帶直揚料板回轉(zhuǎn)筒內(nèi)秸稈碎料運動與混合機理研究

周敬之 馮俊小,2 周知星 李十中

(1.北京科技大學(xué)能源與環(huán)境工程學(xué)院， 北京 100083； 2.冶金工業(yè)節(jié)能減排北京市重點實驗室， 北京 100083；3.清華大學(xué)核能與新能源技術(shù)研究院， 北京 100084)

引言

我國年產(chǎn)秸稈6～8億t，處理方式主要是粉碎還田和制牲畜飼料等[1]。清華大學(xué)等研發(fā)連續(xù)固態(tài)發(fā)酵技術(shù)，乙醇化回收秸稈中糖分[2-5]，料糟可還田[6]，制牲畜飼料和燃料[7]，或壓制板材，顯著提高了秸稈的經(jīng)濟化利用水平。特別是在難以種植產(chǎn)糧作物的鹽堿地，種植耐鹽堿的產(chǎn)稈作物，結(jié)合該技術(shù)，使土地有了經(jīng)濟化利用可能。該工藝廉價、清潔、操作簡單，已在國內(nèi)外工業(yè)試點，取得較好的經(jīng)濟和環(huán)境效益[8-9]。以耐鹽堿甜高粱稈為例，噸稈可獲75kg無水乙醇。

在固態(tài)發(fā)酵過程中，傳統(tǒng)的“發(fā)酵坑”生產(chǎn)不連續(xù)，工人勞動強度大，生產(chǎn)環(huán)境臟亂差。且料床靜止不運動，而秸稈碎料的熱導(dǎo)率低、接觸熱阻大，使發(fā)酵熱容易積累，料床局部過度升溫而熱死酵母菌，降低發(fā)酵效率、延長發(fā)酵時間。清華大學(xué)基于回轉(zhuǎn)筒研發(fā)連續(xù)固態(tài)發(fā)酵罐，自動化裝出料，生產(chǎn)環(huán)境整潔，轉(zhuǎn)筒可翻動發(fā)酵料避免熱積累，較好解決了前述問題。

在筒內(nèi)加設(shè)揚料板可顯著提高料床的翻動效率，減小筒體體積，提高發(fā)酵效率，縮短發(fā)酵時間。帶折角揚料板適用于可以自由流動的、無粘性粉體顆粒，直揚料板更適用于流動性差的粘性顆粒和桿狀顆粒，且制作和維護成本相對于帶折角揚料板更加低廉。秸稈碎料顆粒為桿狀，含糖含水，具備較強的糾纏性和粘性，導(dǎo)致料床穩(wěn)定性強、流動性差，顆粒總是結(jié)團運動，故適合使用直揚料板。國內(nèi)外就直揚料板對植物碎料類顆粒運動的影響的研究較少，揚料板的選用有一定的盲目性。

目前，國內(nèi)外對秸稈碎料動力學(xué)性質(zhì)的研究，多針對其自然堆積特性和可壓縮特性，對回轉(zhuǎn)筒內(nèi)的運動特性研究尚少；對桿狀顆粒的研究，多為自然堆積過程中的靜態(tài)/動態(tài)休止角，氣體/液體流化床內(nèi)的流化特性，金屬管內(nèi)夯實特性，桿狀顆粒的震動分離方法；對回轉(zhuǎn)筒內(nèi)顆粒運動的研究，多針對無粘性的球形或塊狀顆粒；對桿狀顆粒的研究尚停留在仿真初探階段，且仿真顆粒的尺寸比秸稈碎料顆粒大幾倍，可仿真顆粒數(shù)量少，無粘性也無撓度，尚無法有效代表實際的秸稈碎料[10]；對直揚料板的研究，多為回轉(zhuǎn)筒干燥機入口段設(shè)計研究，并未將揚料板作為設(shè)備主要部件進行細致研究；就揚料板對回轉(zhuǎn)筒內(nèi)物料運動影響的研究，多針對帶折角的揚料板，針對無粘性球狀、塊狀干粉顆粒，研究關(guān)注點為顆粒的6種運動模式，揚料板的持料量，顆粒的安息角、撒盡角，顆粒拋灑過程中與筒內(nèi)空氣的換熱效率等[11-22]。本文作者先前對回轉(zhuǎn)筒內(nèi)秸稈碎料運動的研究，只針對無揚料板下的料床運動模式，不包含揚料板的作用[23]。

秸稈碎料在帶直揚料板回轉(zhuǎn)筒內(nèi)的運動模式非常復(fù)雜，完全不同于干粉顆粒的6種模式，干粉顆粒的相關(guān)研究成果難以適用[24-25]。因此本文采用圖像分析等方法，實驗研究揚料板對秸稈碎料運動的影響。

1 實驗設(shè)計與研究方法

秸稈碎料熱導(dǎo)率低、接觸熱阻大，顆粒之間的混合對發(fā)酵熱均勻化的重要性遠大于顆粒間導(dǎo)熱。顆粒的混合效率，可以用筒內(nèi)沿截面任意方向上50%的顆粒與另50%顆粒的完全混合用時來表征。完全混合時間越短，代表發(fā)酵熱越能盡快均勻，料床越能避免積熱。

采用耐鹽堿甜高粱的稈粉碎料，參考實驗室級回轉(zhuǎn)筒連續(xù)固態(tài)發(fā)酵罐設(shè)計實驗臺，研究秸稈碎料在不同長度、數(shù)量的直揚料板作用下在回轉(zhuǎn)筒內(nèi)的運動過程，二元料層完全混合時間，定量化找到能最快均勻發(fā)酵熱的揚料板方案；并剖析、歸納、總結(jié)揚料板作用下的顆粒運動模式、揚料板的作用形式等。

(1)實驗設(shè)備

圖1 秸稈碎料回轉(zhuǎn)筒內(nèi)運動研究實驗臺結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Platform for studying movement of crushed straw material in rotary drum with straight plates1.回轉(zhuǎn)筒 2.齒輪箱 3.電動機 4.底座支架 5.相機

參考實驗室級回轉(zhuǎn)筒連續(xù)固態(tài)發(fā)酵罐，設(shè)計秸稈碎料回轉(zhuǎn)筒內(nèi)截面運動研究實驗臺(圖1)。回轉(zhuǎn)筒內(nèi)半徑R為200 mm，與實驗室級發(fā)酵罐的內(nèi)半徑相同；深120 mm，大于秸稈碎料顆粒特征尺寸10 mm的10倍，可消除邊界效應(yīng)；筒內(nèi)可插接1/2/4塊揚料板，板長4種可調(diào)，為0.15R、0.35R、0.55R、0.75R。相機為佳能LEGRIA HF706型，標(biāo)準(zhǔn)攝像模式。

(2)實驗材料

取山東省東營市產(chǎn)耐鹽堿、耐干旱甜高粱稈,用高噴-500型秸稈粉碎機粉碎；用ImageJ軟件測量單層秸稈碎料照片，測得碎料主要為1 mm×10 mm的桿狀顆粒；用干燥箱測得秸稈碎料含水率為60%。將部分秸稈碎料用染料染黑，另一部分保持原有黃色。經(jīng)計算，向染色料和未染色料分別加適量水，各自配成含水率70%的秸稈碎料，與加入酵母菌液后的發(fā)酵用秸稈碎料的含水率相同。

(3)研究方法

將染色料與未染色料等體積平鋪在筒內(nèi)，形成上下兩色料層。筒體轉(zhuǎn)動帶動兩色料混合，料床截面顏色由黑黃兩層漸變?yōu)榫簧罨?，兩色料混合過程與料床截面顏色變化過程同步，則料床截面顏色狀況可表達兩色料的混合程度[26-27]。截面顏色均勻得越快，代表兩色料混合越快。需要注意的是，由于筒體轉(zhuǎn)動，上下分布的兩色料在幾秒內(nèi)會變成左右分布，故將兩色料按照上下取向鋪放還是其他取向鋪放，均不影響研究結(jié)果，混合的實質(zhì)仍是料床沿筒體截面任一方向上的一半料和另一半料的混合。

用步進電動機帶動筒體轉(zhuǎn)動，相機連續(xù)拍攝回轉(zhuǎn)筒截面照片；用Photoshop擦除照片的無關(guān)背景和雜色，將照片二值化為閾值圖；對閾值圖劃分網(wǎng)格，進行圖像分析：由于有料區(qū)的黑像素密度大于零，未染色料區(qū)的黑像素點密度顯著低于染色料區(qū)和已混合料區(qū)，則根據(jù)網(wǎng)格中黑像素密度便可判斷并計算出總料格數(shù)和未染色料格數(shù)。顯而易見，未染色料格數(shù)與總料格數(shù)的比值量綱為1，并隨著兩色料的混合從0.5逐漸降為0，混合過程和該比值的降低過程同步，則該比值可表達兩色料的混合程度。相對于接觸數(shù)等常用混合程度指標(biāo)，計算該混合度無需知道顆粒間的細節(jié)接觸情況，這非常適用于實驗研究。計算式為

Imix=N0/N

式中Imix——混合度

N0——未染色料格數(shù)

N——總料格數(shù)

大量數(shù)據(jù)分析表明，黑像素點密度[0.1,0.7]為未染色料格，則(0.7,1]為染色或混合料格。大量數(shù)據(jù)分析表明，黑像素點密度[0.1,1]均為有料格。

網(wǎng)格劃分精細度會影響Imix計算準(zhǔn)確度，大量數(shù)據(jù)分析表明，8 mm邊長網(wǎng)格劃分下計算出的Imix相對準(zhǔn)確。

按上述圖像分析方法，用Visual Studio編寫軟件，導(dǎo)入閾值圖分析得各時刻的Imix。作Imix-T(時間)點圖并發(fā)現(xiàn)，Imix隨時間呈線性降低，故采用線性擬合，擬合線上點降低為零的時間即兩色料的完全混合時間Tc(圖2)。

圖2 圖像分析法求Imix及Tc流程圖Fig.2 Flow chart of image analysis to calculate Imix and Tc

(4)實驗方案

筒內(nèi)料體積填充率50%，筒體轉(zhuǎn)速1 r/min，均與實驗室級回轉(zhuǎn)筒連續(xù)固態(tài)發(fā)酵罐相同；考察揚料板數(shù)：1/2/4；考察揚料板長：0.15R/0.35R/0.55R/0.75R。對照組：無揚料板。共13項實驗。每項實驗重復(fù)5次，然后求5次Tc的平均值，作為該項實驗的Tc。共65次實驗，得13個Tc平均值。本實驗為完全實驗，但同時可進行正交分析。

(5)實驗過程

①在回轉(zhuǎn)筒內(nèi)安裝1塊0.15R的直揚料板，將筒體轉(zhuǎn)至揚料板位于筒最底端。②取體積為25%筒容積的染色料，平鋪在回轉(zhuǎn)筒內(nèi)，形成染色料層，再取體積為25%筒容積的未染色料，鋪設(shè)在染色料層上方，形成未染色料層。③蓋好筒體端板，打開相機，轉(zhuǎn)動筒體，開始攝像，待筒內(nèi)兩色料完全混合后，先關(guān)閉電動機，再停止攝像。④清理筒內(nèi)秸稈碎料，卸下?lián)P料板，為下次實驗做準(zhǔn)備，同時將攝像結(jié)果導(dǎo)入計算機，導(dǎo)出每秒的截圖。⑤對截圖進行圖像分析，得各時刻的Imix和本次實驗的Tc。⑥重復(fù)4次本實驗，得5個Tc，求其平均值作為本項實驗的Tc。⑦同法完成其他12項實驗，累計得到13個平均值Tc，結(jié)果如表1。

表1 各項實驗的TcTab.1 Tc of each test s

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 實驗結(jié)果的數(shù)據(jù)分析

觀察云圖可知(圖3)，總體上，Tc向“單+長板”和“多+中長板”兩級化降低，向“多+短板”和“多+長板”兩極化升高。但“單+長板”情況下筒體受力更不平衡、筒體底座受力波動更大，故具體設(shè)計和選用揚料板時，應(yīng)選擇“多+中長板”情況，避免“多+短板”和“多+長板”情況。

圖3 不同揚料板長度和數(shù)量下的Tc云圖Fig.3 Cloud chart of Tc under different lengths and numbers of plates

正交均值分析表明，1塊板×0.55R情況為最優(yōu)水平組合，Tc最小。然而，完全實驗的結(jié)果是4塊板×0.55R情況Tc最小。由于正交均值分析不一定能檢出完全實驗最優(yōu)水平，均值分析所得最優(yōu)水平組合只能作參考，故以完全實驗結(jié)果為準(zhǔn)，取4塊板×0.55R情況為相對最快混合方案。

正交極差分析表明，對Tc的影響，揚料板長大于揚料板數(shù)，但兩者在同數(shù)量級。正交方差分析表明，揚料板長和揚料板數(shù)對Tc的影響均顯著。交互作用分析表明，揚料板長和揚料板數(shù)存在明顯的耦合作用。

整體而言，單板時，板長增加只會促進兩色料的混合；雙板時，0.15R綜合效果阻礙兩色料混合，0.55R時混合最快；4塊板時，0.15R和0.75R綜合效果阻礙混合，0.55R時混合最快。揚料板長和揚料板數(shù)的效應(yīng)曲線如圖4紅點線：Tc隨板長增加先降低后升高、類余弦函數(shù)規(guī)律，隨板數(shù)增多波動性降低，類指數(shù)函數(shù)規(guī)律。

就曲線的變化趨勢而言，隨板數(shù)增多，“Tc-板長”線從非線性降低突變?yōu)椤癡”型，且V的下降段越發(fā)陡峭、V的上開口越發(fā)增寬；隨板長增加，“Tc-板數(shù)”線從波動性下降突變?yōu)楦栃妥兓?，其?.15R～0.55R為波動性下降，整體下降幅度逐漸增大。以上兩變動趨勢可以用圖4中的趨勢線所示。

以上結(jié)論只適用于實驗室級回轉(zhuǎn)筒固態(tài)發(fā)酵罐。對工業(yè)級回轉(zhuǎn)筒，由于設(shè)備放大，揚料板的影響可能發(fā)生變化，不能照搬以上結(jié)論，而需采用以上方法進行實驗研究。

圖4 不同揚料板長度、揚料板數(shù)的Tc變化曲線及變化趨勢線Fig.4 Changing curves of Tc under different lengths and numbers of plates

2.2 顆粒主要運動模式、揚料板的影響及兩色料混合機理分析

通過觀察實驗攝像結(jié)果和截圖，分析、提煉、總結(jié)秸稈碎料顆粒運動模式、揚料板的作用及兩色料的混合機理。為便于分析和描述，對料床各特征部位定義如圖5，靈感取自物理學(xué)的“咬尾蛇”。揚料板面向筒體前進方向的一面為板前，背向前進方向的一面為板后。

圖5 料床各特征部位名稱Fig.5 Name of each characteristic part of material bed1.料頭 2.料尾 3.落料 4.板前 5.板后

2.2.1無揚料板時顆粒主要運動模式及兩色料混合機理分析

無板時，顆粒主要運動模式為周期回轉(zhuǎn)，已建立料床回轉(zhuǎn)周期模型[27]。兩色料混合的機理有2種：

(1)落料撞擊料尾斜面后撞開、滾動挫散

落料發(fā)生在料頭區(qū)，落料始終為料團，落料在半空中逆時針旋轉(zhuǎn)后在料尾上撞散，或在料尾斜面上滾動、被邊界層摩擦力挫散開，如圖6所示。無論是撞開還是滾動挫散，落料料團內(nèi)顆粒間相互位置相對于落料前都發(fā)生了劇烈變化，因此當(dāng)落料料團內(nèi)包含兩種顏色的顆粒時，料團內(nèi)兩色料的混合程度勢必會增加，進而增加了料床整體的兩色料混合度。非落料區(qū)內(nèi)顆粒間相對位置變化不明顯，可認為不發(fā)生兩色料的混合。這揭示了兩色料混合的根本機理：顆粒間相對位置變動越頻繁、變動幅度越大、變動范圍越均布在整個料床，兩色料的混合越快。

圖6 落料撞擊料尾斜面后撞開、滾動挫散Fig.6 Falling material impact, roll and break up on bed tail

此外，撞開、滾動挫散現(xiàn)象可解釋筒內(nèi)聚小球現(xiàn)象的成因(圖7)：落料落在料尾斜面上，因顆粒粘性和糾纏性產(chǎn)生“滾雪球”效應(yīng)[28-29]。這種顆粒主要運動模式不改變，團聚小球現(xiàn)象就無法消除，小球不利于顆粒積熱擴散和發(fā)酵后的乙醇提取。

圖7 回轉(zhuǎn)筒固態(tài)發(fā)酵過程中的團聚小球現(xiàn)象Fig.7 Balling phenomenon in rotary drum in solid-state fermentation process

(2)異色料嵌入

當(dāng)料頭下部顆粒的顏色與料頭上部顆粒、料尾顆粒的顏色不同，且料頭下部先落料、料頭上部后落料時，可能會發(fā)生異色料嵌入。如圖8所示，料頭下部顆粒為黑色，料頭上部和料尾顆粒均為黃色，料頭下部顆粒先落在黃色的料尾上，又被料頭上部的黃色落料覆蓋，脫離黑色料區(qū)，完全嵌入了黃色料區(qū)中。從統(tǒng)計學(xué)上講，該現(xiàn)象利于兩色料的混合，并揭示了一切混合過程的一個重要機理：A色料的料團完全脫離A色料區(qū)、嵌入B色料區(qū)之中，該現(xiàn)象發(fā)生得越頻繁，兩色料混合越快。

圖8 異色料嵌入Fig.8 Embedding of material with different colors

2.2.2有揚料板時顆粒主要運動模式、兩色料混合機理及揚料板的作用分析

2.2.2.1單板情況

板長0.15R時，顆粒主要運動模式與無板情況非常類似，為周期回轉(zhuǎn)，受揚料板的影響不明顯。揚料板對顆粒運動和兩色料混合的作用有：抬料、切落料、擋落料、板隔料。4種作用均不顯著，兩色料混合機理可看作與無板情況相同。相對于無板情況，Tc降低5 s，占無板Tc的0.7%，可以忽略。因此，可用無板情況的料床回轉(zhuǎn)周期模型預(yù)測0.15R單板的Tc。

板長0.35R時，顆粒主要運動模式為周期回轉(zhuǎn)，且受揚料板的影響比較明顯。揚料板對顆粒運動和兩色料混合的作用有：抬料、切落料、擋落料、板隔料、上擋料。5種作用比較顯著，已不能忽略。兩色料混合機理除了與無板情況相同的2種外，還增加了如上5種，其中擋落料阻礙兩色料混合。相對于無板情況，Tc降低120 s，為無板Tc的15.7%。

板長0.55R時，顆粒主要運動模式為周期回轉(zhuǎn)，且受揚料板的作用明顯。揚料板對顆粒運動和兩色料混合的作用有：抬料、上擋料、塌拱橋、反持料、頂持料、板前空洞內(nèi)落料、板隔料。7種作用均顯著，不能忽略。兩色料混合機理除了無板情況的2種外，還增加了上述7種。相對于無板情況，Tc降低195 s，為無板Tc的25.5%。

板長0.75R時，顆粒主要運動模式為周期回轉(zhuǎn)+塌拱橋，且受揚料板的作用非常明顯。揚料板對顆粒運動和兩色料混合的作用有：抬料、上擋料、塌拱橋、反持料、板前空洞內(nèi)落料、料床小空洞蠕變、板隔料。7種作用均顯著，不能忽略。兩色料混合機理除了無板情況的2種外，還增加了上述7種。相對于無板情況，Tc降低345 s，為無板Tc的45.1%，非常顯著。

揚料板的作用解釋如下：

(1)抬料(圖9)

0.15R時，板可抬動極少量料。由于板短，抬料未與料床完全分離，便立刻一次性落回料床原位置，抬料內(nèi)部及抬料與料床原相鄰顆粒之間的相對位置變化不明顯，抬料對兩色料混合的影響可忽略。

0.35R時，抬料量和持料時間有少量增加，但抬料仍未完全脫離料床，便一次性落回料床。不同的是，抬料落回料床過程中有較小的彎折蠕變，顆粒間相對位置有較小變動，對兩色料混合有輕微促進作用；且抬料落回料床時對料頭后部有一定的沖擊力，有時會使料頭提前剝離料床、發(fā)生落料，理論上對兩色料混合有促進作用。

0.55R時，抬料量與持料時間進一步增加，抬料有時會與料床完全分離，落回料床時便不會發(fā)生撞擊料頭后部的現(xiàn)象；抬料分多次落回料床，這比一次性落料更利于打開抬料料團內(nèi)部、利于兩色料混合。此外，抬料時料床至高點有些提升(圖10)，被抬料的落差增大，落料撞擊料床時的速度有增加，理論上更利于落料撞散，對兩色料混合有促進作用，但僅僅增加幾厘米落差，落料撞擊料床時的速度幾乎不變，對兩色料混合的促進作用可以忽略。該現(xiàn)象僅幫助工作人員了解筒內(nèi)物料分布狀況。

圖9 抬料Fig.9 Lifting of material

圖10 抬料提高料床至高點Fig.10 Higher bed peak because of lifting

0.75R時，抬料量進一步增加，而持料時間再無變化；板上料分多次落回料床，利于兩色料混合；抬料使料床至高點進一步提升，板上料落差進一步增大，但對兩色料混合的促進作用仍可忽略。

(2)切落料(圖11)

當(dāng)揚料板距料尾較近，落料可能砸在揚料板上受板剪切，落料內(nèi)顆粒間相對運動受到促進，當(dāng)落料包含兩色顆粒時，切落料利于兩色料混合。0.15R時，由于板短，切落料作用微弱，可忽略。切落料后，板前有極小概率存在小空洞狀無料區(qū)。0.35R時，切落料變得更加劇烈，對兩色料混合的促進作用已不能忽略。切落料后，板前全部為無料區(qū)。0.55R和0.75R時無切落料現(xiàn)象。

圖11 切落料Fig.11 Shearing of material

(3)擋落料(圖12)

當(dāng)揚料板距料尾稍遠，落料可能落在揚料板前端被板擋住而無法攤開，這會阻礙顆粒擴散和顆粒間相對運動，當(dāng)落料包含兩色顆粒時，擋落料便不利于兩色料混合。0.15R時，板短且少，該作用十分微弱，可忽略。0.35R時，板可擋更多的料，但擋落料的出現(xiàn)概率卻因板長增加顯著降低，只占切/擋落料出現(xiàn)率的28.6%，這是由于長板更容易發(fā)生切落料，如圖13所示。0.55R和0.75R時無擋落料。

圖12 擋落料Fig.12 Tail intercepting of material

圖13 板長增加時擋落料出現(xiàn)率降低示意圖Fig.13 Sketch of reduction of tail intercepting rate when plate length was increased

(4)板隔料(圖14)

當(dāng)揚料板處在料床的非落料區(qū)內(nèi)，會阻礙板兩側(cè)顆粒因自重產(chǎn)生的擠壓和粘結(jié)，理論上這會提高料床的局部松散度，使得料床更松散，更容易出現(xiàn)少量落料，更容易發(fā)生落料撞擊料尾斜面后撞開、滾動挫散及異色料嵌入，對兩色料混合有提速作用。這種作用會隨著揚料板加長而逐步增強。

圖14 板隔料Fig.14 Partition of material by plate

(5)頂持料

秸稈碎料顆粒的粘性和糾纏性，使料團有時可抵抗一定的剪切力。當(dāng)揚料板較長、與料床夾縫較小時，落料可能被揚料板頂在板與料床的夾縫處，而非被板切開。頂持料使料床下一次落料會繞過頂持料先落在筒壁上，打破了料床有序排隊落料的周期回轉(zhuǎn)模式，讓料床顆粒間相對位置產(chǎn)生了較大變化，利于兩色料混合(圖15)。落料越松散，頂持料越不易出現(xiàn)。0.15R和0.35R時，有切落料和擋落料現(xiàn)象，無頂持料現(xiàn)象；0.75R時，塌拱橋后，板后料始終和料床連為一體，完全覆蓋住揚料板末端，因此不會有頂持料現(xiàn)象。

圖15 頂持料Fig.15 Jacking of material

(6)上擋料，塌拱橋，反持料

圖16 上擋料、塌拱橋、反持料、頂持料、板前空洞內(nèi)落料、料床小空洞蠕變示意圖Fig.16 Sketches of bed head intercepting, bridge collapse, back holding, jacking, inside falling and creep deformation of holes

揚料板擋住料頭上部，會使料頭下部更易先落料，對異色料嵌入的發(fā)生有促進作用，利于兩色料的混合。板長0.15R時不會發(fā)生上擋料。板長0.35R時，上擋料持續(xù)時間過短，發(fā)生1或2次料頭下部先落料，板便與料徹底分離。當(dāng)板料徹底分離、所擋料發(fā)生落料時，落料不像自然落料那樣逆時針旋轉(zhuǎn)，而是順時針旋轉(zhuǎn)落在料尾上。0.35R上擋料過程如圖16a。

板長0.55R時，上擋料可持續(xù)到板與料床之間形成拱橋，拱橋下部有剝離性落料；塌拱橋時，拱橋中段坍塌先落至料尾，打破了料頭先落至料尾的有序周期回轉(zhuǎn)模式；塌拱橋后，揚料板會反向持有之前擋住的料頭，形成反持料；反持料期間，主料床仍在繼續(xù)落料，這使反持料與其原相臨的顆粒分離得更遠；反持料在傾至一定角度后滑落至筒壁，由此出現(xiàn)主料床、反持料兩個落料區(qū)；反持料使揚料板末端大大加寬，板對落料的剪切能力大大減弱，更容易發(fā)生頂持料現(xiàn)象。以上過程如圖16b。

板長0.75R時，板與料床依然會形成拱橋，在橋下部和料頭均會發(fā)生落料；塌拱橋時，揚料板已運動至第三象限，板后料會直接落在筒內(nèi)壁上，自始至終和料床連為一體，完全覆蓋住揚料板末端，因此不會有脫離料床的反持料現(xiàn)象，之后也不會發(fā)生切落料、擋落料；塌拱橋后，在板前有較大的板前空洞，發(fā)生板前空洞內(nèi)落料，在料床中隨機形成小空洞，發(fā)生料床小空洞蠕變現(xiàn)象。該過程如圖16c。

上擋料，塌拱橋，反持料，打破了周期回轉(zhuǎn)模式的有序性，又時常產(chǎn)生多個落料區(qū)，料床顆粒之間相對位置變化非常劇烈，對兩色料混合的提速作用極其顯著。以上還揭示了一切混合過程的另一個重要機理：落料區(qū)越多，兩色料混合越快；此外，從統(tǒng)計學(xué)上可知，落料區(qū)越均勻分布在料床各處，兩色料混合越快。

(7)板前空洞內(nèi)落料，料床小空洞蠕變(圖17)

板長0.55R時發(fā)生塌拱橋或頂持料后，板長0.75R時發(fā)生塌拱橋后，揚料板前都會產(chǎn)生較大的料床空洞，空洞大至其內(nèi)會發(fā)生落料，由此出現(xiàn)料床和板前空洞兩個落料區(qū)，從統(tǒng)計學(xué)上看，落料區(qū)增多利于兩色料混合。多數(shù)情況下，板前空洞會因空洞內(nèi)落料和料床蠕變而被逐漸填滿；少數(shù)情況下，板前空洞無法被填滿，使下次的抬料量減少、抬料更疏松，降低抬料對兩色料混合的促進作用。此外，板長0.75R時，在塌拱橋后，料床內(nèi)會隨機形成若干小空洞，空洞過小而不會發(fā)生空洞內(nèi)落料，但空洞會因料床蠕變而被迅速填滿，空洞附近顆粒間相對位置會有較小變化，理論上這對兩色料混合有促進作用，但較小。

圖17 板前空洞內(nèi)落料、料床小空洞蠕變示意圖Fig.17 Sketches of inside falling and creep deformation of holes

2.2.2.2雙板情況

板長0.15R時，顆粒主要運動模式與無板情況類似，為周期回轉(zhuǎn)，受揚料板的影響不明顯。揚料板對顆粒運動和兩色料混合的作用有：抬料、切落料、擋落料、板隔料。4種作用除擋落料外均不顯著，可以忽略。揚料板切/擋落料發(fā)生頻率為單板情況2倍，其中擋落料占擋/切落料的出現(xiàn)率相對于單板情況大幅上升，擋落料因出現(xiàn)率大幅上升使其影響已不能忽略。非落料區(qū)內(nèi)有且僅有一塊揚料板存在，板隔料的影響程度同單板情況，故可忽略?？傮w而言，兩色料混合機理除了無板情況的兩種，還包括擋落料，擋落料是阻礙兩色料混合的主要原因。相對于無板情況，Tc延長60 s，為無板Tc的7.8%。

板長0.35R時，顆粒主要運動模式為周期回轉(zhuǎn)，受揚料板的影響比較明顯。揚料板對顆粒運動和兩色料混合的作用有：抬料、板隔料、切落料、擋落料、上擋料。5種作用均顯著，不可忽略。單次抬料過程類似0.35R單板情況，抬料出現(xiàn)率加倍使抬料影響變強；非落料區(qū)內(nèi)可同時有1或2塊揚料板，板隔料作用增強；揚料板切/擋落料發(fā)生頻率為單板情況2倍，其中擋落料出現(xiàn)率占擋/切落料出現(xiàn)率進一步提升，這是由于板隔料作用加強使料床更松散，料床更容易發(fā)生小料團落料，而只有小料團落料才能通過板和料床之間的夾縫，發(fā)生擋落料現(xiàn)象。單次上擋料過程類似0.35R單板情況，上擋料出現(xiàn)頻率加倍，擋落料影響變強。總體而言，兩色料混合機理除了無板情況的2種，還增加了上述5種，擋落料極大阻礙了兩色料混合。相對無板情況，Tc降低30 s，為無板Tc的3.9%。

板長0.55R時，顆粒主要運動模式為塌拱橋，次要運動模式為周期回轉(zhuǎn)。揚料板對顆粒運動和兩色料混合的作用有：抬料、切落料、板隔料、上擋料、塌拱橋、反持料、頂持料、板前空洞內(nèi)落料。8種作用均顯著，不可忽略。單次抬料過程類似0.55R單板情況，抬料出現(xiàn)率加倍使抬料影響變強；兩塊揚料板始終與料床接觸，板隔料作用增強。塌拱橋出現(xiàn)兩種模式：拱橋中心垮塌，雙半圓區(qū)落料坍塌。這8種作用都明顯，不能忽略。兩色料混合機理除了無板情況的兩種，還增加了上述8種。擋落料是唯一阻礙兩色料混合的作用。相對于無板情況，Tc降低260 s，為無板Tc的34.0%，非常顯著。

板長0.75R時，顆粒主要運動模式為塌拱橋中的雙半圓區(qū)落料坍塌，次要運動模式為周期回轉(zhuǎn)。揚料板對顆粒運動和兩色料混合的作用有：抬料、板隔料、上擋料、塌拱橋(僅雙半圓區(qū)落料坍塌)、頂持料、板前空洞內(nèi)落料、料床小空洞蠕變。7種作用均顯著，不可忽略。與0.75R單板情況不同，板發(fā)生抬料時，抬料不會脫離料床，抬料對兩色料混合的促進作用顯著減弱。板加長、板間縫隙減小使拱橋下部的剝離性落料顯著減弱，不再發(fā)生穿縫式剝離性落料,拱橋存在期間兩色料混合速度大幅度減慢。雙半圓區(qū)落料坍塌后，處于料床內(nèi)的揚料板其前產(chǎn)生空洞的概率增加，會發(fā)生板前空洞內(nèi)落料；未與料床接觸的揚料板，之后會發(fā)生頂持料。總體而言，兩色料混合機理除了與無板情況相同的2種外，還增加了上述7種。但相對于0.75R單板情況而言，揚料板的作用種類減少，各作用對兩色料混合的促進作用減弱，使0.75R雙板情況的混合速度反而不如單板情況。相對于無板情況，Tc降低80 s，為無板Tc的10.5%。

(1)拱橋中心垮塌(圖18)

拱橋中段向兩板夾縫中間垮塌?？逅?，在拱橋下部有剝離性落料；垮塌后，揚料板前形成板前空洞，板后料形成不脫離主料床的反持料，板抬料也同時出現(xiàn)。

圖18 拱橋中心垮塌Fig.18 Core space collapse

(2)雙半圓區(qū)落料坍塌(圖19)

由于兩板夾縫小且料比較致密，難以發(fā)生可導(dǎo)致拱橋中心垮塌的大流量穿縫落料，料床主體被揚料板分在兩半圓區(qū)內(nèi)，當(dāng)揚料板方位接近豎直，兩半圓區(qū)內(nèi)分別落料使拱橋坍塌。坍塌前，拱橋上表面有少量滑動落料，拱橋下表面有少量剝離性落料穿過雙板夾縫進入另一半圓區(qū)，但在0.75R情況時，拱橋下部不發(fā)生穿縫式落料。坍塌后，0.55R時，隨筒體轉(zhuǎn)動會發(fā)生切落料或頂持料，進而是抬料和形成拱橋，0.75R時，隨筒體轉(zhuǎn)動會發(fā)生抬料并再次形成拱橋，成橋時間比0.55R情況快半個筒體轉(zhuǎn)動周期。

圖19 雙半圓區(qū)落料坍塌Fig.19 Double-semicircle collapse

2.2.2.34塊板情況

板長0.15R時，顆粒主要運動模式與無板情況類似，為周期回轉(zhuǎn)。受揚料板的影響略明顯。揚料板對顆粒運動和兩色料混合的作用有：抬料、切落料、擋落料、板隔料。4種作用除板隔料、擋落料外均不顯著，可忽略。揚料板切/擋落料發(fā)生頻率為單板情況4倍，其中擋落料占擋/切落料的出現(xiàn)率相對于0.15R雙板情況微微提升，擋落料影響不能忽略。非落料區(qū)內(nèi)有2塊揚料板存在，板隔料作用增強?？傮w而言，兩色料混合機理除了無板情況的2種，還包括板隔料、擋落料。板隔料作用部分抵消了擋落料對兩色料混合的阻礙作用。相對于無板情況，Tc延長30 s，為無板Tc的3.9%。

板長0.35R時，顆粒主要運動模式為周期回轉(zhuǎn)，受揚料板的影響比較明顯。揚料板對顆粒運動和兩色料混合的作用有：抬料、板隔料、切落料、擋落料、上擋料。5種作用均顯著，不可忽略。其中，抬料板與上擋料板夾著料頭，使上擋料持續(xù)時間大大加長，利于兩色料混合(圖20)。上擋料結(jié)束后，抬料板正常抬料，作用過程類似0.35R單板情況，但抬料作用頻率為單板情況4倍，對兩色料混合的促進作用增強。非落料區(qū)內(nèi)可同時有2或3塊揚料板，板隔料作用增強，頂持料不易出現(xiàn)。揚料板切/擋落料發(fā)生頻率為單板情況4倍，其中擋落料出現(xiàn)率占擋/切落料出現(xiàn)率相對于0.35R雙板情況變化不大?？傮w而言，兩色料混合機理除了與無板情況相同的2種外，還增加了上述5種。相對無板情況，Tc降低245 s，為無板Tc的32%，比較顯著。

圖20 雙板夾料頭Fig.20 Bed head nipped by two plates

板長0.55R時，顆粒主要運動模式為：中心堵料+1/4圓區(qū)落料+中心堵料蠕變及落料，受揚料板的影響非常明顯，料床形狀也變成十字形(圖21)。揚料板對顆粒運動和兩色料混合的作用有：板隔料、中心堵料、1/4圓區(qū)落料、中心堵料蠕變及落料。4種作用均顯著，不可忽略。板隔料作用因板數(shù)增多而顯著增強。1/4圓料區(qū)落料使得料床存在4個落料區(qū)，極有利于兩色料混合。中心堵料可發(fā)生蠕變落料，不存在無法發(fā)生相對運動的料區(qū)。兩色料混合機理為上述4種。相對于無板情況，Tc降低375 s，為無板Tc的49.0%，非常顯著。

圖21 1/4圓料區(qū)落料、中心堵料、中心堵料蠕變及落料(紅點為筒心)Fig.21 Quarter space falling, core blocking, deformation and falling of core blocking material (red dot was center of drum)

板長0.75R時，顆粒主要運動模式為中心堵料+1/4圓料區(qū)落料，受揚料板的影響非常明顯(圖21)。揚料板對顆粒運動和兩色料混合的作用有：板隔料、中心堵料、1/4圓料區(qū)落料。3種作用均顯著，不可忽略。由于板加長，中心堵料已無法發(fā)生蠕變落料，顆粒間相對位置基本不變。顯而易見，發(fā)酵時，中心堵料區(qū)很容易出現(xiàn)發(fā)酵熱過度積累?？傮w而言，兩色料混合機理為上述3種。相對于無板情況，Tc沒有變化。

(1)1/4圓區(qū)落料

長板將料床分為4個1/4圓區(qū)導(dǎo)致的顆粒運動形式。4區(qū)內(nèi)料量不同，其中兩相鄰區(qū)內(nèi)料較多，另外兩相鄰區(qū)料較少。在料較少的區(qū)內(nèi)，兩色料混合主要靠落料撞擊料尾斜面后撞開、滾動挫散；在料較多的區(qū)內(nèi)，兩色料混合主要靠落料撞擊料尾斜面后撞開、滾動挫散，板前空洞內(nèi)落料。其中，料較少的區(qū)運動到右上角時，有較高概率發(fā)生反向落料(圖22)。由于任一時刻筒內(nèi)存在4個落料區(qū)，落料區(qū)多，兩色料混合極快。

圖22 反向落料Fig.22 Reverse falling of material

(2)中心堵料

筒體中心料區(qū)，因揚料板的夾擊和周圍4個1/4圓料區(qū)的擠壓，運動能力較弱。當(dāng)揚料板較短，中心堵料區(qū)可以發(fā)生蠕變或落料，顆粒間相對位置可變化，任一時刻筒內(nèi)便存在4個1/4圓落料區(qū)和1個中心堵料落料區(qū)，落料區(qū)多利于兩色料混合。當(dāng)揚料板過長，中心堵料便難以發(fā)生蠕變或落料，筒體中心堵料區(qū)顆粒間相對位置變化非常緩慢，甚至完全不變，使得筒內(nèi)料床整體的兩色料完全混合時間大大提升，極不利于兩色料混合。這揭示了一切混合過程的一個重要認識：當(dāng)存在堵料區(qū)時，整體混合速度將大大下降，甚至無法完全混合。

2.3 不同揚料板情況下的料床運動模式

整理有/無揚料板作用下回轉(zhuǎn)筒內(nèi)秸稈碎料顆粒運動的所有模式、揚料板的影響作用及對兩色料混合速度的影響，如表2所示。

需要注意的是，以上只適用于實驗室級回轉(zhuǎn)筒固態(tài)發(fā)酵罐。對工業(yè)級回轉(zhuǎn)筒，由于設(shè)備放大，顆粒的運動模式分布及揚料板的影響可能發(fā)生變化，不能照搬以上結(jié)論，而需采用以上方法進行實驗研究。

3 結(jié)論

(1)就實驗室級回轉(zhuǎn)筒固態(tài)發(fā)酵罐而言，對筒內(nèi)兩色料混合時間的影響，即對筒內(nèi)料動態(tài)摻混、抵抗發(fā)酵積熱能力的影響，揚料板長大于揚料板數(shù)，兩者在同數(shù)量級，均表現(xiàn)顯著。宏觀上，兩色料完全混合時間Tc隨板長增加先降低后升高、類余弦線，隨板數(shù)增加先降低后升高再降低、類指數(shù)函數(shù)線，Tc向“單+長板”和“多+中長板”兩級化降低，向“多+短板” 和“多+長板”兩級化升高。即筒內(nèi)料動態(tài)摻混速度隨板長增加先提升后降低，隨板數(shù)增加先提升后降低再提升，向“單+長板”和“多+中長板”兩級化提升，向“多+短板” 和“多+長板”兩級化降低。0.55R、4塊板情況混合相對最快。

(2)筒內(nèi)秸稈碎料顆粒運動模式因顆粒性質(zhì)差異而不能套用干粉顆粒。就實驗室級回轉(zhuǎn)筒固態(tài)發(fā)酵罐而言，從無板到4塊板，板長0.15R到0.75R，顆粒運動呈現(xiàn)豐富多彩、多種多樣的模式，無法用單一模型描述，需分解研究?；跀z像分析，歸納出有/無揚料板作用顆粒運動的所有模式，并就各模式對兩色料混合的促進和阻礙作用進行了分析。

(3)對工業(yè)級回轉(zhuǎn)筒，由于設(shè)備尺寸放大，最快混合揚料板方案、揚料板對顆粒的作用、顆粒的運動模式分布均可能發(fā)生變化，例如，工業(yè)級回轉(zhuǎn)筒內(nèi)就基本不會出現(xiàn)塌拱橋現(xiàn)象。故不能直接套用結(jié)論(1)、(2)，需采用本文提出的方法實驗研究。

表2 不同揚料板情況下的顆粒運動模式表Tab.2 Material movement modes under different lengths and number of plates

注：√為存在，×為不存在或可以忽略，↑為提升混合速度，↓為降低混合速度，-為不存在該運動模式。

(4)兩色料混合的根本機理只有兩種：讓A料完全脫離A料層、嵌入B料層中；或讓同時包含A、B料的料團通過各種形式打碎、均勻摻混在一起。前者可以發(fā)生在料床任何區(qū)域，后者只會發(fā)生在A、B料的交界面。此外，無永久性堵料區(qū)時，落料區(qū)越多，落料區(qū)越均勻分布在料床各處，兩色料混合越快。這對一切混合過程的本質(zhì)都有概括意義。

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