min=111.2mm,本设计中选取Ⅱ级滚扎辊筒直径D2=120mm。2.3.2级滚扎装置辊筒转速n的计算Ⅱ级滚扎装置辊筒转速n2由Ⅰ级滚扎辊筒转速n1确定,若Ⅱ级滚扎装置辊筒转速高,会出现打滑,若Ⅱ级滚扎装置辊筒转速低,香蕉茎秆在Ⅰ级滚扎装置辊筒和Ⅱ级滚扎装置辊筒之间堆积,影响机器正常运行,为避免上述现象必须使Ⅱ级滚扎装置辊筒线速度v2与Ⅰ级滚扎装置辊筒线速度v1相同。因此,Ⅱ级滚扎装置辊筒转速n2的计算公式为式中,R2为Ⅱ级滚扎辊筒半径,mm。将上述参数值代入式(7)得到n2=573.2r/min,v2=3.6m/s,本设计取Ⅱ级滚扎装置上下辊筒转速n2=573r/min。2.4香蕉秸秆纤维甩碎装置是主要由甩碎刀辊和甩碎刀等组成,其作用是对滚扎后的香蕉茎秆进行甩碎,进而得到香蕉茎秆纤维。在甩碎刀辊圆柱面上,圆周方向均匀分布3排甩碎刀,每排甩碎刀在轴向方向有5把甩碎刀,其三维示意图如图6所示。2.4.1级弯管机的切割甩碎刀辊转速n的大小直接影响香蕉茎秆纤维的。秸秆理论切割长度L取决于秸秆喂入速度v和单位时间内的切割次数。香蕉茎秆喂入速度与Ⅱ级滚扎辊筒线速度v2相等,甩碎刀辊转速为式中,z为圆周方向单组甩碎刀数,z=3mm。根据农艺要求甩碎后的香蕉茎秆长度L应小于100mm,本设计中,取L=60mm,结合上述参数代入式(7)得,甩碎刀辊转速n=1200r/min。2.4.2降压机装置的模型分析甩碎刀辊的回转半径大小将直接影响机器的工作效果以及甩碎刀辊的平衡、振动等,在甩碎刀辊转速一定的情况下,甩碎刀回转半径增大,会使机具整体尺寸增大,甩碎刀辊的不平衡因素也增大,振动激增。结合室内试验,本机选取甩碎刀辊直径为100mm,甩碎刀回转半径为125mm,根据Ⅰ级滚扎装置和Ⅱ级滚扎装置的幅宽,甩碎刀辊长度M取620mm,粉碎装置的二维模型图如图7所示。甩碎刀选取改进的锤爪型刀片,该类粉碎刀具有质量较大、质心靠外、转动惯量大、使用寿命长等特点。甩碎刀工作中依靠端部刃口以及弯曲部分的刃口对香蕉茎秆进行打击、剪切,使茎秆中的杂质振动和刮削脱落,甩碎刀相关尺寸如图8所示。2.4.3降压刀有限元分析运用Solidworks的Simulation插件对甩碎刀进行静力学有限元分析。选用甩碎刀材料,本设计选用韧性较好的65Mn钢,并对甩碎刀的刀刃部位进行淬火和回火处理;对甩碎刀网格划分,因为甩碎刀的分析主要在刀刃处,所以对刀刃的网格划分密集;由于甩碎刀焊接于甩碎刀辊,所以对甩碎刀刀把添加约束使之固定;本次设计只考虑载荷最大的情况下甩碎刀的受力,根据对脱水后的香蕉茎秆香蕉茎秆强度测试得到切割阻力为170N,因此在甩碎刀刀刃上加300N的阻力。通过对甩碎刀的有限元分析,得出如图9所示结果。由分析结果可知,最大合位移量在刀尖位置上,位移量为0.035mm,处于65Mn钢的弹性变形范围内。甩碎刀的应力集中主要分布在刀把和其他尺寸突变处,总的应力最大值为29.89MPa,远低于65Mn钢的许用应力[σ]=150~286MPa,因此,甩碎刀的强度满足设计要求。3性能试验分析3.1liams香蕉品种的人工生长检测试验时间为2012年11月,地点在海南省儋州市宝岛新村,试验选用香蕉茎秆为海南当地种植较多的巴西Williams香蕉品种,通过人工砍伐获取。香蕉茎秆平均直径为320mm,香蕉茎秆平均长度为1500mm,香蕉茎秆含水率为84.2%。采用本文设计的机器进行性能试验,测量参数主要包括生产率、含杂率、提取率、能耗,以上指标均测量5次求其平均值。主要仪器3169-20电力分析仪、磅秤、电子表、钢卷尺、真空干燥箱等。3.2测试方法3.2.1确定含水率系数机器正常运行中,每隔5min收集1次香蕉茎秆纤维,称质量。考虑到喂料的含水率有所差异,计算中增加含水率系数,取值0.9。其计算公式为式中,Qscl为生产率,kg/h;mel为香蕉茎秆纤维质量,kg;t为收集纤维物的时间,s。3.2.2香蕉秸秆提取率的确定在纤维总量一定的香蕉茎秆中,加工提取得到的香蕉茎秆纤维所占质量的百分比为香蕉茎秆纤维提取率。本试验对香蕉茎秆纤维提取率用以下方法测定:从待加工的香蕉茎秆随机选取一定量的茎秆,称其质量为m1,加工所得到香蕉茎秆粗纤维经过水洗,并通过真空干燥箱进行干燥,称其质量m2,则提取率σ为:式中,m1为随机选取的香蕉茎秆的重量,kg;ρ为待加工的香蕉茎秆纤维含量,香蕉茎秆中香蕉纤维的含量为2.5%~7.5%,本文ρ试验测量值约为3.8%;m2为经过水洗和干燥的香蕉茎秆纤维质量,kg;σ为提取率,%。3.2.3含杂率的测定加工提取得到的一定量的香蕉茎秆粗纤维中,杂质质量所占的百分比为香蕉茎秆纤维含杂率。本试验采用以下方法测定:从加工得到的香蕉茎秆揉碎物中随机抽取一定量得香蕉茎秆粗纤维,称其质量m4,对该香蕉茎秆粗纤维经过水洗,并通过真空干燥箱进行干燥,称其质量m3,则含杂率φ为:式中,m4为随机抽取揉碎物的质量,kg;m3为香蕉茎秆纤维的质量,kg;φ为含杂率,%。3.2.4能量的计算生产100kg香蕉茎秆揉碎物所消耗的能量,其计算式:式中,W耗为小时每生产100kg揉碎物能耗,kW·h/100kg;P电为每小时消耗的电能,kW。3.3种机器的试验结果在试验过程中,整机运行比较平稳,工作可靠,能满足要求。为比较滚扎甩碎组合式香蕉茎秆纤维提取机的纤维提取率、含杂率、生产率和能耗等指标,选择市场上常用的半喂入式香蕉茎秆纤维提取机进行对比试验,该机生产率大于100kg/h,纤维提取率大于80%,含杂率小于10%。2种机器的试验结果如表2所示。试验结果表明,滚扎甩碎组合式香蕉茎秆纤维提取机的平均提取率为89.2%,含杂率为8.6%,生产率为206kg/h