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(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(guó)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(jì)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(jì)化利用可能。該工藝廉價(jià)、清潔、操作簡(jiǎn)單，已在國(guó)內(nèi)外工業(yè)試點(diǎn)，取得較好的經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益[8-9]。以耐鹽堿甜高粱稈為例，噸稈可獲75kg無(wú)水乙醇。

在固態(tài)發(fā)酵過(guò)程中，傳統(tǒng)的“發(fā)酵坑”生產(chǎn)不連續(xù)，工人勞動(dòng)強(qiáng)度大，生產(chǎn)環(huán)境臟亂差。且料床靜止不運(yùn)動(dòng)，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(guò)度升溫而熱死酵母菌，降低發(fā)酵效率、延長(zhǎng)發(fā)酵時(shí)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(dòng)化裝出料，生產(chǎn)環(huán)境整潔，轉(zhuǎn)筒可翻動(dòng)發(fā)酵料避免熱積累，較好解決了前述問(wèn)題。

在筒內(nèi)加設(shè)揚(yáng)料板可顯著提高料床的翻動(dòng)效率，減小筒體體積，提高發(fā)酵效率，縮短發(fā)酵時(shí)間。帶折角揚(yáng)料板適用于可以自由流動(dòng)的、無(wú)粘性粉體顆粒，直揚(yáng)料板更適用于流動(dòng)性差的粘性顆粒和桿狀顆粒，且制作和維護(hù)成本相對(duì)于帶折角揚(yáng)料板更加低廉。秸稈碎料顆粒為桿狀，含糖含水，具備較強(qiáng)的糾纏性和粘性，導(dǎo)致料床穩(wěn)定性強(qiáng)、流動(dòng)性差，顆?？偸墙Y(jié)團(tuán)運(yùn)動(dòng)，故適合使用直揚(yáng)料板。國(guó)內(nèi)外就直揚(yáng)料板對(duì)植物碎料類顆粒運(yùn)動(dòng)的影響的研究較少，揚(yáng)料板的選用有一定的盲目性。

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)秸稈碎料動(dòng)力學(xué)性質(zhì)的研究，多針對(duì)其自然堆積特性和可壓縮特性，對(duì)回轉(zhuǎn)筒內(nèi)的運(yùn)動(dòng)特性研究尚少；對(duì)桿狀顆粒的研究，多為自然堆積過(guò)程中的靜態(tài)/動(dòng)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(shí)特性，桿狀顆粒的震動(dòng)分離方法；對(duì)回轉(zhuǎn)筒內(nèi)顆粒運(yùn)動(dòng)的研究，多針對(duì)無(wú)粘性的球形或塊狀顆粒；對(duì)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(wú)粘性也無(wú)撓度，尚無(wú)法有效代表實(shí)際的秸稈碎料[10]；對(duì)直揚(yáng)料板的研究，多為回轉(zhuǎn)筒干燥機(jī)入口段設(shè)計(jì)研究，并未將揚(yáng)料板作為設(shè)備主要部件進(jìn)行細(xì)致研究；就揚(yáng)料板對(duì)回轉(zhuǎn)筒內(nèi)物料運(yùn)動(dòng)影響的研究，多針對(duì)帶折角的揚(yáng)料板，針對(duì)無(wú)粘性球狀、塊狀干粉顆粒，研究關(guān)注點(diǎn)為顆粒的6種運(yùn)動(dòng)模式，揚(yáng)料板的持料量，顆粒的安息角、撒盡角，顆粒拋灑過(guò)程中與筒內(nèi)空氣的換熱效率等[11-22]。本文作者先前對(duì)回轉(zhuǎn)筒內(nèi)秸稈碎料運(yùn)動(dòng)的研究，只針對(duì)無(wú)揚(yáng)料板下的料床運(yùn)動(dòng)模式，不包含揚(yáng)料板的作用[23]。

秸稈碎料在帶直揚(yáng)料板回轉(zhuǎn)筒內(nèi)的運(yùn)動(dòng)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(shí)驗(yàn)研究揚(yáng)料板對(duì)秸稈碎料運(yùn)動(dòng)的影響。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)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(duì)發(fā)酵熱均勻化的重要性遠(yuǎn)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(shí)來(lái)表征。完全混合時(shí)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(shí)驗(yàn)室級(jí)回轉(zhuǎn)筒連續(xù)固態(tài)發(fā)酵罐設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)臺(tái)，研究秸稈碎料在不同長(zhǎng)度、數(shù)量的直揚(yáng)料板作用下在回轉(zhuǎn)筒內(nèi)的運(yùn)動(dòng)過(guò)程，二元料層完全混合時(shí)間，定量化找到能最快均勻發(fā)酵熱的揚(yáng)料板方案；并剖析、歸納、總結(jié)揚(yáng)料板作用下的顆粒運(yùn)動(dòng)模式、揚(yáng)料板的作用形式等。

(1)實(shí)驗(yàn)設(shè)備

圖1 秸稈碎料回轉(zhuǎn)筒內(nèi)運(yùn)動(dòng)研究實(shí)驗(yàn)臺(tái)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(dòng)機(jī) 4.底座支架 5.相機(jī)

參考實(shí)驗(yàn)室級(jí)回轉(zhuǎn)筒連續(xù)固態(tài)發(fā)酵罐，設(shè)計(jì)秸稈碎料回轉(zhuǎn)筒內(nèi)截面運(yùn)動(dòng)研究實(shí)驗(yàn)臺(tái)(圖1)?；剞D(zhuǎn)筒內(nèi)半徑R為200 mm，與實(shí)驗(yàn)室級(jí)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(yáng)料板，板長(zhǎng)4種可調(diào)，為0.15R、0.35R、0.55R、0.75R。相機(jī)為佳能LEGRIA HF706型，標(biāo)準(zhǔn)攝像模式。

(2)實(shí)驗(yàn)材料

取山東省東營(yíng)市產(chǎn)耐鹽堿、耐干旱甜高粱稈,用高噴-500型秸稈粉碎機(jī)粉碎；用ImageJ軟件測(cè)量單層秸稈碎料照片，測(cè)得碎料主要為1 mm×10 mm的桿狀顆粒；用干燥箱測(cè)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(jì)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(dòng)帶動(dòng)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(guò)程與料床截面顏色變化過(guò)程同步，則料床截面顏色狀況可表達(dá)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(dòng)，上下分布的兩色料在幾秒內(nèi)會(huì)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(shí)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(jìn)電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)筒體轉(zhuǎn)動(dòng)，相機(jī)連續(xù)拍攝回轉(zhuǎn)筒截面照片；用Photoshop擦除照片的無(wú)關(guān)背景和雜色，將照片二值化為閾值圖；對(duì)閾值圖劃分網(wǎng)格，進(jìn)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(diǎn)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(jì)算出總料格數(shù)和未染色料格數(shù)。顯而易見(jiàn)，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(guò)程和該比值的降低過(guò)程同步，則該比值可表達(dá)兩色料的混合程度。相對(duì)于接觸數(shù)等常用混合程度指標(biāo)，計(jì)算該混合度無(wú)需知道顆粒間的細(xì)節(jié)接觸情況，這非常適用于實(shí)驗(yàn)研究。計(jì)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(diǎn)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(diǎn)密度[0.1,1]均為有料格。

網(wǎng)格劃分精細(xì)度會(huì)影響Imix計(jì)算準(zhǔn)確度，大量數(shù)據(jù)分析表明，8 mm邊長(zhǎng)網(wǎng)格劃分下計(jì)算出的Imix相對(duì)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(shí)刻的Imix。作Imix-T(時(shí)間)點(diǎn)圖并發(fā)現(xiàn)，Imix隨時(shí)間呈線性降低，故采用線性擬合，擬合線上點(diǎn)降低為零的時(shí)間即兩色料的完全混合時(shí)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(shí)驗(yàn)方案

筒內(nèi)料體積填充率50%，筒體轉(zhuǎn)速1 r/min，均與實(shí)驗(yàn)室級(jí)回轉(zhuǎn)筒連續(xù)固態(tài)發(fā)酵罐相同；考察揚(yáng)料板數(shù)：1/2/4；考察揚(yáng)料板長(zhǎng)：0.15R/0.35R/0.55R/0.75R。對(duì)照組：無(wú)揚(yáng)料板。共13項(xiàng)實(shí)驗(yàn)。每項(xiàng)實(shí)驗(yàn)重復(fù)5次，然后求5次Tc的平均值，作為該項(xiàng)實(shí)驗(yàn)的Tc。共65次實(shí)驗(yàn)，得13個(gè)Tc平均值。本實(shí)驗(yàn)為完全實(shí)驗(yàn)，但同時(shí)可進(jìn)行正交分析。

(5)實(shí)驗(yàn)過(guò)程

①在回轉(zhuǎn)筒內(nèi)安裝1塊0.15R的直揚(yáng)料板，將筒體轉(zhuǎn)至揚(yáng)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(kāi)相機(jī)，轉(zhuǎn)動(dòng)筒體，開(kāi)始攝像，待筒內(nèi)兩色料完全混合后，先關(guān)閉電動(dòng)機(jī)，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(shí)驗(yàn)做準(zhǔn)備，同時(shí)將攝像結(jié)果導(dǎo)入計(jì)算機(jī)，導(dǎo)出每秒的截圖。⑤對(duì)截圖進(jìn)行圖像分析，得各時(shí)刻的Imix和本次實(shí)驗(yàn)的Tc。⑥重復(fù)4次本實(shí)驗(yàn)，得5個(gè)Tc，求其平均值作為本項(xiàng)實(shí)驗(yàn)的Tc。⑦同法完成其他12項(xiàng)實(shí)驗(yàn)，累計(jì)得到13個(gè)平均值Tc，結(jié)果如表1。

表1 各項(xiàng)實(shí)驗(yàn)的TcTab.1 Tc of each test s

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 實(shí)驗(yàn)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(zhǎng)板”和“多+中長(zhǎng)板”兩級(jí)化降低，向“多+短板”和“多+長(zhǎng)板”兩極化升高。但“單+長(zhǎng)板”情況下筒體受力更不平衡、筒體底座受力波動(dòng)更大，故具體設(shè)計(jì)和選用揚(yáng)料板時(shí)，應(yīng)選擇“多+中長(zhǎng)板”情況，避免“多+短板”和“多+長(zhǎng)板”情況。

圖3 不同揚(yáng)料板長(zhǎng)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)結(jié)果為準(zhǔn)，取4塊板×0.55R情況為相對(duì)最快混合方案。

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

整體而言，單板時(shí)，板長(zhǎng)增加只會(huì)促進(jìn)兩色料的混合；雙板時(shí)，0.15R綜合效果阻礙兩色料混合，0.55R時(shí)混合最快；4塊板時(shí)，0.15R和0.75R綜合效果阻礙混合，0.55R時(shí)混合最快。揚(yáng)料板長(zhǎng)和揚(yáng)料板數(shù)的效應(yīng)曲線如圖4紅點(diǎn)線：Tc隨板長(zhǎng)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(dòng)性降低，類指數(shù)函數(shù)規(guī)律。

就曲線的變化趨勢(shì)而言，隨板數(shù)增多，“Tc-板長(zhǎng)”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(kāi)口越發(fā)增寬；隨板長(zhǎng)增加，“Tc-板數(shù)”線從波動(dòng)性下降突變?yōu)楦?hào)型變化，其中0.15R～0.55R為波動(dòng)性下降，整體下降幅度逐漸增大。以上兩變動(dòng)趨勢(shì)可以用圖4中的趨勢(shì)線所示。

以上結(jié)論只適用于實(shí)驗(yàn)室級(jí)回轉(zhuǎn)筒固態(tài)發(fā)酵罐。對(duì)工業(yè)級(jí)回轉(zhuǎn)筒，由于設(shè)備放大，揚(yáng)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(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。

圖4 不同揚(yáng)料板長(zhǎng)度、揚(yáng)料板數(shù)的Tc變化曲線及變化趨勢(shì)線Fig.4 Changing curves of Tc under different lengths and numbers of plates

2.2 顆粒主要運(yùn)動(dòng)模式、揚(yáng)料板的影響及兩色料混合機(jī)理分析

通過(guò)觀察實(shí)驗(yàn)攝像結(jié)果和截圖，分析、提煉、總結(jié)秸稈碎料顆粒運(yùn)動(dòng)模式、揚(yáng)料板的作用及兩色料的混合機(jī)理。為便于分析和描述，對(duì)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(yáng)料板面向筒體前進(jìn)方向的一面為板前，背向前進(jìn)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(wú)揚(yáng)料板時(shí)顆粒主要運(yùn)動(dòng)模式及兩色料混合機(jī)理分析

無(wú)板時(shí)，顆粒主要運(yùn)動(dòng)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(jī)理有2種：

(1)落料撞擊料尾斜面后撞開(kāi)、滾動(dòng)挫散

落料發(fā)生在料頭區(qū)，落料始終為料團(tuán)，落料在半空中逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)后在料尾上撞散，或在料尾斜面上滾動(dòng)、被邊界層摩擦力挫散開(kāi)，如圖6所示。無(wú)論是撞開(kāi)還是滾動(dòng)挫散，落料料團(tuán)內(nèi)顆粒間相互位置相對(duì)于落料前都發(fā)生了劇烈變化，因此當(dāng)落料料團(tuán)內(nèi)包含兩種顏色的顆粒時(shí)，料團(tuán)內(nèi)兩色料的混合程度勢(shì)必會(huì)增加，進(jìn)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(duì)位置變化不明顯，可認(rèn)為不發(fā)生兩色料的混合。這揭示了兩色料混合的根本機(jī)理：顆粒間相對(duì)位置變動(dòng)越頻繁、變動(dòng)幅度越大、變動(dòng)范圍越均布在整個(gè)料床，兩色料的混合越快。

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

此外，撞開(kāi)、滾動(dòng)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(yùn)動(dòng)模式不改變，團(tuán)聚小球現(xiàn)象就無(wú)法消除，小球不利于顆粒積熱擴(kuò)散和發(fā)酵后的乙醇提取。

圖7 回轉(zhuǎn)筒固態(tài)發(fā)酵過(guò)程中的團(tuán)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(shí)，可能會(huì)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(jì)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(guò)程的一個(gè)重要機(jī)理：A色料的料團(tuán)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(yáng)料板時(shí)顆粒主要運(yùn)動(dòng)模式、兩色料混合機(jī)理及揚(yáng)料板的作用分析

2.2.2.1單板情況

板長(zhǎng)0.15R時(shí)，顆粒主要運(yùn)動(dòng)模式與無(wú)板情況非常類似，為周期回轉(zhuǎn)，受揚(yáng)料板的影響不明顯。揚(yáng)料板對(duì)顆粒運(yùn)動(dòng)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(jī)理可看作與無(wú)板情況相同。相對(duì)于無(wú)板情況，Tc降低5 s，占無(wú)板Tc的0.7%，可以忽略。因此，可用無(wú)板情況的料床回轉(zhuǎn)周期模型預(yù)測(cè)0.15R單板的Tc。

板長(zhǎng)0.35R時(shí)，顆粒主要運(yùn)動(dòng)模式為周期回轉(zhuǎn)，且受揚(yáng)料板的影響比較明顯。揚(yáng)料板對(duì)顆粒運(yùn)動(dòng)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(jī)理除了與無(wú)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(duì)于無(wú)板情況，Tc降低120 s，為無(wú)板Tc的15.7%。

板長(zhǎng)0.55R時(shí)，顆粒主要運(yùn)動(dòng)模式為周期回轉(zhuǎn)，且受揚(yáng)料板的作用明顯。揚(yáng)料板對(duì)顆粒運(yùn)動(dòng)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(jī)理除了無(wú)板情況的2種外，還增加了上述7種。相對(duì)于無(wú)板情況，Tc降低195 s，為無(wú)板Tc的25.5%。

板長(zhǎng)0.75R時(shí)，顆粒主要運(yùn)動(dòng)模式為周期回轉(zhuǎn)+塌拱橋，且受揚(yáng)料板的作用非常明顯。揚(yáng)料板對(duì)顆粒運(yùn)動(dòng)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(jī)理除了無(wú)板情況的2種外，還增加了上述7種。相對(duì)于無(wú)板情況，Tc降低345 s，為無(wú)板Tc的45.1%，非常顯著。

揚(yáng)料板的作用解釋如下：

(1)抬料(圖9)

0.15R時(shí)，板可抬動(dòng)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(duì)位置變化不明顯，抬料對(duì)兩色料混合的影響可忽略。

0.35R時(shí)，抬料量和持料時(shí)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(guò)程中有較小的彎折蠕變，顆粒間相對(duì)位置有較小變動(dòng)，對(duì)兩色料混合有輕微促進(jìn)作用；且抬料落回料床時(shí)對(duì)料頭后部有一定的沖擊力，有時(shí)會(huì)使料頭提前剝離料床、發(fā)生落料，理論上對(duì)兩色料混合有促進(jìn)作用。

0.55R時(shí)，抬料量與持料時(shí)間進(jìn)一步增加，抬料有時(shí)會(huì)與料床完全分離，落回料床時(shí)便不會(huì)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(kāi)抬料料團(tuán)內(nèi)部、利于兩色料混合。此外，抬料時(shí)料床至高點(diǎn)有些提升(圖10)，被抬料的落差增大，落料撞擊料床時(shí)的速度有增加，理論上更利于落料撞散，對(duì)兩色料混合有促進(jìn)作用，但僅僅增加幾厘米落差，落料撞擊料床時(shí)的速度幾乎不變，對(duì)兩色料混合的促進(jìn)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(diǎn)Fig.10 Higher bed peak because of lifting

0.75R時(shí)，抬料量進(jìn)一步增加，而持料時(shí)間再無(wú)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(diǎn)進(jìn)一步提升，板上料落差進(jìn)一步增大，但對(duì)兩色料混合的促進(jìn)作用仍可忽略。

(2)切落料(圖11)

當(dāng)揚(yáng)料板距料尾較近，落料可能砸在揚(yáng)料板上受板剪切，落料內(nèi)顆粒間相對(duì)運(yùn)動(dòng)受到促進(jìn)，當(dāng)落料包含兩色顆粒時(shí)，切落料利于兩色料混合。0.15R時(shí)，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(wú)料區(qū)。0.35R時(shí)，切落料變得更加劇烈，對(duì)兩色料混合的促進(jìn)作用已不能忽略。切落料后，板前全部為無(wú)料區(qū)。0.55R和0.75R時(shí)無(wú)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(yáng)料板距料尾稍遠(yuǎn)，落料可能落在揚(yáng)料板前端被板擋住而無(wú)法攤開(kāi)，這會(huì)阻礙顆粒擴(kuò)散和顆粒間相對(duì)運(yùn)動(dòng)，當(dāng)落料包含兩色顆粒時(shí)，擋落料便不利于兩色料混合。0.15R時(shí)，板短且少，該作用十分微弱，可忽略。0.35R時(shí)，板可擋更多的料，但擋落料的出現(xiàn)概率卻因板長(zhǎng)增加顯著降低，只占切/擋落料出現(xiàn)率的28.6%，這是由于長(zhǎng)板更容易發(fā)生切落料，如圖13所示。0.55R和0.75R時(shí)無(wú)擋落料。

圖12 擋落料Fig.12 Tail intercepting of material

圖13 板長(zhǎng)增加時(shí)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(yáng)料板處在料床的非落料區(qū)內(nèi)，會(huì)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(huì)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(kāi)、滾動(dòng)挫散及異色料嵌入，對(duì)兩色料混合有提速作用。這種作用會(huì)隨著揚(yáng)料板加長(zhǎng)而逐步增強(qiáng)。

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(tuán)有時(shí)可抵抗一定的剪切力。當(dāng)揚(yáng)料板較長(zhǎng)、與料床夾縫較小時(shí)，落料可能被揚(yáng)料板頂在板與料床的夾縫處，而非被板切開(kāi)。頂持料使料床下一次落料會(huì)繞過(guò)頂持料先落在筒壁上，打破了料床有序排隊(duì)落料的周期回轉(zhuǎn)模式，讓料床顆粒間相對(duì)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(shí)，有切落料和擋落料現(xiàn)象，無(wú)頂持料現(xiàn)象；0.75R時(shí)，塌拱橋后，板后料始終和料床連為一體，完全覆蓋住揚(yáng)料板末端，因此不會(huì)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(yáng)料板擋住料頭上部，會(huì)使料頭下部更易先落料，對(duì)異色料嵌入的發(fā)生有促進(jìn)作用，利于兩色料的混合。板長(zhǎng)0.15R時(shí)不會(huì)發(fā)生上擋料。板長(zhǎng)0.35R時(shí)，上擋料持續(xù)時(shí)間過(guò)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(shí)，落料不像自然落料那樣逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，而是順時(shí)針旋轉(zhuǎn)落在料尾上。0.35R上擋料過(guò)程如圖16a。

板長(zhǎng)0.55R時(shí)，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(shí)，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(yáng)料板會(huì)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(yuǎn)；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(gè)落料區(qū)；反持料使揚(yáng)料板末端大大加寬，板對(duì)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(guò)程如圖16b。

板長(zhǎng)0.75R時(shí)，板與料床依然會(huì)形成拱橋，在橋下部和料頭均會(huì)發(fā)生落料；塌拱橋時(shí)，揚(yáng)料板已運(yùn)動(dòng)至第三象限，板后料會(huì)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(yáng)料板末端，因此不會(huì)有脫離料床的反持料現(xiàn)象，之后也不會(huì)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(jī)形成小空洞，發(fā)生料床小空洞蠕變現(xiàn)象。該過(guò)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(shí)常產(chǎn)生多個(gè)落料區(qū)，料床顆粒之間相對(duì)位置變化非常劇烈，對(duì)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(guò)程的另一個(gè)重要機(jī)理：落料區(qū)越多，兩色料混合越快；此外，從統(tǒng)計(jì)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(zhǎng)0.55R時(shí)發(fā)生塌拱橋或頂持料后，板長(zhǎng)0.75R時(shí)發(fā)生塌拱橋后，揚(yáng)料板前都會(huì)產(chǎn)生較大的料床空洞，空洞大至其內(nèi)會(huì)發(fā)生落料，由此出現(xiàn)料床和板前空洞兩個(gè)落料區(qū)，從統(tǒng)計(jì)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(huì)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(wú)法被填滿，使下次的抬料量減少、抬料更疏松，降低抬料對(duì)兩色料混合的促進(jìn)作用。此外，板長(zhǎng)0.75R時(shí)，在塌拱橋后，料床內(nèi)會(huì)隨機(jī)形成若干小空洞，空洞過(guò)小而不會(huì)發(fā)生空洞內(nèi)落料，但空洞會(huì)因料床蠕變而被迅速填滿，空洞附近顆粒間相對(duì)位置會(huì)有較小變化，理論上這對(duì)兩色料混合有促進(jìn)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(zhǎng)0.15R時(shí)，顆粒主要運(yùn)動(dòng)模式與無(wú)板情況類似，為周期回轉(zhuǎn)，受揚(yáng)料板的影響不明顯。揚(yáng)料板對(duì)顆粒運(yùn)動(dòng)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(yáng)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(duì)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(yáng)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(jī)理除了無(wú)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(duì)于無(wú)板情況，Tc延長(zhǎng)60 s，為無(wú)板Tc的7.8%。

板長(zhǎng)0.35R時(shí)，顆粒主要運(yùn)動(dòng)模式為周期回轉(zhuǎn)，受揚(yáng)料板的影響比較明顯。揚(yáng)料板對(duì)顆粒運(yùn)動(dòng)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(guò)程類似0.35R單板情況，抬料出現(xiàn)率加倍使抬料影響變強(qiáng)；非落料區(qū)內(nèi)可同時(shí)有1或2塊揚(yáng)料板，板隔料作用增強(qiáng)；揚(yáng)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(jìn)一步提升，這是由于板隔料作用加強(qiáng)使料床更松散，料床更容易發(fā)生小料團(tuán)落料，而只有小料團(tuán)落料才能通過(guò)板和料床之間的夾縫，發(fā)生擋落料現(xiàn)象。單次上擋料過(guò)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(qiáng)。總體而言，兩色料混合機(jī)理除了無(wú)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(duì)無(wú)板情況，Tc降低30 s，為無(wú)板Tc的3.9%。

板長(zhǎng)0.55R時(shí)，顆粒主要運(yùn)動(dòng)模式為塌拱橋，次要運(yùn)動(dòng)模式為周期回轉(zhuǎn)。揚(yáng)料板對(duì)顆粒運(yùn)動(dòng)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(guò)程類似0.55R單板情況，抬料出現(xiàn)率加倍使抬料影響變強(qiáng)；兩塊揚(yáng)料板始終與料床接觸，板隔料作用增強(qiáng)。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(jī)理除了無(wú)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(duì)于無(wú)板情況，Tc降低260 s，為無(wú)板Tc的34.0%，非常顯著。

板長(zhǎng)0.75R時(shí)，顆粒主要運(yùn)動(dòng)模式為塌拱橋中的雙半圓區(qū)落料坍塌，次要運(yùn)動(dòng)模式為周期回轉(zhuǎn)。揚(yáng)料板對(duì)顆粒運(yùn)動(dòng)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(shí)，抬料不會(huì)脫離料床，抬料對(duì)兩色料混合的促進(jìn)作用顯著減弱。板加長(zhǎng)、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(yáng)料板其前產(chǎn)生空洞的概率增加，會(huì)發(fā)生板前空洞內(nèi)落料；未與料床接觸的揚(yáng)料板，之后會(huì)發(fā)生頂持料?？傮w而言，兩色料混合機(jī)理除了與無(wú)板情況相同的2種外，還增加了上述7種。但相對(duì)于0.75R單板情況而言，揚(yáng)料板的作用種類減少，各作用對(duì)兩色料混合的促進(jìn)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(duì)于無(wú)板情況，Tc降低80 s，為無(wú)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(yáng)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(shí)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(yáng)料板分在兩半圓區(qū)內(nèi)，當(dāng)揚(yáng)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(dòng)落料，拱橋下表面有少量剝離性落料穿過(guò)雙板夾縫進(jìn)入另一半圓區(qū)，但在0.75R情況時(shí)，拱橋下部不發(fā)生穿縫式落料。坍塌后，0.55R時(shí)，隨筒體轉(zhuǎn)動(dòng)會(huì)發(fā)生切落料或頂持料，進(jìn)而是抬料和形成拱橋，0.75R時(shí)，隨筒體轉(zhuǎn)動(dòng)會(huì)發(fā)生抬料并再次形成拱橋，成橋時(shí)間比0.55R情況快半個(gè)筒體轉(zhuǎn)動(dòng)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(zhǎng)0.15R時(shí)，顆粒主要運(yùn)動(dòng)模式與無(wú)板情況類似，為周期回轉(zhuǎn)。受揚(yáng)料板的影響略明顯。揚(yáng)料板對(duì)顆粒運(yùn)動(dòng)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(yáng)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(duì)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(yáng)料板存在，板隔料作用增強(qiáng)。總體而言，兩色料混合機(jī)理除了無(wú)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(duì)兩色料混合的阻礙作用。相對(duì)于無(wú)板情況，Tc延長(zhǎng)30 s，為無(wú)板Tc的3.9%。

板長(zhǎng)0.35R時(shí)，顆粒主要運(yùn)動(dòng)模式為周期回轉(zhuǎn)，受揚(yáng)料板的影響比較明顯。揚(yáng)料板對(duì)顆粒運(yùn)動(dòng)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(shí)間大大加長(zhǎng)，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(guò)程類似0.35R單板情況，但抬料作用頻率為單板情況4倍，對(duì)兩色料混合的促進(jìn)作用增強(qiáng)。非落料區(qū)內(nèi)可同時(shí)有2或3塊揚(yáng)料板，板隔料作用增強(qiáng)，頂持料不易出現(xiàn)。揚(yáng)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(duì)于0.35R雙板情況變化不大。總體而言，兩色料混合機(jī)理除了與無(wú)板情況相同的2種外，還增加了上述5種。相對(duì)無(wú)板情況，Tc降低245 s，為無(wú)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(zhǎng)0.55R時(shí)，顆粒主要運(yùn)動(dòng)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(yáng)料板的影響非常明顯，料床形狀也變成十字形(圖21)。揚(yáng)料板對(duì)顆粒運(yùn)動(dòng)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(qiáng)。1/4圓料區(qū)落料使得料床存在4個(gè)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(wú)法發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)的料區(qū)。兩色料混合機(jī)理為上述4種。相對(duì)于無(wú)板情況，Tc降低375 s，為無(wú)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(diǎn)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(zhǎng)0.75R時(shí)，顆粒主要運(yùn)動(dòng)模式為中心堵料+1/4圓料區(qū)落料，受揚(yáng)料板的影響非常明顯(圖21)。揚(yáng)料板對(duì)顆粒運(yùn)動(dòng)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(zhǎng)，中心堵料已無(wú)法發(fā)生蠕變落料，顆粒間相對(duì)位置基本不變。顯而易見(jiàn)，發(fā)酵時(shí)，中心堵料區(qū)很容易出現(xiàn)發(fā)酵熱過(guò)度積累?？傮w而言，兩色料混合機(jī)理為上述3種。相對(duì)于無(wú)板情況，Tc沒(méi)有變化。

(1)1/4圓區(qū)落料

長(zhǎng)板將料床分為4個(gè)1/4圓區(qū)導(dǎo)致的顆粒運(yùn)動(dòng)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(kāi)、滾動(dòng)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(kāi)、滾動(dòng)挫散，板前空洞內(nèi)落料。其中，料較少的區(qū)運(yùn)動(dòng)到右上角時(shí)，有較高概率發(fā)生反向落料(圖22)。由于任一時(shí)刻筒內(nèi)存在4個(gè)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(yáng)料板的夾擊和周圍4個(gè)1/4圓料區(qū)的擠壓，運(yùn)動(dòng)能力較弱。當(dāng)揚(yáng)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(duì)位置可變化，任一時(shí)刻筒內(nèi)便存在4個(gè)1/4圓落料區(qū)和1個(gè)中心堵料落料區(qū)，落料區(qū)多利于兩色料混合。當(dāng)揚(yáng)料板過(guò)長(zhǎng)，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(duì)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(shí)間大大提升，極不利于兩色料混合。這揭示了一切混合過(guò)程的一個(gè)重要認(rèn)識(shí)：當(dāng)存在堵料區(qū)時(shí)，整體混合速度將大大下降，甚至無(wú)法完全混合。

2.3 不同揚(yáng)料板情況下的料床運(yùn)動(dòng)模式

整理有/無(wú)揚(yáng)料板作用下回轉(zhuǎn)筒內(nèi)秸稈碎料顆粒運(yùn)動(dòng)的所有模式、揚(yáng)料板的影響作用及對(duì)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(shí)驗(yàn)室級(jí)回轉(zhuǎn)筒固態(tài)發(fā)酵罐。對(duì)工業(yè)級(jí)回轉(zhuǎn)筒，由于設(shè)備放大，顆粒的運(yùn)動(dòng)模式分布及揚(yáng)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(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。

3 結(jié)論

(1)就實(shí)驗(yàn)室級(jí)回轉(zhuǎn)筒固態(tài)發(fā)酵罐而言，對(duì)筒內(nèi)兩色料混合時(shí)間的影響，即對(duì)筒內(nèi)料動(dòng)態(tài)摻混、抵抗發(fā)酵積熱能力的影響，揚(yáng)料板長(zhǎng)大于揚(yáng)料板數(shù)，兩者在同數(shù)量級(jí)，均表現(xiàn)顯著。宏觀上，兩色料完全混合時(shí)間Tc隨板長(zhǎng)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(zhǎng)板”和“多+中長(zhǎng)板”兩級(jí)化降低，向“多+短板” 和“多+長(zhǎng)板”兩級(jí)化升高。即筒內(nèi)料動(dòng)態(tài)摻混速度隨板長(zhǎng)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(zhǎng)板”和“多+中長(zhǎng)板”兩級(jí)化提升，向“多+短板” 和“多+長(zhǎng)板”兩級(jí)化降低。0.55R、4塊板情況混合相對(duì)最快。

(2)筒內(nèi)秸稈碎料顆粒運(yùn)動(dòng)模式因顆粒性質(zhì)差異而不能套用干粉顆粒。就實(shí)驗(yàn)室級(jí)回轉(zhuǎn)筒固態(tài)發(fā)酵罐而言，從無(wú)板到4塊板，板長(zhǎng)0.15R到0.75R，顆粒運(yùn)動(dòng)呈現(xiàn)豐富多彩、多種多樣的模式，無(wú)法用單一模型描述，需分解研究。基于攝像分析，歸納出有/無(wú)揚(yáng)料板作用顆粒運(yùn)動(dòng)的所有模式，并就各模式對(duì)兩色料混合的促進(jìn)和阻礙作用進(jìn)行了分析。

(3)對(duì)工業(yè)級(jí)回轉(zhuǎn)筒，由于設(shè)備尺寸放大，最快混合揚(yáng)料板方案、揚(yáng)料板對(duì)顆粒的作用、顆粒的運(yùn)動(dòng)模式分布均可能發(fā)生變化，例如，工業(yè)級(jí)回轉(zhuǎn)筒內(nèi)就基本不會(huì)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(shí)驗(yàn)研究。

表2 不同揚(yáng)料板情況下的顆粒運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)模式。

(4)兩色料混合的根本機(jī)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(shí)包含A、B料的料團(tuán)通過(guò)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(huì)發(fā)生在A、B料的交界面。此外，無(wú)永久性堵料區(qū)時(shí)，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(duì)一切混合過(guò)程的本質(zhì)都有概括意義。

1 彭春艷, 羅懷良, 孔靜. 中國(guó)作物秸稈資源量估算與利用狀況研究進(jìn)展[J]. 中國(guó)農(nóng)業(yè)資源與區(qū)劃, 2014,35(3):14-20.

PENG Chunyan, LUO Huailiang, KONG Jing. Advance in estimation and utilization of crop residues resources in China [J]. Journal of China Agricultural Resources and Regional Planning, 2014, 35(3):14-20. (in Chinese)

2 李十中，李光明，侯文慧，等. 一種制取燃料乙醇的連續(xù)固態(tài)發(fā)酵工藝及裝置: 102071222A [P]. 2011-05-25.

3 韓冰, 王莉, 李十中, 等. 先進(jìn)固體發(fā)酵技術(shù) (ASSF) 生產(chǎn)甜高粱乙醇[J]. 生物工程學(xué)報(bào), 2010, 26(7): 966-973.

HAN Bing, WANG Li, LI Shizhong, et al. Ethanol production from sweet sorghum stalks by advanced solid state fermentation (ASSF) technology[J]. Chinese Journal of Biotechnology, 2010, 26(7): 966-973. (in Chinese)

4 梅曉巖, 劉榮厚, 曹衛(wèi)星. 甜高粱莖稈固態(tài)發(fā)酵制取燃料乙醇中試項(xiàng)目能耗分析[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào), 2012, 28(4): 194-198.

MEI Xiaoyan, LIU Ronghou, CAO Weixing. Energy consumption analysis on pilot-scale plant of fuel ethanol production from sweet sorghum stalk by solid state fermentation [J]. Transactions of the CSAE, 2012, 28(4):194-198. (in Chinese)

5 錢世凱. 甜高粱莖稈固體發(fā)酵制乙醇工藝研究[D]. 長(zhǎng)春:吉林大學(xué), 2012.

QIAN Shikai. Study on technology of producing alcohol from sweet sorghum by solid-state fermentation[D]. Changchun: Jilin University, 2012. (in Chinese)

6 田雁飛, 馬友華, 胡園園,等. 秸稈肥料化生產(chǎn)的現(xiàn)狀、問(wèn)題及發(fā)展前景[J]. 中國(guó)農(nóng)學(xué)通報(bào), 2010, 26(16):158-163.

TIAN Yanfei, MA Youhua, HU Yuanyuan, et al. The present state, problems and developing perspectives on fertilizer production with straws[J]. Chinese Agricultural Science Bulletin, 2010,26(16):158-163. (in Chinese)

7 翟相和. 針對(duì)秸稈顆粒的回轉(zhuǎn)式間接燃燒裝置研發(fā)[D]. 杭州:浙江大學(xué), 2016.

ZHAI Xianghe. Research & developing of a rotary indirect combustor for straw pellet [D]. Hangzhou: Zhejiang University, 2016. (in Chinese)

8 田宜水, 李十中, 趙立欣, 等. 甜高粱莖稈乙醇全生命周期分析[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào), 2011, 42(6): 132-137.

TIAN Yishui, LI Shizhong, ZHAO Lixin, et al. Life cycle assessment on fuel ethanol producing from sweet sorghum stalks[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2011, 42(6): 132-137. (in Chinese)

9 耿欣, 李天成, 李十中,等. 甜高梁莖稈固態(tài)發(fā)酵制取燃料乙醇過(guò)程分析與中試研究[J]. 太陽(yáng)能學(xué)報(bào), 2010, 31(2):257-262.

GENG Xin, LI Tiancheng, LI Shizhong, et al. Studies on the process parameters of solid state fermentation for fuel ethanol production from sweet sorghum stalks and pilot test[J]. Acta Energiae Solaris Sinica, 2010, 31(2):257-262. (in Chinese)

10 馮俊小, 林佳, 李十中,等. 秸稈固態(tài)發(fā)酵回轉(zhuǎn)筒內(nèi)顆?；旌蠣顟B(tài)離散元參數(shù)標(biāo)定[J/OL]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào), 2015, 46(3): 208-213.http:∥www.j-csam.org/jcsam/ch/reader/view_abstract.aspx?file_no=20150330&flag=1. DOI：10.6041/j.issn.1000-1298.2015.03.030.

FENG Junxiao, LIN Jia, LI Shizhong, et al.Calibration of discrete element parameters of particle in rotary solid statefermenters [J/OL]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2015, 46(3): 208-213. (in Chinese)

11 李德付, 尹洪超, 張明, 等. 回轉(zhuǎn)窯橫截面顆粒流動(dòng)特性數(shù)值模擬研究[J]. 哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報(bào), 2013, 34(6): 703-708.

LI Defu, YIN Hongchao, ZHANG Ming, et al. Numerical simulation of granular flow behavior in the cross section of a rotary kiln[J].Journal of Harbin Engineering University, 2013, 34(6): 703-708. (in Chinese)

12 李勇. 回轉(zhuǎn)窯內(nèi)物料運(yùn)動(dòng)與傳熱特性分析[D]. 武漢:華中科技大學(xué), 2011.

LI Yong. Features analysis about the material movement and heat transfer process in the rotary Kiln [D]. Wuhan: Huazhong University of Science and Technology, 2011. (in Chinese)

13 徐欣. 回轉(zhuǎn)窯物料運(yùn)動(dòng)規(guī)律及其實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)[D]. 長(zhǎng)沙: 湖南大學(xué), 2011.

XU Xin. Solids motion in rotary kilns: motion behavior and real-time monitoring system [D]. Changsha: Hunan University, 2011. (in Chinese)

14 陳輝, 肖友剛, 趙先瓊,等. 回轉(zhuǎn)窯內(nèi)二元顆粒物料的徑向混合[J]. 工程科學(xué)學(xué)報(bào), 2016, 38(2):194-199.

CHEN Hui, XIAO Yougang, ZHAO Xianqiong, et al. Transverse mixing of binary solid materials in a rotating kiln [J]. Chinese Journal of Engineering, 2016, 38(2):194-199. (in Chinese)

15 陳輝, 劉義倫, 趙先瓊,等. 一元散體顆粒物料在回轉(zhuǎn)窯截面上的運(yùn)動(dòng)與混合[J]. 中國(guó)有色金屬學(xué)報(bào), 2015, 25(9):2575-2581.

CHEN Hui, LIU Yilun, ZHAO Xianqiong, et al. Motion and mixing of mono-disperse granular material in cross section of rotary kiln [J].The Chinese Journal of Nonferrous Metals, 2015, 25(9):2575-2581. (in Chinese)

16 張明. 三維回轉(zhuǎn)窯內(nèi)物料流動(dòng)及換熱特性數(shù)值模擬[D]. 大連:大連理工大學(xué), 2014.

ZHANG Ming.Numerical simulation of particle flow characteristics and heat transfer in a three-dimensional rotary kiln[D]. Dalian: Dalian University of Technology, 2014. (in Chinese)

17 周生健. 回轉(zhuǎn)窯物料運(yùn)動(dòng)特征信息及其測(cè)量[D]. 長(zhǎng)沙:湖南大學(xué), 2010.

ZHOU Shengjian. Solids motion in rotary kilns: characteristic parameters and their detection [D]. Changsha: Hunan University, 2010. (in Chinese)

18 DELELE M A, WEIGLER F, FRANKE G, et al. Studying the solids and fluid flow behavior in rotary drums based on a multiphase CFD model [J]. Powder Technology, 2016, 292:260-271.

19 劉懷偉, 呂春旺, 譚培來(lái),等. 滾筒冷渣機(jī)揚(yáng)料板的技術(shù)特性研究[J]. 鍋爐制造, 2014(2):7-11.

LIU Huaiwei, Lü Chunwang, TAN Peilai, et al.A study on performance of flight of rotary drum ash cooler[J]. Boiler Manufacturing, 2014(2):7-11. (in Chinese)

20 呂春旺, 劉懷偉, 譚培來(lái),等. 三種揚(yáng)料板技術(shù)特性的比較研究[J]. 鍋爐技術(shù), 2014, 45(5):32-35.

Lü Chunwang, LIU Huaiwei, TAN Peilai, et al. Performance comparison of three kinds of flight of rotarydrum[J]. Boiler Technology, 2014, 45(5):32-35. (in Chinese)

21 JIANG Maoqiang, ZHAO Yongzhi, LIU Gesi, et al. Enhancing mixing of particles by baffles in a rotating drum mixer[J]. Particuology, 2011, 9(3): 270-278.

22 耿凡. 細(xì)長(zhǎng)柔性絲狀顆粒運(yùn)動(dòng)特性的研究[D].南京: 東南大學(xué), 2010.

GENG Fan. Study on dynamics behavior of flexible filamentous particles [D]. Nanjing: Southeast University, 2010. (in Chinese)

23 周敬之, 周知星, 馮俊小,等. 回轉(zhuǎn)筒內(nèi)秸稈碎料回轉(zhuǎn)周期和料層完全混合時(shí)間研究[J/OL]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào), 2015, 46(8):178-185.http:∥www.j-csam.org/jcsam/ch/reader/view_abstract.aspx?file_no=20150824&flag=1. DOI：10.6041/j.issn.1000-1298.2015.08.024.

ZHOU Jingzhi, ZHOU Zhixing, FENG Junxiao, et al. Study on rotary cycle of crushed straw material bed and complete mixing time of layers in rotary drum[J/OL]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2015, 46(8):178-185. (in Chinese)

24 孫驪, 仇農(nóng)學(xué). 農(nóng)產(chǎn)品物理特性及測(cè)量[M]. 重慶:重慶出版社, 2007.

25 張立棟, 韋慶文, 秦宏,等. 柱狀生物質(zhì)顆粒與鋼球顆粒在滾筒中的混合特性[J]. 化工進(jìn)展, 2016, 35(10):3057-3064.

ZHANG Lidong, WEI Qingwen, QIN Hong, et al. Mixing characteristics in a rotary drum filled with cylindrical biomass and spherical steel particles [J]. Chemical Industry & Engineering Progress, 2016, 35(10):3057-3064. (in Chinese)

26 JIANG Haishen, ZHAO Yuemin, DUAN Chenglong, et al. Kinematics of variable-amplitude screen and analysis of particle behavior during the process of coal screening[J]. Powder Technology, 2016,306(1):88-95.

27 GéLINAS V, VIDAL D. Determination of particle shape distribution of clay using an automated AFM image analysis method[J]. Powder Technology, 2010, 203(2):254-264.

28 王永紅, 杜屏, 任立群. 精粉及污泥造球燒結(jié)實(shí)驗(yàn)[J]. 中國(guó)冶金, 2015, 25(5):11-14.

WANG Yonghong, DU Ping, REN Liqun. Experiment of pelletizer sintering by fine powder and sludge[J]. China Metallurgy, 2015, 25(5):11-14. (in Chinese)

29 席玉明. 造球盤加水對(duì)生球質(zhì)量的影響及改進(jìn)措施[J]. 山西冶金, 2016, 39(3):85-87.

XI Yuming. The influence of water adding in pelletizing disc on green pellet quality and improvement measures[J]. Shanxi Metallurgy, 2016, 39(3):85-87. (in Chinese)