螺杆式蒸汽爆破机加工特性研究

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植物纤维预处理技术是植物纤维资源化利用的第一步,植物纤维蒸汽爆破预处理技术以其独特的优点正逐步引入木塑复合材料领域。目前大多数蒸汽爆破预处理设备为罐式,不能实现蒸汽爆破的连续化。本课题组自行研究设计制造了螺杆式蒸汽爆破机,并以此成功实现了植物纤维连续蒸汽爆破预处理。本文简要介绍螺杆式蒸汽爆破机主要结构并分析植物纤维连续蒸汽爆破预处理过程,系统研究螺杆式蒸汽爆破机加工特性。通过实验详细研究了蒸汽爆破机口模结构参数(包括口模间隙尺寸、口模末端尺寸)、物料参数(包括物料粒径、初始含水率、预浸时间)、工艺参数(包括喂料量、主轴螺杆转速、蒸汽爆破次数)三方面因素对蒸汽爆破压力(由蒸汽爆破背压、电机电流反映)、温度(由蒸汽爆破前后物料含水率变化反映)及蒸汽爆破效果(由筛分值反映)的影响。连续式蒸汽爆破机利用螺杆转动来推动物料前进,依靠植物纤维本身和螺杆之间的摩擦来实现物料的输送、密封、增压和升温。当物料到达口模出口时,物料被压实,温度由于摩擦生热而升高到一定程度。由于物料本身含有一定量水分,当物料从狭缝口模中连续泄出时,物料内部的高温高压水瞬时释出,产生巨大的爆破力,从而破坏植物纤维的束状组织结构,实现植物纤维细胞的离解。随着口模间隙尺寸的减小、口模末端尺寸的增大,蒸汽爆破机背压及电机电流增大,蒸汽爆破后物料含水率降低,筛分值升高。这是因为口模间隙越小、口模末端尺寸越长,物料输出口模需要克服的阻力越大,物料对螺杆反作用力增大,表现为背压增大;同时物料所受摩擦力也相应增大,物料由于摩擦热增多而温度升高,物料在口模出口处,作用在物料上的力突然释放,存在物料中的过热水瞬间转变为水蒸汽释放出来,温度越高转化成为水蒸汽挥发的水份越多,表现为温度越高,蒸汽爆破处理前后物料含水率变化越大;压力越大、温度越高,蒸汽爆破强度越大,物料中纤维细胞的离解程度越高,通过一定目数筛网的比例增多,表现为筛分值增大。但是当口模间隙尺寸过小,口模末端尺寸过大时,物料容易因摩擦阻力过大,升温过高产生糊化现象,影响蒸汽爆破机稳定工作。随着物料粒径的增大,物料通过一定间隙口模时的阻力增大,故蒸汽爆破机背压、电流增大;阻力增大,摩擦力也随之增大,因摩擦产生的热量增多,温度升高,在蒸汽爆破过程中产生的水蒸汽增多,蒸汽爆破后物料含水率降低;虽然蒸汽爆破压力增大、温度升高,但筛分值降低,这是因为当物料粒径较大时,物料内部的过热水释放速率较慢,爆破力减弱,蒸汽释放所产生的作用力不足以使粗大颗粒内部的纤维细胞离解出来,因而筛分值较低。物料初始含水率过低会导致蒸汽爆破温度过高,物料烧焦产生浓烟,影响爆破的顺利进行;适当提高初始物料含水率并适当增加物料的预浸时间会软化物料,有利于物料的撕裂,降低蒸汽爆破温度,蒸汽爆破强度减弱。随着喂料量的提高,相同口模尺寸条件下,瞬时通过口模出口的物料质量增加,导致物料从口模处输出时所需要克服的阻力增大,故蒸汽爆破机背压及电流增大;喂料量提高,阻力增大,摩擦力相应增大,虽然产生的摩擦热增多,但同时物料质量增加,物料温升反而减少,在蒸汽爆破时产生的水蒸汽减少,蒸汽爆破前后物料水分损失较少。因此,提高喂料量时,压力增大、温度降低,导致物料筛分值出现先增加后降低的趋势。随着主轴螺杆转速的提高,蒸汽爆破机背压及电机电流均有不同程度的降低,但是对蒸汽爆破后物料含水率及筛分值的影响不是非常明显。随蒸汽爆破次数的增加,蒸汽爆破机背压增大、电流升高,蒸汽爆破后物料含水率不断减低且每次蒸汽爆破过程中损失的水分降低。对于蒸汽爆破后植物纤维形态的变化,随着爆破次数的增加,爆破后纤维越细小,纤维状形态的纤维越多。对部分实验因素正交分析得喂料量对爆破机背压、电流以及爆破后物料含水率的影响最大,其次为口模间隙尺寸,而主轴螺杆转速的影响效果最小。对蒸汽爆破后物料筛分值的影响,口模间隙尺寸作用最明显,喂料量及主轴螺杆转速则影响不大。
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