第3章 农作物破碎原理、粒度与能耗分析
为缩短发酵原料的产气时间,提高单位容积的产气量,需要对发酵原料（蔬菜类农作物）进行预处理,如前面所述,在农作物厌氧发酵制备沼气的项目中,最常用的预处理方式之一是进行破碎。本章首先介绍常见的破碎工艺,然后通过粒度表征方法和分形模型对破碎后的粒度分布进行表征,目的是为了确定粒度分布的特征参数和粒度的分布情况,从而分析破碎不同粒径所需要的能耗。
3.1农作物破碎原理
物料在受到外力作用时,总是沿着其最抗压性最差处发生破裂。经过破裂后,物料的粒径变小。不同的破碎方式有一个共同的特性,就是在不同形式的破碎力的作用下,对物料进行破碎,从而达到减小物料粒径,增大比表面积的目的,从而使物料在厌氧发酵制备沼气的过程中,可以加速物料的生化反应。
3.1.1农作物的破碎原理
论述中我有查阅有关文献，由于研究的是蔬菜类农作物（黄瓜藤），结构和秸秆类似，所以以秸秆来说明农作物的破碎原理，农作物秸秆的结构由木质素、纤维素、半纤维素、果胶和蜡质等化合物组成。由于农作物秸秆的木质素很难通过微生物来进行降解,因而农作物秸秆的原料的厌氧发酵,其降解率一般取决于纤维素和半纤维素被木质素包裹的程度。当木质素完全包裹在纤维素和半 纤维素表面时,微生物难以接触纤维素和半纤维素,使其降解速率十分缓慢。秸秆表面的一层蜡质,也不易被厌氧微生物所分解。所以从中可以发现秸秆不经
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过预处理进行发酵,就会不能有效降解。因此,要求对木质素和蜡质进行破碎处理,使纤维素与有机微生物的接触表面积增大,加快原料的分解。秸秆的破碎过程破坏了秸秆表面的蜡质层,同时增加原料与料液接触面积。工程实用中对秸秆进行破碎,主要是通过机械的方式对秸秆进行破碎,从而达到增加接触表面积的目的。
3.1.2 常见的破碎工艺
常见的破碎工艺主要有:闭路破碎工艺、开路破碎工艺、半路破碎工艺[17]。 (1) 闭路破碎工艺中,原料在破碎机内完成破碎。在破碎机下方安装有蹄板或蹄条,符合粒度要求的物料才能从筛板或蹄条中排出。该工艺一般由鄂式破碎机和锤式破碎机组合而成,实现粗破碎与细破碎的组合破碎工艺,该工艺较适宜对硬度较软的物料进行破碎。
(2) 开路破碎工艺中,破碎机下方不安装蹄板或蹄条,物料可以直接从破碎机底部排出,破碎后的物料经过筛分工序,才能满足所需的粒度要求,该工艺中需加蹄分设备。此工艺一般由鄂式破碎机、锤式破碎机、振动蹄组合而成,组合成粗破碎、细破碎和蹄分的破碎工艺。相对于闭路破碎工艺而言,开路生产的破碎工艺降低了破碎机的设计难度,且具有较高的产量;所需的功率也相对较低;对于原料含水率要求,可略高于闭路破碎工艺。对于破碎密度小,质量轻的物料,易形成无数小颗粒和大量粉尘。而且对小粒径物料的再破碎难度很大,物料在蹄网上过多的返料,降低了破碎效率,增加了功率的消耗。
(3) 半开路破碎工艺中,是闭路、开路生产破碎工艺的优化组合,在本破碎工艺中,在排料区域设置一段蹄条,形成部分闭路生产的效果。该工艺也是由鄂式破碎机、锤式破碎机、振动蹄组合而成,形成粗破碎、细破碎和筛分的工艺组合。半路破碎工艺不仅采用了开路工艺直接排料方式,又兼顾了闭路工艺蹄分排料的设置,具有 路破碎工艺和闭路破碎工艺两者的优点,此种工艺实际应用最为广泛。
3.1.3 常见的农作物破碎方式
对于农作物的破碎,由于其质地较软,并对破碎后的粒度有一定的要求,因此常选择闭路式破碎工艺,这样既简化了破碎工艺,又不会因为破碎而产生大量小颗粒和灰尘。在选取破碎工艺的同时,也应考虑对农作物的破碎方式。由于农作物具有粗度大、密度低、硬度小等特点,因此要选用适合农作物秸秆特点的破碎
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方式。对于秸秆的破碎,主要是借助机械力的作用,对秸秆进行剪切和磨碎,从而减小秸秆的粒度。实际上,能够实现剪切和磨碎的秸秆破碎方式有如下几种[41]：
(1)劈碎,利用尖齿楔入物料的势力,使物料破碎,其特点是力的作用范围较为集中,可以发生局部破裂。
(2)磨削,在两个平面及不同形状的研磨面中对物料进行磨削,剪切后被磨削成为很细的微粒。
(3)冲击,冲击力是瞬间作用在物料上,同时冲击力可以是动挤压、动剪切、动拉伸、动弯曲等作用。冲击力施于物料,或运动中的物料与物料相互撞击而破碎碎。冲击方式应用较广,近年来的新型破碎机中,尤其是中小型破碎机,多为冲击式破碎机。
3.2农作物的粒度表征
固体物质在自然界存多以颗粒群的状态存在。不同固体的颗粒粒径、颗粒表面积、颗粒体积等都具有自相似性,即具有分形的特征,频率分布和累积分布是常见的粒径分布表征方法[]。
3.2.1常见的粒度表征方法
1.粒度的频率分布[42],是指一粒度大小(可用Dp表示)或某一粒度大小范围内(用ΔDp表示)的颗粒在样品中出现的质量分数,即为频率,可用f(Dp)或表示。样品中的颗粒总数用表示,频率的关系式为:
f(?DP)?npN?100%
这种频率与颗粒大小的关系,称为频率分布。在频率分布坐标图中,纵坐标最大值所对应粒径称为最频粒径,即为颗粒群中个数或质量出现概率最大的颗粒粒径,一般用Dmo表示。
2.累计分布
累积分布,是指把颗粒大小的频率分布按一定的方式累积。累积分布可用图形表示,但更多的是用积累曲线表示。一般可用两种方式表示,一种是按粒径从小到大进行分布,称为筛下积累(用“_”号表示);另一种是从大到小的粒径分布,
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称为筛上积累(用“ + ”号表示)。筛下积累所得到的积累分布表示小于某一粒径的颗粒数(或颗粒质量)的百分数,筛上积累则表示大于某一粒径颗粒数(或颗粒质量)的百分数。通常用D (Dp)表示筛下积累分布;用R(Dp)表示筛上积累分布。
在颗粒物料的样品中,可以把颗粒的个数(或质量)分成相等两部分的颗粒粒径称为中位粒径。中位粒径也就是在累积分布图形中,筛下累积质量分布的曲线与筛上累积质量分布的曲线所对应的粒径,用D50表示,即D(Dp)=R(Dp)=50%。
3. 粒度的频率分布与累计分布的关系
频率分布f(Dp)和累积分布D(Dp)或R(Dp)之间的微分和积分关系式如下式所示:
D(Dp)??R(Dp)??f(Dp)?f(Dp)?DpDminf(Dp)dDP
DpDminf(Dp)dDPdD(DP)dDPdR(DP)dDP
因此,f(Dp)又称颗粒粒度分布微分函数,而D(Dp)或R(Dp)又称颗粒粒度分布积分函数。
3.2.2 颗粒的分形理论模型
1967年,美国数学家Mandelbrot首次在提出分形的概念后,分形理论得到广泛的实际应用,它把从纯数学领域到工程技术领域的己有概念统一起来,因此引起了众多领域研究者的兴趣。
分形理论表明,颗粒粒度分布是作为自然现象的一种统计描述。而破碎过程是个复杂的非线性过程,每一颗粒的破碎概率和所受粉碎力都是不一样的,如果破碎过程是在很大的粒度范围内产生的,则在相当宽广的粒度范围内,除了颗粒形状的自相似之外,其粒径个数与粒度分布之间也具有自相似性,即粒度分布符合分形。
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Mandlbrot分形理论指出[43]:多分散颗粒系统的粒径个数-粒度分布如果是分形的,则应满足下式:
N(?r)?C?r?D
上式为颗粒个数—粒度分形模型,其中N(>r)为系统中粒度大于r的颗粒个数;r为粒度;D为分布分维数(相似维数);C为常数。
1992年Tyler等人[44]建立了三维空间的颗粒体积分形模型:
V(r?R)?CV[1?(R)3?D]
?v上式中,V(r>R)为颗粒尺寸大于R的颗粒体积;λv,Cv为颗粒形状和尺寸的常数;R为颗粒尺寸;D为分形维数。
根据颗粒特性,假设农作物密度为?,则尺寸大于R的颗粒累积质量为：
M(r?R)??CV[1?(R)3?D]
?V当R=0时,得出颗粒总质量为:
MT??CV
当r>Rmax,上式中右等式为0,因此可得出?v?Rmax,则上式变为:
R3?D)] RmaxM(r?R)?MT[1?(因此得出尺寸小于r的农作物颗粒累积质量分数为:
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